【隧道衬砌排水系统网络的相关概念概述3000字】

隧道衬砌排水系统网络的相关概念概述目录TOC\o"1-3"\h\u10995隧道衬砌排水系统网络的相关概念概述 1246471.1隧道衬砌排水系统网络分层结构 1158091.2衬砌排水系统网络的属性类别 3隧道衬砌排水系统作为隧道重要附属结构，承担着汇集围岩地下水、缓解衬砌背后水压力的重要功能。从形式上看，系统沿隧道纵向并列延伸、横向及环向相接，呈有规律、交错分布的管道网络。因此应从其概念认识出发，将其进行数学建模讨论。1.1隧道衬砌排水系统网络分层结构隧道衬砌排水系统从分布位置上可以分为纵向排水盲管、横向排水盲管、环向排水盲管和中央排水管，但是这种分类方式未限定管道长度的讨论范围，也未对上述管道的细部构造区别加以区分。更重要的是基于上述模糊定义，无法正确表达设计、施工及维修养护各个阶段对于不同位置处的具体定位，不利于定义和描述管道结构状态和功能发挥情况。因此，为了深入分析衬砌排水系统网络的性状，将衬砌排水系统网络按照结构分布和功能状态划分为单元及系统层面、管段层面、节点层面等三个层面，如图2-1所示。图2-1隧道衬砌排水系统网络分层示意图系统网络的单元及系统层面主要指完整衬砌排水系统和排水单元，关注其综合多个组成构件最终输出独立完整的整体结果，如图2-2所示。本文将“系统”定义为隧道纵向全长范围内的所有排水网络结构，关注其从整体层面实现预期排水功能的能力，并期望最终能够给出相应的工程评价等级，从而决定遇到管网缺陷后实施的维护手段规模和成本投入。“系统”之下是由诸多“单元”组成，即认为排水单元是沿隧道纵向可以按排水功能划分的最小独立个体。排水管网每处的空间位置不同，具有不同的地质、水文条件，接收经围岩渗入的地下水量也不同，但上述条件沿隧道纵向从类别上来讲是统一不变的，因素变化仅对渗透进入管网的水量多少有影响。将其分区划分单元后即可抽象出单个排水单元模型，研究其普遍意义下的排水行为和排水功能。图2-2隧道衬砌排水系统网络单元及系统层面示意图系统网络的管段层面主要由单元内各部分管段组成，表征完整网络与细部构造之间的承接关系，如图2-3所示。“单元”是“系统”独立实现排水功能的最小有机整体，而其功能的实现依靠内部各自承担不同功能的多个“管段”形成统一有机的整体。同时，“管段”在长度量纲上仍然具有一定规模，根据量化研究的目标可进一步细分，因此可以说“管段”是单元内部细化后具有次级独立功能的完整个体，在整个排水管网中起到承上启下的重要作用。各部分管段从横纵几何形式、材料等方面保持一致，具体可按位置及延伸方向分为纵向管段、横向管段、环向管段和中央管段，即常规理解的各类盲管（沟），但是对应的仅是一个单元范围内的盲管（沟）。图2-3隧道衬砌排水系统网络管段层面示意图系统网络的节点层面主要是将单元内管段进行进一步细分为管节，认为一段完整管段是由若干管节组成，每个管节实体可抽象为由“节点-边”构成的数学模型，如图2-4所示。这种划分方式的目的是将具有一定长度的管段做微分处理，以节点和边的形式承载实体管节的各种信息，并通过函数表达当前状态下管节具有的排水功能。因为沿管段不同位置处的地下水渗入量不同，管段间的连接方式也存在差异，特别是在拱脚三通位置处形成交汇构造，所以微分处理后便可重点讨论众节点和边上的信息和函数关系，从而实现管网内排水功能及其使用程度的数学量化。图2-4隧道衬砌排水系统网络节点层面示意图1.2衬砌排水系统网络的属性类别衬砌排水系统具有的网络属性包括几何/材料属性、拓扑属性和水力属性等。（1）几何/材料属性隧道排水管网的几何属性主要包括管道坡度、管径、管段空间间距、管道长度、管道截面形式等参数，材料属性主要是各管段选用的具体材料。可以说这两种属性共同决定了衬砌排水系统网络的实体特征，构成地下水流动疏排的实际载体。而在山岭隧道工程中，根据隧道的具体用途可以大致分为公路隧道和铁路隧道两种主要形式，这两种形式在隧道衬砌排水系统的相关设计上存在不同，需要做进一步讨论和总结。铁路隧道和公路隧道内纵向排水沟管的坡度一般与路线纵坡一致，而正常的隧道纵坡坡型只有单面坡和人字坡两种，均以隧道长度、是否过岭、地下水丰富度及通风难度等要素作为选择依据。根据JTG3370.1—2018《公路隧道设计规范第一册土建工程》18.3节可知，公路隧道纵向排水盲管及中央排水沟（管）的排水坡度不宜小于0.5%，困难地段不应小于0.3%，横向排水盲管坡度不应小于2%。环向盲管的设置距离应为5-10m，渗水量较大时可以加密。各部分截面管径及过水断面则应根据相应的水力计算确定。至于管道材料，排水盲管可采用半圆波纹塑料管、软式透水管、Ω形排水新材料等。中央排水沟（管）可采用上半断面打孔的双壁波纹塑料管或钢筋混凝土管。根据TB10003—2016《铁路隧道设计规范》10.3节可知，铁路隧道纵向排水盲管及中央排水沟（管）的排水坡度应与隧道坡度一致，不宜小于0.3%，横向排水管坡度宜为2%。环向盲管间距宜为8-12m，管径不宜小于50mm。纵向排水盲管的管径不宜小于80mm。（2）拓扑属性隧道衬砌排水系统是供地下水流动的管网，相当于排水的功能载体。由于管道内置纵坡，地下水在重力驱动下的流动路径是相对固定的，那么排水网络内就会表现出有规律的方向性，可以用有向图“节点-边”的形式描述，如图2-5所示。图2-5隧道衬砌排水网络节点-边示意图一方面，隧道衬砌排水系统网络有向图中的每条边都分别关联着一对有序节点，根据“节点-边”不断串联、并联形成管段、单元和系统等各层面网络图，如图2-6所示。这种思路即将具体的“管道排水”按照微分的思想进行分段（节）处理，每个节点处的信息蕴含该处管道截面的管道直径、材料等非水力属性和流量、流速等水力属性，而每对相邻节点之间的边则表征着节点之间关于地下水流动行为的传递关系。另一方面，涉及到隧道衬砌排水系统网络图的具体分析时，需要对构成其网络的各节点进行有效编号。由于不同节点在网络中承担的作用不同，复杂程度更高的位置对网络功能实现具有更大的重要度，因此可以用权重的形式加以描述其网络拓扑特点。由此便可通过综合各层实体对应的水力关系与网络权重之间的耦合关系，最终给出有效的评价形式及结果。图2-6隧道衬砌排水单元网络有向图（3）水力属性隧道衬砌排水系统设置的目的在于疏排周围地层汇聚的地下水，研究对象为地下水在管网内的流动状态，应根据流体力学对地下水的流动状态做重点讨论，结合管网各层面揭示地下水在管网内流动的水力属性及基本假定。地下水由围岩中渗入盲管，经环向、纵向盲管汇入横向盲管，再流入中央排水管直至排出隧道，管道由小到大，分布类似河流，呈树枝状，与市政给水管道的环状网情况完全不同，而与市政污水管网情况类似。地下水一般依据高差从高向低在重力作用下流动，多数情况下认为管道内部是不承受压力的（管道完全堵塞情况除外）。另外，可认为地下水基本与清水类似，悬浮物质极少，因此可认为地下水服从一般水流的流动规律，假定管道内水流为均匀流。管网内地下水的实际流速是发生变化的，主要原因在于管道内流量的变化；管道交汇处产生回水，造成上游部分流速减小；管道跌水造成以下部分流速增加；管道转弯处及检