CN102094678B - 岩溶隧道溃水风险的识别方法 - Google Patents

Abstract

一种隧道施工中用于识别岩溶溃水风险的方法，其特征是：在隧道掌子面实施水平钻孔，在中心测试孔安装压力表，进行放水、闭水试验相关测试的方法和程序，根据测试结果，进行高溃水风险识别的判别。使用这一套检测和测试方法，可以较为迅速的判断出在隧道施工的前方的溶腔，是否具有较高的岩溶溃水的风险，以便采取相应的工程措施进行处理或规避。

Description

岩溶隧道溃水风险的识别方法

技术领域

本发明涉及隧道工程风险管理，具体说是一种在隧道工程施工中对一种全新的风险——岩溶溃水进行识别的方法。

背景技术

宜万铁路马鹿箐隧道是我国乃至世界隧道建造史上瞬间涌水量最大隧道，其2006年的“1.21”突水事故，瞬间涌水量高达200m³/s，140分钟内涌水总量110×10⁴m³。本次突水摧毁了隧道内的所有工程设施，并有人员伤亡。在其后两年建设期内，马鹿箐隧道还又发生10×10⁴m³以上的突水5次。

隧道工程的突水、涌水是常见的安全风险之一，然而马鹿箐隧道的突水，与普通的岩溶突水、涌水有着十分明显的区别。其危害性远大于普通的岩溶突水、涌水，是以前的隧道工程中从来没有遇到的。为了与普通的岩溶突水、涌水区别，这种大体量且有一定静储量的高压岩溶水在隧道坑道内的瞬间释放，并伴随突泥、突巨石的涌水定义为岩溶溃水(karst water burst flood or Super karst water burst)。岩溶溃水有如下的特征：

(1)水量大、水压高、泥沙含量高、具有不可抗拒的破坏力；

(2)没有先兆、具有突发性与间歇性。

岩溶溃水是一种特殊的、规模超大的突涌水。从其发生的机理上讲，岩溶溃水不是天然发生的地质灾害，它是伴随人类的工程活动而产生的次生灾害，是人类的工程活动范围扩大，工程的艰巨性增加而带来的一种全新的工程风险。在《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》没有该风险因素的论述。在隧道风险评估时，只对一般“突水”、“涌水”进行风险识别，而对大体量或超大体量且自身存在一定静态储水性质的承压岩溶水在隧道坑道内的突然集中释放的风险没有概念，也就不能对此类危害进行风险识别，因而难以引起工程技术人员和管理者在隧道安全风险管理上的高度警惕。

隧道工程中，通常通过勘测设计期间的地质勘察和涌水量预测，以及施工期间的超前地质预报来进行一般“突水”、“涌水”的风险识别，在马鹿箐隧道1.21溃水发生前，在设计阶段进行详细的地质勘察，发生溃水地段的设计预测涌水量为每天9×10⁴m³，显然这个数据和溃水发生时的涌水量有天壤之别；在工程施工阶段，进行了系统的超前地质预报工作，这些预报工作包括：区域地质调查、TSP203、地质雷达、隧道开挖面地质素描、隧道开挖面红外探水、以及超前水平钻孔等，通过地质预报发现了发生溃水灾害的+978含水溶腔的存在，并对该溶腔进行帷幕注浆处理。但是1.21溃水以及宜万铁路其它隧道工程的溃水发生，从一个侧面反映了当前我国隧道工程中超前地质预报工作在预防岩溶溃水这类灾害还存在问题和缺陷。这主要是因为岩溶溃水风险的隐蔽性使该风险识别很困难，极易和普通的岩溶突水混淆。

马鹿箐隧道1.21溃水后，为了进一步查明“马鹿箐隧道1.21岩溶突水”后隧道的工程地质、水文地质条件，针对马鹿箐隧道的补充地质勘察主要进行如下工作：补充地质调查测绘、水文地质观测、水文地球化学勘查、高频音频电磁(EH-4)探测以及深孔钻探、测试、示踪试验、在隧道进口方向的大量水平钻孔等，终于探明导致灾害溶腔的基本状况，为隧道的贯通和岩溶的综合治理创造了条件。但是这些探测工作耗资巨大，且耗费时间。有的勘测项目是溃水后，才能有针对性的去作，比如，溃水点的地表深孔钻探等。

溃水风险的隐蔽性使岩溶溃水的风险十分难以识别。但是岩溶溃水的巨大破坏性，需要在施工中快速识别溃水风险，以便于在溃水灾害发生前，予以防范、规避和采取有效的工程措施。

溃水风险发生的几率，与隧道穿越岩溶发育的规模有关。经过研究发现，岩溶溃水主要与以下客观因素相关：

(1)岩溶空腔(溶腔、溶隙等)内的静水储量的大小以及填充物的情况

(2)隧道内的岩溶水的压力大小

(3)有静水贮存的岩溶空腔与隧道的空间关系

(4)溶腔与地表和地下水系的连通性。

以上四项可以在本发明中统称为“与隧道工程相关岩溶水规模”。简称为“岩溶水规模”。溃水的风险识别方法，主要针对岩溶水规模进行相关的钻探和测试分析。只要通过一定的测试方法，把岩溶水的规模的探测转化为可以测试的数据，就可以在隧道工程中，识别出溃水风险。

在岩溶富水地段，隧道施工中比较常用勘测手段的超前水平钻探。但目前隧道掌子面的超前水平钻探还不完善，一般只是在钻孔过程中记录地质状况，钻孔出水后测量钻孔的水量和水压。本发明是基于超前水平钻孔的一种超前地质预报技术。通过特殊的钻孔方法和通过检测程序，来进行岩溶溃水风险的判识。

发明内容

本发明的目的是解决岩溶溃水风险识别问题，通过岩溶水规模探测，能够快速的识别岩溶溃水风险，以便于采取措施规避风险。

所述岩溶隧道溃水风险的识别方法，其特征是包括以下步骤：

一、在隧道掌子面布置及实施水平钻孔；

二、在钻孔过程中观测记录单位时间钻进尺寸、孔内出水量、出水颜色，泥沙含量；

三、当钻孔穿透岩壁进入溶腔后，退出钻杆，安装阀门，并关闭阀门；

四、在中心孔安装压力表；

五、分别进行原始水压力测试、放水试验、闭水试验、地表水系水位观测和大气降雨观测；

六、根据测试和观测结果进行溃水风险判断，当测试和观测值大于设定的临界值时，即可认定有溃水风险。

在步骤一中展开，首先、布置超前水平钻孔；其次、在每个水平钻孔处安装孔口管；第三、水平钻孔通过孔口管钻进到岩层。

在所述布置超前水平钻孔时中心孔水平布置，周边孔放射状布置，孔数可根据断面大小增减。

所述孔口管的安装方法是：在岩壁钻孔的孔径大于孔口管5～10mm，在梅花状钻孔端并缠绕麻丝或其它有一定强度的纤维，将孔口管插入，并注入水泥-水玻璃双液浆。

在步骤四中所述的压力表安装方法是：先连接三通管，在三通管上连接压力表。

在步骤五中所述的水压力测试，在水头压力小于隧道洞高3倍时时，按一般涌水风险处理；当水头压力大于隧道洞高3倍时，需进行放水试验验证水量。

在所述放水试验中防止高压水的冲击的方法是：将周边孔通过阀门连接软管，软管的长度应保证出口距离隧道掌子面3米以上，末端管口置于地上。

所述放水试验步骤包括：开放全部钻孔防水，在放水全过程观测流量和水头压力，绘制P-T压力-时间曲线、Q-T流量-时间曲线和P-Q压力-流量关系曲线；并统计计算水压力P开始稳定时溶腔的总排水量和排水时间，水压力P开始稳定是指P-T曲线的斜率水平，压力P不再随时间下降的起点。

在步骤五中所述的闭水试验步骤包括：关闭全部放水孔，绘制P-t，即压力时间曲线图，判断溶腔水在单位时间内的补给量。

溶腔内的静水储量为溶腔总排水量减去与排水时间相应的总补给量。

在步骤四、五进行同时，进行地表水系的水位监测，根据水位变化判断溶腔是否与地表水系的连通；当有大气降雨时，观测降雨量和洞内水位变化关系和延迟响应的时间；从而判断出地表水和地下水进入溶腔的通道的畅通性。

在步骤六中所述根据观测结果进行溃水风险的判断，是根据溶腔压力值和总静水储量、溶腔与地下和地表水系的连通性，识别出岩溶溃水的风险。

本发明大大缩短了隧道施工中探测岩溶溃水风险的时间，节约了大量的检测成本。并提高了识别岩溶溃水风险的可靠性。对于保证隧道施工安全，防止隧道施工过程中发生溃水事件造成损失有重要意义。

附图说明

图1是水平钻孔布孔图示意图，

图2是孔口管结构示意图，

图3是孔口管安装方法示意图，

图4是钻孔方法示意图，

图5是水平孔压力表安装示意图，

图6是排水软管安装示意图。

图中：1-中心孔，2-周边孔，3-钻孔路径，4-溶腔，5-孔口管，6-注浆管，7-麻丝，8-钻机，9-三通管，10-压力表，11-阀门，12-软管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：其主要的作业流程为：

在岩溶隧道施工期间，实施全隧超前地质预报。超前地质预报的主要内容有：区域地质调查、TSP203、地质雷达、隧道开挖面地质素描、隧道开挖面红外探水。这些都是常规的超前地质预报工作，通过超前地质发现岩溶富水地段。

进入岩溶富水地段(区域)后，对岩溶溃水风险进行识别。

识别方法是：步骤一、在隧道掌子面布置及实施水平钻孔。

首先、布置超前水平钻孔。如图1所示水平钻孔布孔示意图，在所述布置超前水平钻孔时的钻孔路径3是：中心孔1水平布置，周边孔2放射状布置，孔数可根据断面大小增减。

其次、在每个水平钻孔处安装孔口管5。图2是孔口管5的结构示意图，所述孔口管5用无缝钢管制作，一端套丝，用以安装阀门；另一端采用梅花形钻孔。如图3所示，所述孔口管5的安装方法是：在岩壁钻孔的孔径大于孔口管5五至十毫米，在梅花状钻孔端并缠绕麻丝7或其它有一定强度的纤维，将孔口管5插入钻孔，并通过注浆管6注入水泥-碎玻璃双液浆。

第三、如图4所示，水平钻孔通过孔口管5钻进到岩层。

步骤二、在钻孔过程中详细记录单位时间钻进尺寸、孔内出水量、出水颜色等。从而判断钻孔是否进入了溶腔。

步骤三、当钻孔穿透溶腔壁时，退出钻杆，安装阀门11，关闭阀门11。

待所有钻孔都进入溶腔4后，进行测试分析。

步骤四、关闭所有的钻孔的阀门11，在中心水平孔安装压力表10。

如图5所示，所述的压力表10安装方法是：先连接三通管9，在三通管9上连接压力表10。

步骤五、分别进行原始水压力测试、放水试验、闭水试验、地表水系水位观测和大气降雨观测；

1、原始水压力测试

通过中心水平孔测试稳定水压。当水头压力小于隧道洞高3倍时时，按一般涌水风险处理。当水头压力大于隧道洞高3倍时，需进行放水试验验证水量。

2、放水试验

开放全部钻孔防水，在放水全过程观测流量和水头压力。记录当压力稳定或压力为零时的总放水量和所需的时间。当溶腔内的填充物在溶腔内有一定的堆积高度时，在隧道内所测试到溶腔内的水压力值与堆积高度大致相等，而不会为零。

并绘制P-T压力-时间曲线、Q-T流量-时间曲线和P-Q压力-流量关系曲线。

当P-T压力-时间曲线、Q-T流量-时间曲线较为水平，说明溶腔内的存水量大；应增加钻孔来加大放水能力。

当P、Q随时间下降较快时，说明溶腔内存水少。

如图6所示，在所述放水试验中防止高压水的冲击的方法是：将周边孔2通过阀门11连接软管12，软管12的长度应保证出口距离隧道掌子面3米以上，末端管口置于地上。

3、闭水试验

关闭全部放水孔，当关闭放水孔，水位不上升，说明溶腔水没有补给。水位上升，说明地下水有补给。此时应绘制P-t，即压力时间曲线图，观测水位上升情况。可以算出岩溶水的在一定时段的补给量。

总放水量减去在相应的时间段内的补给量，即为溶腔内的水容量。

4、水文地质观测

放水、闭水试验同时，进行地表水系和地下水的水位监测，从而判断溶腔内的地下水和地表水系的联通性。当放水试验时，地表水系和地下水位下降，说明溶腔水与地表水系有联通关系。没有变化，说明，与地表水系不联通或隧道内排水量小，不足以影响地表水系。放水试验时，当地表和地下水位没有变化，而隧道内的水压不断下降，说明不联通。而地表和地下水位没有变化，而隧道内的水压也没有变化时，说明排水量小，应补充放水孔。

当没有地表水系可供观测时，观测记录降雨量和洞内水位变化关系和延迟响应的时间。从而判断出地表水和地下水进入进入溶腔的通道的畅通性。延迟响应的时间越长，越不畅通。反之，就越畅通。

步骤六、根据观测结果进行溃水风险判断：

当所有钻孔在钻进过程中没有出水时，说明没有溃水及涌水的风险；当原始水头压力小于隧道洞高时，没有溃水风险。

当原始水头压力大于隧道洞高时：

1.当溶腔4水容量大于临界值(隧道开挖面积×50m)时，此时不需要将溶腔水全部放空，即可认定有高溃水风险。

2.当溶腔4水容量小于临界值(隧道开挖面积×50m)时，根据与地下和地表水系的联通性判断。不联通时，可以判断溃水风险小。但可能出现一般的涌水。当与地下水和地表水系联通时，根据补给速度判断。当溶腔内补给速度达到5m³/s，可以认定有溃水风险。

Claims (8)

1.一种岩溶隧道溃水风险的识别方法，包括以下步骤：

一、在开挖面布置及实施水平钻孔；

二、在钻孔过程中记录单位时间钻进尺寸、孔内出水量、出水颜色；

三、当钻孔穿透岩壁进入溶腔后，退出钻杆，安装阀门(11)，并关闭阀门(11)；

四、在中心孔(1)安装压力表(10)；

五、分别进行原始水压力测试、放水试验、闭水试验、地表水系水位观测和大气降雨观测；

六、根据测试和观测结果进行溃水风险判断，当测试和观测值大于设定的临界值时，即可认定有溃水风险；溃水风险的判断如下：

当所有钻孔在钻进过程中没有出水时，说明没有溃水及涌水的风险；当原始水头压力小于隧道洞高时，没有溃水风险；

当原始水头压力大于隧道洞高时：

1).当溶腔(4)水容量大于临界值时，此时不需要将溶腔水全部放空，即可认定有高溃水风险；

2).当溶腔(4)水容量小于临界值时，根据与地下和地表水系的联通性判断：

A、与地下和地表水系不联通时，可以判断溃水风险小，但可能出现一般的涌水；

B、与地下水和地表水系联通时，根据补给速度判断，当溶腔内补给速度达到5m³/s，可以认定有溃水风险；

所述溶腔水容量为：总放水量减去在相应的时间段内的补给量；

其中，所述总放水量由步骤五中的放水试验获得，所述在相应的时间段内的补给量由步骤五中的闭水试验得到。

2.根据权利要求1所述的岩溶隧道溃水风险的识别方法，其特征是：在所述步骤一中，在开挖面布置及实施水平钻孔的步骤是，首先、布置超前水平钻孔，其中，中心孔(1)水平布置，周边孔(2) 放射状布置，孔数根据断面大小增减；其次、在每个水平钻孔处安装孔口管(5)；第三、水平钻孔通过孔口管(5)钻进到岩层。

3.根据权利要求1所述的岩溶隧道溃水风险的识别方法，其特征是：步骤五中所述的水压力测试，在水头压力小于隧道洞高3倍时，按一般涌水风险处理；当水头压力大于隧道洞高3倍时，需进行放水试验验证水量。

4.根据权利要求1或3所述的岩溶隧道溃水风险的识别方法，其特征是：所述放水试验中防止高压水冲击的方法是：将周边孔(2)通过阀门(11)连接软管(12)，软管(12)的长度应保证出口距离隧道掌子面3米以上，末端管口置于地上。

5.根据权利要求4所述的岩溶隧道溃水风险的识别方法，其特征是：所述放水试验包括：开放全部钻孔放水，在放水全过程观测流量和水头压力，绘制P-T压力-时间曲线、Q-T流量-时间曲线和P-Q压力-流量关系曲线，并统计计算水压力P开始稳定时溶腔的总排水量和排水时间，水压力P开始稳定是指P-T曲线的斜率水平，压力P不再随时间下降的起点。

6.根据权利要求1所述的岩溶隧道溃水风险的识别方法，其特征是：在步骤五中所述的闭水试验步骤包括：关闭全部放水孔，绘制P-t，即压力时间曲线图，判断溶腔水在单位时间内的补给量。

7.根据权利要求1所述的岩溶隧道溃水风险的识别方法，其特征是：在步骤五中所述的放水试验和闭水试验的同时，进行地表水系的水位监测，从而判断溶腔内的地下水和地表水系的联通性；没有地表水系可观测时，在大气降雨时，观测记录降雨量和洞内水位变化关系和延迟响应的时间；从而判断出地表水和地下水进入溶腔的通道的畅通性。

8.根据权利要求1所述的岩溶隧道溃水风险的识别方法，其特征是：在步骤六中所述根据观测结果进行溃水风险的判断，是根据溶腔压力值和总静水储量、溶腔与地下和地表水系的连通性，识别出岩溶溃水的风险。 

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