CN104035142A - 一种海底隧道突涌水险情早期预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底隧道突涌水险情早期预警方法，包括：步骤S1：利用地球物理探测和超前水平地质钻探方法提取岩土试样，进行室内物理力学和渗透试验；步骤S2：根据现场监控量测实测数据、围岩拱顶沉降和边墙位移，建立围岩或围岩-初支护系统失稳的灰色尖点突变时间预测模型；步骤S3：采用抛物线顶点数值反分析法获取围岩支护设计参数；步骤S4：根据步骤S1和步骤S3，并结合步骤S2，通过基于ABAQUS平台模拟软件，建立高水压作用下海底隧道围岩或围岩-初支护系统的黏弹塑性模型，进行险情预警，本发明具有提高高水压作用下软弱破碎围岩的海底隧道的合理设计、安全施工和突水灾害综合防治的技术水平等优点。

Description

一种海底隧道突涌水险情早期预警方法

技术领域

本发明涉及一种险情预警方法，尤其是涉及一种海底隧道突涌水险情早期预警方法。

背景技术

国外很早就开始了在隧道施工期突涌水预报方面的研究，也取得一些成果。我国在隧道高压突涌水预警预报及其决策系统的研制方面起步较晚，研究基础较薄弱，但近几年不少学者已开始关注隧道高压突涌水的预警预报工作，也取得一些可喜的研究成果。不过，国内外这些研究成果绝大部分还停留在理论模型研究阶段，缺少系统工程方法和非线性科学方面的研究，只能对实际工程做出定性预测，往往无法对实际工程的突涌水作出准确的预报，而且很难对隧道高压突涌水险情进行早期预警预报以及对之进行经济、安全和合理的综合防控，因此也很难应用到海底隧道的施工中，而研发一种经济、安全、有效和合理的海底隧道高压突涌水失稳险情预警预报决策系统显得尤为紧迫。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种海底隧道突涌水险情早期预警方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种海底隧道突涌水险情早期预警方法，步骤包括：

步骤S1：利用地球物理探测和超前水平地质钻探方法查明全强风化带、岩脉、断层破碎带、节理密集带的产状和规模，以及该场地主要节理的产状，并提取岩土试样，进行室内物理力学和渗透试验；

步骤S2：根据现场监控量测实测数据和洞室开挖后围岩或围岩-初支护系统的围岩拱顶沉降和边墙位移，建立围岩或围岩-初支护系统失稳的灰色尖点突变时间预测模型；

步骤S3：采用隧道围岩或围岩-支护设计参数的抛物线顶点数值反分析法获取围岩支护设计参数；

步骤S4：根据步骤S1中获取试样的室内物理力学和渗透试验结果和步骤S3获取的隧道围岩支护设计参数，并结合步骤S2的灰色尖点突变时间预测模型，通过基于ABAQUS平台经二次开发后的三维多孔连续介质流固耦合有限元模拟软件，建立高水压作用下海底隧道围岩或围岩-初支护系统的黏弹塑性模型，进行突水失稳险情的早期预警预报，和围岩地下水涌水量预测；

步骤S5：根据步骤S4的黏弹塑性稳定性评价、突水失稳险情的早期预警预报和围岩地下水涌水量的预测，进行海底隧道高压突涌水灾害综合防控对策的优选。

所述的地球物理探测方法包括：爆破钻孔法、地质雷达法、红外探测法和TSP203探测法，所述的步骤S1的具体步骤为：

101)利用超前水平地质钻探获取的岩芯进行岩土体的物理力学试验及流变试验，获取数值模拟的计算参数；

102)通过海上抽水与压水试验、超前地质钻孔压水试验、放射性和红外探测方法探测，获取海底隧道围岩现场等效渗透系数。

所述的步骤S2的具体步骤为：

201)监测数据进行平滑处理、等间隔化处理，生成预报数据；

202)建立围岩或围岩-支护系统失稳险情的灰色尖点突变时间预测模型，可表示为：

1)围岩或围岩-初支护系统的拱顶沉降和洞腰变形收敛值之比时间序列可表示为：

$\frac{u_v\left(t\right)}{u_H\left(t\right)}=A_0+A_{1}t+A_2{t}^2+A_3{t}^3+A_4{t}^4+A_5{t}^5---\left(1\right)$

式中，待定系数A₀、A₁、A₂、A₃、A₄、A₅通过回归分析求得；u_v、u_H分别为拱顶沉降和边墙洞周变形收敛值，单位均为mm；t为累计监测时间，单位为d；

2)围岩或围岩-初支护系统的失稳前距围岩或围岩-初支护系统变形初测的时间可表示为：

t＝T_t-q (2)

式中，b₂＝6a₄q²-3a₃q，b₄＝a₄，a₀＝A₁，a₁＝2A₂，a₂＝3A₃，a₃＝4A₄，a₄＝5A₅；

3)围岩或围岩-初支护系统的失稳前后时间差可表示为：

$\mathrm{\Δt}=\sqrt{3}{(-a)}^{\frac{1}{2}}{\left({4b}_4\right)}^{-\frac{1}{4}}---\left(3\right)$

4)围岩或围岩-初支护系统在临界状态与破坏时的时差Δt与临界状态的历时之和即为围岩或围岩-初支护系统的破坏时间。

所述的围岩支护设计参数为弹性模量、侧压力系数和抗剪强度，步骤S3的具体步骤为：

301)利用各测点的位移或应力等随机向量的计算值和实测值，建立如下目标函数：

$\mathrm{\δ}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[u_i-u_i^{*}]}^2---\left(4\right)$

式中，u_i为i测点随机向量的数值计算值，理论上它是反演参数向量的函数；为i测点的随机向量实测值；n为测点个数；

在数值计算分析中可观测的随机向量或变量，都可表示为：

u_i＝a_1ix₁+a_2ix₂+…+a_mix_m+a_m+1i (5)

式中，a_1i，a_2i，…，a_mi，a_m+1i为常数，与待求参变量无关；x₁，x₂，…，x_m依次是θ₁一个参变量的函数，θ₁和θ₂两个参变量的函数，…，θ₁～θ_m等m个参变量的函数；

302)对式4、5简化后得：

δ＝b₂₁(x₁-c₂₁)²+b₂₂(x₂-c₂₂)²+b₂₃(x₃-c₂₃)²+…+b_2m(x_m-c_2m)² (6)

其中：

c_2m为可以通过已知条件及x_m-1，…，x₁求得的量；

c_2m-1为可以通过已知条件及x_m-2，…，x₁求得的量；

c_2m-2为可以通过已知条件及x_m-3，…，x₁求得的量；

……

c₂₁为可以通过已知条件求得的常量；

b₂₁，b₂₂，…，b_2m为常数；

303)最后，分别求上式的x_m，x_m-1，…，x₂，x₁偏导数，并令之都等于0，联立成方程组，通过解方程组，获得待求参数的极值点，通过依次分别求δ与x₁，x₂，…，x_m之间抛物线方程式的顶点，来求解各待求参数的极值点。

所述的步骤S4的具体步骤为：

401)根据步骤S1和S3获取的数值，建立考虑渗流影响的高水压作用下海底隧道围岩或围岩-初支护系统的黏弹塑性模型：

402)根据黏弹塑性模型计算围岩或围岩-初支系统的突水失稳时间，并结合步骤S2的灰色尖点突变时间预测模型对围岩出现大范围塑性屈服或张拉破坏等险情进行早期预警预报；

403)根据黏弹塑性模型计算围岩地下水涌水量的大小，对涌水量过大等险情进行早期预警预报。

所述的海底隧道高压突涌水灾害综合防控对策包括：

1)全断面帷幕注浆方案；

2)拱部小导管注浆联合局部帷幕注浆和喷锚初支护方案；

3)拱部管棚支护联合小导管注浆、局部帷幕注浆和喷锚初支护方案。

与现有技术相比，本发明具有以下优点。

1)本发明利用地球物理探测和超前水平地质钻探等方法查明全强风化带、岩脉、断层破碎带、节理密集带的产状和规模，以及该场地主要节理的产状，因为本发明可全面分析不同环境下的海底隧道的情况。

2)本发明基于抛物线顶点数值反分析法、系统工程方法和非线性科学，借助于ABAQUS平台经二次开发后的三维多孔连续介质流固耦合有限元模拟软件，通过高水压作用下海底隧道围岩或围岩-初支护系统的黏弹塑性稳定性评价并对围岩地下水涌水量进行科学预测，可以对海底隧道穿越风化深槽、断层破碎带或节理密集带等富水软弱破碎围岩洞段的施工过程中，围岩或围岩-初支护失稳险情和高压突涌水进行早期预警预报，并提供对灾害进行及时经济、安全和合理的综合防控对策，从而提高了高水压作用下软弱破碎围岩的海底隧道的合理设计、安全施工和突水灾害综合防治的技术水平。

附图说明

图1为海底隧道突涌水险情早期预警方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种海底隧道突涌水险情早期预警方法，步骤包括：

步骤S1：利用地球物理探测和超前水平地质钻探方法查明全强风化带、岩脉、断层破碎带、节理密集带的产状和规模，以及该场地主要节理的产状，并提取岩土试样，进行室内物理力学和渗透试验，具体步骤为：

101)利用超前水平地质钻探获取的岩芯进行岩土体的物理力学试验及流变试验，获取数值模拟的计算参数；

102)通过海上抽水与压水试验、超前地质钻孔压水试验、放射性和红外探测方法探测，获取海底隧道围岩现场等效渗透系数。

地球物理探测和超前水平地质钻探探测方法具体包括：

1)对于潜在富水软弱断层破碎带和重大物探异常区等复杂地质地段，必须全隧采用超前水平地质钻探预报前方地质情况。隧道断面中部的超前水平钻孔孔径可以加大为Φ110mm或更大孔径，可以兼做拔心孔(掏槽孔)和取芯孔之用。超前水平地质钻孔每循环钻探长度宜为30～50m，必要时也可钻100m以上，连续预报时前后两循环钻孔应重叠5～8m。超前钻探钻进过程中，应安设孔口止水装置(或采用防突钻机)。对于断层、节理密集带或其它破碎富水地层，断面内每循环可钻1孔。

2)对于断层破碎带、风化深槽及裂隙富水区，除采用水平深孔超前探测外，还应结合爆破钻孔作业，加深部分钻孔，其深度应较爆破孔加深2～4m。

3)采用地质雷达法探测断层破碎带、风化深槽、软弱夹层等不均匀地质体洞段，有效探测长度在25～30m以内，连续预报时前后两次重叠长度在5m以上。

4)红外探测：选在爆破及出碴完成后进行；全空间全方位探测地下水体时，需在拱项、拱腰、边墙、隧底位置沿隧道轴向布置测线，测点间距一般为5m；发现异常时，应加密点距；测线布置一般自开挖工作面往洞口方向布设，长度通常为60m，不得少于50m；开挖工作面测线布置，一般为3～4条，每条测线不少于3～5个测点；有效预报距离为30m以内，连续预报前后两次重叠长度应大于5m。

5)TSP203探测断层破碎带、风化深槽、软弱夹层等不均匀地质体洞段，有效探测长度宜在30～40m以内，连续预报时前后两次重叠长度在10m以上。

步骤S2：根据现场监控量测实测数据和洞室开挖后围岩或围岩-初支护系统的围岩拱顶沉降和边墙位移，建立围岩或围岩-初支护系统失稳的灰色尖点突变时间预测模型，具体步骤为：

201)监测数据进行平滑处理、等间隔化处理，生成预报数据；

202)建立围岩或围岩-支护系统失稳险情的灰色尖点突变时间预测模型，可表示为：

1)围岩或围岩-初支护系统的拱顶沉降和洞腰变形收敛值之比时间序列可表示为：

$\frac{u_v\left(t\right)}{u_H\left(t\right)}=A_0+A_{1}t+A_2{t}^2+A_3{t}^3+A_4{t}^4+A_5{t}^5---\left(1\right)$

式中，待定系数A₀、A₁、A₂、A₃、A₄、A₅通过回归分析求得；u_v、u_H分别为拱顶沉降和边墙洞周变形收敛值，单位均为mm；t为累计监测时间，单位为d；

2)围岩或围岩-初支护系统的失稳前距围岩或围岩-初支护系统变形初测的时间可表示为：

t＝T_t-q (2)

式中，b₂＝6a₄q²-3a₃q，b₄＝a₄，a₀＝A₁，a₁＝2A₂，a₂＝3A₃，a₃＝4A₄，a₄＝5A₅；

3)围岩或围岩-初支护系统的失稳前后时间差可表示为：

$\mathrm{\Δt}=\sqrt{3}{(-a)}^{\frac{1}{2}}{\left({4b}_4\right)}^{-\frac{1}{4}}---\left(3\right)$

4)围岩或围岩-初支护系统在临界状态与破坏时的时差Δt与临界状态的历时之和即为围岩或围岩-初支护系统的破坏时间。

步骤S3：采用隧道围岩或围岩-支护设计参数的抛物线顶点数值反分析法获取围岩支护设计参数，即获取连续降雨15天以上或强降雨(降雨强度200mm/d以上)下陆域段隧道V级或Ⅵ级围岩或围岩-初支系统的弹性模量、侧压力系数和抗剪强度等计算参数，具体步骤为：

301)利用各测点的位移或应力等随机向量的计算值和实测值，建立如下目标函数：

$\mathrm{\δ}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[u_i-u_i^{*}]}^2---\left(4\right)$

式中，u_i为i测点随机向量的数值计算值，理论上它是反演参数向量的函数；为i测点的随机向量实测值；n为测点个数；

在数值计算分析中可观测的随机向量或变量，都可表示为：

u_i＝a_1ix₁+a_2ix₂+…+a_mix_m+a_m+1i (5)

式中，a_1i，a_2i，…，a_mi，a_m+1i为常数，与待求参变量无关；x₁，x₂，…，x_m依次是θ_i一个参变量的函数，θ₁和θ₂两个参变量的函数，…，θ₁～θ_m等m个参变量的函数：

302)对式4、5简化后得：

δ＝b₂₁(x₁-c₂₁)²+b₂₂(x₂-c₂₂)²+b₂₃(x₃-c₂₃)²+…+b_2m(x_m-c_2m)² (6)

其中：

c_2m为可以通过已知条件及x_m-1，…，x₁求得的量；

c_2m-1为可以通过已知条件及x_m-2，…，x₁求得的量：

c_2m-2为可以通过已知条件及x_m-3，…，x₁求得的量；

……

c₂₁为可以通过已知条件求得的常量；

b₂₁，b₂₂，…，b_2m为常数；

303)最后，分别求上式的x_m，x_m-1，…，x₂，x₁偏导数，并令之都等于0，联立成方程组，通过解方程组，获得待求参数的极值点，通过依次分别求δ与x₁，x₂，…，x_m之间抛物线方程式的顶点，来求解各待求参数的极值点。

步骤S4：根据步骤S1中获取试样的室内物理力学和渗透试验结果和步骤S3获取的隧道围岩支护设计参数，并结合步骤S2的灰色尖点突变时间预测模型，通过基于ABAQUS平台经二次开发后的三维多孔连续介质流固耦合有限元模拟软件，建立高水压作用下海底隧道围岩或围岩-初支护系统的黏弹塑性模型，进行突水失稳险情的早期预警预报，和围岩地下水涌水量预测，具体步骤为：

401)根据步骤S1和S3获取的数值，建立考虑渗流影响的高水压作用下海底隧道围岩或围岩-初支护系统的黏弹塑性模型；

402)根据黏弹塑性模型计算围岩或围岩-初支系统的突水失稳时间，并结合步骤S2的灰色尖点突变时间预测模型对围岩出现大范围塑性屈服或张拉破坏等险情进行早期预警预报；

403)根据黏弹塑性模型计算围岩地下水涌水量的大小，对涌水量过大等险情进行早期预警预报。

步骤S5：根据步骤S4的黏弹塑性稳定性评价、突水失稳险情的早期预警预报和围岩地下水涌水量的预测，进行海底隧道高压突涌水灾害综合防控对策的优选。

海底隧道高压突涌水灾害综合防控对策包括：

1)全断面帷幕注浆方案；

2)拱部小导管注浆联合局部帷幕注浆和喷锚初支护方案；

3)拱部管棚支护联合小导管注浆、局部帷幕注浆和喷锚初支护方案。

海底隧道高压突涌水灾害综合防控对策需要对渗流影响的高水压作用下海底隧道围岩或围岩-初支护系统的黏弹塑性数值进行模拟计算，根据计算结果选择最佳的措施。

本发明提高了高水压作用下软弱破碎围岩的海底隧道的合理设计、安全施工和突水灾害综合防治的技术水平。它可以对海底隧道穿越风化深槽、断层破碎带或节理密集带等富水软弱破碎围岩洞段的施工过程中，围岩或围岩-初支护失稳险情和高压突涌水进行早期预警预报，并提供对灾害进行及时经济、安全和合理的综合防控对策。

Claims (6)

1.一种海底隧道突涌水险情早期预警方法，其特征在于，步骤包括：

步骤S1：利用地球物理探测和超前水平地质钻探方法查明全强风化带、岩脉、断层破碎带、节理密集带的产状和规模，以及该场地主要节理的产状，并提取岩土试样，进行室内物理力学和渗透试验；

步骤S2：根据现场监控量测实测数据和洞室开挖后围岩或围岩-初支护系统的围岩拱顶沉降和边墙位移，建立围岩或围岩-初支护系统失稳的灰色尖点突变时间预测模型；

步骤S3：采用隧道围岩或围岩-支护设计参数的抛物线顶点数值反分析法获取围岩支护设计参数；

步骤S4：根据步骤S1中获取试样的室内物理力学和渗透试验结果和步骤S3获取的隧道围岩支护设计参数，并结合步骤S2的灰色尖点突变时间预测模型，通过基于ABAQUS平台经二次开发后的三维多孔连续介质流固耦合有限元模拟软件，建立高水压作用下海底隧道围岩或围岩-初支护系统的黏弹塑性模型，进行突水失稳险情的早期预警预报，和围岩地下水涌水量预测；

步骤S5：根据步骤S4的黏弹塑性稳定性评价、突水失稳险情的早期预警预报和围岩地下水涌水量的预测，进行海底隧道高压突涌水灾害综合防控对策的优选。

2.根据权利要求1所述的一种海底隧道突涌水险情早期预警方法，其特征在于，所述的地球物理探测方法包括：爆破钻孔法、地质雷达法、红外探测法和TSP203探测法，所述的步骤S1的具体步骤为：

101)利用超前水平地质钻探获取的岩芯进行岩土体的物理力学试验及流变试验，获取数值模拟的计算参数；

102)通过海上抽水与压水试验、超前地质钻孔压水试验、放射性和红外探测方法探测，获取海底隧道围岩现场等效渗透系数。

3.根据权利要求1所述的一种海底隧道突涌水险情早期预警方法，其特征在于，所述的步骤S2的具体步骤为：

201)监测数据进行平滑处理、等间隔化处理，生成预报数据；

202)建立围岩或围岩-支护系统失稳险情的灰色尖点突变时间预测模型，可表示为：

1)围岩或围岩-初支护系统的拱顶沉降和洞腰变形收敛值之比时间序列可表示为：

$\frac{u_v\left(t\right)}{u_H\left(t\right)}=A_0+A_{1}t+A_2{t}^2+A_3{t}^3+A_4{t}^4+A_5{t}^5---\left(1\right)$

式中，待定系数A₀、A₁、A₂、A₃、A₄、A₅通过回归分析求得；u_v、u_H分别为拱顶沉降和边墙洞周变形收敛值，单位均为mm；t为累计监测时间，单位为d；

2)围岩或围岩-初支护系统的失稳前距围岩或围岩-初支护系统变形初测的时间可表示为：

t＝T_t-q (2)

式中，b₂＝6a₄q²-3a₃q，b₄＝a₄，a₀＝A₁，a₁＝2A₂，a₂＝3A₃，a₃＝4A₄，a₄＝5A₅；

3)围岩或围岩-初支护系统的失稳前后时间差可表示为：

$\mathrm{\Δt}=\sqrt{3}{(-a)}^{\frac{1}{2}}{\left({4b}_4\right)}^{-\frac{1}{4}}---\left(3\right)$

4)围岩或围岩-初支护系统在临界状态与破坏时的时差Δt与临界状态的历时之和即为围岩或围岩-初支护系统的破坏时间。

4.根据权利要求1所述的一种海底隧道突涌水险情早期预警方法，其特征在于，所述的围岩支护设计参数包括弹性模量、侧压力系数和抗剪强度，步骤S3的具体步骤为：

301)利用各测点的位移或应力等随机向量的计算值和实测值，建立如下目标函数：

$\mathrm{\δ}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[u_i-u_i^{*}]}^2---\left(4\right)$

式中，u_i为i测点随机向量的数值计算值，理论上它是反演参数向量的函数；为i测点的随机向量实测值；n为测点个数；

在数值计算分析中可观测的随机向量或变量，都可表示为：

u_i＝a_1ix₁+a_2ix₂+…+a_mix_m+a_m+1i (5)

式中，a_1i，a_2i，…，a_mi，a_m+1i为常数，与待求参变量无关；x₁，x₂，…，x_m依次是θ_i一个参变量的函数，θ₁和θ₂两个参变量的函数，…，θ₁～θ_m等m个参变量的函数；

302)对式(4)、(5)简化后得：

δ＝b₂₁(x₁-c₂₁)²+b₂₂(x₂-c₂₂)²+b₂₃(x₃-c₂₃)²+…+b_2m(x_m-c_2m)² (6)

其中：

c_2m为可以通过已知条件及x_m-1，…，x₁求得的量；

c_2m-1为可以通过已知条件及x_m-2，…，x₁求得的量；

c_2m-2为可以通过已知条件及x_m-3，…，x₁求得的量；

……

c₂₁为可以通过已知条件求得的常量；

b₂₁，b₂₂，…，b_2m为常数；

303)最后，分别求上式的x_m，x_m-1，…，x₂，x₁偏导数，并令之都等于0，联立成方程组，通过解方程组，获得待求参数的极值点，通过依次分别求δ与x₁，x₂，…，x_m之间抛物线方程式的顶点，来求解各待求参数的极值点。

5.根据权利要求1所述的一种海底隧道突涌水险情早期预警方法，其特征在于，所述的步骤S4的具体步骤为：

401)根据步骤S1和S3获取的数值，建立考虑渗流影响的高水压作用下海底隧道围岩或围岩-初支护系统的黏弹塑性模型；

402)根据黏弹塑性模型计算围岩或围岩-初支系统的突水失稳时间，并结合步骤S2的灰色尖点突变时间预测模型对围岩出现大范围塑性屈服或张拉破坏等险情进行早期预警预报；

403)根据黏弹塑性模型计算围岩地下水涌水量的大小，对涌水量过大等险情进行早期预警预报。

6.根据权利要求1所述的一种海底隧道突涌水险情早期预警方法，其特征在于，所述的海底隧道高压突涌水灾害综合防控对策包括：

1)全断面帷幕注浆方案；

2)拱部小导管注浆联合局部帷幕注浆和喷锚初支护方案；

3)拱部管棚支护联合小导管注浆、局部帷幕注浆和喷锚初支护方案。