CN104948226A - 一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排水设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排水设计方法，包括以下步骤：进行实地地质勘查，了解隧道所处地段的地质条件，通过初勘资料进行各段落的涌水风险评估；基于功率最小化优化对隧道全段涌水量估算，采用功率最小优化方法进行泵站的分级计算，选取最佳的水泵功率；根据最佳水泵功率设置泵站功率，保证各级泵站的功率设置与隧道实际出水量对应，设置反坡排水方案；采用TEM瞬变电磁法和激发极化法对隧道该含水段落含水区进行精确定位，并对含水量进行预估，实时动态监测隧道掌子面的涌水量，根据涌水量及涌水量变化速率，结合预估的含水量，对反坡排水设置进行调整。对开挖掌子面前方含水区位置做精确定位，并能较精确预估涌水量。

Description

一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排水设计方法

技术领域

本发明涉及一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排水设计方法。

背景技术

隧道反坡施工突涌水灾害一直是隧道建设的难点问题，特别是随着我国交通建设环境向地形地质条件极为复杂的西部山区转移，长距离反坡施工及相关排水作业成为重大技术挑战和难题。近些年来，由于长距离反坡施工技术的不成熟，造成施工期突水涌水灾害不断出现。

隧道长距离反坡施工面临着一系列巨大的技术难题，而现有排水技术沿袭了常规技术，未考虑突涌水风险、涌水量动态变化等综合因素，往往造成经济成本较高或隧道被淹、工期延误甚至生命财产损失，因此反坡施工中排水系统设计及相关技术亟待研究。总体来看，以往隧道长距离反坡排水的技术进步主要依靠工程经验积累，尚未形成系统性、科学性、专业性的隧道反坡排水基础理论与创新技术，其问题主要如下：

1)在以往的隧道反坡排水技术中，仅是依靠经验对涌水量做出判断的前提下进行排水系统设计，往往由于对涌水量的变化情况判断不准确而导致系统排水能力不足或过剩，导致涌水灾害或资源配置浪费，因此亟待研究基于涌水量预估和动态监测的隧道长距离反坡排水优化技术；

2)在以往的反坡排水方案设计中，水泵的分级以及功率选择，多以经验而定，往往会造成排水能力过剩或不足，亟待提出一种泵站分级及功率选择的优化计算方法；

3)在以往的反坡排水中，主要针对的是隧道掌子面突涌水情况，对两级泵站之间突涌水未有专用排水机制，不能妥善应对两级泵站之间涌水突发状况，且采用常规反坡排水方案进行两级泵站之间排水易造成较大功率及成本的浪费。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排水设计方法，本方法结合采用瞬变电磁及激发极化预报技术、基于功率最小排水优化技术，对开挖掌子面前方含水区位置做精确定位，能较精确预估涌水量，避免不必要排水势能的增加，减少排水成本，保证施工的正常进行。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排水设计方法，包括以下步骤：

(1)进行实地地质勘查，了解隧道所处地段的地质条件，通过初勘资料进行各段落的涌水风险评估；

(2)基于功率最小化优化对隧道全段涌水量估算，采用功率最小优化方法进行泵站的分级计算，选取最佳的水泵功率；

(3)根据计算的最佳水泵功率设置泵站功率，保证各级泵站的功率设置与隧道实际出水量对应，设置反坡排水方案；

(4)采用TEM瞬变电磁法和激发极化法对隧道该含水段落含水区进行精确定位，并对含水量进行预估；

(5)实时动态监测隧道掌子面的涌水量，根据涌水量及涌水量变化速率，结合预估的含水量，对反坡排水设置进行调整。

所述步骤(2)中，采用功率最小优化公式进行泵站分级与最优功率计算，优化公式如(1)所示：

G＝X×(W_Z/X)×w(W_Z/X)×T×f₁+X×f₂(W_Z/X)

G→min

式中：Wz为排水总功率；X为分级数；f1为单位做功花费；f2为水泵单价；w为水泵功率损耗；T为反坡施工时间。

所述步骤(3)中，反坡排水方案包括泵站分级、水泵选择、管路安置和供电设置。

所述步骤(3)中，每一级泵站的功率W_i+1设置应在其下一级泵站功率W_i+2的基础上，相应增加该泵站与其上一级泵站功率为W_i间的隧道已施工段落出水的排出能力。

所述步骤(3)中，采用机械排水，设置多级泵站接力排水；施工工作面积水采用移动式潜水泵抽至就近泵站或利用中心检查井做临时积水坑内。

所述步骤(4)中，采用瞬变电磁技术能够对掌子面前方第一设定范围内含水区的位置进行定位，采用激发极化技术在掌子面前方第二设定范围内定位含水区位置并预估涌水量。

所述步骤(4)中，第一设定范围为60米内，第二设定范围为30米内。

所述步骤(5)中，在隧道掌子面上使用钻机打通含水构造，设置排水管，并在排水管末端位置安装流量计。

所述步骤(5)中，当涌水量小于水泵最大负荷，采用分时抽水技术实现伺服抽水功能；当涌水量大于水泵最大负荷，启动备用水泵进行抽排水；当涌水量大于泵站最大负荷，则就近调集水泵进行抽排水。

所述步骤(5)中，采用增级泵站技术，当隧道两级泵站之间任意位置出现突涌水时，采用增级泵站方法进行排水，避免涌水在重力的作用下流入下级泵站。

本发明的有益效果为：

1)基于涌水量预估和动态监测的隧道长距离反坡排水技术采用瞬变电磁及激发极化预报技术，对开挖掌子面前方含水区位置做精确定位，并能较精确预估涌水量，做到未雨绸缪，做好排水工作的前期准备。

2)基于涌水量预估和动态监测的隧道长距离反坡排水技术采用了基于功率最小排水优化方法，在满足排水需求的情况下，选择最佳泵站分级方法以及最小功率水泵，节约了反坡排水的施工成本。

3)基于功率最小的反坡排水优化方法采用了动态监测涌水量的抽排水设置，在动态监测涌水量的前提下，采用不同抽排水方法，极大的节约了排水经费，即使在面对紧急大突水，也能做好排水工作。

4)基于功率最小的反坡排水优化方法采用增级泵站设计方法，机动灵活，能够及时应对两级泵站之间任意位置处的涌水突发状况，避免不必要排水势能的增加，减少排水成本，保证施工的正常进行。

附图说明

图1基于涌水量预估和动态监测的隧道长距离反坡排水技术原理图；

图2动态监测的排水设置图；

图3六盘山隧道左线抽排水方案示意图；

图4六盘山隧道右线抽排水方案示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种基于涌水量预估及动态监测的反坡排水技术，包括功率最小优化公式、涌水量预估技术、动态监测的抽排水设置方法以及增级泵站技术。

功率最小化优化公式在对隧道全段涌水量估算后，采用功率最小优化公式进行泵站的分级计算，选取最佳的水泵功率，优化计算如公式(1)所示：

G＝X×(W_Z/X)×w(W_Z/X)×T×f₁+X×f₂(W_Z/X)

G→min

式中：Wz为排水总功率；X为分级数；f1为单位做功花费；f2为水泵单价；w为水泵功率损耗；T为反坡施工时间。

由式知，当总费用最小时，可得出分级数。对于长距离反坡施工，由于施工工期较长，泵站使用时间较长，除了水泵等设备一次性投入费用之外，后期维护费用较高，故当泵站功率最优化时较为经济。

涌水量预估技术采用基于涌水量预估的优化排水技术及其应急排水技术。采用地质预报定量识别技术，包括TEM瞬变电磁技术、激发极化技术，对含水区位置进行精确定位及较精确预估涌水量，提前获知含水情况，进行适时的方案优化与排水准备，达到工程施工的安全生产要求。

动态监测抽排水设置方法，实时监测隧道涌水量，动态修正洞内各段落的实际涌水情况及涌水量数据，合理进行抽排水设置。基于涌水动态监测方法，在隧道中出现涌水情况时，需按照不同的涌水量进行抽水泵及集水坑的调拨安排。

增级泵站技术为对于隧道两泵站之间任意涌水较大区域的排水，提出采用分级泵站间增设截流集水坑、增级排水的方法。在水尚未汇集到下一级泵站前，将其拦截并直接抽送到上一级泵站，从而避免流水汇集到下一级集水泵站，浪费所需排水的重力势能，节省排水系统部分抽水功率。

以下通过东毛高速六盘山隧道对该技术的具体应用说明本发明技术的具体实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明专利的优点和功效。本发明配合常规反坡排水技术，并对其优化，可适用同类型反坡隧道的排水施工，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例一：

其排水技术实施步骤以东毛高速六盘山隧道应用为例，具体如下所示：

步骤一、地质勘查

通过收集分析地质资料，地表详细调查等方法，了解隧道所处地段的地质条件，运用地质学理论，对比、论证、推断和预报隧道施工前方的工程地质和水文地质情况；通过初勘资料进行各段落的涌水风险评估。经初勘资料计算分析，预测隧道通过地段一般涌水量为Q＝17427.6m³/d，最大涌水量为37999.4m³/d。根据隧址区工程地质与水文地质条件，对隧道涌突水地段进行预测，发生涌突水可能性较大的段落主要为：隧道在K12+980—K13+180m处穿越大峡河谷地段以及隧道穿越褶皱构造带，受向斜，背斜影响的段落。隧道有可能发生涌突水现象。

步骤二、功率最小优化计算

根据初勘资料综合其它资料，功率计算中，采用涌水量设计为：六盘山隧道左线一般涌水量取值为2920.3m³/d，雨季最大涌水量取值为8425.7m³/d；右线一般涌水量取值为2581.1m³/d，雨季最大涌水量取值为7422.2m³/d。正常抽排水能力应为1.2倍设计涌水量；应急排水能力大于2倍最大设计涌水量；备用水泵的抽水能力应不小于0.7倍正常涌水的要求。

采用功率最小优化公式(1)，将排水的总功率，并将调研的不同型号水泵价格及功率等数据代入该计算方程中，代入不同的分级数值，当总费用最小时，则选用该分级数。经计算将选用水泵，最优功率数为36.4KW，分级数为5时，所用总经费G最小。

步骤三、抽排水方案设置

长距离反坡排水的各级泵站抽水功率需要满足相互匹配的要求，实现低成本与高效排水的双重目标。泵站功率设置由功率最优方法确定，各级泵站的功率设置与隧道实际出水量对应，最新一级泵站功率满足尚未施工段落预估排水水量的要求；某级泵站的功率W_i+1设置应在其下一级泵站功率W_i+2的基础上，相应增加该泵站与其上一级泵站(功率为W_i)间的隧道已施工段落出水的排出能力。考虑六盘山隧道左右线与横洞施工条件，隧道右线排水系统布置在隧道左侧，隧道左线排水系统布置在隧道右侧。泵站设置具体里程设置见图3～4。

洞口配备2台400kW发电机，作为应急电源。停电期间备用电路及时发挥功能，发电机发电，供电线路正常启动，排水系统正常启动，以达到停电期间排水系统的正常作业。增设电泵的方法如表1所示：

表1

步骤四、反坡排水布置

六盘山隧道出口3210m施工段，除出口段210m为顺坡排水，其余段落均为反坡排水，本隧道洞内设“人”坡，K15+710～K15+500、ZK15+760～ZK15+577段隧道为顺坡排水，在隧道一侧开挖40cm×40cm排水沟。洞内水可通过排水沟自流出洞外；在洞外修建污水处理池，经沉淀净化后排入沟谷中。

隧道反坡排水，K15+500～K12+500、ZK15+577～ZK12+500段隧道为反坡排水，隧道路面坡度为1.68％。反坡排水距离超过3000m。采用机械排水，设置多级泵站接力排水。施工工作面积水采用移动式潜水泵抽至就近泵站或利用中心检查井做临时积水坑内，其余已施工地段出水经中心管沟临时集水坑自然汇积到泵站池内。

工作水泵按使用1台、备用1台、检修1台配备；同时，为防止断层突水，设置1套应急排水系统。并设专业排水队伍进行管理和操作。

步骤五、设备选型及配套

①选型原则

1)隧道排水主要为隧道渗水(岩层水)，同时需要考虑施工用水以及满足掌子面突发涌水抽排能力、已开挖段落中段涌水、地下水的成分，地下水成分主要有岩石石屑、泥浆，同时还有喷射混凝土的回弹物掺杂物。施工掌子面用水按20～30m³/d考虑。

2)随着集水井的后移，水量的增加，要求水泵的排水能力的增加，考虑在管理、操作维修上的方便，选择型号相同的水泵，只在数量上相应的增加。

②水泵选择

本隧道坡度为-1.676％、-1.68％，考虑现场实际施工情况、设计地质勘察资料，选用大流量的潜水泵，水泵配置如表2所示。

表2

③排水系统

1)管路。根据洞内水量、选配的抽水设备，本隧道的集水井固定水泵管路采用Φ200mm的钢管，隧道掌子面开挖集水井位置前移；掌子面及集水坑采用采用Φ80mm的消防软管。

2)集水井。本隧道在洞内一侧分别间隔950m设置集水井，集水井尺寸设计分别为：4m(长)×3m(宽)×1.5m(深)，容量18m³。

3)集水坑。主洞两集水井之间可根据具体地下水发育情形设置多个集水坑，2m(长)×1m(宽)×1.0m(深)，容量2m³，通过移动式水泵将水抽至集水井，管路采用Φ80消防软管。

步骤六、优化排水方案

由初勘资料知，隧道在K12+980-K13+180m处穿越大峡河谷地段以及隧道穿越褶皱构造带，在YK13+265-YK14+165处一般涌水量为802.9m³/d，有可能发生涌突水现象。为保证对隧道含水段落以及含水量的精确探测，分别采用TEM瞬变电磁法和激发极化法对隧道该含水段落含水区进行精确定位，并对含水量进行预估。

①瞬变电磁超前地质探测

在隧道里程K13+265处进行瞬变电磁超前地质探测，由于隧道内地质与电磁环境限制，此次瞬变电磁探测的工作装置选用同点装置，发射线框为2m×2m×64匝。接收装置为空心线圈，有效接收面积31.4㎡，测点数为10个，点距0.9m，采用Protem EM47-Hp瞬变电磁仪；

通过探测结果并结合隧道所处的地质情况，在探测范围内，可推断如下结论：

整体上看，隧道正前方10～42m范围内，围岩相对较好；隧道正前方42～50m范围内岩溶裂隙发育，局部区域充水充泥。因此，开挖快到40m时，应注意加强各种防护措施。

②激发极化超前地质探测

激发极化超前地质探测主要采集视电阻率、半衰时差等参数。根据实验数据研究可知，激发极化半衰时之差数据包络线的正值部分与坐标轴之间包络面积随着水量增加而增加，且二者之间具有良好的线性关系。

根据瞬变电磁的探测结果，在K13+240处开展了一次直流电流激发极化法超前地质探测，探测采用定点源三极法测量方式，因场地有限，只能在左边墙布置测线，测线距地面1.3m，采用的仪器为激发极化时差仪，主要通过现场操作采集视电阻率、半衰时之差等数据。

探测到的激发极化半衰时之差数据结果显示，在K13+221-K13+217范围内围岩呈电阻率较低，在半衰时之差曲线图中存在正值部分，且其包络面积为100m·s，是前期探测包络面积的20倍左右，因此推断掌子面前方上述范围内发育裂隙等导水构造，存在含水体或富水区域。通过前期实时监测得到涌水量数据，根据此次和前期包络面积的比值，推测此次涌水量大约为30m³/h。

步骤七、涌水量的动态监测

在隧道掌子面上使用钻机打通含水构造，设置排水管，并在排水管末端位置安装流量计，对涌水量进行动态监测，根据监测数据掌子面平均涌水量约为26m³/h。

步骤八、基于涌水量预估和动态监测的反坡排水方案调整

已知掌子面施工用水量为20～30m³/d，由于不同施工作业用水量不同，按最大用水量计算为每小时用水速率约为2.3m³/h；另外根据实时监测所获得的涌水量为26m³/h，故排水总要求为28.3m³/h，小于常用水泵最大负荷300m³/h。调整水泵抽水设定，由原来的水泵恒定功率抽水持续作业改为分时抽水作业。集水井容量为18m³，预留3m³安全容量，计算可得每集水0.53h，集水量为15m³，水泵功率为300m³/h，只需0.05h即可抽水15m³，故设定每隔0.5h，水泵自动抽水3min，采用分时抽水技术实现水泵自动伺服抽水。

根据对隧道排水管涌水量的实时监测，监测数据包括涌水量及涌水量变化速率，推断掌子面前方导水构造为大范围含水裂隙，总水量约为20000m³以上，继续采用分时抽水方案，共排水49天，平均涌水量为650m³/d，平均排水量为680m³/d，共排水33280m³。顺利的完成了排水工作，保证了隧道各部分的正常施工，为规避施工安全风险，提供了强有力的技术保证。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排水设计方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)进行实地地质勘查，了解隧道所处地段的地质条件，通过初勘资料进行各段落的涌水风险评估；

(2)基于功率最小化优化对隧道全段涌水量估算，采用功率最小优化方法进行泵站的分级计算，选取最佳的水泵功率；

(3)根据计算的最佳水泵功率设置泵站功率，保证各级泵站的功率设置与隧道实际出水量对应，设置反坡排水方案；

(4)采用TEM瞬变电磁法和激发极化法对隧道该含水段落含水区进行精确定位，并对含水量进行预估；

(5)实时动态监测隧道掌子面的涌水量，根据涌水量及涌水量变化速率，结合预估的含水量，对反坡排水设置进行调整。

2.如权利要求1所述的一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排水设计方法，其特征是：所述步骤(2)中，采用功率最小优化公式进行泵站分级与最优功率计算，优化公式如(1)所示：

G＝X×(W_Z/X)×w(W_Z/X)×T×f₁+X×f₂(W_Z/X)

G→min

式中：Wz为排水总功率；X为分级数；f1为单位做功花费；f2为水泵单价；w为水泵功率损耗；T为反坡施工时间。

3.如权利要求1所述的一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排水设计方法，其特征是：所述步骤(3)中，反坡排水方案包括泵站分级、水泵选择、管路安置和供电设置。

4.如权利要求1所述的一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排水设计方法，其特征是：所述步骤(3)中，每一级泵站的功率W_i+1设置应在其下一级泵站功率W_i+2的基础上，相应增加该泵站与其上一级泵站功率为W_i间的隧道已施工段落出水的排出能力。

5.如权利要求1所述的一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排水设计方法，其特征是：所述步骤(3)中，采用机械排水，设置多级泵站接力排水；施工工作面积水采用移动式潜水泵抽至就近泵站或利用中心检查井做临时积水坑内。

6.如权利要求1所述的一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排水设计方法，其特征是：所述步骤(4)中，采用瞬变电磁技术能够对掌子面前方第一设定范围内含水区的位置进行定位，采用激发极化技术在掌子面前方第二设定范围内定位含水区位置并预估涌水量。

7.如权利要求1所述的一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排水设计方法，其特征是：所述步骤(4)中，第一设定范围为60米内，第二设定范围为30米内。

8.如权利要求1所述的一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排水设计方法，其特征是：所述步骤(5)中，在隧道掌子面上使用钻机打通含水构造，设置排水管，并在排水管末端位置安装流量计。

9.如权利要求1所述的一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排水设计方法，其特征是：所述步骤(5)中，当涌水量小于水泵最大负荷，采用分时抽水技术实现伺服抽水功能；当涌水量大于水泵最大负荷，启动备用水泵进行抽排水；当涌水量大于泵站最大负荷，则就近调集水泵进行抽排水。

10.如权利要求1所述的一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排水设计方法，其特征是：所述步骤(5)中，采用增级泵站技术，当隧道两级泵站之间任意位置出现突涌水时，采用增级泵站方法进行排水，避免涌水在重力的作用下流入下级泵站。