CN106680894B - 一种基于c/s架构的隧洞地质超前预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于C/S架构的隧洞地质超前预报方法，对隧洞地质灾害风险进行预测，各参建单位在统一平台上协同工作，在隧洞施工过程中以地质勘察资料为基础，综合隧洞施工中的各种监测数据、物探及勘探成果进行分析判断，生成风险评估报告，指导隧洞施工规避风险，同时以图形图表的方式对风险源进行展示。同时，在隧洞岩溶地质灾害风险评估定量化判断标准上，采用模糊数学和专家调查法，不仅使其能直观的评价灾害风险，也能更加方便于计算机风险评估系统的集成，并以此进行隧洞岩溶地质灾害风险评估，这一方法对隧洞地质超前预报有着重大的意义。

Description

一种基于C/S架构的隧洞地质超前预报方法

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，尤其涉及一种适用于大型深埋长隧洞的地质超前预报方法。

背景技术

在我国工程建设当中，由于受到地形条件的影响，高速公路、铁路线路经常采用隧洞方案穿越山岭，大型水电站也常常出现长大引水隧洞和交通辅助洞，大量的“长大深埋”隧洞成为山区工程建设的控制性工程。在隧洞施工过程中，对掌子面前方的地质条件和可能的地质灾害开展超前地质预报，将对隧洞的正常施工和顺利贯通发挥举足轻重的作用。成功的预测促使施工及时采取应对措施，防范于未然；反之，则往往在突发的地质灾害面前束手无策，使施工遭受重大挫折。

超前地质预报工作对隧洞安全施工具有重要意义，然而，目前一些隧洞超前物探预报还存在以下问题：

目前国内在地质超前预报领域还没有一个相对成熟完善的体系，各种地质预报方法间的配合还不够，现代信息技术在隧洞超前地质预报中的应用水平还比较低，还没有形成一套比较完整的隧洞超前地质预报计算机辅助软件供预报专业人员应用。

在隧洞超前预报过程中，将超前地质预报工作纳入施工工序管理，整个流程需要业主，地质，设计，施工，监理，勘探各个部门协同工作相互配合，及时互通数据，反馈信息。然而目前的预报过程中，各部门之间分工杂乱，配合毫无章法，数据处理信息管理拖沓不及时，效率低下，缺乏一套成熟的系统体系和一个供各部门进行信息交流数据传递的系统平台。

超前地质预报内容主要局限于对隧洞基本地质情况和不良地质体的预报，对岩爆、大变形、岩溶、突涌水等成因机理较复杂的施工地质灾害研究预报甚少，对一些地质病害的预测预报和风险管理不及时。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种基于计算机C/S架构系统协同工作的隧洞地质超前预报方法，这种隧洞超前预报方法可以供各部门单位人员协同工作、及时高效预测预警、科学严谨管理数据高效方便。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种基于C/S架构的隧洞地质超前预报方法，其特征在于包括如下步骤：

1)进行隧洞地质勘察，获取隧洞及其附近地质信息，并进行前期地质勘探设计；通过三维地质演示模块展示所述隧洞及其附近地质信息；隧洞及其附近地质信息包括：岩石类别、地质构造、断层的活动性、地应力等级、围岩强度、岩溶发育程度及类型、地下水状态、放射性及有害气体含量；

2)根据获取的隧洞及其附近地质信息，进行地质条件复杂程度分级；

若长度大于2km的隧洞为长隧洞，埋藏深度大于300m的地下洞室为深埋洞室；隧洞及其附近地质信息每项指标按复杂程度由简单到复杂划分为较好(Ⅰ)、复杂(Ⅱ)、很复杂(Ⅲ)、极复杂(Ⅳ)四个级别；

3)对步骤2)的分级结果进行综合分析与判断量化，将深埋长隧洞按复杂程度等级分布进行分类；

4)对步骤3)分类后的深埋长隧洞进行掌子面前方地质条件预报，掌子面前方条件预报包括：围岩破碎程度预报、隧洞涌水预报、断层预报、岩溶预报、煤层瓦斯预报、隧洞突泥预报、放射性物质预报、含石油天然气预报；

5)进行隧洞实时监测，获取隧洞实时的降雨量、地下水位、水温、水压、涌水量、形变、地震信息；将隧洞实时监测结果返回到步骤2)调整地质条件复杂程度分级后依序执行；

6)如步骤4)预报结果不存在不良地质，则继续施工；如存在不良地质，则提出预报方案并采取针对不良地质的干预方法进行干预；所述干预方法包括：地质调查法、超前钻探法、物探法、超前导坑预报法、掌子面地质素描；干预后结果通过三维地质演示并同时返回到步骤2)调整地质条件复杂程度分级后依序执行；

7)再次判断是否存在不良地质，如否则继续施工，如存在则提出预警预报，并根据预警预报提出规避措施，之后继续施工。

按上述技术方案，步骤3)将深埋长隧洞的复杂程度分为4类：第1类：工程地质条件复杂程度总体评价为一般，其I级的条项占≥60％，并且不存在Ⅲ级、Ⅳ级条项；第2类：工程地质条件复杂程度总体评价为较复杂，其Ⅱ级的条项占≥60％，并且不存在Ⅳ级复杂项的工程；第3类：工程地质条件复杂程度总体评价为复杂，其Ⅲ级的条项占≥60％，并且Ⅳ级条项含量不超过20％；第4类：工程地质条件复杂程度总体评价为极复杂，其Ⅳ级的条项占≥60％。

按上述技术方案，步骤4)掌子面前方条件预报按如下步骤进行：

4.1)若岩性为包括灰岩、白云岩类、膏盐类或可溶砾岩的可溶岩类或其与非可溶岩类接触带附近；且水位低于地下水位且高于岩溶发育下限，则将隧洞地质岩溶风险评估为高风险；否则转入步骤2.2)对岩溶洞穴突水评分标准和风险等级划分进行量化；

4.2)采集隧洞及其附近围岩的水文地质信息，包括:构造、岩性组合、岩溶化程度、水文地质、岩体完整程度、空间位置、水量监测、水压监测、地下水位监测和早期物探成果；其中，各一级指标包括的影响因素如下：

构造，包括的影响因素为：断层带内或断层带附近，向斜核部或靠近核部；

岩性组合，包括的影响因素为：可溶岩岩体内，可溶岩与非可溶岩接触带附近；

岩溶化程度，包括的影响因素为：强烈溶蚀风化，中等溶蚀风化，弱溶蚀风化，微新；

水文地质，包括的影响因素为：地下水补给区或与地表水体有水力联系，地下水径流区，地下水排泄区；

岩体完整程度，包括的影响因素为：完整性差，完整性较差；

空间位置，包括的影响因素为：附近高程有勘探钻孔揭露过岩溶洞穴，经过地质前期推测的现代岩溶水系统；

水量监测，包括的影响因素为：隧洞涌水有较明显的增大趋势；

水压监测，包括的影响因素为：系统布设的渗压计测值向掌子面方向有增大趋势；

地下水位监测，包括的影响因素为：附近长观孔地下水位明显下降；

早期物探成果，包括的影响因素为：显示有明显较大范围低阻区；

其中，各一级指标因素的专家评分值以及其包括的影响因素的专家评分如下：

构造：20；断层带内或断层带附近：10，向斜核部或靠近核部10；

岩性组合：10；可溶岩岩体内：10，可溶岩与非可溶岩接触带附近：5；

岩溶化程度：20；强烈溶蚀风化：20，中等溶蚀风化：15，弱溶蚀风化：10，微新：0；

水文地质：20；地下水补给区或与地表水体有水力联系：20，地下水径流区：15，地下水排泄区：15；

岩体完整程度：10；完整性差：10，完整性较差：5；

空间位置：20；附近高程有勘探钻孔揭露过岩溶洞穴：10，经过地质前期推测的现代岩溶水系统：10；

水量监测：10；隧洞涌水有较明显的增大趋势：10；

水压监测：10；系统布设的渗压计测值向掌子面方向有增大趋势10；

地下水位监测：10；附近长观孔地下水位明显下降：10；

早期物探成果10；显示有明显较大范围低阻区：10；

根据上述一级指标因素建立指标层次表，根据指标层次表与模糊数学法获得的因素权值，计算出风险等级值；

4.3)根据风险等级值，确定岩溶洞穴突水等级；若风险等级值大于80，则评估岩溶洞穴突水风险为极高；若风险等级值为40至80，则评估岩溶洞穴突水风险为高；若风险等级值小于40，则评估岩溶洞穴突水风险为低。

所述步骤4.2)中风险等级值的计算方法如下：

计算各一级指标因素的风险值，为包括的影响因素的专家评分和因素权值的乘积；

风险等级值为各一级指标因素的风险值的累加值。

本发明利用利用计算机C/S架构实现隧洞地质超前预报，对隧洞地质灾害风险进行预测，各参建单位在统一平台上协同工作。在隧洞施工过程中以地质勘察资料为基础，综合隧洞施工中的各种监测数据、物探及勘探成果进行分析判断，生成风险评估报告，指导隧洞施工规避风险，同时以图形图表的方式对风险源进行展示。同时，在隧洞岩溶地质灾害风险评估定量化判断标准上，采用模糊数学和专家调查法，不仅使其能直观的评价灾害风险，也能更加方便于计算机风险评估系统的集成，并以此进行隧洞岩溶地质灾害风险评估，这一方法对隧洞地质超前预报有着重大的意义。

本发明的有益效果是：业主、设计、地质、监理、施工、勘探各单位协同工作，有效的管理信息，处理数据，及时的探测反馈在隧洞预报和施工过程中遇到的地质现象，进行有效的风险管理，灾害预警，并适时的提出预测预案，规避风险。系统有效地进行隧洞地质超前预报，提高工作效率，使各部门之间高效的协同工作。

本发明具有科学严谨，高效易操作、稳定可靠、适用范围广等优点，可为类似隧洞地质超前预报提供借鉴。

附图说明

图1为本发明基于C/S架构的隧洞地质超前预报方法结构示意图。

具体实施方式

本发明基于C/S架构的隧洞地质超前预报方法工作流程参见图1。

本发明的实施步骤是：

1、建立地质资料数据平台、输入监测信息；

2、在施工过程实时更新搜集地质资料，结合监测、探测信息进行分析，初步生成风险预测及评估报告；

深埋长隧洞(根据《水利水电工程地质勘察规范》，长度大于2km的隧洞为长隧洞，埋藏深度大于300m的地下洞室为深埋洞室。)工程地质条件复杂性分级，就是在勘察成果的基础上，每项指标(岩石类别、地质构造、断层的活动性、地应力等级、围岩强度、岩溶发育程度及类型、地下水状态、放射性及有害气体含量等)按其复杂程度划分为较好(Ⅰ)、复杂(Ⅱ)、很复杂(Ⅲ)、极复杂(Ⅳ)四个级别。

将深埋长隧洞的复杂程度分为4类。第1类：工程地质条件复杂程度总体评价为一般，其I级的条项占≥60％，并且不存在Ⅲ、Ⅳ条项；第2类：工程地质条件复杂程度总体评价为较复杂，其Ⅱ级的条项占≥60％，并且不存在Ⅳ级复杂项的工程；第3类：工程地质条件复杂程度总体评价为复杂，其Ⅲ级的条项占≥60％，并且Ⅳ级条项含量不超过20％；第4类：工程地质条件复杂程度总体评价为极复杂，其Ⅳ级的条项占≥60％。

进行掌子面前方地质条件预报，掌子面前方条件预报包括：围岩破碎程度预报、隧洞涌水预报、断层预报、岩溶预报、煤层瓦斯预报、隧洞突泥预报、放射性物质预报、含石油天然气预报。

掌子面前方条件预报按如下步骤进行：

4.1)若岩性为包括灰岩、白云岩类、膏盐类或可溶砾岩的可溶岩类或其与非可溶岩类接触带附近；且水位低于地下水位且高于岩溶发育下限，则将隧洞地质岩溶风险评估为高风险；否则转入步骤2.2)对岩溶洞穴突水评分标准和风险等级划分进行量化；

4.2)采集隧洞及其附近围岩的水文地质信息，包括:构造、岩性组合、岩溶化程度、水文地质、岩体完整程度、空间位置、水量监测、水压监测、地下水位监测和早期物探成果；其中，各一级指标包括的影响因素如下：

构造，包括的影响因素为：断层带内或断层带附近，向斜核部或靠近核部；

岩性组合，包括的影响因素为：可溶岩岩体内，可溶岩与非可溶岩接触带附近；

岩溶化程度，包括的影响因素为：强烈溶蚀风化，中等溶蚀风化，弱溶蚀风化，微新；

水文地质，包括的影响因素为：地下水补给区或与地表水体有水力联系，地下水径流区，地下水排泄区；

岩体完整程度，包括的影响因素为：完整性差，完整性较差；

空间位置，包括的影响因素为：附近高程有勘探钻孔揭露过岩溶洞穴，经过地质前期推测的现代岩溶水系统；

水量监测，包括的影响因素为：隧洞涌水有较明显的增大趋势；

水压监测，包括的影响因素为：系统布设的渗压计测值向掌子面方向有增大趋势；

地下水位监测，包括的影响因素为：附近长观孔地下水位明显下降；

早期物探成果，包括的影响因素为：显示有明显较大范围低阻区；

其中，各一级指标因素的专家评分值以及其包括的影响因素的专家评分如下表1：

构造：20；断层带内或断层带附近：10，向斜核部或靠近核部10；

岩性组合：10；可溶岩岩体内：10，可溶岩与非可溶岩接触带附近：5；

岩溶化程度：20；强烈溶蚀风化：20，中等溶蚀风化：15，弱溶蚀风化：10，微新：0；

水文地质：20；地下水补给区或与地表水体有水力联系：20，地下水径流区：15，地下水排泄区：15；

岩体完整程度：10；完整性差：10，完整性较差：5；

空间位置：20；附近高程有勘探钻孔揭露过岩溶洞穴：10，经过地质前期推测的现代岩溶水系统：10；

水量监测：10；隧洞涌水有较明显的增大趋势：10；

水压监测：10；系统布设的渗压计测值向掌子面方向有增大趋势10；

地下水位监测：10；附近长观孔地下水位明显下降：10；

早期物探成果10；显示有明显较大范围低阻区：10；

根据上述一级指标因素建立指标层次表，根据指标层次表与模糊数学法获得的因素权值，计算出风险等级值；

4.3)根据风险等级值，确定岩溶洞穴突水等级如表2；若风险等级值大于80，则评估岩溶洞穴突水风险为极高；若风险等级值为40至80，则评估岩溶洞穴突水风险为高；若风险等级值小于40，则评估岩溶洞穴突水风险为低。

所述步骤4.2)中风险等级值的计算方法如下：

计算各一级指标因素的风险值，为包括的影响因素的专家评分和因素权值的乘积；

风险等级值为各一级指标因素的风险值的累加值。

表1岩溶洞穴(管道)突水评分标准

表2岩溶洞穴(管道)突水等级风险划分

评分值	风险等级
		>80	岩溶风险极高
40-80	岩溶风险高
		<40	岩溶风险低

3、根据初步的风险评估报告进行专家讨论，对高风险洞段进一步进行特定探测查明风险或调整施工方案，对低风险进行安全指导施工；

5、各单位在系统中均按工种得到本单位需要信息，如风险警示提示、施工指导、设计变更等；

6、系统在图形图表中及时更新数据，在图形中显示风险源位置，在中高风险时及时预警。

本发明具有以下优点：

这种隧洞超前预报方法可协同工作、及时高效预测预警、科学严谨管理方便。

(1)简单易操作：本发明方法操作简单，只需各部门人员分配登录账号和角色，在系统当中进行工作。

(2)可协同工作：业主，地质，设计，施工，监理，勘探各单位人员，登录系统，以不同角色协同工作完成隧洞超前预报，可以共享信息，及时反馈，协同办公，使隧洞预报效率更高，管理更加科学。

(3)高效预测预警：本方法可以及时更新监测数据，进行风险评估，当风险管理某一地质病害达到阈值，便进行预警提醒，并形成预案。效率高，风险可控。

(4)适用范围广：该超前预报方法不仅适用于一般隧洞，对于大型深埋隧洞复杂地质预报也具有较强的适用性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于C/S架构的隧洞地质超前预报方法，其特征在于在施工过程实时更新搜集地质资料，结合监测、探测信息进行分析，初步生成风险预测及评估报告；业主、地质、设计、施工、监理、勘察各单位人员，登录系统、共享信息、以不同角色协同工作完成隧洞超前预报并及时更新监测数据，进行风险评估，当风险管理某一地质病害达到阈值，便进行预警提醒，并形成预案；包括如下步骤：

步骤1）进行隧洞地质勘察，获取隧洞及其附近地质信息，并进行前期地质勘察设计；通过三维地质演示模块展示所述隧洞及其附近地质信息；隧洞及其附近地质信息包括：岩石类别、地质构造、断层的活动性、地应力等级、围岩强度、岩溶发育程度及类型、地下水状态、放射性及有害气体含量；

步骤2）根据获取的隧洞及其附近地质信息，进行地质条件复杂程度分级；

若长度大于2km的隧洞为长隧洞，埋藏深度大于300m的地下洞室为深埋洞室；隧洞及其附近地质信息每项指标按复杂程度由简单到复杂划分为较好、复杂、很复杂、极复杂四个级别，分别标记为I级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级；

步骤3）对步骤2）的分级结果进行综合分析与判断量化，将深埋长隧洞按复杂程度等级分布进行分类；步骤3）将深埋长隧洞按复杂程度等级分布分为4类：第1类：工程地质条件复杂程度总体评价为一般，其I级的条项占≥60%，并且不存在Ⅲ级、Ⅳ级条项；第2类：工程地质条件复杂程度总体评价为较复杂，其Ⅱ级的条项占≥60%，并且不存在Ⅳ级复杂项的工程；第3类：工程地质条件复杂程度总体评价为复杂，其Ⅲ级的条项占≥60%，并且Ⅳ级条项含量不超过20%；第4类：工程地质条件复杂程度总体评价为极复杂，其Ⅳ级的条项占≥60%；

步骤4）对步骤3）分类后的深埋长隧洞进行掌子面前方地质条件预报，掌子面前方地质条件预报包括：围岩破碎程度预报、隧洞涌水预报、断层预报、岩溶预报、煤层瓦斯预报、隧洞突泥预报、放射性物质预报、含石油天然气预报；

步骤5）进行隧洞实时监测，获取隧洞实时的降雨量、地下水位、水温、水压、涌水量、形变、地震信息；将隧洞实时监测结果返回到步骤2）调整地质条件复杂程度分级后依序执行；

步骤6）如步骤4）预报结果不存在不良地质，则继续施工；如存在不良地质，则提出预报方案并采取针对不良地质的干预方法进行干预；所述干预方法包括：地质调查法、超前钻探法、物探法、超前导坑预报法、掌子面地质素描；干预后结果进行三维地质演示并同时返回到步骤2）调整地质条件复杂程度分级后依序执行；

步骤7）再次判断是否存在不良地质，如否则继续施工，如存在则提出预警预报，并根据预警预报提出规避措施，之后继续施工；

各单位在系统中均按工种得到本单位需要信息，包括风险警示提示、施工指导、设计变更；系统在图形图表中及时更新数据，在图形中显示风险源位置，在中高风险时及时预警。

2.根据权利要求1所述的基于C/S架构的隧洞地质超前预报方法，其特征在于步骤4）掌子面前方地质条件预报按如下步骤进行：

步骤4.1）若岩性为可溶岩类、或可溶岩类与非可溶岩类接触带附近，其中，可溶岩类包括灰岩、白云岩类、膏盐类或可溶砾岩；且水位低于地下水位且高于岩溶发育下限，则将隧洞地质岩溶风险评估为高风险；否则转入步骤4.2）对岩溶洞穴突水评分标准和风险等级划分进行量化；

步骤4.2）采集隧洞及其附近围岩的水文地质信息，包括: 构造、岩性组合、岩溶化程度、水文地质、岩体完整程度、空间位置、水量监测、水压监测、地下水位监测和早期物探成果；其中，各一级指标因素及其包括的影响因素如下：

构造，包括的影响因素为：断层带内或断层带附近，向斜核部或靠近核部；

岩性组合，包括的影响因素为：可溶岩岩体内，可溶岩类与非可溶岩类接触带附近；

岩溶化程度，包括的影响因素为：强烈溶蚀风化，中等溶蚀风化，弱溶蚀风化，微新；

水文地质，包括的影响因素为：地下水补给区或与地表水体有水力联系，地下水径流区，地下水排泄区；

岩体完整程度，包括的影响因素为：完整性差，完整性较差；

空间位置，包括的影响因素为：附近高程有勘察钻孔揭露过岩溶洞穴，经过地质前期推测的现代岩溶水系统；

水量监测，包括的影响因素为：隧洞涌水有较明显的增大趋势；

水压监测，包括的影响因素为：系统布设的渗压计测值向掌子面方向有增大趋势；

地下水位监测，包括的影响因素为：附近长观孔地下水位明显下降；

早期物探成果，包括的影响因素为：显示有明显较大范围低阻区；

其中，各一级指标因素的专家评分值以及其包括的影响因素的专家评分值如下：

构造：20；断层带内或断层带附近：10，向斜核部或靠近核部10；

岩性组合：10；可溶岩岩体内：10，可溶岩类与非可溶岩类接触带附近：5；

岩溶化程度：20；强烈溶蚀风化：20，中等溶蚀风化：15，弱溶蚀风化：10，微新：0；

水文地质：20；地下水补给区或与地表水体有水力联系：20，地下水径流区：15，地下水排泄区：15；

岩体完整程度：10；完整性差：10，完整性较差：5；

空间位置：20；附近高程有勘察钻孔揭露过岩溶洞穴：10，经过地质前期推测的现代岩溶水系统：10；

水量监测：10；隧洞涌水有较明显的增大趋势：10；

水压监测：10；系统布设的渗压计测值向掌子面方向有增大趋势10；

地下水位监测：10；附近长观孔地下水位明显下降：10；

早期物探成果10；显示有明显较大范围低阻区：10；

根据上述一级指标因素建立指标层次表，根据指标层次表与模糊数学法获得的因素权值，计算出风险等级值；

步骤4.3）根据风险等级值，确定岩溶洞穴突水等级；若风险等级值大于80，则评估岩溶洞穴突水风险为极高；若风险等级值为40至80，则评估岩溶洞穴突水风险为高；若风险等级值小于40，则评估岩溶洞穴突水风险为低。

3.根据权利要求2所述的基于C/S架构的隧洞地质超前预报方法，其特征在于所述步骤4.2）中风险等级值的计算方法如下：

计算各一级指标因素的风险值，为包括的影响因素的专家评分值和因素权值的乘积；

风险等级值为各一级指标因素的风险值的累加值。