CN108952807B

CN108952807B - 一种隧道断裂破碎带涌水的止水处置方法

Info

Publication number: CN108952807B
Application number: CN201810684338.1A
Authority: CN
Inventors: 周念清; 江思珉; 张雯
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2021-03-19
Anticipated expiration: 2038-06-28
Also published as: CN108952807A

Abstract

本发明涉及一种山区隧道断裂破碎带涌水的处置方法，包括以下步骤：根据隧止区地下水系统边界、边界条件、初始条件、断层因素概化，采用基于多孔介质模型的MODFLOW程序对基岩山区裂隙含水层进行模型的建立和水文地质参数识别；基于水文地质模型进行隧道因素概化、瞬时涌水量计算和稳定涌水量计算；基于隧道涌水量计算结果，结合隧道衬砌降压，确定隧道围岩的泄水孔止水承压模式，进行止水承压试验确定相关参数，据此，运用优化控水模式实施隧道排水。本发明将释压泄水孔、衬砌施工与生态社会用水需求相结合形成的一种综合处置方法，可灵活调整泄压部位，分解施工压力，并加固围岩，有效保证工程建设与安全。

Description

一种隧道断裂破碎带涌水的止水处置方法

技术领域

本发明属于山区深长基岩裂隙隧道建设的涌水处置，具体涉及一种山区隧道断裂破碎带涌水的止水处置方法。

背景技术

基岩裂隙水是我国分布最为普遍的地下水类型之一，强烈非均值性，使其赋存规律复杂，在隧洞工程建设中，富集的基岩裂隙水对施工和运营安全构成重要威胁，而断层破碎带涌水是非常突出的地质工程问题。同时，隧道涌水也会造成地下水位下降，造成一定范围内地下水被疏干，对隧址区生态和居民生活及工农业用水构成威胁，处理不当甚至引起民众纠纷，因此，隧道涌水问题关乎国计民生，需妥善处理。

目前，应对隧道断层破碎带突涌水，常见的工程手段有注浆加固围岩和钻设泄水孔等，但现有处理方法多是将涌水控制于某一状态，较少对环境水文地质条件应激反馈；在隧道涌水概念模型研究方面，大多都是基于简化经验公式或数值模拟计算的，其工程应用性不强，很难在涌水状态下进行衬砌结构的实施。同时，鲜有综合考虑隧址区生态、社会功能用水和安全施工运营的控水设计，多数是单独考虑隧道止水，这就很难协同生态、社会用水及隧道建设等持续共存与发展。

如中国专利CN 101625352A公开了一种隧道开挖岩溶突水试验方法及监测装置，该发明同时能研究不同的含水体位置、不同水压情况下隧道开挖诱发突水前兆多场信息的变化规律，具有适用范围广、可靠度高、采集数据丰富、试验精度高等优点，其包括较多装置及精密仪器，但仪器环境要求高，试验过程操作步骤较为复杂。另如中国专利CN102608263A公开了一种基于渗流场与应力场祸合的断裂突水研究试验方法，其能够真实反映渗流场与应力场祸合的断裂突水规律，但该方法只考虑了渗流场和应力场的耦合效应，没有考虑小尺度涌水特性及综合协同止水。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种山区隧道断裂破碎带涌水的止水处置方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种山区隧道断裂破碎带涌水的处置方法，包括以下步骤：

(1)建立水文地质概念模型：根据隧止区地下水系统边界、边界条件、初始条件、断层因素概化，采用基于多孔介质模型的MODFLOW程序对基岩山区裂隙含水层进行模型的建立和水文地质参数识别；

(2)对隧道涌水量预测模拟：基于水文地质模型进行隧道因素概化、隧道涌水量计算、瞬时涌水量计算和稳定涌水量计算；

(3)隧道围岩泄水孔止水承压模式：基于隧道涌水量计算结果，结合隧道衬砌降压，确定隧道围岩的泄水孔止水承压模式；

(4)进行止水承压试验：基于隧道围岩泄水孔止水承压模式，进行止水承压试验，确定相关参数，据此，运用优化控水模式实施隧道排水。

具体地，第一步，建立水文地质概念模型：

分析隧址区穿越的岩层性质、埋深与断层发育状态，区域内地下水发育来源及埋深，浅部岩层风化裂隙发育及破碎状态，裂隙水含量，大气降水及补给规律，地下径流排泄形式以及地下水裂隙渗流形式等水文地质参数。确定地下水系统边界、边界条件和初始条件、断层因素概化、采用基于多孔介质模型的MODFLOW程序对基岩山区裂隙含水层进行模型的建立和水文地质参数识别。

所述的地下水系统边界，基于SRTM DEM数据、Google地球数据和地形图资料等进行地表水系的提取，生成地表水子集水区。

所述的边界条件和初始条件，根据划定的子集水区范围，边界条件以子集水区的山脊边界及河流等自然边界为主，子集水区的山脊视为无流量边界，河流则视为定水头边界。初始条件根据施工前期进行的钻孔地下水测量结果，将钻孔地下水位数据与地表高程数据进行回归分析，得到关系式，确定相关系数。

所述的断层因素概化，将断层带和破碎带概化为中等透水性岩体，结合钻孔资料和隧道地质剖面图，首先生成隧道沿线垂直水文地质剖面，然后结合地表地形TIN(由DEM生成)生成三维地质实体模型(3D Solid Model)。

所述的水文地质参数识别过程，部分基岩山区由于钻孔施工难度大以及后期钻孔维护差等原因，从而缺乏地下水位长期观测动态资料等，导致难以进行水文地质模型的有效识别。可以在钻孔试验成果的基础上(抽水试验、提水试验等)，通过对钻孔稳定水位值(与对应季节模拟水位)的拟合程度估算得到各岩层的水文地质参数取值。虽然受资料限制，但所建立模型的拟合度仍能满足一定的要求。

第二步，隧道涌水量预测模拟，其主要步骤包括：

(1)隧道因素概化，在水文地质模型中将隧道概化为一类边界条件(内边界)，当开挖至某个网格单元时，将该网格单元的水头值设置为其所在的标高。

(2)隧道涌水量计算，结合隧道的开挖过程，隧道所在的一类边界(内边界)不断延伸，不断设置新开挖段所在的网格单元为模型的内边界条件，最后进行MODFLOW模拟计算得到的地下水流场和涌水量。如此往复计算，直至隧道开挖完毕。涌水量计算是利用USGS开发的ZoneBudget程序读取MODFLOW模拟结果来计算，它是利用水流模型中网格单元体之间的水流数据来进行水均衡计算。在ZoneBudget模块中根据该单元体是否参与隧道模拟计算来分区及编号。

(3)瞬时涌水量计算，瞬时涌水量是隧道掘进至开挖面时发生的涌水量，是对水文地质模型进行瞬态分析的结果。

(4)稳定涌水量计算，通过隧道水文地质数值模型求得隧道(开挖面)开挖前的模拟结果(地下水位分布)，以此水头分布作为开挖模拟的初始水头估计值，进行稳定流模拟，然后求得开挖后的稳定流场，最后利用ZoneBudget模块计算开挖面的稳定涌水量。

第三步，基于上述隧址区的水文地质模型的隧道涌水量计算结果，结合隧道衬砌降压，提出隧道围岩的泄水孔止水承压模式：

用对数模型来刻画泄水孔止水承压后的水压历时变化：

P＝alnt+b ①

式中：P为水压；t为承压历时；a，b为模型需要确定的参数；

泄水孔处水头可用式②表示：

H＝h+z ②

式中：H为水头；h为泄水孔处压力水头；z为重力水头，取为泄水孔处高程；

泄水孔处压力水头用式③计算：

h＝P/ρg ③

式中：ρ为水密度，取1g/cm³；g为重力加速度，取9.8m/s²；

将式③代入式②得：

H＝P/ρg+z ④

进一步，将式①带入式④得：

H＝P/ρg+z＝alnt/ρg+b/ρg+z ⑤

由式⑤可求得泄水孔处止水承压后不同时刻对应的水头。

第四步，进行止水承压试验，其具体步骤为：

(1)在涌水段初期支护施工完成后，随机选取初期支护施工后预留的三处不同位置泄水孔开展止水承压试验；

(2)在隧道内圈划涌水严重区段，在各区段揭露剖面钻设呈网格状布设的释压泄水孔，释压泄水孔内安装泄水滤管，泄水滤管的末端安装三通，三通的另外两端分别安装阀门和压力表。

①上述步骤(2)所述的泄水孔，相邻释压泄水孔之间的间距为1.0-2.0m，泄水滤管内径为2-4cm，泄水滤管探入岩体部分长2-3m，其中3/5至4/5部分为网眼花管以透水，露出岩体部分为10-20cm；

②上述步骤(2)所述压力表包括0-0.6MPa，0-0.1MPa，0-0.06MPa三种规格。

(3)将释压泄水孔喷浆锚固，使其与围岩密实；

(4)试验开始后，关闭泄水孔阀门监测记录水压随时间动态变化过程。为分析不同时间尺度水压变化，设置短时和长时两种监测时长。短时监测具体设置为：在泄水孔止水承压后的300s内进行连续监测，根据压力变化状况记录相对应的时间节点。受施工环境限制，长时监测设置为：选定一泄水孔，记录止水后0，12，24，48，72和168h各时间点对应的压力表读数。

(5)连续2天内进行3次短时监测泄水孔止水承压后的水压历时过程，从小尺度揭示涌水点水头变化模式，用自然对数模型P＝alnt+b刻画泄水孔止水承压后的水压历时变化；

步骤(5)具体方法为：采用释压泄水孔卸压的方法辅助衬砌施工，阀门在施工处关闭，其他处开启，分解压力，减小注浆难度，保障施工进行。

本发明提出的隧道涌水水文地质概念模型，能够直观地模拟不同突水情况下隧道围岩模型中地下水渗流场的变化情况，并可通过地下水渗流状态的试验结果，获得排水状态下隧道围岩地下水渗流规律，有效地解决隧道地下水渗流状态认识不清、现场不易监测的问题；另外，本发明提出单个泄水孔止水承压的概念模式，从小尺度揭示涌水点水头变化模式，分析隧道在排水作用下渗流场的变化情况与排水流量之间的相关关系，综合考虑生态和社会用水需求及隧道施工建设成本，保障工程正常施工及控制排水量减小对生态环境的干扰，试验构筑简便，操作过程灵活简易，为实际隧道施工止水方案的选择提供参考依据。

本发明将释压泄水孔、衬砌施工与生态社会用水需求相结合形成的一种综合处置方法，可灵活调整泄压部位，分解施工压力，并加固围岩，有效保证工程建设与安全，可与生态、社会健康可持续共存。

附图说明

图1为本发明单个涌水点止水装置的结构示意图。

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。

实施例

岳武高速明堂山山区隧道断裂破碎带涌水处置方法

由于隧道开挖过程中遭遇断裂破碎带，在2014年1月3日早6:00开挖时出现突水，增加抽水设施，现场排水量达200m³/h(2台37KW80m³/h污水泵，2台18.5KW20m³/h污水泵)。截止下午16:00隧道内已经淹没150米，隧道纵坡8‰，宽度11.7米，水量为150*(150*8‰)/2*11.7＝1053m³，合计每小时突水量平均为1053/10+200＝305m³，严重影响施工，且因地下水疏干，产生水位降落漏斗，对地表生态和居民生构成威胁。

具体治理步骤如下：

(1)构筑网格状钻设释压泄水孔：根据南方花岗岩地区断裂破碎带涌水特征，在涌水初期(2014年1月3日开始)大量释水后，于1月10日开始，由涌水各向异性特征，圈划出7处涌水严重区段，在揭露剖面，钻设呈网格状布设释压泄水孔，探入岩体2.5m左右(2m左右为花管)，网格节点间距1.2～1.5m，喷浆锚固泄水孔，使其与围岩密实，并于泄水孔出口段(露出岩体10～15cm)，装设三通阀门，控制流量并可选择监控压力状态，涌水点止水装置如图1所示。

(2)泄水孔承压止水操作与衬砌施工：南方基岩断裂破碎带以化学风化为主，采用释水孔卸压辅助衬砌施工，各涌水点最大压力应小于0.004MPa，可对涌水量较大处采用数字式压力表，重点监控；通过阀门控制，有选择的施工处关闭、其他处开启，分解压力，减小注浆难度，保障施工进行。

具体步骤如下：

①初衬施工时关闭喷浆段附近泄水孔，其他处开启，随初衬进行直至关闭所有泄水孔；

②部分洞壁围岩喷浆困难时，将已完成初衬段的泄水孔打开，分解压力，减小注浆难度，保障施工进行；

③完成全部初衬24小时后，根据初衬承压状况，选择全部关闭或部分开启泄水孔，对已开启的泄水孔，在二衬施工时，采用管网连接，管网设置总阀门与压力表，集中排于中间积水井，通过主管道排出；

(3)环保控水模式设计：综合考虑生态和社会用水需求及隧道施工建设成本，为保障工程正常施工及控制排水量减小对生态环境的干扰，在大量涌水段，根据实际涌水状况，布设泄水孔，计算开挖前后水均衡状态，结合数值模拟计算，通过管网开关进行隧道围岩承压控制；

具体步骤为：

①在满足生态及社会用水需求基础上，通过数值模拟等手段推求允许疏排水位降深，计算初衬抗压能力；

②在主要地表水断面布设流量监测断面，在主要涌水各布设2处长观监测孔，每15日监测一次；

③根据丰枯水期不同，分时段计算水均衡，结合地下水位动态监测，识别校准数值模型，根据数值模拟结果，模拟不同水位状态时，隧道衬砌承压状态，设定承压限值，调控管网开关程度。

隧道贯通，对地表生态无明显不良影响，但应加强隧道建成后枯水期长时段地下水动态与生态影响监控，便于管理调控。

Claims

1.一种山区隧道断裂破碎带涌水的处置方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述的地下水系统边界是基于SRTM DEM数据、Google地球数据或地形图资料进行地表水系的提取，生成地表水子集水区；

所述的边界条件以子集水区的山脊边界或河流自然边界为主，子集水区的山脊视为无流量边界，河流视为定水头边界；

所述的初始条件根据施工前期进行的钻孔地下水测量结果，将钻孔地下水位数据与地表高程数据进行回归分析，确定相关系数；

所述的断层因素概化是将断层带和破碎带概化为中等透水性岩体，结合钻孔资料和隧道地质剖面图，首先生成隧道沿线垂直水文地质剖面，然后结合地表地形TIN生成三维地质实体模型；

（2）对隧道涌水量预测模拟：基于水文地质模型进行隧道因素概化、隧道涌水量计算、瞬时涌水量计算和稳定涌水量计算；

对隧道涌水量预测模拟具体步骤为：

(2-1)隧道因素概化：在水文地质模型中将隧道概化为一类边界条件，当开挖至某个网格单元时，将该网格单元的水头值设置为其所在的标高；

(2-2)隧道涌水量计算：结合隧道的开挖过程，隧道所在的一类边界不断延伸，不断设置新开挖段所在的网格单元为模型的内边界条件，最后进行MODFLOW模拟计算得到的地下水流场和涌水量，往复计算直至隧道开挖完毕；

(2-3)瞬时涌水量计算：所述瞬时涌水量为隧道掘进至开挖面时发生的涌水量，是对水文地质模型进行瞬态分析的结果；

(2-4)稳定涌水量计算：通过隧道水文地质数值模型求得隧道开挖前的模拟结果，以此水头分布作为开挖模拟的初始水头估计值，进行稳定流模拟，然后求得开挖后的稳定流场，最后利用ZoneBudget模块计算开挖面的稳定涌水量；

(3)确定隧道围岩泄水孔止水承压模式：基于隧道涌水量计算结果，结合隧道衬砌降压，确定隧道围岩的泄水孔止水承压模式；

(4)进行止水承压试验：基于隧道围岩泄水孔止水承压模式，进行止水承压试验；

所述的水文地质参数包括隧址区穿越的岩层性质、埋深与断层发育状态、区域内地下水发育来源及埋深、浅部岩层风化裂隙发育及破碎状态、裂隙水含量、大气降水及补给规律、地下径流排泄形式以及地下水裂隙渗流形式；

步骤(4)止水承压试验具体步骤为：

(4-1)在涌水段初期支护施工完成后，选取初期支护施工后预留的三处不同位置泄水孔开展止水承压试验；

(4-2)在隧道内圈划涌水严重区段，在各区段揭露剖面钻设呈网格状布设的释压泄水孔，释压泄水孔内安装泄水滤管，泄水滤管的末端安装三通，三通的另外两端分别安装阀门和压力表；所述的泄水孔，相邻释压之间的间距为1.0-2.0m，泄水滤管内径为2-4cm，泄水滤管探入岩体部分长2-3m，其中3/5至4/5部分为网眼花管以透水，露出岩体部分为10-20cm；所述压力表包括0-0.6MPa，0-0.1MPa，0-0.06MPa三种规格；

(4-3)将释压泄水孔喷浆锚固，使其与围岩密实；

(4-4)试验开始后，关闭泄水孔阀门监测记录水压随时间动态变化过程，为分析不同时间尺度水压变化，设置短时和长时两种监测时长，短时监测具体设置为：在泄水孔止水承压后的300s内进行连续监测，根据压力变化状况记录相对应的时间节点；受施工环境限制，长时监测设置为：选定1个泄水孔，记录止水后0，12，24，48，72和168h各时间点对应的压力表读数；

(4-5)采用释压泄水孔卸压的方法辅助衬砌施工，阀门在施工处关闭，其他处开启，分解压力，减小注浆难度，保障施工进行，连续2天内进行3次短时监测泄水孔止水承压后的水压历时过程，从小尺度揭示涌水点水头变化模式，用自然对数模型P＝alnt+b刻画泄水孔止水承压后的水压历时变化，式中：P为水压；t为承压历时；a，b为模型需要确定的参数。

2.根据权利要求1所述的一种山区隧道断裂破碎带涌水的处置方法，其特征在于，步骤(3)隧道围岩泄水孔止水承压模式具体为：

H＝P/ρg+z＝alnt/ρg+b/ρg+z，

其中，H为泄水孔处止水承压后不同时刻对应的水头，t为承压历时；a，b为模型需要确定的参数，ρ为水密度，g为重力加速度，z为重力水头，取为泄水孔处高程。