CN112100727B - 一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法，具体按照以下步骤实施：步骤1：获取诱发突涌水的影响因子，步骤2：确定突涌水各影响因子的定性指标和定量指标；步骤3：根据隧道发生突涌水的概率，确定突涌水预报级别；步骤4：构建各个突涌水影响因素的隶属度函数和各评价指标权重；得到隧道突涌水可能发生的等级；步骤5：将突涌水预警过程编制成可视化分析平台；步骤6：得到突涌水等级；步骤7：得到能够保证围岩稳定和减少突涌水的综合方案；步骤8：建立突涌水预警和治理措施综合分析平台。本发明优化了断层破碎带富水公路隧道存在的突水的预警与治理措施。

Description

一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法
技术领域
本发明属于岩土工程信息化施工技术领域，具体涉及一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法。
背景技术
近年来，由于交通和基础设施需求突增，尤其是高速公路、铁路的大规模建设，工程多需要采取隧道形式穿山施工，其施工期隧道的安全性是工程成败的关键，例如：工程存在高山峻岭、地层岩性较差、可溶盐分布较为广泛、地下水位较高，且受降雨影响较大，隧道修建期间，地表径流易于和隧道所处地层中的地下水及断层破碎带中裂隙水连通，从而诱发狭小的隧道空间内部出现突水、涌水、涌泥等灾害问题；
然而，由于不同隧道发生突涌水(泥)的类型多样，其赋存的地质环境、水文环境、施工环境、管理水平等也存在巨大的差异，导致准确预测预报突涌水(泥)发生的等级、可能性及采取的治理措施存在较大变数，往往难以取得统一的施工技术控制标准，需要具体问题具体分析。
关于隧道突涌水、涌泥的治理措施也存在差异性，针对不同等级的突涌水隧道，其治理措施需要采取不同强度的治理方案，对于实现断层破碎带富水隧道的信息化施工，动态修改、完善设计和施工方案具有重要意义，是保证工程经济、安全、可靠、顺利完成的重要保证。
此外，现有的研究水平严重滞后于工程应用。对于待评价的隧道，由于影响突水的因素众多，受到权重确定过于主观、完备的评价指标很难精确获得的制约，导致风险评价结果的可靠性低、准确性差和实用性不强，远达不到隧道施工的标准化、信息化和安全管理的要求。采用案例推理、模糊综合评价、粗糙集理论、层次分析法理论、数值分析辅助方法、基于现场监测调研对预测模型影响因子的权重修正等多种方法相结合的方法，探索建立新的评价体系和治理措施，并将其应用于工程实践，是未来研究的重点。综合来看，目前的断层破碎带富水公路隧道存在突水的预警与治理措施有待进一步提高的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法，解决了目前的断层破碎带富水公路隧道存在的突水的预警与治理措施有待进一步提高的问题。
本发明所采用的技术方案是，
一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：基于工程勘察资料，获取诱发突涌水的影响因子，建立隧道突涌水风险评价层次分析结构；
步骤2：基于工程勘察资料，对隧道发生突涌水的各影响因子进行指标分级，根据诱发突涌水的影响因子，以及确定突涌水各影响因子的定性指标和定量指标；
步骤3：根据隧道发生突涌水的概率，确定突涌水预报级别；
步骤4：基于层次分析法和模糊数学理论，构建各个突涌水影响因素的隶属度函数和各评价指标权重；通过基本模糊复合矩阵计算，得到模糊等级向量；利用最大隶属度原则和非对称贴近度方法对模糊等级向量分析，最终得到隧道突涌水发生的等级；
步骤5：采用HTML、CSS、JS等编程语言，将突涌水预警过程编制成可视化分析平台；
步骤6：基于步骤1和2，构建诱发隧道突涌水的影响因素数值的试验方案，并基于步骤5来计算得到突涌水等级；
步骤7：基于步骤6中得到的发生不同突涌水等级的试验方案，进行数学建模，从不同导水措施、不同堵水措施、不同超前支护和初期支护措施，对突涌水的对治理措施方案进行优化，得到能够保证围岩稳定和减少突涌水的综合方案；
步骤8：在步骤7的基础上建立突涌水预警和治理措施综合分析平台。
本发明的特点还在于，
在步骤1中，工程勘察资料包括隧道所处地层的工程地质信息、水文地质信息。
步骤1中，影响因子包括：不良地质、地层岩性、可溶岩与非可溶岩接触带、岩石完整系数与泊松比、地形地貌、岩层产状、层间裂隙、围岩级别。
步骤4包括如下的具体步骤：
4.1：建立层次结构模型；
4.2：建立分级标准；
4.3：确定隶属度；
4.4：通过层次分析法，确定指标的权重系数；
4.5：模糊算子选取及评价。
步骤4.4包括如下的具体步骤：
步骤4.4.1：建立层次结构；
步骤4.4.2：构造判断矩阵；
步骤4.4.3：由判断矩阵得到各因素权重及一致性检验，最后得到评价指标权重。
本发明的有益效果是，一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法，一种断层破碎带影响下富水隧道突水预警系统与治理措施实施方法，系统的提出了西南高山多雨地区岩质公路隧道的突涌水预警技术、突涌水治理措施方案优化及围岩支护结构优化等工程技术问题，为类似发生突涌水的公路隧道提供了一个系统的思路和技术方法。
附图说明
图1是本发明一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法的流程示意图；
图2是本发明一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法的逻辑示意图；
图3是本发明一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法在采用的层次分析法(AHP)中针对突涌水影响因素进行的归类与分层方法的示意图；
图4是本发明一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法中隧道安全及涌水量流固耦合数值分析模型示意图；
图5是本发明一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法中数值分析得到的隧道塑性区计算结果的示意图；
图6是本发明一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法中数值分析得到的隧道涌水量计算结果的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法，具体按照以下步骤实施，
步骤1：基于工程勘察资料，包括：工程地质、水文地质、试验段施工日志及检测信息，系统分析所研究的隧道工程背景中存在的突涌水危害特征，并获取诱发突涌水的影响因子：不良地质、地层岩性、可溶岩与非可溶岩接触带、岩石完整系数与泊松比、地形地貌、岩层产状(倾角为)、层间裂隙、围岩级别、降雨量、围岩应力(侧压力系数)、围岩位移、渗流量(渗流速度)、孔隙水压力、超前地质预报含水体、软弱结构面、施工扰动后松动圈厚度、支护时机以及现场管理水平；
步骤2：结合现有勘察资料，查阅已有文献(公路隧道、铁路隧道等规范性文件、隧道突涌水预测预报成功案例、已发表论文及专著)，初步确定突涌水各影响因子的定性指标和定量指标；
步骤3：根据隧道发生突涌水的概率，确定突涌水预报级别，A(很强-突涌水发生概率≥80％)、B(较强-突涌水50％≤发生概率＜79％)、C(较弱-突涌水20％≤发生概率＜49％)、D(无-突涌水0％≤发生概率＜19％)；
步骤4：基于层次分析法(AHP)和模糊数学理论，构建各个突涌水影响因素的隶属度函数和各评价指标权重；通过基本模糊复合矩阵计算，得到模糊等级向量；利用最大隶属度原则和非对称贴近度方法对模糊等级向量分析，最终得到隧道突涌水可能发生的等级；
步骤5：采用HTML、CSS、JS等编程语言，结合步骤4的方法，将突涌水预警过程编制成可视化分析平台，能够通过参数输入实现隧道突涌水等级的快速预警功能；
步骤6：根据步骤1、2中获取的影响隧道突涌水的主控因素，建立考虑各影响因素的数值实验分析方案，基于ANSYS和FLAC3D程序，构建数值分析模型，采用流固耦合理论，模拟隧道施工过程中围岩的变形场-塑性区-渗流量，研究隧道围岩在不同断层性质、地下水位高度、不同围岩级别、不同地应力等因素影响下的围岩稳定性及涌水量，并基于步骤5的平台，来进一步预估上述试验方案下的隧道突涌水等级；
步骤7：基于步骤6中分析得到发生不同突涌水等级的试验方案，进一步数学建模，研究不同导水措施、不同堵水措施、不同超前支护和初期支护措施，突涌水的对治理措施方案进行优化，提出能够保证围岩稳定和减少突涌水的综合治理措施；
步骤8：基于步骤5和步骤7，将突涌水预警系统与治理措施进行打包，继续采用步骤5的方式，建立突涌水预警和治理措施综合分析平台，实现现场快速化、信息化施工之目的。
下面通过具体的实施例对本发明一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法进行进一步详细说明。
步骤2、3中，突涌水级别及影响因素的定量化及定性化指标划分情况见表1。
表1突水风险因素等级划分表
步骤4中，具体确定步骤如下：
(1)层次结构模型的建立：
如图1、图2、以及图3所示，图1系统地展示了隧道突涌水预警系统的建立所需要的信息资料及其获取信息的方法。图2系统地的阐释了隧道突涌水预警系统与数值分析方法相结合的综合预警方法及其突涌水治理措施的获取途径，最终目的是系统的建立隧道突涌水的预报和防控措施实施方法。
根据图1、2中的指导思想，建立如表1中各类指标，根据图3可建立隧道突涌水风险评价层次分析结构。
(2)分级标准的建立：
根据隧道工程实况、查阅隧道规范及相关参考文献，对隧道发生突涌水的各影响因子进行指标分级，见表1和图3，图3通过改示意图的详细分层，为后期构建突涌水预警系统提供技术支持。
(3)隶属度确定：
隶属度是建立评价等级和评价指标之间的纽带。隶属度属于模糊评价函数里的概念，评价结果用一个模糊集合来表示，没有绝对地肯定或否定。其取值范围在0～1之间，隶属度越接近于1，表示某评价指标属于该等级的程度越高，隶属度越接近于0表示某评价指标属于该等级的程度越低。在实际问题中，根据问题的性质来决定选择什么形式的隶属函数。
对于定性指标的隶属度的确定采用专家评定的方法，定量指标采用升半梯型隶属度函数和降半梯型隶属度函数来确定。
定量指标的隶属度函数采用公式法确定。其中与突涌水风险正相关的指标采用升半梯形隶属度函数，该类指标包括岩石完整性系数与泊松比；公式如式(1)～(4)所示。
与突涌水风险等级呈负相关的指标采用降半梯形隶属度函数，该类指标包括降雨量，侧压力系数，孔隙水压力，松动圈厚度。公式如公式(5)～(8)所示：
上式中，RA、RB、RC、RD分别是某一实测指标对应的隶属度。X为实测数据，D1、D2、D3、D4分别是突涌水风险分级临界值。
(4)指标权重的确定：
通过AHP法确定指标的权重系数的步骤如下：
第一步：分析问题，建立层次结构：
明确系统中的各因素的关系，构建递阶层次结构，本文构建的递阶层次结构为两层，如图3所示。
第二步：构造判断矩阵：
在危险性程度分析中，对同一层次的各因素对突涌水影响的大小进行两两比较，构成两两判断矩阵B＝(bij)n×n，元素bij的取值参照重要性标度表，本发明重要性标度表如表2所示。
上矩阵中，bii＝bjj＝1，bij＝1/bij。
表2判断矩阵标度含义表
第三步：由判断矩阵得到各因素权重及一致性检验。
由单一判断矩阵计算元素间相对其准则的重要性权重，权重的计算方法分为：和法和方根法。本文采取方根法，在构造判断矩阵B之后，求出判断矩阵B的最大特征值λmax。将其特征向量M归一化，可得各因素的重要性权重。
BM＝λmaxM (10)；
式中：B为判断矩阵；λmax为判断矩阵B的最大特征值；M为为判断矩阵最大特征值λmax对应的特征向量，即为权重向量。
为了避免在判断矩阵中出现类似“因素A比因素B极端重要，因素B比因素C极端重要，而因素C又比因素A极端重要”的现象需要一致性检验。
(1)一致性指标计算，计算公式如式(11)所示。
(2)随机一致性比例计算，计算公式如式(12)所示。
式中，λmax为判断矩阵B的最大特征值；n为判断矩阵B的阶数；CR为随机一致性比例；CI为一致性指标；RI为平均随机一致性指标。如表3所示。
表3平均随机一致性指标RI
根据多位专家经验判断，采用上述步骤，本文得到的各个一级指标和二级指标的判断矩阵Bi并进行权重的分配，最后得到评价指标权重分配总表。
(5)模糊算子选取及评价：
模糊评价的基本复合计算公式如式(13)所示：
A＝JαR (13)；
式中，
A为模糊等级向量；J为权重向量；α为复合运算算子；R为隶属度矩阵。
根据需要采取不同的复合运算算子α，可得到不同的综合评判数学模型。复合运算算子α主要分为均衡平均型，加权平均型和乘积最大型等。均衡平均型会受到权重向量元素约束；乘积最大型只突出考虑了主要因素。以上两种类型都为全面考到各个影响因素。模糊等级向量A的计算公式如式(14)所示。
式中，
A为模糊等级隶属向量；J为一级指标权重向量；B、B1、B2、B3为中间过程矩阵；J1、J2、J3分别是二级指标权重向量；R1、R2、R3分别是三类一级指标隶属矩阵。
常采用最大隶属度原则确定评估模糊综合评估结果。可以直截了当对突涌水风险做等级划分，但当两隶属度值相差不大时，就可能会造成评价偏差。此时则采用贴近度方法进行评价。在模糊等级向量中的值相差较大时，采用最大隶属度原则确定结果是哪一级别。当模糊等级向量中隶属值比较接近时，则采用贴近度原则划分等级。
步骤5可视化分析平台为隧道突涌水的可视化预警系统，该系统具有隧道突涌水预警功能。
步骤6中，需要构建数值分析试验方案，以某隧道工程为例，构建如下的诱发隧道突涌水的几个关键影响因素数值试验方案，见表4。
表4数值试验方案表
如图4所示，建立数值分析模型；图4的系统可以将数值分析中获取的隧道突涌水治理措施纳入到隧道突涌水的预警系统中，可以实时预警并提出具体的治理措施，实现信息化施工。基于步骤6中的数值试验方案和数值分析方法，以某公路隧道为例，通过FLAC3D流固耦合数值仿真分析手段，得到不同影响因素下，不同试验方案的洞周围岩塑性区等效圈厚度(如图5所示)，以及隧道单位涌水量(如图6所示)，涌水等级(如表5所示)。
表5围岩变形、塑性区等效厚度及涌水等级评价表
/>
步骤7中，根据步骤6中计算得到的突涌水等级，按照涌水等级分别为A、B、C、D四个等级所对应的数值分析方案，分别针对不同导水措施、不同堵水措施、不同超前支护和初期支护措施方案进行优化分析计算，提出能够保证围岩稳定和将突涌水等级降低至D级以下的综合治理措施，并提出最终不同突涌水等级下的治理方案，如表6所示；
步骤8中，基于步骤5的突涌水预警系统和步骤6、7得到的数值分析结果，的最终建立的隧道突涌水预警与治理措施实施系统，不同突涌水等级下的治理措施(以A、B级为例)。
表6不同突涌水等级下的隧道防突治理建议方案
/>
/>
/>
/>
本发明一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法，通过断层破碎带影响下富水公路隧道的突水影响因素的评价指标定量和定性分析、基于层析分析法(AHP)和模糊数学理论的各影响因素权重指标的获取、富水岩质公路隧道的突涌水预警系统的构建、基于数值模拟分析的突涌水隧道的围岩稳定性及涌水级别综合评价、隧道突涌水的治理措施优化分析、隧道突涌水现场快速预警评估与快速治理的信息化实施。在一定程度上，系统地改善了断层破碎带影响下富水地区隧道突涌水预测预报实施方法和防排水治理方法，也在一定程度上优化了断层破碎带富水公路隧道存在的突水的预警与治理措施。

Claims (5)

1.一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：基于工程勘察资料，获取诱发突涌水的影响因子，建立隧道突涌水风险评价层次分析结构；
步骤2：基于工程勘察资料，对隧道发生突涌水的各影响因子进行指标分级，根据诱发突涌水的影响因子，以及确定突涌水各影响因子的定性指标和定量指标；
步骤3：根据隧道发生突涌水的概率，确定突涌水预报级别；
步骤4：基于层次分析法和模糊数学理论，构建各个突涌水影响因素的隶属度函数和各评价指标权重；通过基本模糊复合矩阵计算，得到模糊等级向量；利用最大隶属度原则和非对称贴近度方法对模糊等级向量分析，最终得到隧道突涌水发生的等级；
步骤5：采用HTML、CSS、JS等编程语言，将突涌水预警过程编制成可视化分析平台；
步骤6：基于步骤1和2，构建诱发隧道突涌水的影响因素数值的试验方案，并基于步骤5来计算得到突涌水等级；
步骤7：基于步骤6中得到的发生不同突涌水等级的试验方案，进行数学建模，从不同导水措施、不同堵水措施、不同超前支护和初期支护措施，对突涌水的对治理措施方案进行优化，得到能够保证围岩稳定和减少突涌水的综合方案；
步骤8：在步骤7的基础上建立突涌水预警和治理措施综合分析平台。
2.根据权利要求1所述的一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法，其特征在于，在步骤1中，所述工程勘察资料包括隧道所处地层的工程地质信息、水文地质信息。
3.根据权利要求1所述的一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法，其特征在于，步骤1中，所述影响因子包括有不良地质、地层岩性、可溶岩与非可溶岩接触带、岩石完整系数与泊松比、地形地貌、岩层产状、层间裂隙、围岩级别。
4.根据权利要求1所述的一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法，其特征在于，步骤4包括如下的具体步骤：
4.1：建立层次结构模型；
4.2：建立分级标准；
4.3：确定隶属度；
4.4：通过层次分析法，确定指标的权重系数；
4.5：模糊算子选取及评价。
5.根据权利要求4所述的一种断层破碎带影响下的富水隧道突水的预警防控方法，其特征在于，步骤4.4包括如下的具体步骤：
步骤4.4.1：建立层次结构；
步骤4.4.2：构造判断矩阵；
步骤4.4.3：由判断矩阵得到各因素权重及一致性检验，最后得到评价指标权重。
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基于AHP和模糊评判的隧道涌突水灾害预测;罗敏;许模;杨艳娜;任蕊;;人民黄河(11);全文 *

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