CN113626922B - 基于地质雷达的隧道顶板富水区域结构涌水量预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于地质雷达的隧道顶板富水区域结构涌水量预测方法，属于顶板涌水量预测技术领域。本发明首先通过地质雷达超前探测收集富水区域结构资料，根据所获资料建立天然状态下的隧道顶板富水区域结构模型，根据富水区域结构参数，修正涌水量预测公式进行涌水量预测。本发明以地质雷达所获物探资料为基础，在此基础上划分富水区域建立天然状态下的隧道顶板富水区域结构模型，根据富水区域结构参数，修正涌水量预测公式，并建立达到富水区域的涌水量预测公式，其预测曲线更能反映实际工况，在短距离涌水量预测方面其预测精度更高。

Description

基于地质雷达的隧道顶板富水区域结构涌水量预测方法

技术领域

本发明涉及基于地质雷达的隧道顶板富水区域结构涌水量预测方法，属于顶板涌水量预测技术领域。

背景技术

随着我国经济的高速发展，人们对于铁路、公路交通的需求和要求不断提升，现在我国各领域运营、开挖隧道已接近5万千米，但在滇南地区，由于地质条件的复杂性，在隧道开挖过程中，会遇到溶洞、断层、破碎带、涌水等各种不良地质现象，面临的问题的挑战性也越来越高，其中涌水灾害，在国内外隧道特大施工中，其发生次数和死亡人数均在前列，影响隧道工期延误，危害施工人员生命安全，因此在施工前根据隧道勘测资料，对掌子面顶板前方富水不良地质体进行探测进行判断，根据其结构建立结构模型，修正涌水量预测公式，及时给出涌水量预测，进而对堵、排水及时给出方案，使设计人员根据所获信息及时更改设计方案，指导隧道施工，保障隧道施工安全。

发明内容

本发明提供了基于地质雷达的隧道顶板富水区域结构涌水量预测方法，以用于修正涌水量预测公式，及时给出涌水量预测，进而对堵、排水及时给出方案提供支撑。

本发明的技术方案是：基于地质雷达的隧道顶板富水区域结构涌水量预测方法，首先通过地质雷达超前探测收集富水区域结构资料，根据所获资料建立天然状态下的隧道顶板富水区域结构模型，根据富水区域结构参数，修正涌水量预测公式进行涌水量预测。

进一步地，所述方法的具体步骤如下：

Step1、通过在掌子面前布线进行雷达探测测取掌子面前0-30m富水区域雷达正演图，并针对其富水区域结构特征圈定富水区域规模；

Step2、根据上述所获地质雷达探测资料，划分富水区域建立天然状态下的隧道顶板富水区域结构模型；

Step3、根据建立的隧道顶板富水区域结构模型中的富水区域结构参数，修正涌水量预测公式，建立达到富水区域的涌水量预测公式，进行涌水量预测。

进一步地，所述Step2中，划分富水区域建立天然状态下的隧道顶板富水区域结构模型包括：

设在介电常数∈₁的空间内存在一个介电常数为∈₂的椭圆体，距离掌子面距离为h，富水区域长轴为a，富水区域短轴为b，电磁波发射点为P，O点为电磁波到达H点时PH发射点的中点，Q点为椭圆区域最远反射点，设PH＝x₁，PQ＝x₂,OP＝y；

整理后得

式(2)为富水区域圆锥曲线模型，P为动点通过在Y轴上的移动使得到的a、b值更加的精确，式中x₁、x₂、y均能通过雷达探测可得。

进一步地，所述Step3中，修正后的涌水量预测公式为：

其中，q₀、q₁为隧道可能的最大初期涌水量(m³/d)；K为岩体的渗透系数；H为含水层厚度(m)；a为富水区域短轴；b为富水区域长轴；r为隧道半径，L为掌子面到富水区域的距离(m)，N为富水区域厚度(m)。

本发明的有益效果是：

1、本发明以地质雷达所获物探资料为基础，在此基础上划分富水区域建立天然状态下的隧道顶板富水区域结构模型，根据富水区域结构参数，修正涌水量预测公式，并建立达到富水区域的涌水量预测公式，其预测曲线更能反映实际工况，在短距离涌水量预测方面其预测精度更高。

2、本富水区域结构涌水量预测方法为针对滇南地区特深长隧道顶板涌水频发现象所设立，为减少涌水事故所造成的工期延误，危害施工人员生命安全，从而为隧道掘进过程提供保障，根据涌水量预测值大小及时反馈业主。

附图说明

图1为本发明的结构流程；

图2为富水区域结构模型；

图3为测线布置图；

图4为测线1从右至左地质雷达成果图；

图5为测线2从左至右地质雷达成果图。

具体实施方式

实施例1：如图1-5所示，基于地质雷达的隧道顶板富水区域结构涌水量预测方法，首先通过地质雷达超前探测收集富水区域结构资料，根据所获资料建立天然状态下的隧道顶板富水区域结构模型，根据富水区域结构参数，修正涌水量预测公式进行涌水量预测。

进一步地，所述方法的具体步骤如下：

Step1、通过在掌子面前布线进行雷达探测测取掌子面前0-30m富水区域雷达正演图，并针对其富水区域结构特征圈定富水区域规模；布线方式如图3所示；得到的测线1、测线2两张地质雷达成果图，如图4、图5所示；通过对雷达图的分析可知，在6-10米区域内呈现双曲线波形，且该处的电磁信号频率较低，振幅较强，具有明显的双曲线状顶底界面反射，且多次反射，含水量较大，含水区域呈椭圆形分布；

Step2、根据上述所获地质雷达探测资料，划分富水区域建立天然状态下的隧道顶板富水区域结构模型；

进一步地，所述Step2中，划分富水区域建立天然状态下的隧道顶板富水区域结构模型包括：

设在介电常数∈₁的空间内存在一个介电常数为∈₂的椭圆体，距离掌子面距离为h，富水区域长轴为a，富水区域短轴为b，电磁波发射点为P，O点为电磁波到达H点时PH发射点的中点，Q点为椭圆区域最远反射点，设PH＝x₁，PQ＝x₂,OP＝y；

整理后得

式(2)为富水区域圆锥曲线模型，P为动点通过在Y轴上的移动使得到的a、b值更加的精确，式中x₁、x₂、y均能通过雷达探测可得。划分富水区域建立天然状态下的隧道顶板富水区域结构模型，如图2所示；

具体的，此式中可以进行如下取值，x₂＝7、y＝16.8,根据富水区域结构模型取到a＝3.09,带入得b＝20.08；

Step3、根据建立的隧道顶板富水区域结构模型中的富水区域结构参数，修正涌水量预测公式，建立达到富水区域的涌水量预测公式，进行涌水量预测。

进一步地，所述Step3中，修正后的涌水量预测公式为：

其中，q₀、q₁为隧道可能的最大初期涌水量(m³/d)；K为岩体的渗透系数；H为含水层厚度(m)；a为富水区域短轴；b为富水区域长轴；r为隧道半径，L为掌子面到富水区域的距离(m)，N为富水区域厚度(m)。

具体的，K为岩体的渗透系数为5×10^-5m·s^-1；

H为含水层厚度180m；a为富水区域短轴3.09m；b为富水区域长轴20.08m；r为隧道半径3m，L为掌子面到富水区域的距离3m，N为富水区域厚度5m；m为转换系数一般取0.86。

根据雷达图像所划富水区域厚度为5m当L为3m时带入得q₀＝907.606m³/d，当N为5m时q₁＝6433.437m³/d，q₁为到达富水区域后隧道开挖后的可能的最大初期涌水量，q₀值在未到达富水区域时其涌水量较少，q₁值反映了在隧道挖掘过程中在接触富水区域后涌水量突增的情况，与实际开挖时遇到富水区域后涌水量突增的情况更加贴切，应将此值及时向业主反馈，做好排-堵的防护，若q₁值过大应通知设计人员及时更改施工方案。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.基于地质雷达的隧道顶板富水区域结构涌水量预测方法，其特征在于：

所述方法的具体步骤如下：

Step1、通过在掌子面前布线进行雷达探测测取掌子面前0-30m富水区域雷达正演图，并针对富水区域结构特征圈定富水区域规模；

Step2、通过地质雷达超前探测收集富水区域结构资料，根据上述所获地质雷达探测资料，划分富水区域建立天然状态下的隧道顶板富水区域结构模型；

Step3、根据建立的隧道顶板富水区域结构模型中的富水区域结构参数，修正涌水量预测公式，建立达到富水区域的涌水量预测公式，进行涌水量预测；

所述Step2中，划分富水区域建立天然状态下的隧道顶板富水区域结构模型包括：

设在介电常数∈₁的空间内存在一个介电常数为∈₂的椭圆体，距离掌子面距离为h，富水区域长轴为a，富水区域短轴为b，电磁波发射点为P，H点为椭圆上靠近P点曲率最大的点，O点为P点发射的电磁波到达H点时，发生反射，反射波落在Y轴的上半轴上的点与P点连线的中点，Q点为椭圆区域最远反射点，设PH＝x₁，PQ＝x₂,OP＝y；

整理后得

式(2)为富水区域圆锥曲线模型，P为动点通过在Y轴上的移动使得到的a、b值更加的精确，式中x₁、x₂、y均能通过雷达探测可得。