CN117113869A - 一种基于物性参数差异的隧道涌水量动态预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于物性参数差异的隧道涌水量动态预测方法，其克服了现有技术中存在的隧道施工涌水量预测主要集中在前期勘察阶段以及施工开挖后的验证对比分析，对于开挖过程中掌子面前方可能出现的集中涌水量预测相关工作开展不足的问题。本发明通过将水文地质学隧道涌水量预测中地下水动力学法和地球物理学中隧道超前地质预报方法结合起来，从而实现隧道开挖过程中掌子面前方集中出水段落100m范围内涌水量的动态预测，进一步提高隧道涌水量预测精度，为施工处置提供参考。本发明包括以下步骤：(1)隧道施工涌水特征评价；(2)强径流水文地质参数计算；(3)物性参数的隧道突涌水段落刻画；(4)基于地下水动力学法涌水量预测。
Description
技术领域：
本发明属于隧道涌水量计算技术领域，涉及一种适用于隧道施工过程中基于物性参数差异的隧道涌水量动态预测方法。
背景技术：
隧道涌水量预测是工程勘察设计及施工的一个难点，是隧道施工开挖一项极其重要的工作，国内目前对于隧道涌水量的研究多集中隧道涌水量预测，以往在设计及施工阶段根据水文地质条件采用水均衡法、水地质比拟法、地下水动力学法、经验公式法、层次分析、数值模拟、时间序列分析等方法，这些方法在宏观评价隧道涌水量方面具有一定的指导作用，由于隧道涌水突发性、非均质性，整个隧道的涌水往往是集中于洞身的几段或者几个点，并非整个隧道都会涌水，目前对于施工期间往往存在的集中涌水段水量预测目前研究不够系统，由于集中出水占据隧道涌水的将近80％以上，对于隧道集中涌水段落的刻画以及预测相关方法还存在不足，同时未开展相关动态涌水量预测研究。
地下水动力学方法是隧道涌水量预测的主要方法，由于模型简单应用方便，在工程及科研中得到了广泛应用，但是由于勘察期间各类水文地质信息不足，导致其应用计算隧道涌水量误差较大，尤其是集中涌水段落长度、渗透系数、地下水位等参数对计算影响极大，相关参数亟需在施工期间进行总结和矫正，从而提高其预测的准确性；超前地质预报中的弹性波反射法和瞬变电磁在隧道施工中对掌子面前方富水地段的刻画有一定的指导意义，特别是相关物性参数能够比较客观地反映掌子面前方60～100m范围内的富水特征，对集中出水段落长度有比较好的刻画。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种基于物性参数差异的隧道涌水量动态预测方法，其克服了现有技术中存在的隧道施工涌水量预测主要集中在前期勘察阶段以及施工开挖后的验证对比分析，对于开挖过程中掌子面前方可能出现的集中涌水量预测相关工作开展不足的问题。本发明通过将水文地质学隧道涌水量预测中地下水动力学法和地球物理学中隧道超前地质预报方法结合起来，从而实现隧道开挖过程中掌子面前方集中出水段落100m范围内涌水量的动态预测，进一步提高隧道涌水量预测精度，为施工处置提供参考。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于物性参数差异的隧道涌水量动态预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)隧道施工涌水特征评价；
(2)强径流水文地质参数计算；
(3)物性参数的隧道突涌水段落刻画；
(4)基于地下水动力学法涌水量预测。
步骤(2)包括以下步骤：
先给出每段的K赋予初值，再不断调整取值，使涌水量计算值与实测值达到较好的拟合，确定不同水文地质条件下K的最终取值，这个过程是对施工中中水文地质参数的矫正，地下水动力学方法是裘布依计算公式，计算的是正常涌水量，适用于长大段落的水量预测，大岛志洋公式和古德曼公式计算的是最大涌水量：
裘布依公式：
大岛志洋公式：
古德曼公式：
公式中：Qs—隧道通过含水体的正常涌水量(m3/d)；
Qw—隧道通过含水体的最大涌水量(m3/d)；
L—隧道通过含水体的长度(m)；
K—含水层渗透系数(m/d)；
H—洞底以上潜水含水体厚度(m)；
h—洞外水柱高度(m)，一般考虑“水跃”值；
r—隧道洞身横断面宽度之半(m)；
d—隧道洞身横断面等价圆直径(m)；
m—换算系数，一般取0.86-1。
步骤(3)包括以下步骤：
通过地震波反射法重大突涌水段落物性参数分析总结，揭示了突涌水的物性参数组合及地层结构组合，当前一段纵波波速较高，即Vp明显增加，但Vs未明显增加或者减小，纵横波速比、泊松比明显升高，这一段指示了完整岩体裂隙中赋存一定的地下水，后一段Vp和Vs下降明显，岩体明显破碎，但纵横波速比值变化复杂，说明后一段岩体破碎段富水的可能性较高；这种地层结构组合和物性参数差异表明，后一段岩体破碎的富水通过前一段Vs下降、纵横波速比值以及泊松比值升高得到了显示；
根据瞬变电磁揭示的掌子面前方涌水特征，分析结果表明电阻率明显低阻地区、梯度变化带的段落、高阻中的低阻圈闭的段落、电阻率波动较大的段落指示明显的富水；
通过以上联合分析初步获取掌子面前方存在涌水风险的段落，对未开挖段落，结合地震弹性波反射法、瞬变电磁探测成果，刻画出掌子面前方可能的出水段落，结合经验水文地质参数、施工开挖进度、掌子面开挖揭示的水量，为应用地下水动力学方法计算隧道涌水量奠定基础。
步骤(4)包括以下步骤：
在应用地下水动力学法开展隧道涌水量预测过程中，隧道等价圆直径d和半径r根据实际开挖隧道断面确定；结合勘察期间获取的地下水位资料，分析确定突涌水段落H值；洞外水柱高度h(m)值取H值的一半；应用超前地质预报揭示物性参数判断出掌子面前方100m的富水特征，刻画出实际出水段落的长度，划分出强径流带L值；结合掌子面出水情况以及统计确定的强径流区水文地参数，对于预测段落的取值，结合前期拟合成果进行确定；参数确定后，带入到裘布依、大岛志洋、古德曼地下水动力学法计算公式进行涌水量计算，确定出掌子面后续开挖可能的涌水量，并与实际开挖进行对比分析，最终完成预测工作。
步骤(2)中，通过对隧道涌水的拟合分析，给出了不同富水条件下的渗透系数建议值，其中强富水带、隧道强径流区、存在有压涌水的的渗透系数取0.3～0.9m/d，中等富水、存在股状出水的渗透系数取0.1～0.3m/d，弱富水、存在渗滴水段落的取值为0.05-<0.1m/d，无水段落的渗透系数取值<0.05m/d。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
1、本发明旨在充分获取隧道地质及水文地质条件的前提下，特别是在考虑隧道开挖过程中隧道集中出水往往占据涌水量80％以上，利用隧道超前地质预报手段，对深埋隧道未开挖部分围岩富水性段落进行精确刻画；根据地质构造、地层岩性以及施工开挖涌水特征，确定隧道施工过程中强径流区的渗透系数等水文地质参数，结合勘察期间的水文地质条件，利用传统的地下水动力学法，实现了对隧道掌子面前方100m范围内未开挖段涌水量的预测，为隧道开挖支护、排水方案以及措施的选取提供支撑。
2、本发明方法在充分收集典型隧道的地质构造、地层岩性及水文地质背景资料的基础上，通过统计确定隧道施工过程中强径流区地下水的水文地质参数，同时根据地震波反射法及瞬变电磁等成果确定掌子面前方新增出水点的出水长度，实现对隧道围岩富水性段落的精确刻画，针对大量出水段落进行统计分析，以确定强径流带的水文地质参数为基础，基于地下水动力学法，实现对掌子面前方100m范围内涌水量进行预测，从而实现施工过程中涌水量的动态预测，用于指导突涌水施工处置。
3、本发明方法结合水文地质学及地球物理学基本理论及方法，实现了施工期间掌子面前方100m涌水量的动态预测，提高了隧道突涌水预测精度，对现场施工处置隧道突涌水意义重大。
附图说明：
图1为基于物性参数差异的隧道涌水量动态预测平面示意图；
图2为某高原铁路TM隧道斜井纵断面示意图；
图3为某高原铁路TM隧道斜井X0+157-X0+050地震波反射法成果图；
图4为某高原铁路TM隧道斜井X0+127.6～X0+077.6瞬变电磁成果图。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明以隧道水文地质条件分析为基础，结合基于物性参数的隧道突涌水判别，以恒定压降条件下地下水动力学方法为基础假设条件，实现隧道施工过程中掌子面前方100m隧道涌水量的动态预测。主要实现步骤如下：
1.隧道施工涌水特征评价
发生于隧道突涌水主要位于基岩节理密集带、断层破碎带、岩溶地区以及第四系地层地段，类型为基岩裂隙型水、构造裂隙水、岩溶裂隙水、第四系孔隙水，涌水具有突发性且非均质性明显，同时其来源主要受隧顶上方降水、高山冰雪融水以及附近地表水补给，补给来源复杂，往往在断层、节理密集带、岩溶发育区、砂类土及碎石类土地段形成的强径流带，在隧道施工开挖形成集水廊道后集中涌出；涌水动态初期以疏排静储水量为主、局部呈带压涌出状；后期以动储量为主、水量逐步衰减。通过统计分析，隧道施工中特别是基岩隧道每公里有1～2个集中涌水点，涌水长度10～100m，单点水量在50～1000m3/h，施工集中出水点或强径流带时，涌水量急剧增加，施工完这一段落后，涌水量趋于稳定并程逐步衰减趋势，单点的衰减时间10～60天不等，总的涌水量随施工进展正常水量有逐步增大的趋势。由于地质构造、地层岩性、地形条件的复杂性，针对不同地质及构造条件分析总结其开挖过程中的涌水特征，加深对隧道水文地质条件的认识是隧道涌水量动态预测的基础(图1)。
2.强径流去水文地质参数计算
隧道开挖施工过程中，隧道涌水量数据可以通过持续监测获取相对准确的值，不同位置的地下水位可以通过勘察期间的钻孔揭示的地下水位埋深进行推算，确实钻孔水位时，可以通过隧道超前水平钻揭示的有压涌水进行反算。由于本方法计算的含水层水文地质参数Ki的取值则具有较大的不确定性，但由于空间尺度效应等因素，完全使用勘察阶段的参数取值得到的涌水量计算结果与实际监测数据有较大偏差，所以利用地下水动力学方法反算隧道水文地质参数的思路为：先给出每段的K赋予初值，再不断调整取值，使涌水量计算值与实测值达到较好的拟合，确定不同水文地质条件下K的最终取值，这个过程是对施工中中水文地质参数的矫正，主要的地下水动力学方法是裘布依计算公式，计算的是正常涌水量，更适用于长大段落的水量预测，大岛志洋公式和古德曼公式计算的是最大涌水量。
裘布依公式：
大岛志洋公式：
古德曼公式：
公式中：Qs—隧道通过含水体的正常涌水量(m3/d)；
Qw—隧道通过含水体的最大涌水量(m3/d)；
L—隧道通过含水体的长度(m)；
K—含水层渗透系数(m/d)；
H—洞底以上潜水含水体厚度(m)；
h—洞外水柱高度(m)，一般考虑“水跃”值；
r—隧道洞身横断面宽度之半(m)；
d—隧道洞身横断面等价圆直径(m)；
m—换算系数，一般取0.86-1；
通过对大量隧道涌水的拟合分析，初步给出了不同富水条件下的渗透系数建议值，其中强富水带、隧道强径流区、存在有压涌水的的渗透系数取0.3～0.9m/d，中等富水、存在股状出水的渗透系数取0.1～0.3m/d，弱富水、存在渗滴水段落的取值为0.05-<0.1m/d，无水段落的渗透系数取值<0.05m/d。
3.基于物性参数的隧道突涌水段落刻画
本发明方法可以实现已开挖段落的涌水量动态预测及衰减规律的刻画，为了计算掌子面前方100m范围内的隧道涌水量，实现掌子面前方突涌水段落的水量动态预测，提出了理论计算与隧道超前地质预报获取的物性参数对突涌水判断的联合分析。
通过大量地震波反射法重大突涌水段落物性参数分析总结，揭示了突涌水的物性参数组合及地层结构组合，当前一段纵波波速较高，即Vp明显增加，但Vs未明显增加或者减小，纵横波速比、泊松比明显升高，这一段很有可能指示了完整岩体裂隙中赋存一定的地下水，后一段Vp和Vs下降明显，岩体明显破碎，但纵横波速比值变化复杂，说明后一段岩体破碎段富水的可能性较高。这种地层结构组合和物性参数差异主要说明的是，后一段岩体破碎的富水通过前一段Vs下降、纵横波速比值以及泊松比值升高得到了显示。
正常的超前地质预报瞬变电磁反演理论曲线在掌子面前方到预报距离范围内是线性增加的，若地层均质无变化，瞬变电磁电阻率反演理论曲线在断面上表现为直线，且向隧道洞身电阻率值是不断增加。根据瞬变电磁揭示的掌子面前方涌水特征，分析结果表明电阻率明显低阻地区、梯度变化带的段落、高阻中的低阻圈闭的段落、电阻率波动较大的段落指示明显的富水。
通过以上联合分析可以初步获取掌子面前方存在涌水风险的段落，对未开挖段落，结合地震弹性波反射法、瞬变电磁探测成果，刻画出掌子面前方可能的出水段落，结合经验水文地质参数、施工开挖进度、掌子面开挖揭示的水量，为应用地下水动力学方法计算隧道涌水量奠定基础。
4.基于地下水动力学法涌水量预测
在应用地下水动力学法开展隧道涌水量预测过程中，隧道等价圆直径d和半径r根据实际开挖隧道断面确定；结合勘察期间获取的地下水位资料，分析确定突涌水段落H值；洞外水柱高度h(m)值一般取H值的一半；应用超前地质预报揭示物性参数判断出掌子面前方100m的富水特征，刻画出实际出水段落的长度，划分出强径流带L值；结合掌子面出水情况以及统计确定的强径流区水文地参数，对于预测段落的取值，结合前期拟合成果进行确定。参数确定后，带入到裘布依、大岛志洋、古德曼等地下水动力学法计算公式进行涌水量计算，确定出掌子面后续开挖可能的涌水量，并与实际开挖进行对比分析，最终完成相关预测工作。
实施例：
(1)水文地质特征及基本参数
某高原铁路工程TM隧道斜井长度880m，洞身通过一条断层破碎带，开挖揭示大的出水段7处(每处长度约30-50m、水量大于200m3/h，洞口总水量8366m3/d。施工开挖749m时(X0+127)掌子面素描，发现掌子面前方岩体裂隙较发育局部有渗滴水，勘察期间在断层破碎带附近实施有一钻孔3DSSZ-32-1(图2)，洞身以上地下水位含水层厚度约330m，即H＝330m，h取降深的一半，约175m；根据前期TM斜井施工情况，确定该段强径流区的渗透系数为0.6-0.8m/d。
(2)地下水强径流区确定
根据地震波反射法(TSP)前方存在波速波动，且掌子面前方17m存在异常低波速带。
在掌子面里程X0+157.6施作TSP，预报段落：X0+157.6～X0+057.6，预报长度100米，预测X0+129～X0+100结论如下(图3)：
X0+129～X0+111段，纵横波速波动较大，推测该段岩体较破碎，节理裂隙发育，纵波Vp/Vs比值增加，富水性增加，基岩裂隙水发育，预计股状出水。X0+111～X0+100段，纵横波速明显降低，推测该段岩体破碎，节理裂隙发育，存在股状水。通过地震波反射法确定出约29m的强径流区。
在X0+127.6施作瞬变电磁，预报段落：X0+127.6～X0+077.6，预报长度50米(图4)。预报结论：0～30米(里程X0+127.6～X0+097.6)段，反演电阻率呈低阻反应，ρ＝200～500Ω.m，推测该区域内施工中将出现股状出水；30～50米(里程X0+097.6～X0+077.6)段，反演电阻率呈较低阻反应，ρ＝500～900Ω.m，且该段反演电阻率曲线为高、低阻等值线疏密接触区，推测该区域内施工中将出现线状出水。应用瞬变电磁确定出X0+127.6-X0+097.6为强径流区，相关结合与地震波反射法确定的强径流去基本一致。
最终通过对比分析去，确定出掌子面前方30m为地下水强径流区。
(3)地下水动力学法
根据步骤1和步骤2确定的相关参数，分别采用3种地下水动力学法开展水量预测工作，具体计算表格如下：
应用裘布依公式计算的正常涌水量4521m3/d，在强径流区，一般情况线下最大涌水量可取正常涌水量的2-3倍，取3倍值，最大涌水量为13563m3/d；应用大岛志洋计算的最大涌水量伟9944m3/d，应用古德曼公式计算的最大涌水量为16590m3/d。
(4)实际涌水量开挖对比分析
掌子面里程开挖至X0+127.6时，掌子面正在进行超前中管棚钻孔施工，利用凿岩台车在掌子面右下角打设加深炮孔，在钻至掌子面前方6m时，孔内股状水涌出，喷射距离约15m，掌子面股状水量约600m3/h，水量约14400m3/d，在施工X0+127.6-X0+097期间，掌子面水量集中在400-682m3/h之间，约9600m3/d-16368m3/h，整体上与预测的最大涌水量9944-16590m3/d差别不大，相关结果能够指导现场施工。
由于隧道涌水过程比较复杂，即使在同一强径流区，由于裂隙发育特征的差异，不同掌子面的水量差别也是特别大的，计算结果给一个范围值。计算过程中，要时刻了解施工开挖的情况，特别是对陡升段是否开展了超前水平钻或泄水孔，对陡降段是否开展了洞内注浆或其他堵水工作，降低了岩体的渗透性。以达到更合理的选取计算参数。为保障涌水量的计算精度，应加强隧道超前地质预报手段对于含水段落的特征分析，从而提高超前地质预报对涌水判别的准确性；
准确获取相应的水文地质参数是本发明应用的前提，参数选取要充分结合岩性、地质构造、地下水补径排等水文地质特征，结合勘察和施工期间揭示的水文地质条件和参数，不断积累和分析当前应用工程的水文地质参数，提高预测精度。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，均应包含在发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于物性参数差异的隧道涌水量动态预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)隧道施工涌水特征评价；
(2)强径流水文地质参数计算；
(3)物性参数的隧道突涌水段落刻画；
(4)基于地下水动力学法涌水量预测。
2.根据权利要求1所述的一种基于物性参数差异的隧道涌水量动态预测方法，其特征在于：步骤(2)包括以下步骤：
先给出每段的K赋予初值，再不断调整取值，使涌水量计算值与实测值达到较好的拟合，确定不同水文地质条件下K的最终取值，这个过程是对施工中中水文地质参数的矫正，地下水动力学方法是裘布依计算公式，计算的是正常涌水量，适用于长大段落的水量预测，大岛志洋公式和古德曼公式计算的是最大涌水量：
裘布依公式：
大岛志洋公式：
古德曼公式：
公式中：Qs—隧道通过含水体的正常涌水量(m3/d)；
Qw—隧道通过含水体的最大涌水量(m3/d)；
L—隧道通过含水体的长度(m)；
K—含水层渗透系数(m/d)；
H—洞底以上潜水含水体厚度(m)；
h—洞外水柱高度(m)，一般考虑“水跃”值；
r—隧道洞身横断面宽度之半(m)；
d—隧道洞身横断面等价圆直径(m)；
m—换算系数，一般取0.86-1。
3.根据权利要求1所述的一种基于物性参数差异的隧道涌水量动态预测方法，其特征在于：步骤(3)包括以下步骤：
通过地震波反射法重大突涌水段落物性参数分析总结，揭示了突涌水的物性参数组合及地层结构组合，当前一段纵波波速较高，即Vp明显增加，但Vs未明显增加或者减小，纵横波速比、泊松比明显升高，这一段指示了完整岩体裂隙中赋存一定的地下水，后一段Vp和Vs下降明显，岩体明显破碎，但纵横波速比值变化复杂，说明后一段岩体破碎段富水的可能性较高；这种地层结构组合和物性参数差异表明，后一段岩体破碎的富水通过前一段Vs下降、纵横波速比值以及泊松比值升高得到了显示；
根据瞬变电磁揭示的掌子面前方涌水特征，分析结果表明电阻率明显低阻地区、梯度变化带的段落、高阻中的低阻圈闭的段落、电阻率波动较大的段落指示明显的富水；
通过以上联合分析初步获取掌子面前方存在涌水风险的段落，对未开挖段落，结合地震弹性波反射法、瞬变电磁探测成果，刻画出掌子面前方可能的出水段落，结合经验水文地质参数、施工开挖进度、掌子面开挖揭示的水量，为应用地下水动力学方法计算隧道涌水量奠定基础。
4.根据权利要求1所述的一种基于物性参数差异的隧道涌水量动态预测方法，其特征在于：步骤(4)包括以下步骤：
在应用地下水动力学法开展隧道涌水量预测过程中，隧道等价圆直径d和半径r根据实际开挖隧道断面确定；结合勘察期间获取的地下水位资料，分析确定突涌水段落H值；洞外水柱高度h(m)值取H值的一半；应用超前地质预报揭示物性参数判断出掌子面前方100m的富水特征，刻画出实际出水段落的长度，划分出强径流带L值；结合掌子面出水情况以及统计确定的强径流区水文地参数，对于预测段落的取值，结合前期拟合成果进行确定；参数确定后，带入到裘布依、大岛志洋、古德曼地下水动力学法计算公式进行涌水量计算，确定出掌子面后续开挖可能的涌水量，并与实际开挖进行对比分析，最终完成预测工作。
5.根据权利要求2所述的一种基于物性参数差异的隧道涌水量动态预测方法，其特征在于：步骤(2)中，通过对隧道涌水的拟合分析，给出了不同富水条件下的渗透系数建议值，其中强富水带、隧道强径流区、存在有压涌水的的渗透系数取0.3～0.9m/d，中等富水、存在股状出水的渗透系数取0.1～0.3m/d，弱富水、存在渗滴水段落的取值为0.05-<0.1m/d，无水段落的渗透系数取值<0.05m/d。
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| CN117726045A (zh) * | 2024-02-07 | 2024-03-19 | 山东大学 | 基于隧道沿线水文场反演的涌水量预测方法与系统 |
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| CN117726045B (zh) * | 2024-02-07 | 2024-05-10 | 山东大学 | 基于隧道沿线水文场反演的涌水量预测方法与系统 |
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