一种超前预报隧道涌水位置的方法与流程

本发明属于隧道施工技术领域，涉及一种隧道施工地质超前预报技术，具体涉及一种超前预报隧道涌水位置的方法。

背景技术：

目前各种地质超前预报方法中，对水的预报仍缺乏有效的手段。对隧道涌水位置预报采用的主要技术方法包括：界面位置结合地质分析法、红外探测仪探水法、地质雷达探水法、岩体温度梯度法和钻孔探水法。

其中，界面位置结合地质分析法采用的是除钻探法、超前导坑法、平行超前导坑法以外的各种地质预报方法确定施工掌子面前方界面位置，根据隧道洞内外地质调查结果，分析确定隧道(洞)施工掌子面前方界面间介质导、储水的可能性，预测界面及界面前方发生涌水的可能性。这种方法对预报人员的经验和实际对该地区的水文地质的掌握程度有较高的要求，且不够精确。

红外探测仪探水法是利用地下水体产生的红外辐射场异常进行水体探测，能对围岩岩体是否含有水有效，但不能确定含水量大小，且受隧道洞内施工影响，对大的股状涌水反应明显，对小股状涌水反应不明显。

地质雷达探水法利用水、岩介电常数差异对岩体中存在的水体进行探测，具有非常高的分辨率，但是预报距离较短，易受隧道洞内机器和管线的干扰。

岩体温度梯度法是根据隧道所处位置，实测岩体温度变化曲线与根据隧道址区地温梯度计算取得的隧道所处位置岩体温度变化曲线的比较，进行隧道施工掌子面前方涌水预测预报。该方法利用岩体温度与区域地温梯度、地层岩石的热传导性、节理裂隙发育分布状态和地下水在岩体中的循环流动状况的关系，获得围岩岩体温度曲线，从而来预报水体或含水体的位置。这种方法可以避免隧道施工对岩体温度测试结果的影响，排除人为因素，对隧道掌子面施工无干扰。

钻孔探水法是直接探水，对基岩孔隙裂隙水效果明显。但对岩溶水、与地表水有直接联系的导水性极好的断层破碎带涌水是有较大的钻孔涌水风险。

单井同位素示踪测井，是近年来国际上发展较快的一种快速、经济、准确、高效的水文地质测井新方法。因为它能获得比抽水试验多的水文地质参数，而受到水文地质界的普遍欢迎。该方法的测量仪不用标记电缆，探头中的深度自动识别系统将所有测量结果与测量的深度一起，传送到地面的笔记本电脑中，测量仪即可智能化地测定出地下水渗流场任一空间点的地下水流的渗透流速流向、垂向流速流向等。

隧道涌水量预测的确定性数学模型方法是利用水力学、地下水动力学等方面的理论，通过数学演绎，推导出隧道涌水量与环境地下水位、围岩渗透性、地下水补给范围、补给时间等因素的定量关系，得出一系列理论或经验解析公式，以预测计算隧道的涌水量。最初为简单的水文地质类比法；后来运用地下水动力学原理，又产生了解析法；随着电子计算机的发展，近年发展成数值法。

鉴于现有技术的上述技术缺陷，迫切需要研制一种研究隧道涌水位置预报的新方法。

技术实现要素：

本发明的目的是高效地解决隧道涌水预报的问题，克服现有的技术缺点，提供一种准确的、在不影响现场施工的前提下通过对现有观测数据进行反演得到物理模型，从而预测涌水位置的方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超前预报隧道涌水位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、利用单井同位素示踪法测出地下水渗流场的水文地质参数；

(2)、基于所述水文地质参数建立水文地质概念模型；

(3)、建立地下水渗流方程；

(4)、基于所述地下水渗流方程进行数学演绎，预测隧道涌水的大致位置；

(5)、进行局部的测温钻孔，根据地下水对岩体的温度影响，结合之前的预测，得到准确的涌水位置。

进一步地，其中，所述步骤(1)为：在隧道上方选取一处进行钻井，再将放射性同位素示踪剂投入所述钻井中，之后利用放射性探测器测定钻井处的地下水流向和流速。

更进一步地，其中，所述步骤(1)进一步包括：在单井同位素示踪法求得地下水流向和流速的基础上，结合其它理论准确求得渗流场的其他参数。

再进一步地，其中，所述结合其它理论准确求得渗流场的其他参数具体为：(a)在孔隙介质系统中，利用钻孔垂向流量，建立注水或抽水条件下稳定井流理论，测定含水层的渗透系数、静水位、含水层吸水或涌水量；(b)在裂隙介质系统中，结合注水或抽水时的裘布依方程和立方定理，测定各裂隙的等效水力隙宽、渗透系数、静水头和导水系数。

再更进一步地，其中，所述步骤(2)具体为：根据所述水文地质参数，合理地确定计算区域以及边界的位置和性质，并通过对计算区域几何形状、含水性质、边界性质、参数性质、地下水流状态的概化，建立水文地质概念模型。

此外，其中，所述步骤(3)具体为：根据所述水文地质概念模型所反映的边界条件和初始条件建立裂隙岩体中地下水渗流方程。

进一步地，其中，所述步骤(4)具体为：在渗流区域内，基于所述地下水渗流方程，利用变分有限元法进行求解，得出节点水头值，计算涌水量，从而确定地下水的富集带或富集区，并利用经验公式粗略评估隧道涌水影响半径，从而预测隧道涌水的大致位置。

更进一步地，其中，所述利用经验公式粗略评估隧道涌水影响半径。

再进一步地，其中，所述步骤(5)具体为：在隧道左、右边墙1/2高度位置和拱顶位置分别布置岩体温度测试浅孔，实施浅孔岩体温度测试，比对不同位置岩体温度的差异与所预测涌水位置的关系，确定准确的涌水位置。

与现有的隧道涌水位置预报方法相比，本发明的超前预报隧道涌水位置的方法具有如下有益技术效果：其精确度高，并且减少了工作量，避免了人为因素的影响；同时，其既不受隧道施工影响，也对隧道施工无影响；最后，其提高了隧道预报的效率。

附图说明

图1是本发明的超前预报隧道涌水位置的方法的流程图。

图2是利用单井同位素示踪法测地下水渗流场的水文地质参数时的示意图。

图3是进行局部的测温钻孔时的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，实施例的内容不作为对本发明的保护范围的限制。

图1示出了本发明的超前预报隧道涌水位置的方法的流程图。如图1所示，本发明的超前预报隧道涌水位置的方法包括以下步骤：

首先，利用单井同位素示踪法测出地下水渗流场的水文地质参数。在本发明中，如图2所示，利用单井同位素示踪法测出地下水渗流场的水文地质参数具体为：在隧道上方选取一处进行钻井，再将放射性同位素示踪剂投入所述钻井中，之后利用放射性探测器测定钻井处的地下水流向和流速。

此外，为了获得更准确的水文地质条件，在本发明中，在单井同位素示踪法求得地下水流向和流速的基础上，可以结合其它理论准确求得渗流场的其他参数。具体地，在孔隙介质系统中，可以利用钻孔垂向流量，建立注水或抽水条件下稳定井流理论，测定含水层的渗透系数、静水位、含水层吸水或涌水量等水文地质参数。在裂隙介质系统中，结合注水或抽水时的裘布依方程和立方定理，测定各裂隙的等效水力隙宽、渗透系数、静水头和导水系数等水文地质参数。

其次，基于所述水文地质参数建立水文地质概念模型。所述水文地质概念模型是在地下水系统研究的基础上建立的综合模型，主要反映边界条件、补给量、排泄量、水动力特征等及其相应参数的空间分布所构成的整体结构。

在本发明中，根据所述水文地质参数，合理地确定计算区域以及边界的位置和性质，并通过对计算区域几何形状、含水性质、边界性质、参数性质、地下水流状态的概化，建立水文地质概念模型。

具体地，通过对以下内容进行概化而建立水文地质概念模型：1、潜水、承压水含水层和弱透水层水平、垂向渗透系数(K)分区图和值(根据岩性和抽水试验分区)；2、潜水含水层给水度(μ)分区图和值；3、承压水含水层储水率(Ss)分区图和值；4、弱透水层(隔水层)储水率(Ss)分区图和值；5、各层有效孔隙度、总孔隙度。通过所述水文地质概念模型把含水层实际的边界、内部结构、渗透性能、水力特征等条件概化为便于进行数学与物理模拟的基本模式，也是对实际的区域进行单元化。更加具体地，本领域技术人员众所周知的是，利用地下水模拟系统GMS可以得到所述水文地质概念模型。

再次，建立地下水渗流方程。在本发明中，应根据所述水文地质概念模型所反映的边界条件和初始条件建立裂隙岩体中地下水渗流方程。其中，通常以具有水文地质意义的界面作为所述水文地质概念模型的边界条件，其主要有：地貌单元的分界线、地层界限、阻水断层、与地下水有水力联系的河流，此外，边界很远的情况下可考虑通过边界的灵敏度分析确定边界位置。边界条件类型有三类：一类边界条件；二类边界条件；三类(混合)边界条件。

接着，基于所述地下水渗流方程进行数学演绎，预测隧道涌水的大致位置。

在本发明中，可以在渗流区域内基于所述地下水渗流方程，利用变分有限元法进行求解，得出节点水头值，计算涌水量，从而确定地下水的富集带或富集区，并利用经验公式粗略评估隧道涌水影响半径，从而预测隧道涌水的大致位置。

具体地，可以通过所述地下水渗流方程确定渗流速度与流函数的关系，利用Dacry定律得到水头函数的解。再通过渗流速度和流函数的关系，引入单元水头函数的有限元法差值式，再应用变分原理对其进行差值求解，得到流函数ψ(x，y)的有限元解。有了水头函数和流函数ψ(x，y)的有限元数值解，编写流函数求解程序和流线绘制程序，并与等水头线绘制程序合并，使等水头线和流线叠加从而形成流网。在确定所计算的涌水区域时，应使假定的边界条件尽可能接近真实状态。需要利用经验公式粗略评估隧道涌水影响半径R。所述利用经验公式粗略评估隧道涌水影响半径。用有限单元法求得的结点水头值直接计算渗流量。

在实际操作上就是利用CFD求解器Fluent，在进行流体计算分析前借助UAMBIT软件生成网格模型，采用三角形网格和四边形网格进行数值模拟计算，得到计算域和网格的划分图。利用多孔质所取的单元体积V_b和单元压强算出多孔质压缩系数。在Fluent的多孔质模型下计算地质参数α，得到粘性阻力系数1/α。再通过设定边界条件，输入参数渗透系数、渗透坡降、水头、渗透压力等参数，得出节点水头。也就是导入之前的水文地质概念模型的参数，这里将与计算有关的数据代入解析法预测隧道涌水量公式的程序计算，利用计算机程序解算，计算得出正常单位延米涌水量和最大单位延米涌水量。

在之前利用经验公式粗略评估了隧道涌水影响半径的基础上，结合同位素分析所确定得地下水的富集带或富集区以及断裂构造带、裂隙密集带等可能的地下水涌水通道，可以大致的确定涌水位置。

由于是粗略估计，有明显的误差，所以，最后，还需要进行局部的测温钻孔，根据地下水对岩体的温度影响，结合之前的预测，得到准确的涌水位置。也就是，利用局部岩体温度检测法来精确定位涌水位置。

在本发明中，如图3所示，在隧道左、右边墙1/2高度位置和拱顶位置分别布置岩体温度测试浅孔A，实施浅孔岩体温度测试，进行温度测试结果地温梯度校正。因为地下水在岩石体中的渗透流动决定岩体温度受地下含水体影响的范围。地下水在岩体中的循环流动，对周围流经位置及其一定范围内岩石体的温度起到降低或提升的作用。含水体在空间分布位置的不同，决定其与不同位置岩体温度测试钻孔温度测试位置间距离的不同，距离的不同决定地下水对岩体温度影响的不同，利用这种差异来确定含水体的空间分布位置，从而进行精确的定位。也就是在某种岩石体围岩中某同空气温度条件下，在某里程隧道左、右边墙1/2高度位置和拱顶位置2.0m深度测温孔底部测得的经地温梯度校正值分别为T_szi2.0、T_syi2.0、T_sgi2.0；按同种岩石体同样空气温度条件岩体温度一钻孔深度的函数关系得到在该种岩石体围岩该空气温度条件下2.0m深度测温孔底部位置理论岩体温度或称计算岩体温度为T_L2.0，将实测浅孔岩体温度校正值与等深度钻孔位置理论岩体温度比较，根据比较结果判断出所含水体。

本发明的超前预报隧道涌水位置的方法的优点是精确度高，减少了工作量，避免了人为因素的影响。同时，既不受隧道施工影响，也对隧道施工无影响。最后，其提高了隧道预报的效率。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。