一种隧道突涌水全寿命周期治理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种隧道突涌水全寿命周期治理方法，属于交通运输安全工程领域。
【背景技术】
[0002]随着我国公路铁路及城市地下交通体系的逐步完善，大批交通运输隧道投入建设运营，在修建过程中，经常穿越地形、地貌及地质条件复杂区域，施工过程中易引发塌方、突涌水等重大工程灾害，导致施工期突涌水灾害频发，施工建设完成后，受地下水作用及不良地质影响，隧道运营期常面临隧道渗漏水问题，降低了隧道使用寿命，威胁了交通运输安全。隧道施工期及运营期不良地质水害造成的人员伤亡、经济损失与工期延误排在各种地质灾害的前列，此外，地下水大量涌出会严重破坏工程周边水环境，诱发地表塌陷和地下水枯竭，导致环境灾害。地下工程领域正面临日益严峻的水害防治形势。
[0003]目前隧道施工期及运营期突涌水治理工作通常采用注浆方法，在突涌水区域施工钻孔然后通过钻孔向含导水构造内进行注浆，实现封堵含导水构造、改善围岩物理力学性质，从而恢复隧道工程正常开挖或运营。
[0004]但是这种传统的突涌水治理设计方法仅仅针对当前的突涌水状况采取相应措施，即在当时的设定范围内各参数满足相应规范的指标即可。但是这种设计施工存在盲目性和经验性，存在下述缺点:
[0005]1、不能确保施工期隧道开挖过程中围岩稳定，无法保证隧道围岩在运营期内受地下水压及渗流作用下不漏水，造成隧道在实际使用中，存在不安全因素。
[0006]2、由于没有考虑时间的因素，隧道在突涌水治理过后，每隔一两年就又会出现渗漏水乃至突涌水现象，导致隧道需要经常性的反复整修，耗费了大量的人力、物力、和财力。
[0007]3、隧道在运营过程中的例行整修频繁，给隧道的使用方带来了极大的不便。
[0008]4、由于隧道在运营过程中突水风险的不确定性导致的隧道返修，使得在隧道的设计阶段，无法对隧道的运营成本作出准确的预算，对于隧道的全寿命周期，无法做到成本可控。
[0009]5、仅考虑解决当前突涌水问题，未能从隧道施工期及运营期全寿命周期整体最优规划考虑，未考虑隧道长期运营期间围岩稳定及防地下水击穿的需求。
【发明内容】
[0010]本发明针对我国隧道施工期突涌水灾害频发、运营期“十隧九漏”、突涌水灾害治理治标不治本、有效期较短的现实以及上述重大科学问题，进行隧道突涌水治理全寿命周期治理方法研究，目的在于保障隧道施工期围岩稳定、运营期隧道不突水，杜绝“十隧九漏”痼疾，实现隧道突涌水有效治理和环境保护，建立涵盖施工期及运营期的隧道突涌水治理全寿命周期治理方法。
[0011]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0012]一种隧道突涌水全寿命周期治理方法，包括以下步骤:
[0013]步骤1:联合地质勘探资料、施工开挖资料、综合地球物理探测的探测结果及数值计算结果，获取隧道突涌水区段导水构造三维形态特征；
[0014]步骤2:考虑注浆封堵突涌水同时改善围岩物理力学参数，进行所述隧道突涌水区段的治理方案设计，对所述治理方案的围岩稳定性进行分析，并针对突涌水主控构造，进行关键孔和引排关键孔的设计；
[0015]步骤3:通过对按设计方案加固后的隧道段进行数值模拟，确定隧道围岩承载水压的安全厚度，确认所述设计方案得以保障隧道在施工期的稳定和运营期的安全；
[0016]步骤4:根据所述设计方案进行注浆施工，并在施工过程中埋设监测装置，实施反馈优化设计；
[0017]步骤5:对所述隧道的注浆加固段的治理效果进行检查，确定开挖时间。
[0018]全寿命周期突涌水治理设计方法为:以精细探查为前提，确定突涌水通道，可以以施工期和运营期安全为目标，提出初步治理方案，优选出关键孔的同时，确定隧道围岩承载水压的安全厚度，最后根据监测信息进行反馈优化设计。该设计方法既保证了施工期有效封堵，又可消除运营期安全隐患，是突涌水设计方法的重要进步。
[0019]本发明的隧道突涌水治理设计方法从保障隧道建设及运营全寿命周期内围岩稳定出发，不仅考虑解决当前突涌水问题，还能从隧道施工期及运营期全寿命周期整体最优规划考虑，综合考虑隧道长期运营期间围岩稳定及防地下水击穿需求。
[0020]其中，所述步骤I中，所述综合地球物理探测是指:在距离突涌水区域2-30m范围的近段采用地质雷达方法，在距离突涌水区域30-80m范围内的中段采用超高密度电法，同时联合全空间瞬变电磁及跨孔电阻率CT探测方法，针对所述隧道在施工期涌水和所述运营期渗漏水问题，实现所述隧道工程从区域分布到全空间展布精细化探测。
[0021 ] 使用综合地球物理探测方法，可以明确突涌水治理工作中围岩含导水构造空间发育规律，能做到针对含导水构造的精确探查，注浆工作针对主控构造实施，避免水流绕行而引发其他区域涌水及次生灾害。
[0022]所述步骤I中，所述数值计算，是基于综合地球物理探测结果，结合区域地质资料，开展的区域流场计算分析。
[0023]基于综合地球物理探测结果和区域地质资料，进行区域流场计算分析，可以更直观的明确水文地质状况，实现地下水流场的定量计算，获得诸如水压、流量等涌水关键参数，增进对治理区域含导水构造特征认识，为注浆封堵设计提供依据和便利。
[0024]所述步骤2中，所述考虑注浆封堵突涌水同时改善围岩物理力学参数的方案设计，是指根据所述注浆治理前后的围岩弹性模量、粘聚力、内摩擦角及渗透率改善情况，确定所述隧道在全寿命周期内加固圈隔水层的安全厚度。
[0025]克服传统注浆设计方法未将注浆加固结石体及隧道围岩视为共同体的局限性，在注浆过程中不仅考虑地下水压及渗流作用，还考虑浆液及围岩之间的流固耦合作用，同时基于浆液的粘度时变特性，分析浆液在沉淀及凝结固化作用下由流态向固态转变过程中的浆液及围岩共同体的时变作用，并且以围岩稳定为核心分析长期运营过程中注浆加固圈强度及整体稳定的时空效应。
[0026]所述步骤2中，所述治理方案设计为将隧道与地下工程突涌水灾害分为富水断层破碎型、节理裂隙型、岩溶管道型及孔隙微裂隙型，并针对不同类型，采取相应的设计方案。
[0027]将地下工程突涌水类型进行分类，并针对不同类型采取相应的设计方案，使得设计方案针对性强，并有利于对相同类型的方案进行归纳总结，有利于推动学科的进步。
[0028]所述步骤2中，所述关键孔的设计为，针对所述突涌水主控构造，通过导水通道流场模拟、小区域联通试验、钻孔压水试验与浆液运移仿真模拟，通过层次分析优选方法，选出主控突涌水封堵效果的关键孔；当所述关键孔的单点涌水量大于设定值时，在距离所述关键孔设定距离处，布设所述引排关键孔。
[0029]克服了传统的涌水治理区域注浆范围不明确的缺点，关键孔的设计不仅根据地下水压力、涌水量及地层孔隙率拟定注浆压力或注浆量，还根据突涌水主控构造，有针对性的进行封堵，使得浆液在关键部位得到更有效的发挥，避免注浆量过小或过大，以及注浆钻孔针对性差，钻孔设计中无效钻孔较多的缺点。
[0030]此外，引水关键孔克服了以往大流量突涌水点直接封闭极为困难的难题，不仅降低了对高压涌水点的封闭施工难度，而且施工环境更加安全，引排设计方法也更加成熟。
[0031]所述步骤3中，所述数值模拟根据水文地质及工程地质条件，结合加固后的围岩力学参数和所设计的加固圈的安全厚度，基于流固耦合理论及岩石断裂力学理论，得出所述隧道全寿命周期内所述施工期的稳定情况和所述运营期的安