一种基于物性参数差异的隧道涌水量动态预测方法与流程

：本发明属于隧道涌水量计算，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

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背景技术：

1、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。

2、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。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、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。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、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：

4、(1)隧道施工涌水特征评价；

5、(2)强径流水文地质参数计算；

6、(3)物性参数的隧道突涌水段落刻画；

7、(4)基于地下水动力学法涌水量预测。

8、步骤(2)包括以下步骤：

9、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：

10、裘布依公式：

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12、大岛志洋公式：

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14、古德曼公式：

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16、公式中：qs—隧道通过含水体的正常涌水量(m3/d)；

17、qw—隧道通过含水体的最大涌水量(m3/d)；

18、l—隧道通过含水体的长度(m)；

19、k—含水层渗透系数(m/d)；

20、h—洞底以上潜水含水体厚度(m)；

21、h—洞外水柱高度(m)，一般考虑“水跃”值；

22、r—隧道洞身横断面宽度之半(m)；

23、d—隧道洞身横断面等价圆直径(m)；

24、m—换算系数，一般取0.86-1。

25、步骤(3)包括以下步骤：

26、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；

27、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；

28、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。

29、步骤(4)包括以下步骤：

30、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。

31、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。

32、与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

33、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。

34、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。

35、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。