一种隧道掌子面高压涌水水压及水量快速计算方法与流程

：本发明属于隧道涌水水压及水量计算，涉及一种隧道掌子面高压涌水水压及水量快速计算方法，是针对隧道施工开挖过程中对掌子面超前水钻或加深炮孔揭示的高压涌水水压及水量快速计算方法。

背景技术

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背景技术：

1、隧道施工开挖过程中遇到富水地段，为探明掌子面前方隧道涌水风险，通常会实施超前水平钻，在实施超前水平钻或加深炮孔时，当超前水平钻或加深炮孔揭示的涌水水压较大时，往往出现高压突涌水，高压突涌水具有压力大、喷出距离远、流速快、水量大、危害大的特点，如不及时处理，会造成淹井、停工，甚至影响工期，同时对现场施工人员及机械会产生威胁等问题，特别是存在反坡排水的隧道危害更严重。因此准确、快速、便捷地计算出隧道高压涌水量及水压，为掌子面泄水、注浆或者是抽排水方案快速决策等提供支撑，以便采取有效的处理措施，化解施工风险。

2、对于高压涌水，目前施工现场主要的手段是在洞口用电磁流量计或者堰箱测量涌水某一段时间总水量，在与前期的相同时间的水量进行对比，计算出差值来估算掌子面的水量，这种方法由于测量需要一定的时间来完成，每天或者每小时的水量需要盯控，往往在一天后或者两天后能得出一个较为合适的水量，不能实现快速掌子面水量计算，若洞口未安装监测设备，具体水量难以获取。

3、水平钻高压涌水水压是在涌水钻孔孔口安装水压计，通过堵住出水点，应用压力计测量高压涌水的水压，这种方法水压测量需要安装相应的设备，其设备安装复杂、观测耗时，不能及时获取相关数据，另外再根据水压以及渗透系数经验值采用地下水动力学法计算隧道涌水量，且需要分析计算相应的水文地质参数及水量，也不能快速实现高压涌水水量的快速计算。

4、以上问题造成目前隧道掌子面高压涌水水压监测复杂、水量计算困难，不能及时得出相应的涌水量，对现场施工及排水处置造成一定的影响。

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隧道掌子面高压涌水水压及水量快速计算方法，，其克服了现有技术中存在的隧道掌子面高压涌水水压监测复杂、水量计算困难，不能及时得出相应的涌水量的问题。本发明提供了一种供施工现场技术人员计算掌子面高压涌水水压和水量的方法。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种隧道掌子面高压涌水水压及水量快速计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

4、(1)首先测量超前水平钻孔的高度，获取超前水平钻钻孔的直径或者测量喷出涌水孔口附近的水柱直径，测量涌水的喷出距离；

5、(2)根据喷出距离和水柱高度计算出水流距离，由此计算出高压涌水水柱的喷出的初始流速；

6、(3)最后结合钻孔直径，计算出水柱的面积；

7、(4)水压计算时根据掌子面只有一个超前水平钻或加深炮孔揭示的高压涌水进行分析，根据计算的高压水流速应用计算涌水压力；

8、(5)利用涌水喷出的初始流速乘以水柱面积，计算出隧道超前水平钻高压涌水的水量。

9、步骤(2)中，根据自由落体定律，假设涌水下落一定高度的时间与喷出一定距离的时间相同，同时将炮孔喷出水流近视为三角形，根据喷出距离和水柱高度计算出水流距离，由此计算出高压涌水水柱的喷出的初始流速；其中，vi：高压涌水流速(m/s)，li：喷出距离(m)，hi：炮孔高度(m)；

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11、步骤(3)中，若水压较大，钻孔直径较小，高压涌水喷出钻孔后直径会变大，此种情况根据现场实际选取钻孔喷出口的直径来计算水柱的面积；其中，si：炮孔面积(m2)，di：炮孔直径(水柱直径)(m)；

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13、步骤(4)中，若有多个钻孔，根据施工中揭示的第一个水平钻或炮孔计算的高压水流速应用计算涌水压力；其中，p:涌水压力(kpa)，v1：第一个水平钻揭示高压涌水的计算流速(m/s)；

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15、步骤(5)中，若掌子面多个水平钻存在高压涌水，分别计算各个超前水平钻的涌水量进行加和即可计算处掌子面的总涌水量；其中，q总：总涌水量(m3/h)，qi：单个炮孔涌水量(m3/h)，vi：高压涌水流速(m/s)，si：炮孔面积(m2)；

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17、与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

18、1、由于隧道掌子面高压涌水突然、水压大、喷出距离远、水流速快、流量大，施工现场需及时计算高压水涌水量以便采取相应的排水方案，本发明针对隧道施工现场超前水平钻揭示的高压涌水，由于涌水突然，涌水量估算难、测量复杂的问题，提出了基于炮孔直径(水柱直径)、炮孔高度、喷出距离等参数为主的隧道掌子面高压涌水水量及水压计算公式，本方案具有原理简单，现场实测数据容易获取，能够实现掌子面高压涌水水量及水压的快速计算，为现场施工采取注浆、泄水或增加排水设施提供支撑，可以及时化解施工风险。

19、2、本发明方法计算简便，无需现场开展大量的试验和测试，方便现场技术人员开展工作，可以快速实现掌子面超前水平钻高压涌水水压及水量的计算。

20、3、本发明方法得出的结果计算的结果可以满足现场施工需求，为掌子面泄水、注浆或者是抽排水方案快速决策等提供支撑，以便采取有效的处理措施，化解施工风险。特别是对斜井反坡排水水泵、排水管的布设具有很大的指导意义，避免隧道涌水抽排不及时引起隧道掌子大面积积水，影响隧道现场施工。

技术特征：

1.一种隧道掌子面高压涌水水压及水量快速计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种隧道掌子面高压涌水水压及水量快速计算方法，其特征在于：步骤(2)中，根据自由落体定律，假设涌水下落一定高度的时间与喷出一定距离的时间相同，同时将炮孔喷出水流近视为三角形，根据喷出距离和水柱高度计算出水流距离，由此计算出高压涌水水柱的喷出的初始流速；其中，vi：高压涌水流速(m/s)，li：喷出距离(m)，hi：炮孔高度(m)；

3.根据权利要求1所述的一种隧道掌子面高压涌水水压及水量快速计算方法，其特征在于：步骤(3)中，若水压较大，钻孔直径较小，高压涌水喷出钻孔后直径会变大，此种情况根据现场实际选取钻孔喷出口的直径来计算水柱的面积；其中，si：炮孔面积(m2)，di：炮孔直径(水柱直径)(m)；

4.根据权利要求1所述的一种隧道掌子面高压涌水水压及水量快速计算方法，其特征在于：步骤(4)中，若有多个钻孔，根据施工中揭示的第一个水平钻或炮孔计算的高压水流速应用计算涌水压力；其中，p:涌水压力(kpa)，v1：第一个水平钻揭示高压涌水的计算流速(m/s)；

5.根据权利要求1所述的一种隧道掌子面高压涌水水压及水量快速计算方法，其特征在于：步骤(5)中，若掌子面多个水平钻存在高压涌水，分别计算各个超前水平钻的涌水量进行加和即可计算处掌子面的总涌水量；其中，q总：总涌水量(m3/h)，qi：单个炮孔涌水量(m3/h)，vi：高压涌水流速(m/s)，si：炮孔面积(m2)；

技术总结
本发明为一种隧道掌子面高压涌水水压及水量快速计算方法，其克服了现有技术中存在的施工现场不能及时得出相应的涌水量的问题。包括以下步骤：(1)首先测量超前水平钻孔的高度，获取超前水平钻钻孔的直径或者测量喷出涌水孔口附近的水柱直径，测量涌水的喷出距离；(2)根据喷出距离和水柱高度计算出水流距离，由此计算出高压涌水水柱的喷出的初始流速；(3)最后结合钻孔直径，计算出水柱的面积；(4)水压计算时根据掌子面只有一个超前水平钻或加深炮孔揭示的高压涌水进行分析，根据计算的高压水流速应用计算涌水压力；(5)利用涌水喷出的初始流速乘以水柱面积，计算出隧道超前水平钻高压涌水的水量。

技术研发人员：张晓宇,杜世回,徐正宣,杨青,李其帅,崔雷,王宗旭,李沛
受保护的技术使用者：中国国家铁路集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16