一種超前預報隧道涌水位置的方法技術

本發明專利技術涉及一種超前預報隧道涌水位置的方法，該方法為：在隧道開挖方向上，先利用單井同位素示蹤法測出地下水滲流場任一空間點的地下水流的流速和流向，然后建立概念模型，通過數學演繹，推導出大致涌水位置與涌水量，最后進行局部的測溫鉆孔，根據地下水對巖體的溫度影響，得到準確的涌水位置。該方法精確度高，減少了工作量，避免了人為因素的影響；同時，其既不受隧道施工影響，也對隧道施工無影響，并且提高了隧道預報的效率。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于隧道施工
，涉及一種隧道施工地質超前預報技術，具體涉及一種超前預報隧道涌水位置的方法。
技術介紹
目前各種地質超前預報方法中，對水的預報仍缺乏有效的手段。對隧道涌水位置預報采用的主要技術方法包括：界面位置結合地質分析法、紅外探測儀探水法、地質雷達探水法、巖體溫度梯度法和鉆孔探水法。其中，界面位置結合地質分析法采用的是除鉆探法、超前導坑法、平行超前導坑法以外的各種地質預報方法確定施工掌子面前方界面位置，根據隧道洞內外地質調查結果，分析確定隧道(洞)施工掌子面前方界面間介質導、儲水的可能性，預測界面及界面前方發生涌水的可能性。這種方法對預報人員的經驗和實際對該地區的水文地質的掌握程度有較高的要求，且不夠精確。紅外探測儀探水法是利用地下水體產生的紅外輻射場異常進行水體探測，能對圍巖巖體是否含有水有效，但不能確定含水量大小，且受隧道洞內施工影響，對大的股狀涌水反應明顯，對小股狀涌水反應不明顯。地質雷達探水法利用水、巖介電常數差異對巖體中存在的水體進行探測，具有非常高的分辨率，但是預報距離較短，易受隧道洞內機器和管線的干擾。巖體溫度梯度法是根據隧道所處位置，實測巖體溫度變化曲線與根據隧道址區地溫梯度計算取得的隧道所處位置巖體溫度變化曲線的比較，進行隧道施工掌子面前方涌水預測預報。該方法利用巖體溫度與區域地溫梯度、地層巖石的熱傳導性、節理裂隙發育分布狀態和地下水在巖體中的循環流動狀況的關系，獲得圍巖巖體溫度曲線，從而來預報水體或含水體的位置。這種方法可以避免隧道施工對巖體溫度測試結果的影響，排除人為因素，對隧道掌子面施工無干擾。鉆孔探水法是直接探水，對基巖孔隙裂隙水效果明顯。但對巖溶水、與地表水有直接聯系的導水性極好的斷層破碎帶涌水是有較大的鉆孔涌水風險。單井同位素示蹤測井，是近年來國際上發展較快的一種快速、經濟、準確、高效的水文地質測井新方法。因為它能獲得比抽水試驗多的水文地質參數，而受到水文地質界的普遍歡迎。該方法的測量儀不用標記電纜，探頭中的深度自動識別系統將所有測量結果與測量的深度一起，傳送到地面的筆記本電腦中，測量儀即可智能化地測定出地下水滲流場任一空間點的地下水流的滲透流速流向、垂向流速流向等。隧道涌水量預測的確定性數學模型方法是利用水力學、地下水動力學等方面的理論，通過數學演繹，推導出隧道涌水量與環境地下水位、圍巖滲透性、地下水補給范圍、補給時間等因素的定量關系，得出一系列理論或經驗解析公式，以預測計算隧道的涌水量。最初為簡單的水文地質類比法；后來運用地下水動力學原理，又產生了解析法；隨著電子計算機的發展，近年發展成數值法。鑒于現有技術的上述技術缺陷，迫切需要研制一種研究隧道涌水位置預報的新方法。
技術實現思路
本專利技術的目的是高效地解決隧道涌水預報的問題，克服現有的技術缺點，提供一種準確的、在不影響現場施工的前提下通過對現有觀測數據進行反演得到物理模型，從而預測涌水位置的方法。為了實現上述目的，本專利技術提供如下技術方案：一種超前預報隧道涌水位置的方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)、利用單井同位素示蹤法測出地下水滲流場的水文地質參數；(2)、基于所述水文地質參數建立水文地質概念模型；(3)、建立地下水滲流方程；(4)、基于所述地下水滲流方程進行數學演繹，預測隧道涌水的大致位置；(5)、進行局部的測溫鉆孔，根據地下水對巖體的溫度影響，結合之前的預測，得到準確的涌水位置。進一步地，其中，所述步驟(1)為：在隧道上方選取一處進行鉆井，再將放射性同位素示蹤劑投入所述鉆井中，之后利用放射性探測器測定鉆井處的地下水流向和流速。更進一步地，其中，所述步驟(1)進一步包括：在單井同位素示蹤法求得地下水流向和流速的基礎上，結合其它理論準確求得滲流場的其他參數。再進一步地，其中，所述結合其它理論準確求得滲流場的其他參數具體為：(a)在孔隙介質系統中，利用鉆孔垂向流量，建立注水或抽水條件下穩定井流理論，測定含水層的滲透系數、靜水位、含水層吸水或涌水量；(b)在裂隙介質系統中，結合注水或抽水時的裘布依方程和立方定理，測定各裂隙的等效水力隙寬、滲透系數、靜水頭和導水系數。再更進一步地，其中，所述步驟(2)具體為：根據所述水文地質參數，合理地確定計算區域以及邊界的位置和性質，并通過對計算區域幾何形狀、含水性質、邊界性質、參數性質、地下水流狀態的概化，建立水文地質概念模型。此外，其中，所述步驟(3)具體為：根據所述水文地質概念模型所反映的邊界條件和初始條件建立裂隙巖體中地下水滲流方程。進一步地，其中，所述步驟(4)具體為：在滲流區域內，基于所述地下水滲流方程，利用變分有限元法進行求解，得出節點水頭值，計算涌水量，從而確定地下水的富集帶或富集區，并利用經驗公式粗略評估隧道涌水影響半徑，從而預測隧道涌水的大致位置。更進一步地，其中，所述利用經驗公式粗略評估隧道涌水影響半徑。再進一步地，其中，所述步驟(5)具體為：在隧道左、右邊墻1/2高度位置和拱頂位置分別布置巖體溫度測試淺孔，實施淺孔巖體溫度測試，比對不同位置巖體溫度的差異與所預測涌水位置的關系，確定準確的涌水位置。與現有的隧道涌水位置預報方法相比，本專利技術的超前預報隧道涌水位置的方法具有如下有益技術效果：其精確度高，并且減少了工作量，避免了人為因素的影響；同時，其既不受隧道施工影響，也對隧道施工無影響；最后，其提高了隧道預報的效率。附圖說明圖1是本專利技術的超前預報隧道涌水位置的方法的流程圖。圖2是利用單井同位素示蹤法測地下水滲流場的水文地質參數時的示意圖。圖3是進行局部的測溫鉆孔時的示意圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術進一步說明，實施例的內容不作為對本專利技術的保護范圍的限制。圖1示出了本專利技術的超前預報隧道涌水位置的方法的流程圖。如圖1所示，本專利技術的超前預報隧道涌水位置的方法包括以下步驟：首先，利用單井同位素示蹤法測出地下水滲流場的水文地質參數。在本專利技術中，如圖2所示，利用單井同位素示蹤法測出地下水滲流場的水文地質參數具體為：在隧道上方選取一處進行鉆井，再將放射性同位素示蹤劑投入所述鉆井中，之后利用放射性探測器測定鉆井處的地下水流向和流速。此外，為了獲得更準確的水文地質條件，在本專利技術中，在單井同位素示蹤法求得地下水流向和流速的基礎上，可以結合其它理論準確求得滲流場的其他參數。具體地，在孔隙介質系統中，可以利用鉆孔垂向流量，建立注水或抽水條件下穩定井流理論，測定含水層的滲透系數、靜水位、含水層吸水或涌水量等水文地質參數。在裂隙介質系統中，結合注水或抽水時的裘布依方程和立方定理，測定各裂隙的等效水力隙寬、滲透系數、靜水頭和導水系數等水文地質參數。其次，基于所述水文地質參數建立水文地質概念模型。所述水文地質概念模型是在地下水系統研究的基礎上建立的綜合模型，主要反映邊界條件、補給量、排泄量、水動力特征等及其相應參數的空間分布所構成的整體結構。在本專利技術中，根據所述水文地質參數，合理地確定計算區域以及邊界的位置和性質，并通過對計算區域幾何形狀、含水性質、邊界性質、參數性質、地下水流狀態的概化，建立水文地質概念模型。具體地，通過對以下內容進行概化而建立水文地質概念模型：1、潛水、承壓水含水層和弱透水層水平、垂向滲透系數(K)分區圖和值(根據巖性和抽水試驗分區)本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種超前預報隧道涌水位置的方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)、利用單井同位素示蹤法測出所述地下水滲流場的水文地質參數。(2)、基于所述水文地質參數建立水文地質概念模型。(3)、建立地下水滲流方程。(4)、基于所述地下水滲流方程進行數學演繹，預測隧道涌水的大致位置。(5)、進行局部的測溫鉆孔，根據地下水對巖體的溫度影響，結合之前的預測，得到準確的涌水位置。

【技術特征摘要】
1.一種超前預報隧道涌水位置的方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)、利用單井同位素示蹤法測出所述地下水滲流場的水文地質參數。(2)、基于所述水文地質參數建立水文地質概念模型。(3)、建立地下水滲流方程。(4)、基于所述地下水滲流方程進行數學演繹，預測隧道涌水的大致位置。(5)、進行局部的測溫鉆孔，根據地下水對巖體的溫度影響，結合之前的預測，得到準確的涌水位置。2.根據權利要求1所述的超前預報隧道涌水位置的方法，其特征是，所述步驟(1)為：在隧道上方選取一處進行鉆井，再將放射性同位素示蹤劑投入所述鉆井中。之后利用放射性探測器測定鉆井處的地下水流向和流速。3.根據權利要求2所述的超前預報隧道涌水位置的方法，其特征是，所述步驟(1)進一步包括：在單井同位素示蹤法求得地下水流向和流速的基礎上，結合其它理論準確求得滲流場的其他參數。4.根據權利要求3所述的超前預報隧道涌水位置的方法，其特征是，所述結合其它理論準確求得滲流場的其他參數具體為：(a)在孔隙介質系統中，利用鉆孔垂向流量，建立注水或抽水條件下穩定井流理論，測定含水層的滲透系數、靜水位、含水層吸水或涌水量；(b)在裂隙介質系統中，結合注水或抽水時的裘布依方程和立方定理，測定各裂隙的等效水力隙寬、...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙瑜，沈維克，胡波，田欣，靳開明，曹漢，向偉，
申請(專利權)人：重慶大學，
類型：發明
國別省市：重慶;50