本發(fā)明屬于隧道施工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)，具體涉及一種超前預(yù)報隧道涌水位置的方法。

背景技術(shù)：

目前各種地質(zhì)超前預(yù)報方法中，對水的預(yù)報仍缺乏有效的手段。對隧道涌水位置預(yù)報采用的主要技術(shù)方法包括：界面位置結(jié)合地質(zhì)分析法、紅外探測儀探水法、地質(zhì)雷達(dá)探水法、巖體溫度梯度法和鉆孔探水法。

其中，界面位置結(jié)合地質(zhì)分析法采用的是除鉆探法、超前導(dǎo)坑法、平行超前導(dǎo)坑法以外的各種地質(zhì)預(yù)報方法確定施工掌子面前方界面位置，根據(jù)隧道洞內(nèi)外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，分析確定隧道(洞)施工掌子面前方界面間介質(zhì)導(dǎo)、儲水的可能性，預(yù)測界面及界面前方發(fā)生涌水的可能性。這種方法對預(yù)報人員的經(jīng)驗和實際對該地區(qū)的水文地質(zhì)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(chǎn)生的紅外輻射場異常進(jìn)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(nèi)施工影響，對大的股狀涌水反應(yīng)明顯，對小股狀涌水反應(yīng)不明顯。

地質(zhì)雷達(dá)探水法利用水、巖介電常數(shù)差異對巖體中存在的水體進(jìn)行探測，具有非常高的分辨率，但是預(yù)報距離較短，易受隧道洞內(nèi)機(jī)器和管線的干擾。

巖體溫度梯度法是根據(jù)隧道所處位置，實測巖體溫度變化曲線與根據(jù)隧道址區(qū)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(jìn)行隧道施工掌子面前方涌水預(yù)測預(yù)報。該方法利用巖體溫度與區(qū)域地溫梯度、地層巖石的熱傳導(dǎo)性、節(jié)理裂隙發(fā)育分布狀態(tài)和地下水在巖體中的循環(huán)流動狀況的關(guān)系，獲得圍巖巖體溫度曲線，從而來預(yù)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(jié)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(lián)系的導(dǎo)水性極好的斷層破碎帶涌水是有較大的鉆孔涌水風(fēng)險。

單井同位素示蹤測井，是近年來國際上發(fā)展較快的一種快速、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確、高效的水文地質(zhì)測井新方法。因為它能獲得比抽水試驗多的水文地質(zhì)參數(shù)，而受到水文地質(zhì)界的普遍歡迎。該方法的測量儀不用標(biāo)記電纜，探頭中的深度自動識別系統(tǒng)將所有測量結(jié)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(yù)測的確定性數(shù)學(xué)模型方法是利用水力學(xué)、地下水動力學(xué)等方面的理論，通過數(shù)學(xué)演繹，推導(dǎo)出隧道涌水量與環(huán)境地下水位、圍巖滲透性、地下水補(bǔ)給范圍、補(bǔ)給時間等因素的定量關(guān)系，得出一系列理論或經(jīng)驗解析公式，以預(yù)測計算隧道的涌水量。最初為簡單的水文地質(zhì)類比法；后來運用地下水動力學(xué)原理，又產(chǎn)生了解析法；隨著電子計算機(jī)的發(fā)展，近年發(fā)展成數(shù)值法。

鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述技術(shù)缺陷，迫切需要研制一種研究隧道涌水位置預(yù)報的新方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是高效地解決隧道涌水預(yù)報的問題，克服現(xiàn)有的技術(shù)缺點，提供一種準(zhǔn)確的、在不影響現(xiàn)場施工的前提下通過對現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行反演得到物理模型，從而預(yù)測涌水位置的方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種超前預(yù)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(zhì)參數(shù)；

(2)、基于所述水文地質(zhì)參數(shù)建立水文地質(zhì)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(jìn)行數(shù)學(xué)演繹，預(yù)測隧道涌水的大致位置；

(5)、進(jìn)行局部的測溫鉆孔，根據(jù)地下水對巖體的溫度影響，結(jié)合之前的預(yù)測，得到準(zhǔn)確的涌水位置。

進(jìn)一步地，其中，所述步驟(1)為：在隧道上方選取一處進(jìn)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(jìn)一步地，其中，所述步驟(1)進(jìn)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(chǔ)上，結(jié)合其它理論準(zhǔn)確求得滲流場的其他參數(shù)。

再進(jìn)一步地，其中，所述結(jié)合其它理論準(zhǔn)確求得滲流場的其他參數(shù)具體為：(a)在孔隙介質(zhì)系統(tǒng)中，利用鉆孔垂向流量，建立注水或抽水條件下穩(wěn)定井流理論，測定含水層的滲透系數(shù)、靜水位、含水層吸水或涌水量；(b)在裂隙介質(zhì)系統(tǒng)中，結(jié)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(shù)、靜水頭和導(dǎo)水系數(shù)。

再更進(jìn)一步地，其中，所述步驟(2)具體為：根據(jù)所述水文地質(zhì)參數(shù)，合理地確定計算區(qū)域以及邊界的位置和性質(zhì)，并通過對計算區(qū)域幾何形狀、含水性質(zhì)、邊界性質(zhì)、參數(shù)性質(zhì)、地下水流狀態(tài)的概化，建立水文地質(zhì)概念模型。

此外，其中，所述步驟(3)具體為：根據(jù)所述水文地質(zhì)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(jìn)一步地，其中，所述步驟(4)具體為：在滲流區(qū)域內(nèi)，基于所述地下水滲流方程，利用變分有限元法進(jìn)行求解，得出節(jié)點水頭值，計算涌水量，從而確定地下水的富集帶或富集區(qū)，并利用經(jīng)驗公式粗略評估隧道涌水影響半徑，從而預(yù)測隧道涌水的大致位置。

更進(jìn)一步地，其中，所述利用經(jīng)驗公式粗略評估隧道涌水影響半徑。

再進(jìn)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(yù)測涌水位置的關(guān)系，確定準(zhǔn)確的涌水位置。

與現(xiàn)有的隧道涌水位置預(yù)報方法相比，本發(fā)明的超前預(yù)報隧道涌水位置的方法具有如下有益技術(shù)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(yù)報的效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的超前預(yù)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(zhì)參數(shù)時的示意圖。

圖3是進(jìn)行局部的測溫鉆孔時的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，實施例的內(nèi)容不作為對本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制。

圖1示出了本發(fā)明的超前預(yù)報隧道涌水位置的方法的流程圖。如圖1所示，本發(fā)明的超前預(yù)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(zhì)參數(shù)。在本發(fā)明中，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(zhì)參數(shù)具體為：在隧道上方選取一處進(jìn)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(zhǔn)確的水文地質(zhì)條件，在本發(fā)明中，在單井同位素示蹤法求得地下水流向和流速的基礎(chǔ)上，可以結(jié)合其它理論準(zhǔn)確求得滲流場的其他參數(shù)。具體地，在孔隙介質(zhì)系統(tǒng)中，可以利用鉆孔垂向流量，建立注水或抽水條件下穩(wěn)定井流理論，測定含水層的滲透系數(shù)、靜水位、含水層吸水或涌水量等水文地質(zhì)參數(shù)。在裂隙介質(zhì)系統(tǒng)中，結(jié)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(shù)、靜水頭和導(dǎo)水系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)。

其次，基于所述水文地質(zhì)參數(shù)建立水文地質(zhì)概念模型。所述水文地質(zhì)概念模型是在地下水系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上建立的綜合模型，主要反映邊界條件、補(bǔ)給量、排泄量、水動力特征等及其相應(yīng)參數(shù)的空間分布所構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明中，根據(jù)所述水文地質(zhì)參數(shù)，合理地確定計算區(qū)域以及邊界的位置和性質(zhì)，并通過對計算區(qū)域幾何形狀、含水性質(zhì)、邊界性質(zhì)、參數(shù)性質(zhì)、地下水流狀態(tài)的概化，建立水文地質(zhì)概念模型。

具體地，通過對以下內(nèi)容進(jìn)行概化而建立水文地質(zhì)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(shù)(K)分區(qū)圖和值(根據(jù)巖性和抽水試驗分區(qū))；2、潛水含水層給水度(μ)分區(qū)圖和值；3、承壓水含水層儲水率(Ss)分區(qū)圖和值；4、弱透水層(隔水層)儲水率(Ss)分區(qū)圖和值；5、各層有效孔隙度、總孔隙度。通過所述水文地質(zhì)概念模型把含水層實際的邊界、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、滲透性能、水力特征等條件概化為便于進(jìn)行數(shù)學(xué)與物理模擬的基本模式，也是對實際的區(qū)域進(jìn)行單元化。更加具體地，本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的是，利用地下水模擬系統(tǒng)GMS可以得到所述水文地質(zhì)概念模型。

再次，建立地下水滲流方程。在本發(fā)明中，應(yīng)根據(jù)所述水文地質(zhì)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。其中，通常以具有水文地質(zhì)意義的界面作為所述水文地質(zhì)概念模型的邊界條件，其主要有：地貌單元的分界線、地層界限、阻水?dāng)鄬?、與地下水有水力聯(lián)系的河流，此外，邊界很遠(yuǎn)的情況下可考慮通過邊界的靈敏度分析確定邊界位置。邊界條件類型有三類：一類邊界條件；二類邊界條件；三類(混合)邊界條件。

接著，基于所述地下水滲流方程進(jìn)行數(shù)學(xué)演繹，預(yù)測隧道涌水的大致位置。

在本發(fā)明中，可以在滲流區(qū)域內(nèi)基于所述地下水滲流方程，利用變分有限元法進(jìn)行求解，得出節(jié)點水頭值，計算涌水量，從而確定地下水的富集帶或富集區(qū)，并利用經(jīng)驗公式粗略評估隧道涌水影響半徑，從而預(yù)測隧道涌水的大致位置。

具體地，可以通過所述地下水滲流方程確定滲流速度與流函數(shù)的關(guān)系，利用Dacry定律得到水頭函數(shù)的解。再通過滲流速度和流函數(shù)的關(guān)系，引入單元水頭函數(shù)的有限元法差值式，再應(yīng)用變分原理對其進(jìn)行差值求解，得到流函數(shù)ψ(x，y)的有限元解。有了水頭函數(shù)和流函數(shù)ψ(x，y)的有限元數(shù)值解，編寫流函數(shù)求解程序和流線繪制程序，并與等水頭線繪制程序合并，使等水頭線和流線疊加從而形成流網(wǎng)。在確定所計算的涌水區(qū)域時，應(yīng)使假定的邊界條件盡可能接近真實狀態(tài)。需要利用經(jīng)驗公式粗略評估隧道涌水影響半徑R。所述利用經(jīng)驗公式粗略評估隧道涌水影響半徑。用有限單元法求得的結(jié)點水頭值直接計算滲流量。

在實際操作上就是利用CFD求解器Fluent，在進(jìn)行流體計算分析前借助UAMBIT軟件生成網(wǎng)格模型，采用三角形網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬計算，得到計算域和網(wǎng)格的劃分圖。利用多孔質(zhì)所取的單元體積V_b和單元壓強(qiáng)算出多孔質(zhì)壓縮系數(shù)。在Fluent的多孔質(zhì)模型下計算地質(zhì)參數(shù)α，得到粘性阻力系數(shù)1/α。再通過設(shè)定邊界條件，輸入?yún)?shù)滲透系數(shù)、滲透坡降、水頭、滲透壓力等參數(shù)，得出節(jié)點水頭。也就是導(dǎo)入之前的水文地質(zhì)概念模型的參數(shù)，這里將與計算有關(guān)的數(shù)據(jù)代入解析法預(yù)測隧道涌水量公式的程序計算，利用計算機(jī)程序解算，計算得出正常單位延米涌水量和最大單位延米涌水量。

在之前利用經(jīng)驗公式粗略評估了隧道涌水影響半徑的基礎(chǔ)上，結(jié)合同位素分析所確定得地下水的富集帶或富集區(qū)以及斷裂構(gòu)造帶、裂隙密集帶等可能的地下水涌水通道，可以大致的確定涌水位置。

由于是粗略估計，有明顯的誤差，所以，最后，還需要進(jìn)行局部的測溫鉆孔，根據(jù)地下水對巖體的溫度影響，結(jié)合之前的預(yù)測，得到準(zhǔn)確的涌水位置。也就是，利用局部巖體溫度檢測法來精確定位涌水位置。

在本發(fā)明中，如圖3所示，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A，實施淺孔巖體溫度測試，進(jìn)行溫度測試結(jié)果地溫梯度校正。因為地下水在巖石體中的滲透流動決定巖體溫度受地下含水體影響的范圍。地下水在巖體中的循環(huán)流動，對周圍流經(jīng)位置及其一定范圍內(nèi)巖石體的溫度起到降低或提升的作用。含水體在空間分布位置的不同，決定其與不同位置巖體溫度測試鉆孔溫度測試位置間距離的不同，距離的不同決定地下水對巖體溫度影響的不同，利用這種差異來確定含水體的空間分布位置，從而進(jìn)行精確的定位。也就是在某種巖石體圍巖中某同空氣溫度條件下，在某里程隧道左、右邊墻1/2高度位置和拱頂位置2.0m深度測溫孔底部測得的經(jīng)地溫梯度校正值分別為T_szi2.0、T_syi2.0、T_sgi2.0；按同種巖石體同樣空氣溫度條件巖體溫度一鉆孔深度的函數(shù)關(guān)系得到在該種巖石體圍巖該空氣溫度條件下2.0m深度測溫孔底部位置理論巖體溫度或稱計算巖體溫度為T_L2.0，將實測淺孔巖體溫度校正值與等深度鉆孔位置理論巖體溫度比較，根據(jù)比較結(jié)果判斷出所含水體。

本發(fā)明的超前預(yù)報隧道涌水位置的方法的優(yōu)點是精確度高，減少了工作量，避免了人為因素的影響。同時，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(yù)報的效率。

本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。