一種隧道突涌水全壽命周期治理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種隧道突涌水全壽命周期治理方法，屬于交通運(yùn)輸安全工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)公路鐵路及城市地下交通體系的逐步完善，大批交通運(yùn)輸隧道投入建設(shè)運(yùn)營(yíng)，在修建過(guò)程中，經(jīng)常穿越地形、地貌及地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域，施工過(guò)程中易引發(fā)塌方、突涌水等重大工程災(zāi)害，導(dǎo)致施工期突涌水災(zāi)害頻發(fā)，施工建設(shè)完成后，受地下水作用及不良地質(zhì)影響，隧道運(yùn)營(yíng)期常面臨隧道滲漏水問(wèn)題，降低了隧道使用壽命，威脅了交通運(yùn)輸安全。隧道施工期及運(yùn)營(yíng)期不良地質(zhì)水害造成的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失與工期延誤排在各種地質(zhì)災(zāi)害的前列，此外，地下水大量涌出會(huì)嚴(yán)重破壞工程周邊水環(huán)境，誘發(fā)地表塌陷和地下水枯竭，導(dǎo)致環(huán)境災(zāi)害。地下工程領(lǐng)域正面臨日益嚴(yán)峻的水害防治形勢(shì)。
[0003]目前隧道施工期及運(yùn)營(yíng)期突涌水治理工作通常采用注漿方法，在突涌水區(qū)域施工鉆孔然后通過(guò)鉆孔向含導(dǎo)水構(gòu)造內(nèi)進(jìn)行注漿，實(shí)現(xiàn)封堵含導(dǎo)水構(gòu)造、改善圍巖物理力學(xué)性質(zhì)，從而恢復(fù)隧道工程正常開(kāi)挖或運(yùn)營(yíng)。
[0004]但是這種傳統(tǒng)的突涌水治理設(shè)計(jì)方法僅僅針對(duì)當(dāng)前的突涌水狀況采取相應(yīng)措施，即在當(dāng)時(shí)的設(shè)定范圍內(nèi)各參數(shù)滿足相應(yīng)規(guī)范的指標(biāo)即可。但是這種設(shè)計(jì)施工存在盲目性和經(jīng)驗(yàn)性，存在下述缺點(diǎn):
[0005]1、不能確保施工期隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖穩(wěn)定，無(wú)法保證隧道圍巖在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)受地下水壓及滲流作用下不漏水，造成隧道在實(shí)際使用中，存在不安全因素。
[0006]2、由于沒(méi)有考慮時(shí)間的因素，隧道在突涌水治理過(guò)后，每隔一兩年就又會(huì)出現(xiàn)滲漏水乃至突涌水現(xiàn)象，導(dǎo)致隧道需要經(jīng)常性的反復(fù)整修，耗費(fèi)了大量的人力、物力、和財(cái)力。
[0007]3、隧道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的例行整修頻繁，給隧道的使用方帶來(lái)了極大的不便。
[0008]4、由于隧道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中突水風(fēng)險(xiǎn)的不確定性導(dǎo)致的隧道返修，使得在隧道的設(shè)計(jì)階段，無(wú)法對(duì)隧道的運(yùn)營(yíng)成本作出準(zhǔn)確的預(yù)算，對(duì)于隧道的全壽命周期，無(wú)法做到成本可控。
[0009]5、僅考慮解決當(dāng)前突涌水問(wèn)題，未能從隧道施工期及運(yùn)營(yíng)期全壽命周期整體最優(yōu)規(guī)劃考慮，未考慮隧道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)期間圍巖穩(wěn)定及防地下水擊穿的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明針對(duì)我國(guó)隧道施工期突涌水災(zāi)害頻發(fā)、運(yùn)營(yíng)期“十隧九漏”、突涌水災(zāi)害治理治標(biāo)不治本、有效期較短的現(xiàn)實(shí)以及上述重大科學(xué)問(wèn)題，進(jìn)行隧道突涌水治理全壽命周期治理方法研究，目的在于保障隧道施工期圍巖穩(wěn)定、運(yùn)營(yíng)期隧道不突水，杜絕“十隧九漏”痼疾，實(shí)現(xiàn)隧道突涌水有效治理和環(huán)境保護(hù)，建立涵蓋施工期及運(yùn)營(yíng)期的隧道突涌水治理全壽命周期治理方法。
[0011]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0012]一種隧道突涌水全壽命周期治理方法，包括以下步驟:
[0013]步驟1:聯(lián)合地質(zhì)勘探資料、施工開(kāi)挖資料、綜合地球物理探測(cè)的探測(cè)結(jié)果及數(shù)值計(jì)算結(jié)果，獲取隧道突涌水區(qū)段導(dǎo)水構(gòu)造三維形態(tài)特征；
[0014]步驟2:考慮注漿封堵突涌水同時(shí)改善圍巖物理力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行所述隧道突涌水區(qū)段的治理方案設(shè)計(jì)，對(duì)所述治理方案的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并針對(duì)突涌水主控構(gòu)造，進(jìn)行關(guān)鍵孔和引排關(guān)鍵孔的設(shè)計(jì)；
[0015]步驟3:通過(guò)對(duì)按設(shè)計(jì)方案加固后的隧道段進(jìn)行數(shù)值模擬，確定隧道圍巖承載水壓的安全厚度，確認(rèn)所述設(shè)計(jì)方案得以保障隧道在施工期的穩(wěn)定和運(yùn)營(yíng)期的安全；
[0016]步驟4:根據(jù)所述設(shè)計(jì)方案進(jìn)行注漿施工，并在施工過(guò)程中埋設(shè)監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)施反饋優(yōu)化設(shè)計(jì)；
[0017]步驟5:對(duì)所述隧道的注漿加固段的治理效果進(jìn)行檢查，確定開(kāi)挖時(shí)間。
[0018]全壽命周期突涌水治理設(shè)計(jì)方法為:以精細(xì)探查為前提，確定突涌水通道，可以以施工期和運(yùn)營(yíng)期安全為目標(biāo)，提出初步治理方案，優(yōu)選出關(guān)鍵孔的同時(shí)，確定隧道圍巖承載水壓的安全厚度，最后根據(jù)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行反饋優(yōu)化設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方法既保證了施工期有效封堵，又可消除運(yùn)營(yíng)期安全隱患，是突涌水設(shè)計(jì)方法的重要進(jìn)步。
[0019]本發(fā)明的隧道突涌水治理設(shè)計(jì)方法從保障隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)全壽命周期內(nèi)圍巖穩(wěn)定出發(fā)，不僅考慮解決當(dāng)前突涌水問(wèn)題，還能從隧道施工期及運(yùn)營(yíng)期全壽命周期整體最優(yōu)規(guī)劃考慮，綜合考慮隧道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)期間圍巖穩(wěn)定及防地下水擊穿需求。
[0020]其中，所述步驟I中，所述綜合地球物理探測(cè)是指:在距離突涌水區(qū)域2-30m范圍的近段采用地質(zhì)雷達(dá)方法，在距離突涌水區(qū)域30-80m范圍內(nèi)的中段采用超高密度電法，同時(shí)聯(lián)合全空間瞬變電磁及跨孔電阻率CT探測(cè)方法，針對(duì)所述隧道在施工期涌水和所述運(yùn)營(yíng)期滲漏水問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)所述隧道工程從區(qū)域分布到全空間展布精細(xì)化探測(cè)。
[0021 ] 使用綜合地球物理探測(cè)方法，可以明確突涌水治理工作中圍巖含導(dǎo)水構(gòu)造空間發(fā)育規(guī)律，能做到針對(duì)含導(dǎo)水構(gòu)造的精確探查，注漿工作針對(duì)主控構(gòu)造實(shí)施，避免水流繞行而引發(fā)其他區(qū)域涌水及次生災(zāi)害。
[0022]所述步驟I中，所述數(shù)值計(jì)算，是基于綜合地球物理探測(cè)結(jié)果，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，開(kāi)展的區(qū)域流場(chǎng)計(jì)算分析。
[0023]基于綜合地球物理探測(cè)結(jié)果和區(qū)域地質(zhì)資料，進(jìn)行區(qū)域流場(chǎng)計(jì)算分析，可以更直觀的明確水文地質(zhì)狀況，實(shí)現(xiàn)地下水流場(chǎng)的定量計(jì)算，獲得諸如水壓、流量等涌水關(guān)鍵參數(shù)，增進(jìn)對(duì)治理區(qū)域含導(dǎo)水構(gòu)造特征認(rèn)識(shí)，為注漿封堵設(shè)計(jì)提供依據(jù)和便利。
[0024]所述步驟2中，所述考慮注漿封堵突涌水同時(shí)改善圍巖物理力學(xué)參數(shù)的方案設(shè)計(jì)，是指根據(jù)所述注漿治理前后的圍巖彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角及滲透率改善情況，確定所述隧道在全壽命周期內(nèi)加固圈隔水層的安全厚度。
[0025]克服傳統(tǒng)注漿設(shè)計(jì)方法未將注漿加固結(jié)石體及隧道圍巖視為共同體的局限性，在注漿過(guò)程中不僅考慮地下水壓及滲流作用，還考慮漿液及圍巖之間的流固耦合作用，同時(shí)基于漿液的粘度時(shí)變特性，分析漿液在沉淀及凝結(jié)固化作用下由流態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的漿液及圍巖共同體的時(shí)變作用，并且以圍巖穩(wěn)定為核心分析長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中注漿加固圈強(qiáng)度及整體穩(wěn)定的時(shí)空效應(yīng)。
[0026]所述步驟2中，所述治理方案設(shè)計(jì)為將隧道與地下工程突涌水災(zāi)害分為富水?dāng)鄬悠扑樾?、?jié)理裂隙型、巖溶管道型及孔隙微裂隙型，并針對(duì)不同類型，采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。
[0027]將地下工程突涌水類型進(jìn)行分類，并針對(duì)不同類型采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，使得設(shè)計(jì)方案針對(duì)性強(qiáng)，并有利于對(duì)相同類型的方案進(jìn)行歸納總結(jié)，有利于推動(dòng)學(xué)科的進(jìn)步。
[0028]所述步驟2中，所述關(guān)鍵孔的設(shè)計(jì)為，針對(duì)所述突涌水主控構(gòu)造，通過(guò)導(dǎo)水通道流場(chǎng)模擬、小區(qū)域聯(lián)通試驗(yàn)、鉆孔壓水試驗(yàn)與漿液運(yùn)移仿真模擬，通過(guò)層次分析優(yōu)選方法，選出主控突涌水封堵效果的關(guān)鍵孔；當(dāng)所述關(guān)鍵孔的單點(diǎn)涌水量大于設(shè)定值時(shí)，在距離所述關(guān)鍵孔設(shè)定距離處，布設(shè)所述引排關(guān)鍵孔。
[0029]克服了傳統(tǒng)的涌水治理區(qū)域注漿范圍不明確的缺點(diǎn)，關(guān)鍵孔的設(shè)計(jì)不僅根據(jù)地下水壓力、涌水量及地層孔隙率擬定注漿壓力或注漿量，還根據(jù)突涌水主控構(gòu)造，有針對(duì)性的進(jìn)行封堵，使得漿液在關(guān)鍵部位得到更有效的發(fā)揮，避免注漿量過(guò)小或過(guò)大，以及注漿鉆孔針對(duì)性差，鉆孔設(shè)計(jì)中無(wú)效鉆孔較多的缺點(diǎn)。
[0030]此外，引水關(guān)鍵孔克服了以往大流量突涌水點(diǎn)直接封閉極為困難的難題，不僅降低了對(duì)高壓涌水點(diǎn)的封閉施工難度，而且施工環(huán)境更加安全，引排設(shè)計(jì)方法也更加成熟。
[0031]所述步驟3中，所述數(shù)值模擬根據(jù)水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件，結(jié)合加固后的圍巖力學(xué)參數(shù)和所設(shè)計(jì)的加固圈的安全厚度，基于流固耦合理論及巖石斷裂力學(xué)理論，得出所述隧道全壽命周期內(nèi)所述施工期的穩(wěn)定情況和所述運(yùn)營(yíng)期的安