一种超前预报隧道涌水位置的方法技术

本发明专利技术涉及一种超前预报隧道涌水位置的方法，该方法为：在隧道开挖方向上，先利用单井同位素示踪法测出地下水渗流场任一空间点的地下水流的流速和流向，然后建立概念模型，通过数学演绎，推导出大致涌水位置与涌水量，最后进行局部的测温钻孔，根据地下水对岩体的温度影响，得到准确的涌水位置。该方法精确度高，减少了工作量，避免了人为因素的影响；同时，其既不受隧道施工影响，也对隧道施工无影响，并且提高了隧道预报的效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于隧道施工
，涉及一种隧道施工地质超前预报技术，具体涉及一种超前预报隧道涌水位置的方法。
技术介绍
目前各种地质超前预报方法中，对水的预报仍缺乏有效的手段。对隧道涌水位置预报采用的主要技术方法包括：界面位置结合地质分析法、红外探测仪探水法、地质雷达探水法、岩体温度梯度法和钻孔探水法。其中，界面位置结合地质分析法采用的是除钻探法、超前导坑法、平行超前导坑法以外的各种地质预报方法确定施工掌子面前方界面位置，根据隧道洞内外地质调查结果，分析确定隧道(洞)施工掌子面前方界面间介质导、储水的可能性，预测界面及界面前方发生涌水的可能性。这种方法对预报人员的经验和实际对该地区的水文地质的掌握程度有较高的要求，且不够精确。红外探测仪探水法是利用地下水体产生的红外辐射场异常进行水体探测，能对围岩岩体是否含有水有效，但不能确定含水量大小，且受隧道洞内施工影响，对大的股状涌水反应明显，对小股状涌水反应不明显。地质雷达探水法利用水、岩介电常数差异对岩体中存在的水体进行探测，具有非常高的分辨率，但是预报距离较短，易受隧道洞内机器和管线的干扰。岩体温度梯度法是根据隧道所处位置，实测岩体温度变化曲线与根据隧道址区地温梯度计算取得的隧道所处位置岩体温度变化曲线的比较，进行隧道施工掌子面前方涌水预测预报。该方法利用岩体温度与区域地温梯度、地层岩石的热传导性、节理裂隙发育分布状态和地下水在岩体中的循环流动状况的关系，获得围岩岩体温度曲线，从而来预报水体或含水体的位置。这种方法可以避免隧道施工对岩体温度测试结果的影响，排除人为因素，对隧道掌子面施工无干扰。钻孔探水法是直接探水，对基岩孔隙裂隙水效果明显。但对岩溶水、与地表水有直接联系的导水性极好的断层破碎带涌水是有较大的钻孔涌水风险。单井同位素示踪测井，是近年来国际上发展较快的一种快速、经济、准确、高效的水文地质测井新方法。因为它能获得比抽水试验多的水文地质参数，而受到水文地质界的普遍欢迎。该方法的测量仪不用标记电缆，探头中的深度自动识别系统将所有测量结果与测量的深度一起，传送到地面的笔记本电脑中，测量仪即可智能化地测定出地下水渗流场任一空间点的地下水流的渗透流速流向、垂向流速流向等。隧道涌水量预测的确定性数学模型方法是利用水力学、地下水动力学等方面的理论，通过数学演绎，推导出隧道涌水量与环境地下水位、围岩渗透性、地下水补给范围、补给时间等因素的定量关系，得出一系列理论或经验解析公式，以预测计算隧道的涌水量。最初为简单的水文地质类比法；后来运用地下水动力学原理，又产生了解析法；随着电子计算机的发展，近年发展成数值法。鉴于现有技术的上述技术缺陷，迫切需要研制一种研究隧道涌水位置预报的新方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是高效地解决隧道涌水预报的问题，克服现有的技术缺点，提供一种准确的、在不影响现场施工的前提下通过对现有观测数据进行反演得到物理模型，从而预测涌水位置的方法。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种超前预报隧道涌水位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、利用单井同位素示踪法测出地下水渗流场的水文地质参数；(2)、基于所述水文地质参数建立水文地质概念模型；(3)、建立地下水渗流方程；(4)、基于所述地下水渗流方程进行数学演绎，预测隧道涌水的大致位置；(5)、进行局部的测温钻孔，根据地下水对岩体的温度影响，结合之前的预测，得到准确的涌水位置。进一步地，其中，所述步骤(1)为：在隧道上方选取一处进行钻井，再将放射性同位素示踪剂投入所述钻井中，之后利用放射性探测器测定钻井处的地下水流向和流速。更进一步地，其中，所述步骤(1)进一步包括：在单井同位素示踪法求得地下水流向和流速的基础上，结合其它理论准确求得渗流场的其他参数。再进一步地，其中，所述结合其它理论准确求得渗流场的其他参数具体为：(a)在孔隙介质系统中，利用钻孔垂向流量，建立注水或抽水条件下稳定井流理论，测定含水层的渗透系数、静水位、含水层吸水或涌水量；(b)在裂隙介质系统中，结合注水或抽水时的裘布依方程和立方定理，测定各裂隙的等效水力隙宽、渗透系数、静水头和导水系数。再更进一步地，其中，所述步骤(2)具体为：根据所述水文地质参数，合理地确定计算区域以及边界的位置和性质，并通过对计算区域几何形状、含水性质、边界性质、参数性质、地下水流状态的概化，建立水文地质概念模型。此外，其中，所述步骤(3)具体为：根据所述水文地质概念模型所反映的边界条件和初始条件建立裂隙岩体中地下水渗流方程。进一步地，其中，所述步骤(4)具体为：在渗流区域内，基于所述地下水渗流方程，利用变分有限元法进行求解，得出节点水头值，计算涌水量，从而确定地下水的富集带或富集区，并利用经验公式粗略评估隧道涌水影响半径，从而预测隧道涌水的大致位置。更进一步地，其中，所述利用经验公式粗略评估隧道涌水影响半径。再进一步地，其中，所述步骤(5)具体为：在隧道左、右边墙1/2高度位置和拱顶位置分别布置岩体温度测试浅孔，实施浅孔岩体温度测试，比对不同位置岩体温度的差异与所预测涌水位置的关系，确定准确的涌水位置。与现有的隧道涌水位置预报方法相比，本专利技术的超前预报隧道涌水位置的方法具有如下有益技术效果：其精确度高，并且减少了工作量，避免了人为因素的影响；同时，其既不受隧道施工影响，也对隧道施工无影响；最后，其提高了隧道预报的效率。附图说明图1是本专利技术的超前预报隧道涌水位置的方法的流程图。图2是利用单井同位素示踪法测地下水渗流场的水文地质参数时的示意图。图3是进行局部的测温钻孔时的示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明，实施例的内容不作为对本专利技术的保护范围的限制。图1示出了本专利技术的超前预报隧道涌水位置的方法的流程图。如图1所示，本专利技术的超前预报隧道涌水位置的方法包括以下步骤：首先，利用单井同位素示踪法测出地下水渗流场的水文地质参数。在本专利技术中，如图2所示，利用单井同位素示踪法测出地下水渗流场的水文地质参数具体为：在隧道上方选取一处进行钻井，再将放射性同位素示踪剂投入所述钻井中，之后利用放射性探测器测定钻井处的地下水流向和流速。此外，为了获得更准确的水文地质条件，在本专利技术中，在单井同位素示踪法求得地下水流向和流速的基础上，可以结合其它理论准确求得渗流场的其他参数。具体地，在孔隙介质系统中，可以利用钻孔垂向流量，建立注水或抽水条件下稳定井流理论，测定含水层的渗透系数、静水位、含水层吸水或涌水量等水文地质参数。在裂隙介质系统中，结合注水或抽水时的裘布依方程和立方定理，测定各裂隙的等效水力隙宽、渗透系数、静水头和导水系数等水文地质参数。其次，基于所述水文地质参数建立水文地质概念模型。所述水文地质概念模型是在地下水系统研究的基础上建立的综合模型，主要反映边界条件、补给量、排泄量、水动力特征等及其相应参数的空间分布所构成的整体结构。在本专利技术中，根据所述水文地质参数，合理地确定计算区域以及边界的位置和性质，并通过对计算区域几何形状、含水性质、边界性质、参数性质、地下水流状态的概化，建立水文地质概念模型。具体地，通过对以下内容进行概化而建立水文地质概念模型：1、潜水、承压水含水层和弱透水层水平、垂向渗透系数(K)分区图和值(根据岩性和抽水试验分区)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超前预报隧道涌水位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、利用单井同位素示踪法测出所述地下水渗流场的水文地质参数。(2)、基于所述水文地质参数建立水文地质概念模型。(3)、建立地下水渗流方程。(4)、基于所述地下水渗流方程进行数学演绎，预测隧道涌水的大致位置。(5)、进行局部的测温钻孔，根据地下水对岩体的温度影响，结合之前的预测，得到准确的涌水位置。

【技术特征摘要】
1.一种超前预报隧道涌水位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、利用单井同位素示踪法测出所述地下水渗流场的水文地质参数。(2)、基于所述水文地质参数建立水文地质概念模型。(3)、建立地下水渗流方程。(4)、基于所述地下水渗流方程进行数学演绎，预测隧道涌水的大致位置。(5)、进行局部的测温钻孔，根据地下水对岩体的温度影响，结合之前的预测，得到准确的涌水位置。2.根据权利要求1所述的超前预报隧道涌水位置的方法，其特征是，所述步骤(1)为：在隧道上方选取一处进行钻井，再将放射性同位素示踪剂投入所述钻井中。之后利用放射性探测器测定钻井处的地下水流向和流速。3.根据权利要求2所述的超前预报隧道涌水位置的方法，其特征是，所述步骤(1)进一步包括：在单井同位素示踪法求得地下水流向和流速的基础上，结合其它理论准确求得渗流场的其他参数。4.根据权利要求3所述的超前预报隧道涌水位置的方法，其特征是，所述结合其它理论准确求得渗流场的其他参数具体为：(a)在孔隙介质系统中，利用钻孔垂向流量，建立注水或抽水条件下稳定井流理论，测定含水层的渗透系数、静水位、含水层吸水或涌水量；(b)在裂隙介质系统中，结合注水或抽水时的裘布依方程和立方定理，测定各裂隙的等效水力隙宽、...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵瑜，沈维克，胡波，田欣，靳开明，曹汉，向伟，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50