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隧道涌水量預(yù)測方法綜述

時間:2012年10月20日 分類:推薦論文 次數(shù):

系統(tǒng)闡述了隧道涌水量預(yù)測的各種方法,從各種方法的原理出發(fā),闡明了它們的優(yōu)缺點和適用條件及其工程應(yīng)用情況。

  摘要:系統(tǒng)闡述了隧道涌水量預(yù)測的各種方法,從各種方法的原理出發(fā),闡明了它們的優(yōu)缺點和適用條件及其工程應(yīng)用情況。

  關(guān)鍵詞:隧道工程,地下水動力學(xué)法,涌水量計算,正演與反演分析

  中圖分類號: U45 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:

  Calculation method for tunnel seepage prediction summarize

  Ma Cheng-hao Bai Chen-guang

  (Technology Center of China State Construction Engrg Corp.Ltd, Beijing 101300, China)

  Abstract: It is discussed that the water-gushed yield of a tunnel is predicted by several methods. According to these theoried, it is illustrated that the shortcomings and the demerits and employment in the practice.

  Key words: tunnel engineering, underground hydrodynamic method, flowrate of groundwater, flowrate and inverse analysis.

  1 引 言

  目前,在淺埋或深埋隧道建設(shè)中,隧道涌水是一種相當(dāng)普遍而又復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害。隧道涌水易發(fā)生在滲透性強、水量豐富、巖體破碎的地層巖體中,特別是褶皺和斷層發(fā)育的地區(qū),對地下水滲透通道的大小和連通性都會產(chǎn)生顯著影響。隧洞掘進時,破壞了含水層結(jié)構(gòu),改變了水動力條件,且圍巖應(yīng)力重新分布,打破了原有的力學(xué)平衡狀態(tài),在部分洞側(cè)和洞頂出現(xiàn)切向拉應(yīng)力,從而使巖體裂隙或原有的細微裂縫增寬增大,以致地下水體所儲存的能量以流體(有時有固體物質(zhì)伴隨)高速運移形式瞬間釋放而產(chǎn)生的一種動力破壞。隧道施工中突發(fā)涌水,不僅會造成儀器設(shè)備的損失,被迫停工,延誤工期;而且如果涌水量過大,還會造成人員的傷亡,消耗大量的施工費用。因此,如何較為準確的計算隧道涌水量的大小,為以后的工程防排水措施提供技術(shù)準備,然而,由于隧道所處自然環(huán)境的復(fù)雜多變,其工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件的高度不確定性,給隧道涌水量的準確預(yù)測和計算帶來極大的困難。

  隧道涌水量預(yù)測研究已經(jīng)有近半個多世紀的歷史,特別是近幾十年來,無論研究的深度和廣度都有了很大的拓展,但也存在許多缺點和不足。工程上應(yīng)用較多的為傳統(tǒng)的專業(yè)理論計算公式,許多專家和學(xué)者根據(jù)工程的具體情況對傳統(tǒng)公式進行了修正或引入一些新理論方法對隧道涌水量進行預(yù)測,并取得了一定的成效。但從科學(xué)與應(yīng)用的角度來看,這些方法仍然還不夠完善,其實用性和推廣性也還有待提高。

  國內(nèi)隧道涌水量預(yù)測研究多為結(jié)合工程個別實例作簡要的零碎的地質(zhì)描述,與整個隧道工程系統(tǒng)地結(jié)合和分析研究相對較少[1]。隧道涌水量的預(yù)測計算是水文地質(zhì)學(xué)科中的一個重要的理論問題,迄今為止尚無成熟的理論和公認的準確計算方法[2]。

  1.1 隧道涌水量預(yù)測研究現(xiàn)狀

  國內(nèi)隧道涌水量在隧道工程中多為結(jié)合工程個別實例作簡要的零碎的地質(zhì)描述,與整個隧道工程系統(tǒng)的結(jié)合和分析研究相對少。隧道涌水量的預(yù)測計算是水文地質(zhì)學(xué)科中的一個重要的理論問題,同時也是隧道防排水設(shè)計和施工中一個亟待解決的實際問題,迄今為止尚無成熟的理論和公認的準確計算方法,表1是幾個涌水大的鐵路隧道預(yù)估值和實測值的對比關(guān)系,從表中可看出,預(yù)估值和實測值相差很大,究其原因,主要是因為隧道涌水的復(fù)雜性和多變性以及人們對現(xiàn)場水文工程地質(zhì)條件的認識不完善。要解決這個問題,一方面,應(yīng)強調(diào)通過各種先進的勘察手段,盡可能多地獲取涌水系統(tǒng)的重要信息;另一方面,應(yīng)提倡科學(xué)思維,用新的觀念和新的理論來完善與充實。

  表1 隧道涌水量預(yù)估值與實測值對比

  鐵路線名隧道名涌水預(yù)估值(104m3/d)實際涌水值(104m3/d)

  襄渝線大巴山4.1420.55

  川黔線婁山關(guān)6.0019.20

  昆貴線巖腳寨0.6610.08

  1.2 隧道涌水量預(yù)測的研究分類

  隧道涌水量是高水區(qū)富水位隧道設(shè)計和施工的重要參數(shù)。為了更好的設(shè)計和施工,把隧道涌水量計算可分為兩階段:

  (1)針對圍巖尚未開挖部分,根據(jù)各種方法計算出的、用于指導(dǎo)隧道設(shè)計、施工的涌水量稱之為正演涌水量。在隧道圍巖尚未開挖前和施工初期,根據(jù)勘查階段的鉆孔資料、當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件(巖性、構(gòu)造、含水層富水帶等)及氣象條件、河流水文狀況資料,推斷可能的隧道涌水點,運用地下水動力學(xué)法、經(jīng)驗解析法、數(shù)值法(有限元和有限差分法)等,計算涌水點可能發(fā)生的涌水量的大小及排水后圍巖滲流場的分布,為堵水預(yù)注漿方案、排水設(shè)施方案、抗水壓襯砌形式做出初步的設(shè)計。

  (2)根據(jù)隧道已經(jīng)施工部分監(jiān)測涌水量計算出的、用于指導(dǎo)隧道已開挖部分建筑設(shè)計的涌水量稱之為反演涌水量。當(dāng)隧道掘進以后,通過對圍巖的變形、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、巖性等信息大量的采集,對前方的掌子面地質(zhì)情況做出預(yù)測,對已出現(xiàn)的涌水點可采用時間序列分析法、灰色理論方法、模糊數(shù)學(xué)方法等預(yù)測和計算涌水量的大小。該階段預(yù)測的涌水量,能夠?qū)ξ磥碛克堪l(fā)展趨勢做出估計,可作為下一步隧道設(shè)計和施工的參考,具有一定的參考價值,但遇到圍巖局部突變部位(斷層、裂隙、破碎帶等),就應(yīng)該采取更加保險的預(yù)防措施,避免可能出現(xiàn)較大的涌水量,造成不必要的經(jīng)濟損失。

  2 隧道涌水量預(yù)測的主要方法

  目前隧道涌水量的計算方法較多,為了能準確的預(yù)測涌水量的大小,采用有效的預(yù)測和計算方法是保證安全設(shè)計和正常施工的前提。現(xiàn)在隧道工程中比較適用的預(yù)測和計算方法有以下幾種。

  2.1 地下水動力學(xué)法

  地下水動力學(xué)法又稱解析法,屬于正演涌水量的計算,它是根據(jù)地下水動力學(xué)原理用數(shù)學(xué)解析的方法對給定邊界條件和初值條件下的地下水運動建立解析式,結(jié)合工程經(jīng)驗給出的隧道涌水量預(yù)測的公式從而達到預(yù)測隧道涌水量的目的。該法是根據(jù)施工前和施工初期的勘測資料,計算隧道初期最大涌水量q0-經(jīng)常涌水量qs、遞減涌水量qt。主要的計算方法有如下幾種:

  (1)大島洋志公式:

  (2)鐵路勘測規(guī)范中經(jīng)驗公式:

  (3)佐藤幫明公式[1]:

  (4)鐵路勘測規(guī)范中經(jīng)驗公式:

  由于正演涌水量的計算中,對隧道圍巖的結(jié)構(gòu)及地質(zhì)情況作了較大簡化,與隧道開挖后的實際情況可能有一定出入,這是由于當(dāng)隧道開始出現(xiàn)涌水時,地下水開始從巖體向臨空面滲流并排出。由于擾動區(qū)壓力水頭的作用,滲流通道(裂隙、斷層破碎帶)被沖刷和侵蝕并不斷的獲得補給,導(dǎo)致滲流通道變大變寬。涌水點涌水的最終結(jié)果可分為兩種:(1)水流逐漸衰減,部分疏干,最終達到穩(wěn)定,并形成涌水點為頂點的降落漏斗,(2)水流逐漸衰減,全部疏干,最終斷流。

  對于擾動區(qū)附近有控制性邊界(如定水頭邊界)的含水層,降落漏斗擴展并連通了邊界后,獲得了穩(wěn)定的補給,此時水頭不一定會降落到隧道底板標(biāo)高,可能在隧道頂部一定標(biāo)高形成穩(wěn)定的降落漏斗;對于附近沒有控制性邊界的無限含水層,隨漏斗的擴展,擾動區(qū)的邊界不斷向外移動,直到地下水位降落到隧道底板附近且變成穩(wěn)定流為止。從上面的分析,可以用如圖1來表示涌水量大小變化過程。

  2.2 水理統(tǒng)計法[1]

  水理統(tǒng)計法的基礎(chǔ)系將河流枯水期單位流域集水面積上之徑流量視為是隧道通過地區(qū)地下水的單位面積徑流量,并且,在此范圍內(nèi)之地下水都流人隧道內(nèi),因此隧道之總涌水量可以近似地認為等于隧道集水面積乘以枯水期地表水之徑流量。此法在有河流枯水期流量記錄處最為適用。

  2.3 水平衡法[3]

  自Thomthwait等人(1948,1957)建立水平衡法以來,它已成為水文和環(huán)境分析中最常用的工具和手段。水平衡法是根據(jù)水平衡原理,查明隧道施工期水平衡各收入、支出部分之間的關(guān)系進而獲得施工段的涌水量。當(dāng)施工地段地下水的形成條件較簡單時,采用水平衡法有良好的效果,如分水嶺地段、小型自流盆地等。但是,使用水平衡法計算時,由于天然水平衡場受到礦坑采動等因素的影響,使?jié)B入系數(shù)、均衡期、最大涌水量起峰期等參數(shù)難于確定。這些問題長期妨礙水平衡法的廣泛應(yīng)用。

  2.4 比擬法

  比擬法應(yīng)用類似的隧道水文地質(zhì)資料來計算,立足于勘探區(qū)與借以比擬的施工區(qū)條件一致。因此,這種方法的預(yù)測精度取決于試驗段和施工段的相似性,兩者越相似則精度越高,反之則越差。比擬法適用于已開工隧道,通過導(dǎo)坑開挖的實測涌水量推算主坑涌水量,或用主坑已開挖地段之實測涌水量推算未開挖地段之涌水量的方法。此法系在地質(zhì)比較均勻,比擬地段的水文地質(zhì)條件相似,且涌水量與隧道體積成正比的條件下進行的。

  2.5 數(shù)值分析法

  數(shù)值分析法也是一種傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析方法(如差分法,有限元法等)。自從R.W.Clough_1 在5O年代將有限元運用于航空工程飛機結(jié)構(gòu)的矩陣分析,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,尤其是近20年來廣泛迅速的發(fā)展,計算技術(shù)促進了數(shù)值分析方法的變革與創(chuàng)新。數(shù)值法是一種具有遠大前景的分析法,近幾年發(fā)展很快。

  2.6 地下徑流模數(shù)法

  該法與水文地質(zhì)比擬法有些相似,一般來說,在巖溶發(fā)育較為均勻的一定流域內(nèi),其補給條件一般比較相近。故只要求出流域的地下徑流模數(shù)和圈出擬建隧洞的集水面積,把通過的擬建隧洞等同于暗河,即可求出通過該流域隧道的地下水涌水量(即暗河徑流總量)。

  2.7 非線性理論方法

  通過對隧道涌水的深入研究,人們發(fā)現(xiàn)隧道涌水往往是一個非線性系統(tǒng)[4] ,系統(tǒng)本身是一個不斷與外部環(huán)境進行物質(zhì)、能量和信息交換的開放系統(tǒng),具有協(xié)同性、自組織性、信息性的特點。顯然用線性理論或線性化理論來研究一個非線性系統(tǒng)是與客觀實際相悖的,隧道涌水預(yù)測的可靠性也必然受影響。

  2.8 動態(tài)設(shè)計階段隧道涌水量的計算

  在隧道開挖后, 使用獲取的全部或部分數(shù)據(jù),反分析隧道的實際涌水量并對涌水量未來的發(fā)展趨勢作出預(yù)測的方法為反演方法。反演涌水量以實際觀測的數(shù)據(jù)為依據(jù),采用時間序列分析、灰色理論或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法[5]對已開挖部分的涌水量作出預(yù)測,減少了對地質(zhì)體認識中的主觀因素,因而在客觀性方面具有一定優(yōu)勢,可以作為隧道設(shè)計中修正的數(shù)據(jù)使用。

  由于有些關(guān)鍵因素?zé)o法觀測,有規(guī)律的預(yù)測不能給出局部突變部位,因而這種后驗方法給出的涌水量只能作為該段襯砌設(shè)計的參考,雖然可使用于前方未開挖巖體涌水量的預(yù)測,但也是相當(dāng)粗糙且不是很可靠的。

  3 結(jié) 論

  隧道涌水量的預(yù)測計算方法很多,目前較為常用的是上述幾種方法,但其預(yù)測精度遠遠不夠,究其原因主要是隧道是一個復(fù)雜的開放系統(tǒng),是非線性的。目前人們對隧道的認識還不是很完善,因此涌水量的預(yù)測必須采用多種方法結(jié)合,多學(xué)科交叉的手段,以提高預(yù)測精度。必須走綜合勘探的路子,在地面測繪的基礎(chǔ)上必需采用多種勘探手段相互印證,查清其水文地質(zhì)的補、徑、排條件,這是預(yù)測隧道涌水量最基礎(chǔ)的工作。

  對隧道涌水預(yù)測計算要貫穿于從勘測設(shè)計到施工這一整個過程,要在施工階段對設(shè)計階段的計算成果不斷地進行反饋修正,以完善隧道涌水預(yù)測的準確率,提高掌子面施工前方的涌水預(yù)報效果,更好地服務(wù)于施工。

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  作者簡歷:

  馬程昊(1985- ),男,碩士研究生,主要從事隧道與地下工程方面的研究與應(yīng)用。工作單位:中國建筑股份有限公司技術(shù)中心-巖土工程研究所,

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