放水試驗法預測鐵路巖溶隧道充水溶腔湧水量的方法
2023-04-28 13:34:21
專利名稱：放水試驗法預測鐵路巖溶隧道充水溶腔湧水量的方法
技術領域：
本發明涉及溶腔湧水量預測方法，尤其涉及一种放水試驗法預測鐵路巖溶隧道充 水溶腔湧水量的方法。該項技術適用於深埋複雜巖溶隧道充水溶腔的湧水量預測和為隧道 採用釋能降壓法處理溶腔提供可靠技術依據。
背景技術：
鐵路巖溶隧道充水溶腔的湧水量〔即巖溶水儲存量，包括其容積儲存量(靜儲 量)、地下水徑流量(動儲量)〕難以確定，它受溶腔本身不規則的空間形態、地下水的補給 量及溶腔的排洩量等諸多因素控制，「看不見，摸不著」。而要掌握溶腔的水文地質邊界條 件，需要眾多勘探手段、耗費大量的人力和時間，即使如此，受人的認識和客觀條件的限制， 也很難全面掌握溶腔複雜的水文地質邊界條件。但隧道施工過程中遭遇充水溶腔時，要求 及時、並儘可能準確地提供溶腔巖溶水儲存量數據，以便制定相應的處理措施排除溶腔內 地下水進行施工。在本發明提出之前還沒有有效方法來預測巖溶隧道充水溶腔湧水量。
發明內容
本發明的目的是為了解決上述背景技術存在的不足，提出一種在充水溶腔的空間 形態及其複雜的水文地質邊界條件未知情況下，利用放水試驗法預測鐵路巖溶隧道充水溶 腔湧水量的方法，使其能利用預測結果指導隧道施工。社會的、經濟的或自然科學中的變量，都會受到各種因素的影響，因而它們的時間 序列就是這些因素影響的總結果，表現為動態變動。當在一段時期內，預測對象依時間變化 呈現某種上升或下降的趨向，並且無(明顯的)季節變化、循環變動，則可以找到一個適當 的數學函數模型來反映這種變化趨勢，即以時間t為自變量，時間序列y為因變量，建立趨 勢模型yt = fit)當認為這種趨勢可以延伸至未來時，給定時間t的未來值，將其代入模型可以得 到相應時刻的時間序列變量的預測值〔正、反演均可〕。這就是基於時間序列分析的趨勢分 析法。本發明遵循這一科學原理，提出如下技術方案放水試驗法預測鐵路巖溶隧道充 水溶腔湧水量的方法，其特徵在於，該方法步驟如下1)利用巖溶隧道充水溶腔的超前地質探孔作為放水孔，進行放水，放水孔孔口安 裝閥門控制放水量，並安裝壓力表測量溶腔內的水壓變化；2)定時觀測記錄放水量、水壓，建立放水量、水壓隨時間變化趨勢的數學函數模 型；3)利用趨勢模型預測不同水壓力下相應的放水量和時間的未來值；4)依據放水量、溶腔疏幹時間等動態性趨勢分析成果，確定抽、排水設施，制定相應的溶腔處理方案或措施，安排疏幹溶腔、隧道繼續掘進的施工工期。本發明根據放水試驗數據，建立放水量、水壓與時間變化趨勢模型，利用趨勢模型 得到不同水壓力相應的放水量和時間的未來值。該方法簡單、實用、快速，試驗成果可靠，能及時、有針對性地為隧道設計、施工採 用「釋能降壓法」處理富水溶腔提供準確的數據。對類似富水溶腔處理具有借鑑作用和推 廣價值。
圖1是齊嶽山隧道629溶腔放水總量與水壓關係曲線圖。
具體實施例方式放水試驗法預測鐵路巖溶隧道充水溶腔湧水量的方法是在充水溶腔的空間形態 及其複雜的水文地質邊界條件未知情況下，通過有控制的放水過程中實際觀察得到的溶腔 放水量、水壓力、時間等要素，應用趨勢分析法建立反映放水量、水壓力、時間三者之間變化 趨勢的數學模型，從而預測鐵路巖溶隧道充水溶腔湧水量的一種新型方法。具體實施時，在隧道掌子面向溶腔打入適量的鑽孔，進行控制性放水，定時記錄其 放水量、水壓〔水頭高度〕，並觀察其變化規律，當觀察數據積累到一定的樣本數時，即可建 立放水量、水壓與時間變化的趨勢模型，模型經檢驗合格後，利用趨勢模型得到不同水壓力 相應的放水量和時間的未來值。同時，隨著放水試驗的進行，不斷有新的觀察數據加入進 來，則需階段性的建立新的趨勢模型，實施動態性的管理，預測更新的放水量、水壓或時間 的未來值，直至達到放水試驗的預期目的。本發明所述方法應用在宜萬鐵路齊嶽山隧道「DK363+629」裡程充水溶腔處理過程 中，預測值與實際放水量、放水時間基本一致，在預測的時間內達到了疏幹該富水溶腔的效 果，使隧道掘進工作得以如期順利向前推進。以下是本發明在宜萬鐵路齊嶽山隧道「DK363+629」裡程充水溶腔處理過程中應用 實施例宜萬鐵路穿越深山峻岭、地形險峻、溝壑縱橫、地質複雜，是我國鐵路建設史上地 質最複雜、施工最困難的一條鐵路，尤其是野三關、大支坪、雲霧山、馬鹿箐、齊嶽山等長大 深埋巖溶隧道，其水文地質條件複雜，巖溶及地下水發育，施工風險巨大，被國內專家定為I 類風險隧道。在如此複雜的地質環境下修建隧道，被工程界、地質界多位院士和專家稱為世 界級難題。本申請人在宜萬鐵路齊嶽山隧道施工至DK363+629遭遇大型富水溶腔，施工遇 阻，若採取釋能降壓法施工，需知溶腔的巖溶水儲存量，所以溶腔巖溶水儲存量預測正確與 否關係到隧道施工的風險和效果。齊嶽山隧道DK363+629溶腔發育於二疊系上統長興組(P2e)灰巖中，近垂直隧道發 育，溶腔埋深約650m。溶腔東側為吳家坪(P2w)頁巖及煤系地層，西側為大冶組(Tld)頁巖、 泥灰巖，處於兩相對阻水層之間，地表為巖溶槽谷。溶腔形態複雜、地下水豐富。放水試驗隧道從正反兩個方向施工至「629溶腔」附近，在正、反向不同掌子面對 溶腔進行了共60探孔，對每個探孔安裝閥門，其中2個深入溶腔地下水中的探孔安裝水壓表(不放水)，其它探孔進行控制性地放水試驗。2006年9月和2009年11月對該溶腔進行了兩次放水試驗，根據放水試驗數據，對 放水量與水壓變化進行了趨勢分析，並預測了水壓降至0. OlMPa時〔疏幹〕需排放的水量。 溶腔放水量與水壓關係曲線見圖1。預測溶腔水壓下降的放水水量及排放時間如下表629溶腔放水時間、水壓 放水量相關分析及預測
權利要求
1.放水試驗法預測鐵路巖溶隧道充水溶腔湧水量的方法，其特徵在於，該方法步驟如下1)利用巖溶隧道充水溶腔的超前地質探孔作為放水孔，進行放水，放水孔孔口安裝閥 門控制放水量，並安裝壓力表測量溶腔內的水壓變化；2)定時觀測記錄放水量、水壓，建立放水量、水壓隨時間變化趨勢的數學函數模型；3)利用趨勢模型預測不同水壓力下相應的放水量和時間的未來值；4)依據放水量、溶腔疏幹時間等動態性趨勢分析成果，確定抽、排水設施，制定相應的 溶腔處理方案或措施，安排疏幹溶腔、隧道繼續掘進的施工工期。
全文摘要
本發明涉及放水試驗法預測鐵路巖溶隧道充水溶腔湧水量的方法，其特徵在於，該方法步驟如下1)利用巖溶隧道充水溶腔的超前地質探孔作為放水孔，進行放水，放水孔孔口安裝閥門控制放水量，並安裝壓力表測量溶腔內的水壓變化；2)定時觀測記錄放水量、水壓，建立放水量、水壓隨時間變化趨勢的數學函數模型；3)利用趨勢模型預測不同水壓力下相應的放水量和時間的未來值；4)依據放水量、溶腔疏幹時間等動態性趨勢分析成果，確定抽、排水設施，制定相應的溶腔處理方案或措施，安排疏幹溶腔、隧道繼續掘進的施工工期。該方法簡單、實用、快速，試驗成果可靠，能及時、有針對性地為隧道設計、施工採用「釋能降壓法」處理富水溶腔提供準確的數據。
文檔編號E21B47/10GK102003175SQ20101054079
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月12日 優先權日2010年11月12日
發明者劉坡拉, 姚建偉, 康承磊, 徐紅星, 曾強運, 汪繼鋒, 石碧波, 鄔強, 陳愛雲, 顧湘生, 黃新連 申請人:中鐵第四勘察設計院集團有限公司