一種基于涌水量預估與動態監測的隧道反坡排水設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于涌水量預估與動態監測的隧道反坡排水設計方法。
【背景技術】
[0002] 隧道反坡施工突涌水災害一直是隧道建設的難點問題，特別是隨著我國交通建設 環境向地形地質條件極為復雜的西部山區轉移，長距離反坡施工及相關排水作業成為重大 技術挑戰和難題。近些年來，由于長距離反坡施工技術的不成熟，造成施工期突水涌水災害 不斷出現。
[0003] 隧道長距離反坡施工面臨著一系列巨大的技術難題，而現有排水技術沿襲了常規 技術，未考慮突涌水風險、涌水量動態變化等綜合因素，往往造成經濟成本較高或隧道被 淹、工期延誤甚至生命財產損失，因此反坡施工中排水系統設計及相關技術亟待研宄。總體 來看，以往隧道長距離反坡排水的技術進步主要依靠工程經驗積累，尚未形成系統性、科學 性、專業性的隧道反坡排水基礎理論與創新技術，其問題主要如下：
[0004] 1)在以往的隧道反坡排水技術中，僅是依靠經驗對涌水量做出判斷的前提下進 行排水系統設計，往往由于對涌水量的變化情況判斷不準確而導致系統排水能力不足或過 剩，導致涌水災害或資源配置浪費，因此亟待研宄基于涌水量預估和動態監測的隧道長距 離反坡排水優化技術；
[0005] 2)在以往的反坡排水方案設計中，水泵的分級以及功率選擇，多以經驗而定，往往 會造成排水能力過剩或不足，亟待提出一種泵站分級及功率選擇的優化計算方法；
[0006] 3)在以往的反坡排水中，主要針對的是隧道掌子面突涌水情況，對兩級泵站之間 突涌水未有專用排水機制，不能妥善應對兩級泵站之間涌水突發狀況，且采用常規反坡排 水方案進行兩級泵站之間排水易造成較大功率及成本的浪費。
【發明內容】
[0007] 本發明為了解決上述問題，提出了一種基于涌水量預估與動態監測的隧道反坡排 水設計方法，本方法結合采用瞬變電磁及激發極化預報技術、基于功率最小排水優化技術， 對開挖掌子面前方含水區位置做精確定位，能較精確預估涌水量，避免不必要排水勢能的 增加，減少排水成本，保證施工的正常進行。
[0008] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0009] 一種基于涌水量預估與動態監測的隧道反坡排水設計方法，包括以下步驟：
[0010] (1)進行實地地質勘查，了解隧道所處地段的地質條件，通過初勘資料進行各段落 的涌水風險評估；
[0011] (2)基于功率最小化優化對隧道全段涌水量估算，采用功率最小優化方法進行泵 站的分級計算，選取最佳的水泵功率；
[0012] (3)根據計算的最佳水泵功率設置泵站功率，保證各級泵站的功率設置與隧道實 際出水量對應，設置反坡排水方案；
[0013] (4)采用TEM瞬變電磁法和激發極化法對隧道該含水段落含水區進行精確定位， 并對含水量進行預估；
[0014] (5)實時動態監測隧道掌子面的涌水量，根據涌水量及涌水量變化速率，結合預估 的含水量，對反坡排水設置進行調整。
[0015] 所述步驟（2)中，采用功率最小優化公式進行泵站分級與最優功率計算，優化公 式如⑴所示：
[0016] G = XX (ffz/X) Xw(WzA) XTXf^XXf2(WzA)
[0017] G - min
[0018] 式中：Wz為排水總功率；X為分級數；Π 為單位做功花費；f2為水泵單價;w為水 泵功率損耗；T為反坡施工時間。
[0019] 所述步驟（3)中，反坡排水方案包括泵站分級、水泵選擇、管路安置和供電設置。
[0020] 所述步驟⑶中，每一級泵站的功率Wi+1設置應在其下一級泵站功率W i+2的基礎 上，相應增加該泵站與其上一級泵站功率為Wi間的隧道已施工段落出水的排出能力。
[0021] 所述步驟（3)中，采用機械排水，設置多級泵站接力排水；施工工作面積水采用移 動式潛水泵抽至就近泵站或利用中心檢查井做臨時積水坑內。
[0022] 所述步驟（4)中，采用瞬變電磁技術能夠對掌子面前方第一設定范圍內含水區的 位置進行定位，采用激發極化技術在掌子面前方第二設定范圍內定位含水區位置并預估涌 水量。
[0023] 所述步驟（4)中，第一設定范圍為60米內，第二設定范圍為30米內。
[0024] 所述步驟（5)中，在隧道掌子面上使用鉆機打通含水構造，設置排水管，并在排水 管末端位置安裝流量計。
[0025] 所述步驟（5)中，當涌水量小于水泵最大負荷，采用分時抽水技術實現伺服抽水 功能；當涌水量大于水泵最大負荷，啟動備用水泵進行抽排水；當涌水量大于泵站最大負 荷，則就近調集水泵進行抽排水。
[0026] 所述步驟（5)中，采用增級泵站技術，當隧道兩級泵站之間任意位置出現突涌水 時，采用增級泵站方法進行排水，避免涌水在重力的作用下流入下級泵站。
[0027] 本發明的有益效果為：
[0028] 1)基于涌水量預估和動態監測的隧道長距離反坡排水技術采用瞬變電磁及激發 極化預報技術，對開挖掌子面前方含水區位置做精確定位，并能較精確預估涌水量，做到未 雨綢繆，做好排水工作的前期準備。
[0029] 2)基于涌水量預估和動態監測的隧道長距離反坡排水技術采用了基于功率最小 排水優化方法，在滿足排水需求的情況下，選擇最佳泵站分級方法以及最小功率水泵，節約 了反坡排水的施工成本。
[0030] 3)基于功率最小的反坡排水優化方法采用了動態監測涌水量的抽排水設置，在動 態監測涌水量的前提下，采用不同抽排水方法，極大的節約了排水經費，即使在面對緊急大 突水，也能做好排水工作。
[0031] 4)基于功率最小的反坡排水優化方法采用增級泵站設計方法，機動靈活，能夠及 時應對兩級泵站之間任意位置處的涌水突發狀況，避免不必要排水勢能的增加，減少排水 成本，保證施工的正常進行。
【附圖說明】
[0032] 圖1基于涌水量預估和動態監測的隧道長距離反坡排水技術原理圖；
[0033] 圖2動態監測的排水設置圖；
[0034] 圖3六盤山隧道左線抽排水方案示意圖；
[0035] 圖4六盤山隧道右線抽排水方案示意圖。
【具體實施方式】：
[0036] 下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
[0037] 一種基于涌水量預估及動態監測的反坡排水技術，包括功率最小優化公式、涌水 量預估技術、動態監測的抽排水設置方法以及增級泵站技術。
[0038] 功率最小化優化公式在對隧道全段涌水量估算后，采用功率最小優化公式進行泵 站的分級計算，選取最佳的水泵功率，優化計算如公式（1)所示：
[0039] G = XX (ffz/X) Xw(ffz/X) XTXf^XXf2(WzA)
[0040] G - min
[0041] 式中：Wz為排水總功率；X為分級數；Π 為單位做功花費；f2為水泵單價;w為水 泵功率損耗；T為反坡施工時間。
[0042] 由式知，當總費用最小時，可得出分級數。對于長距離反坡施工，由于施工工期較 長，泵站使用時間較長，除了水泵等設備一次性投入費用之外，后期維護費用較高，故當泵 站功率最優化時較為經濟。
[0043] 涌水量預估技術采用基于涌水量預估的優化排水技術及其應急排水技術。采用地 質預報定量識別技術，包