一種隧道突涌水全壽命周期治理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種隧道突涌水全壽命周期治理方法，屬于交通運輸安全工程領域。
【背景技術】
[0002]隨著我國公路鐵路及城市地下交通體系的逐步完善，大批交通運輸隧道投入建設運營，在修建過程中，經常穿越地形、地貌及地質條件復雜區域，施工過程中易引發塌方、突涌水等重大工程災害，導致施工期突涌水災害頻發，施工建設完成后，受地下水作用及不良地質影響，隧道運營期常面臨隧道滲漏水問題，降低了隧道使用壽命，威脅了交通運輸安全。隧道施工期及運營期不良地質水害造成的人員傷亡、經濟損失與工期延誤排在各種地質災害的前列，此外，地下水大量涌出會嚴重破壞工程周邊水環境，誘發地表塌陷和地下水枯竭，導致環境災害。地下工程領域正面臨日益嚴峻的水害防治形勢。
[0003]目前隧道施工期及運營期突涌水治理工作通常采用注漿方法，在突涌水區域施工鉆孔然后通過鉆孔向含導水構造內進行注漿，實現封堵含導水構造、改善圍巖物理力學性質，從而恢復隧道工程正常開挖或運營。
[0004]但是這種傳統的突涌水治理設計方法僅僅針對當前的突涌水狀況采取相應措施，即在當時的設定范圍內各參數滿足相應規范的指標即可。但是這種設計施工存在盲目性和經驗性，存在下述缺點:
[0005]1、不能確保施工期隧道開挖過程中圍巖穩定，無法保證隧道圍巖在運營期內受地下水壓及滲流作用下不漏水，造成隧道在實際使用中，存在不安全因素。
[0006]2、由于沒有考慮時間的因素，隧道在突涌水治理過后，每隔一兩年就又會出現滲漏水乃至突涌水現象，導致隧道需要經常性的反復整修，耗費了大量的人力、物力、和財力。
[0007]3、隧道在運營過程中的例行整修頻繁，給隧道的使用方帶來了極大的不便。
[0008]4、由于隧道在運營過程中突水風險的不確定性導致的隧道返修，使得在隧道的設計階段，無法對隧道的運營成本作出準確的預算，對于隧道的全壽命周期，無法做到成本可控。
[0009]5、僅考慮解決當前突涌水問題，未能從隧道施工期及運營期全壽命周期整體最優規劃考慮，未考慮隧道長期運營期間圍巖穩定及防地下水擊穿的需求。
【發明內容】
[0010]本發明針對我國隧道施工期突涌水災害頻發、運營期“十隧九漏”、突涌水災害治理治標不治本、有效期較短的現實以及上述重大科學問題，進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定、運營期隧道不突水，杜絕“十隧九漏”痼疾，實現隧道突涌水有效治理和環境保護，建立涵蓋施工期及運營期的隧道突涌水治理全壽命周期治理方法。
[0011]為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[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:聯合地質勘探資料、施工開挖資料、綜合地球物理探測的探測結果及數值計算結果，獲取隧道突涌水區段導水構造三維形態特征；
[0014]步驟2:考慮注漿封堵突涌水同時改善圍巖物理力學參數，進行所述隧道突涌水區段的治理方案設計，對所述治理方案的圍巖穩定性進行分析，并針對突涌水主控構造，進行關鍵孔和引排關鍵孔的設計；
[0015]步驟3:通過對按設計方案加固后的隧道段進行數值模擬，確定隧道圍巖承載水壓的安全厚度，確認所述設計方案得以保障隧道在施工期的穩定和運營期的安全；
[0016]步驟4:根據所述設計方案進行注漿施工，并在施工過程中埋設監測裝置，實施反饋優化設計；
[0017]步驟5:對所述隧道的注漿加固段的治理效果進行檢查，確定開挖時間。
[0018]全壽命周期突涌水治理設計方法為:以精細探查為前提，確定突涌水通道，可以以施工期和運營期安全為目標，提出初步治理方案，優選出關鍵孔的同時，確定隧道圍巖承載水壓的安全厚度，最后根據監測信息進行反饋優化設計。該設計方法既保證了施工期有效封堵，又可消除運營期安全隱患，是突涌水設計方法的重要進步。
[0019]本發明的隧道突涌水治理設計方法從保障隧道建設及運營全壽命周期內圍巖穩定出發，不僅考慮解決當前突涌水問題，還能從隧道施工期及運營期全壽命周期整體最優規劃考慮，綜合考慮隧道長期運營期間圍巖穩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是指:在距離突涌水區域2-30m范圍的近段采用地質雷達方法，在距離突涌水區域30-80m范圍內的中段采用超高密度電法，同時聯合全空間瞬變電磁及跨孔電阻率CT探測方法，針對所述隧道在施工期涌水和所述運營期滲漏水問題，實現所述隧道工程從區域分布到全空間展布精細化探測。
[0021 ] 使用綜合地球物理探測方法，可以明確突涌水治理工作中圍巖含導水構造空間發育規律，能做到針對含導水構造的精確探查，注漿工作針對主控構造實施，避免水流繞行而引發其他區域涌水及次生災害。
[0022]所述步驟I中，所述數值計算，是基于綜合地球物理探測結果，結合區域地質資料，開展的區域流場計算分析。
[0023]基于綜合地球物理探測結果和區域地質資料，進行區域流場計算分析，可以更直觀的明確水文地質狀況，實現地下水流場的定量計算，獲得諸如水壓、流量等涌水關鍵參數，增進對治理區域含導水構造特征認識，為注漿封堵設計提供依據和便利。
[0024]所述步驟2中，所述考慮注漿封堵突涌水同時改善圍巖物理力學參數的方案設計，是指根據所述注漿治理前后的圍巖彈性模量、粘聚力、內摩擦角及滲透率改善情況，確定所述隧道在全壽命周期內加固圈隔水層的安全厚度。
[0025]克服傳統注漿設計方法未將注漿加固結石體及隧道圍巖視為共同體的局限性，在注漿過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，同時基于漿液的粘度時變特性，分析漿液在沉淀及凝結固化作用下由流態向固態轉變過程中的漿液及圍巖共同體的時變作用，并且以圍巖穩定為核心分析長期運營過程中注漿加固圈強度及整體穩定的時空效應。
[0026]所述步驟2中，所述治理方案設計為將隧道與地下工程突涌水災害分為富水斷層破碎型、節理裂隙型、巖溶管道型及孔隙微裂隙型，并針對不同類型，采取相應的設計方案。
[0027]將地下工程突涌水類型進行分類，并針對不同類型采取相應的設計方案，使得設計方案針對性強，并有利于對相同類型的方案進行歸納總結，有利于推動學科的進步。
[0028]所述步驟2中，所述關鍵孔的設計為，針對所述突涌水主控構造，通過導水通道流場模擬、小區域聯通試驗、鉆孔壓水試驗與漿液運移仿真模擬，通過層次分析優選方法，選出主控突涌水封堵效果的關鍵孔；當所述關鍵孔的單點涌水量大于設定值時，在距離所述關鍵孔設定距離處，布設所述引排關鍵孔。
[0029]克服了傳統的涌水治理區域注漿范圍不明確的缺點，關鍵孔的設計不僅根據地下水壓力、涌水量及地層孔隙率擬定注漿壓力或注漿量，還根據突涌水主控構造，有針對性的進行封堵，使得漿液在關鍵部位得到更有效的發揮，避免注漿量過小或過大，以及注漿鉆孔針對性差，鉆孔設計中無效鉆孔較多的缺點。
[0030]此外，引水關鍵孔克服了以往大流量突涌水點直接封閉極為困難的難題，不僅降低了對高壓涌水點的封閉施工難度，而且施工環境更加安全，引排設計方法也更加成熟。
[0031]所述步驟3中，所述數值模擬根據水文地質及工程地質條件，結合加固后的圍巖力學參數和所設計的加固圈的安全厚度，基于流固耦合理論及巖石斷裂力學理論，得出所述隧道全壽命周期內所述施工期的穩定情況和所述運營期的安