阅读说明：本技术 一种岩溶隧道潜在涌水点的探查与处治方法及系统 (Method and system for exploring and treating potential water burst point of karst tunnel ) 是由 张霄 蓝雄东 张庆松 杨腾 李相辉 李珍 张旭豪 于 2020-03-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种岩溶隧道潜在涌水点的探查与处治方法及系统,它解决了现有技术无法有效探测潜在涌水点的问题,采用多次强降雨-潜在涌水点探查-涌水点封堵过程,现了地下水变动带内岩溶隧道潜在涌水的彻底根治,避免了隧道建成后发生二次灾害；包括：利用强降雨条件对潜在涌水点进行探查；对水源进行地球物理探测；基于潜在涌水点与水源水力联系分析方法确定潜在涌水点的涌水类型；对各个潜在涌水点的涌水类型分别确定处治方案；对已治理潜在涌水点进行效果检查,并查找新的潜在涌水点,重复上述步骤进行补充治理。(The invention discloses a method and a system for detecting and treating potential water burst points of karst tunnels, which solve the problem that the potential water burst points cannot be effectively detected in the prior art, and adopt the processes of multiple times of heavy rainfall, potential water burst point detection and water burst point plugging, so that the potential water burst of karst tunnels in underground water variation zones can be thoroughly cured, and secondary disasters after the tunnels are built can be avoided; the method comprises the following steps: exploring the potential water burst point by using a strong rainfall condition; performing geophysical exploration on a water source; determining the water inrush type of the potential water inrush point based on the potential water inrush point and water source hydraulic connection analysis method; respectively determining treatment schemes for the water inrush types of the potential water inrush points; and (4) carrying out effect check on the treated potential water inrush points, searching new potential water inrush points, and repeating the steps to carry out supplementary treatment.)

一种岩溶隧道潜在涌水点的探查与处治方法及系统

技术领域

本发明涉及岩溶隧道工程突涌水灾害防治技术领域，尤其涉及一种岩溶隧道潜在涌水点的探查与处治方法及系统。

背景技术

我国岩溶地区分布广阔，约占国土面积的15％。近年来，在岩溶地区修建隧道的案例愈发增多，地下水流入是隧道开挖所面临的主要问题之一，处理稍有不当就可能导致严重的人员伤亡和经济损失。经过多年的工程经验可以发现，岩溶隧道的地下水问题可以分为两类：一是处于稳定地下水位以下饱水带的岩溶隧道，修建过程中的地下水问题均已得到重视，大量学者针对此类问题进行了深入研究；二是处于饱水带以上地下水变动带的岩溶隧道，此类隧道的突涌水问题季节性明显，雨季存在灾害风险，旱季地下水位下降且涌水通道被风化物充填，此时开挖不会发生突涌水，但对隧道后期运营造成极大威胁。

岩溶隧道突涌水灾害处治的重点在于水源和导水通道的确定。处于饱水带的岩溶隧道涌水点明显，联合地球物理探测及示踪试验法能快速定位水源并确定水源与某一涌水点的水力联系。而在地下水变动带的岩溶隧道中，充满风化物质的裂隙或管道是一种潜在的出水口，暴雨后易在高水压作用下触发并转化为突涌水点。发明人发现，当地下水位线位于隧道以下，开挖期间此类潜在涌水点很难被发现，且无水条件下上述物理探测及示踪法失效，无法实现水源及导水通道的探查。潜在涌水点引发的地下水灾害通常是不可预见的，并将造成更严重的后果。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种岩溶隧道潜在涌水点的探查与处治方法及系统，该方法可以解决现有技术无法有效探测潜在涌水点的问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的实施例提供了一种岩溶隧道潜在涌水点的探查与处治方法，包括以下步骤：

A.利用强降雨条件对潜在涌水点进行探查：强降雨是岩溶地区潜在涌水点的触发因素，选择在降雨量大于设定值的天气进行潜在涌水点的检测；强降雨过后，潜在涌水点触发，记录潜在涌水点位置并监测涌水量变化；经历多次强降雨后，找到全部潜在涌水点；

B.对水源进行地球物理探测：潜在涌水点可能沟通深部岩体内的溶洞溶腔，对潜在涌水点所处位置的深部围岩进行地球物理探测，探明富水区的数量及空间特征；

C.确定潜在涌水点的涌水类型：基于地球物理探测结果，绘制隧道潜在涌水点与富水区的三维空间分布图，分析不同富水区和潜在涌水点的相对分布，确定各个潜在涌水点与富水区的水力联系，并对其涌水类型进行分类；

D.不同类型涌水的综合处治：根据各个潜在涌水点的涌水类型，分别确定处治方案设计，包括治理目标、注浆材料选型、注浆参数及钻孔参数；

E.效果检查及补充注浆：通过下次强降雨，检验已治理潜在涌水点的治理效果，并查找新的潜在涌水点，重复步骤B-D进行补充治理。

作为进一步的实现方式，所述步骤B中地球物理探测方法为：采用瞬变电磁法沿隧道轴线布设多条测线，实现对隧道富水区的全方位探查。进一步采用跨孔电阻率CT法对溶洞溶腔进行补充验证，钻孔指向瞬变电磁探查出的深部溶洞溶腔，每个溶腔布设多个CT探查钻孔,保证探测结果的准确性。

作为进一步的实现方式，将步骤A中潜在涌水点位置与步骤B中溶洞溶腔或其他富水区绘制在隧道的三维地质分布图中，通过两者位置对比，初步推断它们之间的联系。再结合潜在涌水点涌水量随降雨时间的变化情况，验证推断结果，并确定潜在涌水点的涌水类型。潜在涌水点与溶腔位置相近的，且涌水触发后涌水量先增后降，与降雨量曲线不一致吻合的，即判定该潜在涌水点涌水类型为溶腔型涌水；潜在涌水点与任意溶腔不相近，只沟通岩溶裂隙富水区，且涌水触发后涌水量曲线与降雨量曲线基本一致，即判定该潜在涌水点涌水类型为裂隙型涌水。

作为进一步的实现方式，对直接连通溶洞溶腔的涌水点，注浆治理的重点是对溶洞的回填处理。处治时间为降雨过后地下水位降至隧道以下；钻孔设计为在潜在涌水点涌水上游有充足岩帽的区域布设两个钻孔直接揭露溶腔，并全孔安装套管；充填工艺为将砂石骨料吹送至溶腔内，后注入水泥浆充填砂石孔隙。注浆期间，潜在涌水点会串浆，此时关闭涌水点孔口管阀门，继续注浆直至溶洞填满结束，防止终压过大对初支或衬砌结构造成破坏。

作为进一步的实现方式，对于以岩体裂隙为导水通道连通富水区的涌水点，注浆治理以封堵岩体裂隙为主。处治时间同样为地下水位降至隧道以下后。注浆方式为潜在涌水点孔口管内直接注浆。注浆材料选择：强岩溶裂隙发育区注浆需防止浆液过度扩散造成损失，因此需选择合适的材料保证浆液在治理区域快速初凝。

本发明的实施例还提供了一种岩溶隧道潜在涌水点的探查与处治系统，包括：

潜在涌水点探查模块，获取强降雨条件下潜在涌水点的探查结果；

地球物理探测模块，获取对水源的地球物理探测结果；

涌水类型确定模块，用于通过潜在涌水点与水源水力联系分析方法确定潜在涌水点的涌水类型；

处治方案确定模块，用于对各个潜在涌水点的涌水类型分别确定处治方案；

效果检查模块，用于对已治理潜在涌水点进行效果检查，并查找新的潜在涌水点。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

1、本发明的一个或多个实施方式针对地下水变动带内岩溶隧道的涌水问题，提出了利用强降雨条件的潜在涌水点探查方法，解决了现有方法无法有效预判隧道潜在涌水风险的难题；

2、本发明的一个或多个实施方式提出的潜在涌水点与水源水力联系分析方法，对隧道内不同涌水点的涌水类型进行了明确划分，有利于形成针对性的注浆设计方案，保证了治理效果；

3、本发明的一个或多个实施方式针对地下水变动带内岩溶隧道涌水提出的注浆方案，充分利用了地下水位的变化期进行适时处治，相比针对饱水带岩溶隧道涌水“深部截源、浅部加固”的方案，操作简单、材料节省、工期缩短、效果更佳；

4、本发明的一个或多个实施方式的多次强降雨-潜在涌水点探查-涌水点封堵是一个实现自检并补充处治的过程，实现了地下水变动带内岩溶隧道潜在涌水的彻底根治，避免了隧道建成后发生二次灾害，保证了运营安全。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的流程图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的强降雨条件下对潜在涌水点探查示意图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的潜在涌水点及水源三维分布示意图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的针对潜在涌水点溶洞型涌水的处治工艺图；

图5是本发明根据一个或多个实施方式的针对潜在涌水点裂隙型涌水的处治工艺图；

其中，1.强降雨；2.地下水位线；3.隧道；4.潜在涌水点；5.孔口管；6-1.溶洞；6-2.富水区；7.砂石骨料；8.水泥单液浆；9.钻孔；10.C-GT双液浆。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

实施例一：

下面结合附图1-图5对本发明进行详细说明，具体的，如下：

本实施例提供了一种岩溶隧道潜在涌水点的探查与处治方法，包括以下步骤：

(1)潜在涌水点的探查：

提前获取隧址区强降雨1预报资料，选取＞50mm/d强降雨天气下开展潜在涌水点的检测。强降雨1导致地下水位2快速上升至隧道3以上，触发潜在涌水点4，记录每个潜在涌水点4的位置并依次安装孔口管5。增设流量传感器实时监测涌水量数据，直至强降雨1结束地下水位2降回隧道3以下。在本实施例中，第一次强降雨共揭露五个潜在涌水点4。

(2)水源的地球物理探测：

在本实施例中，瞬变电磁探测沿隧道轴线设计八条测线，在隧道3的底板、顶板及左右两侧边墙分别布设两条测线；对潜在涌水点4周边区域的水源6进行全面探查。

在本实施例中，测线总长设置为180×8＝1440m，测点距1m，共1440个测点。第一次降雨期间通过瞬变电磁探测出3个富水区，其中两个推断为溶洞6-1，另一个为裂隙富水区6-2。

跨孔电阻率CT法作为补充探查方法，针对瞬变电磁探测的2个溶洞6-1分布区分别设计6个CT探查钻孔，钻孔深度为40m。经探查，验证上述瞬变电磁推断结论正确。

(3)潜在涌水点4的涌水类型确定：

将潜在涌水点4位置和地球物理探测的水源6位置绘制在隧道三维地质分布图中，通过两者位置对比，初步推断水源6与潜在涌水点4的水力联系及涌水类型。将潜在涌水点4涌水量随时间变化曲线与降雨量随时间变化曲线进行对比，验证上述推断结果。

若潜在涌水点4与溶洞6-1位置相近，且涌水触发后涌水量曲线与降雨量曲线差别较大的，即判定该潜在涌水点4涌水类型为溶腔型涌水；潜在涌水点4与任意溶洞6-1不相近，只沟通裂隙富水区6-2，且涌水触发后涌水量曲线与降雨量曲线基本一致，即判定该潜在涌水点4涌水类型为裂隙型涌水。

(4)不同类型涌水的综合处治：

1)对直接连通储水溶洞6-1的涌水点，对溶洞6-1的充填以砂石骨料7为主，同时注入一定比例的水泥单液浆8充填砂石孔隙，起到胶结作用。处治时间为强降雨1过后地下水位2降至隧道3以下；钻孔9布设在潜在涌水点4涌水上游有充足岩帽的区域，钻孔9直接揭露溶腔6-1，并安装套管。

充填材料保证水泥单液浆8与砂石骨料7的体积比要略高于砂石骨料7的孔隙率，同时砂石骨料7的最小颗粒半径一般不小于0.6mm，水泥单液浆8的水灰比控制为1:1。注浆期间，潜在涌水点4会串浆，此时需关闭涌水点孔口管5阀门。为防止注浆压力过大对支护结构造成破坏，注浆以溶洞6-1完全回填为结束标准，期间通过工艺转换控制注浆压力不得超过2MPa。

2)对于以岩体裂隙为导水通道连通富水区6-2形成的涌水点，注浆治理以封堵裂隙为主。注浆时间为地下水位2降至隧道3以下后，注浆方式为潜在涌水点孔口管5内直接注浆，注浆结束标准为终压控制。

为防止浆液在裂隙发育区过度扩散造成损失，注浆材料选择C-GT双液浆10，C-GT双液浆10参见CN201010514920.7。该材料具有初凝时间可控、强度可控的优点。其中，水泥浆水灰比控制在0.8:1-1:1之间，水泥浆密度约为1.5-1.6g/cm³左右，GT浆液密度控制在1.3g/cm³左右，水泥浆和GT浆液的体积比控制在2-3:1均可，最终使浆液初凝时间在50-70秒之间。为防止注浆压力对隧道支护结构造成破坏，注浆终压选择为2MPa。

(5)效果检查及补充注浆：

一次降雨仅能探查出部分潜在涌水点4，因为潜在涌水点4触发变成新的地下水排放通道，不利于地下水位的上升。因此，要探查出所有的潜在涌水点，需进行多次强降雨条件下的检测。

提前获取下次强降雨1日期，开展新一轮潜在涌水点4的探查。此探查过程中可以检查已注浆潜在涌水点4的治理效果，如无涌水说明效果良好，如还有涌水现象发生，当作新的潜在涌水点4继续处治。针对本次探查新出现的潜在涌水点4，重复步骤(2)-(4)进行补充注浆治理。

以此类推，经历多次强降雨-潜在涌水点探查-涌水点封堵过程后，隧道再无潜在涌水点4出现，涌水处治完毕。

实施例二：

本实施例以湖南省龙永高速大坝隧道为修复对象，该隧道为典型的处于地下水变动带内的岩溶隧道，隧道在非雨季开挖，期间无涌水发生。雨季来临后，暴雨触发潜在涌水点，总涌水量急剧增至3.6×105m³/d，衬砌受损严重，施工无限期推迟。

为彻底消除潜在涌水隐患，保障工程安全，设计了针对性的注浆堵水方案。该方案即采用实施例一所述的潜在涌水点探查与处治方法进行注浆治理，采用多次强降雨查找潜在涌水点、检验并补充注浆的方式，消除了所有涌水隐患。经后续几年多次雨季的检验，至今再无隧道内涌水现象发生，修复效果稳定、显著。

实施例三：

本实施例提供了一种岩溶隧道潜在涌水点的探查与处治系统，包括：

潜在涌水点探查模块，获取强降雨条件下潜在涌水点的探查结果；

地球物理探测模块，获取对水源的地球物理探测结果；

涌水类型确定模块，用于通过潜在涌水点与水源水力联系分析方法确定潜在涌水点的涌水类型；

处治方案确定模块，用于对各个潜在涌水点的涌水类型分别确定处治方案；

效果检查模块，用于对已治理潜在涌水点进行效果检查，并查找新的潜在涌水点。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。