一种用于向斜富水带隧道的涌水突泥预警方法及装置与流程

1.本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种用于向斜富水带隧道的涌水突泥预警方法及装置。


背景技术：

2.随着公路工程的开展如火如荼，相应的，面临着更多的高难险施工环境，隧道施工面临的高压涌水、突泥既是一种常见的地质灾害。涌水突泥灾害具有突然性、巨大性，造成人员伤亡多、经济损失大的特点。若隧道通过的地质地段条件复杂，水文地质单元水源补给量充足会导致突水量大，压力大，涌水突泥过程中，由于夹带大量的泥沙，随着隧道的开挖，使地下水排泄有了新通道，破坏了原有的补径，加速了径流的循环，同时加速了地下水对岩体的改造作用。而修建公路和铁路时不可避免地遇到岩溶地质条件，大大地增加了施工的安全风险。因此，研究向斜富水带隧道涌水突泥超前预警方法具有重要意义。
3.传统方法多采用出水点的流量和水压或者红外线探水的方法对岩溶隧道涌水突泥进行预警，量测出水点的流量对涌水突泥进行预警并不能对隧道含水地质构造超前探测和突水预警，而是对现有的一段隧道进行涌水突泥概率的判断。而红外线探水的方法只能证明前方30m范围内有无水体，导致该方法预警的准确性不高。现有技术中还包括电阻率法与激电法的隧道含水地质构造超前探测和突水预警，但是该方法测试繁琐，设备造价昂贵，不利于推广。
4.综上所述，急需一种用于向斜富水带隧道的涌水突泥预警方法及装置以解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种用于向斜富水带隧道的涌水突泥预警方法及装置，具体技术方案如下：
6.一种用于向斜富水带隧道的涌水突泥预警方法，其特征在于，包括：
7.掌子面变形量量测：在隧道掌子面处设置多个位移探测点，用于量测掌子面变形量；
8.隧道洞周位移量测：在隧道初期支护完成后，沿着隧道洞周设置多个位移探测点，用于量测隧道洞周位移；
9.掌子面红外辐射场值量测：在隧道掌子面处设置多个红外探测点，用于量测掌子面红外辐射场值；
10.围岩的预警值量测：在拱顶和两侧拱腰处设置初始探测点，在初始探测点处沿着隧道壁垂直深度方向等距依次设置黄色预警值探测点、橙色预警值探测点以及红色预警值探测点，基于隧道内不同的围岩等级划分探测范围，分别量测黄色预警值探测点、橙色预警值探测点、红色预警值探测点的围岩变形进入塑性形变时对应初始探测点的平均位移量，即为黄色预警值、橙色预警值以及红色预警值，所述黄色预警值、橙色预警值以及红色预警
值组成围岩的预警值；
11.涌水突泥预警分析：基于掌子面变形量、隧道洞周位移、掌子面红外辐射场值以及围岩的预警值进行涌水突泥预警分析；当掌子面变形量和隧道洞周位移中任意一个值的量值大于该段围岩的黄色预警值并小于橙色预警值，且任一测点的红外辐射场差值大于10μw/cm2时，则给出涌水突泥黄色预警；当掌子面变形量和隧道洞周位移中任意一个值的量值大于该段围岩的橙色预警值并小于红色预警值，且任一测点的红外辐射场差值大于10μw/cm2时，则给出涌水突泥橙色预警；当掌子面变形量和隧道洞周位移中任意一个值的量值大于该段围岩的红色预警值，且任一测点的红外辐射场差值大于10μw/cm2时，则给出涌水突泥红色预警；
12.所述涌水突泥红色预警的隧道涌水突泥概率大于涌水突泥橙色预警，所述涌水突泥橙色预警的隧道涌水突泥概率大于涌水突泥黄色预警。
13.优选的，在掌子面变形量量测中，围绕隧道掌子面中心处设置9个位移探测点，相邻的位移探测点水平间距为最大开挖跨度的四分之一，竖向间距为最大开挖高度的四分之一。
14.优选的，在隧道洞周位移量测中，沿着隧道洞周设置12个位移探测点，相邻的位移探测点之间等距设置，其中之一的位移探测点设置在拱顶。
15.优选的，在掌子面变形量量测以及隧道洞周位移量测中，数据量测的频率为两个小时一次；当进入黄色预警后，数据量测的频率为一个小时一次；当进入橙色预警后，数据量测的频率为半小时一次。
16.优选的，在掌子面红外辐射场值量测中，围绕隧道掌子面中心处设置5个红外探测点，隧道掌子面的中心设置一个红外探测点，边缘均匀设置四个红外探测点。
17.优选的，在围岩的预警值量测中，所述黄色预警值探测点、橙色预警值探测点以及红色预警值探测点之间的间距为1m。
18.另外，本发明还提出了一种用于向斜富水带隧道的涌水突泥预警装置，所述装置包括数据量测设备、数据采集器和数据处理中心；所述数据量测设备连接数据采集器，所述数据采集器连接数据处理中心；所述装置执行上述的涌水突泥预警方法；
19.所述数据量测设备包括用于量测掌子面变形量的第一位移探测组件、用于量测掌子面红外辐射场值的红外探水仪以及用于量测洞周位移的第二位移探测组件；
20.所述数据采集器用于接收来自数据量测设备的数据，并传输数据到数据处理中心；
21.所述数据处理中心用于存储并处理数据，并且得到隧道涌水突泥预警结果，所述隧道涌水突泥预警结果包括涌水突泥黄色预警、涌水突泥橙色预警以及涌水突泥红色预警。
22.优选的，所述第一位移探测组件包括反射片和全站仪，所述反射片设置在位移探测点处，所述全站仪用于读取反射片的位置进而得到掌子面变形量或者隧道洞周位移。
23.优选的，所述第二位移探测组件包括多点位移计和位移传感器，所述多点位移计埋入隧道岩层中，沿着多点位移计在初始探测点、黄色预警值探测点、橙色预警值探测点以及红色预警值探测点处设置位移传感器。
24.优选的，所述装置还包括涌水突泥预警指示灯，所述涌水突泥预警指示灯包括红
色预警指示灯、橙色预警指示灯和黄色预警指示灯；当数据处理中心输出涌水突泥黄色预警的时候，黄色预警指示灯启动；当数据处理中心输出涌水突泥橙色预警的时候，橙色预警指示灯启动；当数据处理中心输出涌水突泥红色预警的时候，红色预警指示灯启动。
25.应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
26.(1)本发明提出的方法从红外探水仪和隧道开挖后的变形与位移监测出发，分别进行掌子面变形量量测、隧道洞周位移量测、掌子面红外辐射场值量测以及围岩的预警值量测，进而分析上述量测的数据，对向斜岩溶富水带隔水层条件下隧道施工诱发的涌水突泥进行预警，所述方法工序简单、操作方便快速、预警结果准确性高。
27.(2)本发明提出的装置通过多点位量测，获取数据可靠，且测试过程便捷，数据量测设备简单实用，不受环境影响，提高了本发明方法对隧道涌水突泥超前预警结果的准确性。
28.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
29.构成本技术的一部分的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。在附图中：
30.图1是一种用于向斜富水带隧道的涌水突泥预警方法的流程示意图；
31.图2是一种用于向斜富水带的隧道涌水突泥预警装置的工作原理示意图。
具体实施方式
32.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
33.实施例1：
34.如图1所示，本实施例公开了一种用于向斜富水带隧道的涌水突泥预警方法，包括掌子面变形量量测、隧道洞周位移量测、掌子面红外辐射场值量测、围岩的预警值量测以及涌水突泥预警分析，所述方法在分别进行掌子面变形量量测、隧道洞周位移量测、掌子面红外辐射场值量测和围岩的预警值量测之后，基于隧道水文地质运动原理，根据采集的数据进行隧道涌水突泥预警分析。
35.具体的，掌子面变形量量测：完成无裂隙条件下向斜岩溶富水带隧道开挖、通风、出渣和找顶后，围绕隧道掌子面中心处设置9个位移探测点，相邻的位移探测点水平间距为最大开挖跨度的四分之一，竖向间距为最大开挖高度的四分之一，设置在隧道掌子面的位移探测点用于量测掌子面变形量。
36.具体的，隧道洞周位移量测：完成此次开挖循环的初期支护后即可确定隧道的洞周，沿着隧道洞周设置12个位移探测点，相邻的位移探测点之间等距设置，其中之一的位移探测点设置在拱顶，设置在隧道洞周的位移探测点均用于量测隧道洞周位移。
37.具体的，掌子面红外辐射场值量测：围绕隧道掌子面中心处设置5个红外探测点，隧道掌子面的中心设置一个红外探测点，边缘均匀设置四个红外探测点。该设置可以探测掌子面前方30米内是否含有水体。
38.进一步地，本实施例中的掌子面变形量量测、隧道洞周位移量测、掌子面红外辐射场值量测是每步循环进尺都需要重新量测的，同时每次量测的结果都能计算出一个隧道涌水突泥的预警结果。另外，在掌子面变形量量测以及隧道洞周位移量测中，数据量测的频率为两个小时一次；当进入黄色预警后，数据量测的频率为一个小时一次；当进入橙色预警后，数据量测的频率为半小时一次，以确保数据的时效性。
39.具体的，围岩的预警值量测：在拱顶和两侧拱腰处设置初始探测点，在初始探测点处沿着隧道壁垂直深度方向等距依次设置黄色预警值探测点、橙色预警值探测点以及红色预警值探测点，基于隧道内不同的围岩等级划分探测范围，分别量测黄色预警值探测点、橙色预警值探测点、红色预警值探测点的围岩变形进入塑性形变时对应初始探测点的平均位移量，即为黄色预警值、橙色预警值以及红色预警值，所述黄色预警值、橙色预警值以及红色预警值组成围岩的预警值。本实施例中的围岩的预警值可以较好地反映的是涌水突泥与洞周间的传递距离，从而对隧道涌水突泥进行超前预警。
40.进一步地，本实施例中的围岩的预警值量测是根据隧道内围岩等级划分探测范围，围岩等级相同且相连的围岩作为探测范围，对其进行围岩的预警值量测。
41.涌水突泥预警分析：基于掌子面变形量、隧道洞周位移、掌子面红外辐射场值以及围岩的预警值进行涌水突泥预警分析；当掌子面变形量和隧道洞周位移中任意一个值的量值大于该段围岩的黄色预警值并小于橙色预警值，且任一测点的红外辐射场差值大于10μw/cm2时，则给出涌水突泥黄色预警；当掌子面变形量和隧道洞周位移中任意一个值的量值大于该段围岩的橙色预警值并小于红色预警值，且任一测点的红外辐射场差值大于10μw/cm2时，则给出涌水突泥橙色预警；当掌子面变形量和隧道洞周位移中任意一个值的量值大于该段围岩的红色预警值，且任一测点的红外辐射场差值大于10μw/cm2时，则给出涌水突泥红色预警。
42.所述涌水突泥红色预警的隧道涌水突泥概率大于涌水突泥橙色预警，所述涌水突泥橙色预警的隧道涌水突泥概率大于涌水突泥黄色预警。本实施例公开的一种用于向斜富水带隧道的涌水突泥预警方法从红外探水仪和隧道开挖后的变形与位移量测出发，通过量测数据并进行处理分析，对向斜岩溶富水带隔水层条件下隧道施工诱发的涌水突泥进行预警，本实施例中的工序简单、操作方便快速、预警结果准确。
43.另外，如图2所示，本实施例还公开了一种用于向斜富水带隧道的涌水突泥预警装置，所述装置包括数据量测设备、数据采集器和数据处理中心；所述数据量测设备连接数据采集器，所述数据采集器连接数据处理中心；所述装置通过数据量测设备量测隧道内的地质信息，所述地质信息包括掌子面变形量、掌子面红外辐射场值、洞周位移以及围岩的预警值，然后数据采集器将数据量测设备量测的数据，即地质信息通过无线信号传输到数据处理中心，数据处理中心根据地质信息得出涌水突泥预警结果。所述装置可实现上述的涌水突泥预警方法。
44.具体的，所述数据量测设备包括用于量测掌子面变形量的第一位移探测组件、用于量测掌子面红外辐射场值的红外探水仪以及用于量测洞周位移的第二位移探测组件；其中，所述第一位移探测组件包括反射片和全站仪，所述反射片设置在位移探测点处，所述全站仪用于读取反射片的位置进而得到掌子面变形量或者隧道洞周位移；所述第二位移探测组件包括多点位移计和位移传感器，所述多点位移计埋入隧道岩层中，沿着多点位移计在
初始探测点、黄色预警值探测点、橙色预警值探测点以及红色预警值探测点处设置位移传感器。
45.进一步地，所述反射片为自贴式反射片，大小为6cm
×
6cm。
46.具体的，所述数据采集器用于接收来自数据量测设备的数据，并传输数据到数据处理中心；本实施例优选的所述数据采集器的数据传输采用zigbee。所述数据采集器通过zigbee将数据量测设备量测的数据通过无线通信方式传输到数据处理中心，数据收发的速率可以达到1mbit/s，数据传输采用2.4ghz频段，符合ieee 802.15.4无线协议。
47.具体的，所述数据处理中心用于存储并处理数据，并且得到隧道涌水突泥预警结果，所述隧道涌水突泥预警结果包括涌水突泥黄色预警、涌水突泥橙色预警以及涌水突泥红色预警。
48.优选的，所述装置还包括涌水突泥预警指示灯，所述涌水突泥预警指示灯包括红色预警指示灯、橙色预警指示灯和黄色预警指示灯；当数据处理中心输出涌水突泥黄色预警的时候，黄色预警指示灯启动；当数据处理中心输出涌水突泥橙色预警的时候，橙色预警指示灯启动；当数据处理中心输出涌水突泥红色预警的时候，红色预警指示灯启动。
49.本方法及装置可以对隧道涌水突泥情况给出超前预警，当给出涌水突泥黄色预警时，提醒施工相关人员引起注意，并在施工作业中加强掌子面和初期支护表面观察；当给出涌水突泥橙色预警时，需要联系技术人员现场察看后进行分析评估，并加强监测频率，进行一个小时一次量测数据，若位移、变形和红外辐射场差值已基本收敛时继续施工；当给出涌水突泥红色预警时，立即停止作业，需加强监测分析，监测频率缩短为半小时进行一次量测数据，技术人员现场察看必须给出防治涌水突泥措施(如钻孔探水或全断面注浆止水等)，措施采取到位后方能继续施工作业。
50.应用本实施例公开的一种用于向斜富水带隧道的涌水突泥预警方法及装置，可以有效地对隧道涌水突泥情况作出超前预警，降低了隧道施工地风险，有利于预防隧道涌水突泥，防止涌水突泥威胁隧道施工人员的安全。本实施例中的探测仪器设备简单，监测数据可靠。
51.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。