一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排水设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排水设计方法。
【背景技术】
[0002] 隧道反坡施工突涌水灾害一直是隧道建设的难点问题，特别是随着我国交通建设 环境向地形地质条件极为复杂的西部山区转移，长距离反坡施工及相关排水作业成为重大 技术挑战和难题。近些年来，由于长距离反坡施工技术的不成熟，造成施工期突水涌水灾害 不断出现。
[0003] 隧道长距离反坡施工面临着一系列巨大的技术难题，而现有排水技术沿袭了常规 技术，未考虑突涌水风险、涌水量动态变化等综合因素，往往造成经济成本较高或隧道被 淹、工期延误甚至生命财产损失，因此反坡施工中排水系统设计及相关技术亟待研宄。总体 来看，以往隧道长距离反坡排水的技术进步主要依靠工程经验积累，尚未形成系统性、科学 性、专业性的隧道反坡排水基础理论与创新技术，其问题主要如下：
[0004] 1)在以往的隧道反坡排水技术中，仅是依靠经验对涌水量做出判断的前提下进 行排水系统设计，往往由于对涌水量的变化情况判断不准确而导致系统排水能力不足或过 剩，导致涌水灾害或资源配置浪费，因此亟待研宄基于涌水量预估和动态监测的隧道长距 离反坡排水优化技术；
[0005] 2)在以往的反坡排水方案设计中，水泵的分级以及功率选择，多以经验而定，往往 会造成排水能力过剩或不足，亟待提出一种泵站分级及功率选择的优化计算方法；
[0006] 3)在以往的反坡排水中，主要针对的是隧道掌子面突涌水情况，对两级泵站之间 突涌水未有专用排水机制，不能妥善应对两级泵站之间涌水突发状况，且采用常规反坡排 水方案进行两级泵站之间排水易造成较大功率及成本的浪费。
【发明内容】
[0007] 本发明为了解决上述问题，提出了一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排 水设计方法，本方法结合采用瞬变电磁及激发极化预报技术、基于功率最小排水优化技术， 对开挖掌子面前方含水区位置做精确定位，能较精确预估涌水量，避免不必要排水势能的 增加，减少排水成本，保证施工的正常进行。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0009] 一种基于涌水量预估与动态监测的隧道反坡排水设计方法，包括以下步骤：
[0010] (1)进行实地地质勘查，了解隧道所处地段的地质条件，通过初勘资料进行各段落 的涌水风险评估；
[0011] (2)基于功率最小化优化对隧道全段涌水量估算，采用功率最小优化方法进行泵 站的分级计算，选取最佳的水泵功率；
[0012] (3)根据计算的最佳水泵功率设置泵站功率，保证各级泵站的功率设置与隧道实 际出水量对应，设置反坡排水方案；
[0013] (4)采用TEM瞬变电磁法和激发极化法对隧道该含水段落含水区进行精确定位， 并对含水量进行预估；
[0014] (5)实时动态监测隧道掌子面的涌水量，根据涌水量及涌水量变化速率，结合预估 的含水量，对反坡排水设置进行调整。
[0015] 所述步骤（2)中，采用功率最小优化公式进行泵站分级与最优功率计算，优化公 式如⑴所示：
[0016] G = XX (ffz/X) Xw(WzA) XTXf^XXf2(WzA)
[0017] G - min
[0018] 式中：Wz为排水总功率；X为分级数；Π 为单位做功花费；f2为水泵单价;w为水 泵功率损耗；T为反坡施工时间。
[0019] 所述步骤（3)中，反坡排水方案包括泵站分级、水泵选择、管路安置和供电设置。
[0020] 所述步骤⑶中，每一级泵站的功率Wi+1设置应在其下一级泵站功率W i+2的基础 上，相应增加该泵站与其上一级泵站功率为Wi间的隧道已施工段落出水的排出能力。
[0021] 所述步骤（3)中，采用机械排水，设置多级泵站接力排水；施工工作面积水采用移 动式潜水泵抽至就近泵站或利用中心检查井做临时积水坑内。
[0022] 所述步骤（4)中，采用瞬变电磁技术能够对掌子面前方第一设定范围内含水区的 位置进行定位，采用激发极化技术在掌子面前方第二设定范围内定位含水区位置并预估涌 水量。
[0023] 所述步骤（4)中，第一设定范围为60米内，第二设定范围为30米内。
[0024] 所述步骤（5)中，在隧道掌子面上使用钻机打通含水构造，设置排水管，并在排水 管末端位置安装流量计。
[0025] 所述步骤（5)中，当涌水量小于水泵最大负荷，采用分时抽水技术实现伺服抽水 功能；当涌水量大于水泵最大负荷，启动备用水泵进行抽排水；当涌水量大于泵站最大负 荷，则就近调集水泵进行抽排水。
[0026] 所述步骤（5)中，采用增级泵站技术，当隧道两级泵站之间任意位置出现突涌水 时，采用增级泵站方法进行排水，避免涌水在重力的作用下流入下级泵站。
[0027] 本发明的有益效果为：
[0028] 1)基于涌水量预估和动态监测的隧道长距离反坡排水技术采用瞬变电磁及激发 极化预报技术，对开挖掌子面前方含水区位置做精确定位，并能较精确预估涌水量，做到未 雨绸缪，做好排水工作的前期准备。
[0029] 2)基于涌水量预估和动态监测的隧道长距离反坡排水技术采用了基于功率最小 排水优化方法，在满足排水需求的情况下，选择最佳泵站分级方法以及最小功率水泵，节约 了反坡排水的施工成本。
[0030] 3)基于功率最小的反坡排水优化方法采用了动态监测涌水量的抽排水设置，在动 态监测涌水量的前提下，采用不同抽排水方法，极大的节约了排水经费，即使在面对紧急大 突水，也能做好排水工作。
[0031] 4)基于功率最小的反坡排水优化方法采用增级泵站设计方法，机动灵活，能够及 时应对两级泵站之间任意位置处的涌水突发状况，避免不必要排水势能的增加，减少排水 成本，保证施工的正常进行。
【附图说明】
[0032] 图1基于涌水量预估和动态监测的隧道长距离反坡排水技术原理图；
[0033] 图2动态监测的排水设置图；
[0034] 图3六盘山隧道左线抽排水方案示意图；
[0035] 图4六盘山隧道右线抽排水方案示意图。
【具体实施方式】：
[0036] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0037] 一种基于涌水量预估及动态监测的反坡排水技术，包括功率最小优化公式、涌水 量预估技术、动态监测的抽排水设置方法以及增级泵站技术。
[0038] 功率最小化优化公式在对隧道全段涌水量估算后，采用功率最小优化公式进行泵 站的分级计算，选取最佳的水泵功率，优化计算如公式（1)所示：
[0039] G = XX (ffz/X) Xw(ffz/X) XTXf^XXf2(WzA)
[0040] G - min
[0041] 式中：Wz为排水总功率；X为分级数；Π 为单位做功花费；f2为水泵单价;w为水 泵功率损耗；T为反坡施工时间。
[0042] 由式知，当总费用最小时，可得出分级数。对于长距离反坡施工，由于施工工期较 长，泵站使用时间较长，除了水泵等设备一次性投入费用之外，后期维护费用较高，故当泵 站功率最优化时较为经济。
[0043] 涌水量预估技术采用基于涌水量预估的优化排水技术及其应急排水技术。采用地 质预报定量识别技术，包