[發明專利]一種大埋深隧道突涌隱患程度三層次循環遞進量化方法

有效

• 申請號: 201910015226.1
• 申請日: 2019-01-08
• 公開（公告）號: CN109766628B
• 公開（公告）日: 2020-03-24
• 發明（設計）人: 黃世武
• 申請（專利權）人: 廣西信達高速公路有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 南寧啟創知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 45122
• 代理人: 謝美萱

1.一種大埋深隧道突涌隱患程度三層次循環遞進量化方法，其特征在于，當隧道的埋深h_埋>40r，或h_埋>20B，稱該隧道為大埋深隧道；大埋深隧道突涌隱患程度的第一層次量化，是先確定地質塊的突涌源形態系數J_深；第二層次的量化，是將J_深與大埋深隧道斷面的施工擾動因素加以綜合，得到大埋深隧道等效斷面突涌烈度G_深；第三層次的量化，是依據大埋深隧道施工縱向影響長度L_縱和等效斷面突涌烈度G_深，估算大埋深隧道掌子面爆發突涌災害的危險程度W_深；三層次量化由地質塊到斷面再到段落，由局部到整體，量化、評估、治理循環遞進，逐步把各段的突涌隱患消滅，具體步驟如下：

步驟1、大埋深隧道突涌隱患程度的第一層量化；其方法是：

（1）大埋深隧道的定義

設隧道埋深以h_埋表示；設隧道開挖輪廓半徑以r表示，設隧道開挖寬度以B表示；

若5r≤h_埋≤40 r，或2.5B≤h_埋≤20 B，稱該隧道為一般埋深隧道；

若h_埋>40r，或h_埋>20 B，稱該隧道為大埋深隧道；

（2）定義地質塊的概念

大埋深隧道地下環境往往復雜多變且不均勻，各個區域環境水文地質條件構成未必相同，但是將范圍縮小到一定程度，總可以找到一塊水文地質條件均勻的區域；在具有相同水文地質條件的區域的條件下，該區域可以視為均質的地質塊，對水壓力、圍巖強度、組成粒徑指標或參數基本一致的區域視之為一個地質塊；某塊地質塊有大有小，小至僅占據大埋深隧道某些部位，大至占據大埋深隧道一定區域；

（3）地質塊的大埋深隧道突涌隱患程度

地質塊的大埋深隧道突涌隱患程度，與水壓壓力成正比，與大埋深隧道圍巖強度成反比，并與圍巖組成顆粒級配修正系數相關，可用J_深表示，稱為大埋深隧道突涌源形態系數，大埋深隧道突涌源形態系數J_深的計算公式為：

J_深=ε_深×（P_深水/R_深圍）；式中：

J_深—為大埋深隧道突涌源形態系數，屬于無綱量指標；

ε_深—為大埋深隧道圍巖顆粒級配修正系數，屬于無綱量指標；對于非粉細砂性土、巖石，暫定取值為1.05；粉細砂取值為1.15；

P_深水—為大埋深隧道某部位圍巖地下水水壓力，計量單位：MPa；

R_深圍—為大埋深隧道某部位圍巖軸心抗壓強度，計量單位：MPa；

A、如果大埋深隧道是腔洞或溶洞，計算J_深值時，水壓與大埋深隧道圍巖強度的取值按如下方法：

①大埋深隧道為純充水腔洞時，水壓取腔洞核心區的水壓，大埋深隧道圍巖強度取腔洞壁向外2米的圍巖強度；

②大埋深隧道為充水充泥腔洞時，水壓腔洞取核心區的水壓，大埋深隧道圍巖強度取腔洞核心區土體的強度，如果土體強度數值比水壓低，則大埋深隧道圍巖強度取腔洞壁向外2米的圍巖強度；

③大埋深隧道為無水腔洞時，水壓統一取0.5MPa，大埋深隧道圍巖強度取腔洞壁向外2米的圍巖強度；

B、大埋深隧道水文地質數據采集辦法:

通過對大埋深隧道實際勘察與試驗獲得地下水的水壓與大埋深隧道圍巖強度數據：

①采用常規勘探手段，鉆探、坑探、無損探測及超前預報一個以上的組合獲取大埋深隧道圍巖強度數據，通過抗壓試驗、觸探試驗、承載力試驗、波速測試方法獲得或轉換得到大埋深隧道圍巖強度；

②通過以下其中一種方法獲得水壓數據：鉆孔引排水并測量水壓，孔隙水壓測量儀器測量水壓，灌水或灌漿壓力致裂法測量水壓，測量水位差轉換為水壓；

③通過常規巖性分析，推斷大埋深隧道圍巖顆粒級配修正系數ε_深；

（4）大埋深隧道突涌源形態系數J_深值的量化與分類

表2：大埋深隧道突涌形態類型與大埋深隧道突涌源形態系數區間關系表

步驟2：大埋深隧道突涌隱患程度的第二層次量化；其方法是：

（1）大埋深隧道的等效斷面的確定

對于圓形大埋深隧道，當大深埋隧洞某掌子面的大埋深隧道圍巖被開挖時，其斷面出現應力-應變調整，根據斷面應力-應變調整關系，將圓形大埋深隧道調整半徑范圍為5r的圓形大埋深隧道斷面確定為圓形大埋深隧道的等效斷面；

對于非圓形大埋深隧道，則以大埋深隧道斷面的中心為圓心，以開挖輪廓線距離圓心的最大距離為半徑r，繪制得一個小圓形，再以該小圓的圓心為中心，以半徑為5r繪制一個大圓，則該大圓確定為非圓形大埋深隧道的等效斷面；

（2）大埋深隧道等效斷面進行分區并賦值

對大埋深隧道等效斷面進行分區并賦值，包括以下情形的分區：

①大埋深隧道等效斷面的力學分區

將大埋深隧道等效斷面分為三個力學區：塑性大變形區A_深、塑性小變形區B_深、彈塑性區C_深；

②大埋深隧道等效斷面的幾何分區

將大埋深隧道等效斷面劃分為25個分區，每個分區的大小為2r×2r的正方形，25個幾何分區組合得到了一個10r×10r的大正方形，該大正方形于半徑為5r繪制一個大圓相切并接近于該大圓，所以，大正方形也稱為大埋深隧道等效斷面；

（3）對大埋深隧道各等效斷面分區進行力學變形賦值

根據大埋深隧道位移變形測量數據統計，確定C_深區的變形速率小于0.1ｍｍ/ｄ；B_深區的變形速率為0.1～1.0ｍｍ/ｄ；A_深區的變形速率大于1.0ｍｍ/ｄ，嚴重時大于5.0ｍｍ/ｄ，再根據變形速率的量級對大埋深隧道各等效斷面分區進行賦值，建立大埋深隧道等效斷面的各分區賦值表；

A_深區的最小變形速率是C_深區最大變形速率的10⁺¹倍，若C_深區變形速率的量級基準確定為10，即10⁺¹，則A_深區的變形速率的量級就為10⁺²；A_深區的變形速率有2個等級，則其變形速率量級中值數就為（100+500）/2=300；B_深區居于A_深區最小變形速率與C_深區最大變形速率之間，則B_深區的變形速率量級的中值數就為（10+100）/2=55；

（4）對大埋深隧道各等效斷面分區進行水影響的賦值調整

大埋深隧道等效斷面調整分區水影響的賦值分為兩種：

第一種是按上部、下部的重要性調整隧道所在列的分區的賦值，以大埋深隧道的位置為基準，重要性系數取為1.0，每上升一個分區系數提高0.2，每下降一個分區系數降低0.2；

第二種是按與大埋深隧道距離的大小調整其它列的分區的賦值，以大埋深隧道位置的那列為基準，遠離一個分區，下降系數0.2；

（5）大埋深隧道內核細分區與賦值

大埋深隧道內核可以再細分區，根據上下的重要性賦值，可以百分比數值賦值；

（6）大埋深隧道各分區的賦值成果；

（7）建立大埋深隧道各分區的突涌強度

大埋深隧道各分區的突涌強度依據以下公式計算：

Q_深i= J_深i×Ν_深i×ξ_深；式中：

Q_深i—分區的突涌強度，表示分區突涌源形態的顯著程度，無量綱；

J_深i—為分區對應的大埋深隧道突涌源形態系數，J_深i值的取值范圍為0≤J_深i≤10^-1，當J_深i＞10^-1時，J_深i值一律取值為1×10^-1；

Ν_深i—為大埋深隧道對應的分區賦值；

ξ_深—為大埋深隧道等效斷面各分區的邊界影響系數，ξ_深按如下情況對應取值：

①當分區的邊界為充水充泥腔洞，分區位于拱頂上部時ξ_深取1.3，分區位于與隧道同一高程處時ξ_深取1.20，分區位于隧道之下時ξ_深取1.15；

②當分區的邊界為充水腔洞，分區位于拱頂上部時ξ_深取1.20，分區位于與隧道同一高程處時ξ_深取1.15，分區位于隧道之下時ξ_深取1.13；

③當分區的邊界為干腔洞，分區位于拱頂上部時ξ_深取1.15，分區位于與隧道同一高程處時ξ_深取1.13，分區位于隧道之下時ξ_深取1.05；

④當分區的邊界為非腔洞時，ξ_深取1.05；

（8）建立等效斷面突涌強度公式

將隧道等效斷面內全部25個分區的突涌強度相加，得到隧道等效斷面的總突涌強度，計算公式為：

Q_深總=∑Q_深i=∑（J_{深 i}×Ν_深i×ξ_深）；式中：

Q_深總—為隧道實際等效斷面的總突涌強度，無量綱；

Q_深i—為分區的突涌強度，無量綱；

J_深i—為分區對應的大埋深隧道突涌源形態系數；

Ν_深i—為大埋深隧道對應的分區賦值；

ξ_深—為大埋深隧道等效斷面各分區的邊界影響系數；

（9）確定隧道基準等效斷面

當隧道等效斷面內25個分區的大埋深隧道突涌源形態系數J_深值均為10^-2時，則該隧道等效斷面為隧道基準等效斷面，隧道基準等效斷面的總突涌強度為7.86；

（10）建立隧道等效斷面的突涌烈度

建立大埋深隧道等效斷面的突涌烈度的計算公式為：

G_深=（Q_深總-Q_深基準）/Q_深基準=（Q_深總-7.86）/7.86；式中：

G_深—為大埋深隧道等效斷面的突涌烈度，是表示相對于隧道基準等效斷面，隧道實際等效斷面突涌隱患的相對強弱程度，屬于無綱量；

Q_深總—為隧道實際等效斷面的總突涌強度，無量綱；

Q_深基準—為隧道基準等效斷面的總突涌強度，取值為7.86；

（11）建立三類單元斷面

非突涌斷面、過渡斷面、突涌隱患斷面三類單元斷面的建立，其中各單元斷面的突涌烈度G_深值分別為：

非突涌斷面：-100%≤ G_深＜0；

過渡斷面：0≤G_深≤+64%；

一般突涌隱患斷面：+64%＜G_深≤+900%；

特殊突涌隱患斷面：G_深＞+900%；

步驟3：大埋深隧道突涌隱患程度的第三層次量化

大埋深隧道突涌隱患程度的第三層次量化，其方法是：

（1）提出突涌單元區的概念

大埋深隧道某段落由無數個等效斷面組成，若其中某大埋深隧道等效斷面的突涌烈度G_深經排序后確定為最大值，設定該等效斷面能夠代表某段落，則大埋深隧道某段落的突涌隱患程度就等于G_深；

若某大埋深隧道區段的代表等效斷面的突涌烈度為G_深，則大埋深隧道突涌單元區的區分有如下情形：

當-100%≤ G_深＜0時，為非突涌區；

當0≤G_深≤+64%時，稱為突涌過渡區；

當+64%＜G_深≤+900%時，稱為一般突涌隱患區；

當G_深＞+900%時，稱為特殊突涌隱患區；

（2）建立大埋深隧道掌子面突涌災害爆發基本模型

①一般的大埋深隧道突涌災害爆發基本模型

當每個大埋深隧道段落由非突涌區、突涌過渡區、突涌隱患區三個突涌單元區組成，突涌災害總是在突涌過渡區就提前爆發，不會等到掘進深入突涌隱患區后才爆發；

②特殊的大埋深隧道突涌災害爆發基本模型

當每個大埋深隧道段落由非突涌區、突涌隱患區兩個突涌單元區組成，突涌災害總是在接近突涌隱患區的非突涌區就提前爆發，不會等到掘進深入突涌隱患區后才爆發；

（3）確定施工擾動縱向影響長度

①當每個大埋深隧道段落單元區組成情形與一般的隧道突涌災害爆發基本模型一致時，在突涌過渡區內施工，施工擾動對前方的縱向影響長度L_縱為：

當隧道為一般埋深隧道，即5r≤h_埋≤40r或2.5B≤h_埋≤20B時，縱向影響長度為按一般埋深隧道的相關指標取值；

當隧道為大埋深隧道，且40r<h_埋≤100 r或20B<h_埋≤50B時，縱向影響長度L_縱為1.7B§_深，B為隧道開挖寬度，r為隧道開挖輪廓半徑，§_深為圍巖破碎程度調整系數，一般程度時§_深取值為1.0，嚴重時§_深取值為1.2；

當隧道為大埋深隧道，且h_埋>100 r或h_埋>50B時，縱向影響長度L_縱為2.0B§_深，B為隧道開挖寬度，r為隧道開挖輪廓半徑，§_深為圍巖破碎程度調整系數，一般程度時§_深取值為1.0，嚴重時§_深取值為1.2；

②當每個大埋深隧道段落單元區組成情形與特殊的大埋深隧道突涌災害爆發基本模型一致時，須先人為指定突涌過渡區，在人為指定的突涌過渡區內施工，施工對前方的縱向影響長度L_縱為：

當隧道為一般埋深隧道，即5r≤h_埋≤40r或2.5B≤h_埋≤20B時，縱向影響長度為按一般埋深隧道的相關指標取值；

當隧道為大埋深隧道，且40r<h_埋≤100r或20B<h_埋≤50B時，縱向影響長度L_縱為1.1B§_深，B為隧道開挖寬度，r為隧道開挖輪廓半徑，§_深為圍巖破碎程度調整系數，一般程度時§_深取值為1.0，嚴重時§_深取值為1.2；

當隧道為大埋深隧道，且h_埋>100r或h_埋>50B時，縱向影響長度L_縱為1.3B§_深，B為隧道開挖寬度，r為隧道開挖輪廓半徑，§_深為圍巖破碎程度調整系數，一般程度時§_深取值為1.0，嚴重時§_深取值為1.2；

（4）縱向影響長度L_縱的修正

對縱向影響長度L_縱進行修正，得到修正的縱向影響基準長度；

①當每個大埋深隧道段落單元區組成情形與一般的大埋深隧道突涌災害爆發基本模型一致時，修正縱向基準長度L_深修的計算公式為：

L_深修=L_縱×（G_深隱1）/（900%-64%）；式中：

L_深修—為修正的縱向影響基準長度，計量單位：米；

L_縱—縱向影響長度，計量單位：米；當40r<h_埋≤100 r或20B<h_埋≤50B時，縱向影響長度L_縱為1.7B§_深；當h_埋>100r或h_埋>50B時，縱向影響長度L_縱為2.0B§_深；B為隧道開挖寬度，r為隧道開挖輪廓半徑；§_深為圍巖破碎程度調整系數，一般程度時§_深取值為1.0，嚴重時§_深取值為1.2；

G_深隱1—為最靠近突涌過渡區的那個突涌隱患區的突涌烈度，無綱量；

②當每個大埋深隧道段落單元區組成情形與特殊的大埋深隧道突涌災害爆發基本模型一致時，

修正的縱向影響基準長度L_修的計算公式為：

L_深修= L_縱×（G_深隱1）/（900%-64%）；式中：

L_深修—為修正的縱向影響基準長度，計量單位：米；

L_縱—縱向影響長度，計量單位：米；當40r<h_埋≤100 r或20B<h_埋≤50 B時，縱向影響長度L_縱為1.1B§_深；當h_埋>100 r或h_埋>50 B時，縱向影響長度L_縱為1.3B§_深；B為隧道開挖寬度，r為隧道開挖輪廓半徑；§_深為圍巖破碎程度調整系數，一般程度時，§_深取值為1.0，嚴重時，§_深取值為1.2；

G_深隱1—為最靠近突涌過渡區的那個突涌隱患區的突涌烈度；

（5）確立掌子面爆發突涌災害的危險程度計算公式

過渡區的修正縱向基準長度是用于防止超挖的，當剩余長度大于等于修正縱向基準長度時，不會爆發突涌災害，危險程度為零或為負值；當剩余長度小于修正縱向基準長度時，剩余長度越小，爆發突涌災害的危險程度越大；當剩余長度等于0米時，爆發突涌災害的危險程度為100%，必然發生突涌災害，因此，掌子面爆發突涌災害的危險程度計算為：

①當每個大埋深隧道段落單元區組成情形與一般的大埋深隧道突涌災害爆發基本模型一致時，計算公式為：

W_深=（L_深修-L_深剩）/ L_深修；式中：

W_深—為掌子面爆發突涌的危險程度，計量單位：%，W_深值取值為0～100%；

L_深修—為修正的縱向影響基準長度，計量單位：米；

L_深剩—為剩余長度，取值范圍為0≤L_深剩≤L_深修，計量單位：米；

②當每個大埋深隧道段落單元區組成情形與特殊的大埋深隧道突涌災害爆發基本模型一致時，計算公式為：

W_深=（L_深修-L_深剩）/ L_深修；式中：

W_深—為掌子面爆發突涌的危險程度，計量單位：%，W_深值取值為0～100%；

L_深修—為修正的縱向影響基準長度，計量單位：米；

L_深剩—為剩余長度，取值范圍為0≤L_深剩≤L_深修，計量單位：米；

步驟4：隱患量治理與再量化循環遞進

隱患量治理與再量化循環遞進的方法是：

（1）評估目前掌子面的安危狀態

將一組大埋深隧道分析單元段共劃分為4個具體的區域：非突涌隱患區，突涌過渡區，突涌隱患區1，突涌隱患區2；目前的掌子面位置為D_深-D_深；若D_深B_深=L_深修1，掌子面爆發突涌災害的危險程度為0，處于臨界狀態，不能往前開挖；若D_深B_深>L_深修1，掌子面爆發突涌災害的危險程度小于0，處于安全狀態，可以再往前開挖；若D_深B_深<L_深修1，掌子面爆發突涌災害的危險程度大于0，處于危險狀態，需要立即封閉、加固掌子面；

（2）對目前掌子面前方的突涌隱患區進行第一循環的治理

當D_深B_深≧L_深修1時，掌子面處于安全狀態或臨界狀態下，突涌隱患區1在治理前的突涌烈度為G_深隱1前，擬定治理目標為G_{深隱1計劃}；依據G_{深隱1計劃}按步驟2就可反估突涌隱患區1的治理斷面的臨界半徑（H_深+r_深），即計劃治理的臨界范圍；

（3）對目前掌子面前方的治理區治理效果進行評估與開挖決策

當突涌隱患區1被治理后，突涌烈度變為G_深隱1后，若G_深隱1后>+64%，則判斷治理質量不合格，需補充治理；

若G_深隱1后≤+64%，判斷治理質量合格；治理合格后，可以開挖，斷面開挖從D_深-D_深到C_深-C_深，修正的基準長度與G_2深前有關，要確保C_深E_深≧L_深修2，即是第一循環的開挖最終的掌子面只能開挖到C_深-C_深斷面的位置；

（4）開始第二循環的治理、評估、開挖

對第一循環的治理區部分開挖后, 目前的掌子面位置推進到C_深-C_深，開始第二循環的治理，對第二治理區的突涌烈度進行檢驗，若合格，就開始第二循環的開挖，如此循環下去，直至把突涌隱患區消除。