一种富水砂化白云岩地层隧道掌子面致灾因子评估方法与流程

1.本发明涉及地质评估技术领域，特别是涉及一种富水砂化白云岩地层隧道掌子面致灾因子评估方法。


背景技术：

2.白云岩由于其砂化的特殊性，故在隧道施工过程面临着巨大的风险。在富水区、破碎段、岩溶区的复杂地层中隧道修建极易发生突水突砂，结构灾变破坏等事故。国内外学者针对隧道灾变问题开展了相关研究。
3.现有技术中通过火山沉积岩的建造特征以及后期不同构造特征分析，归纳了火山岩中隧道的涌突水灾害模式：断层控水型、断层控制滞后型、岩脉控水型和凝灰岩－柱状节理岩带，并分析了各种模式的致灾机理，但是对于富水砂化白云岩地层隧道掌子面致灾因子的研究却并未说明，从而导致无法真正意义上对隧道灾变问题进行揭示和研究。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种富水砂化白云岩地层隧道掌子面致灾因子评估方法。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种富水砂化白云岩地层隧道掌子面致灾因子评估方法，包括：
7.获取富水砂化白云岩地层隧道掌子面的致灾因子；所述致灾因子包括：地质及岩体力学性质因子、水文地质因子和施工因子；
8.基于层次分析法确定各所述致灾因子的权重；
9.根据所述致灾因子的相互影响关系和所述权重对所述致灾因子进行合并和提炼，得到代表性因素；所述代表性因素包括地下水因素、砂化因素、施工因素和地应力因素。
10.优选地，所述地质及岩体力学性质因子包括：
11.白云岩矿物成分、白云岩的物理力学特性、地应力条件、白云岩砂化程度和地质构造情况。
12.优选地，所述水文地质因子包括：
13.地下水特征、地表水特征和水化学特征。
14.优选地，所述施工因子包括：
15.地质勘察、监控量测、施工工法和施工管理。
16.优选地，基于层次分析法确定各所述致灾因子的权重，包括：
17.根据所述致灾因子建立层次结构体系；所述层次结构体系包括各个致灾因子构建的各级指标；
18.基于专家评分方法，根据所述层级结构体系确定各级指标的判断矩阵；
19.对所述判断矩阵进行一致性判断，得到判断好的矩阵；
20.计算所述判断好的矩阵的特征值，并进行归一化处理，得到各所述致灾因子的权
重。
21.优选地，所述相互影响关系包括：地下水与砂化的相互影响、砂化与施工的相互影响、施工与地应力的相互影响、地下水与地应力的相互影响、地下水与施工的相互影响和砂化与地应力的相互影响。
22.优选地，在根据所述致灾因子的相互影响关系和所述权重对所述致灾因子进行合并和提炼，得到代表性因素之后，还包括：
23.根据所述代表性因素进行施工建议和决策。
24.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
25.本发明提供了一种富水砂化白云岩地层隧道掌子面致灾因子评估方法，包括：获取富水砂化白云岩地层隧道掌子面的致灾因子；所述致灾因子包括：地质及岩体力学性质因子、水文地质因子和施工因子；基于层次分析法确定各所述致灾因子的权重；根据所述致灾因子的相互影响关系和所述权重对所述致灾因子进行合并和提炼，得到代表性因素；所述代表性因素包括地下水因素、砂化因素、施工因素和地应力因素。本发明通过对掌子面致灾因子的评估，能够多角度地实现掌子面稳定性的控制，从而实现富水砂化白云岩地层隧道的安全施工。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明实施例提供的评估方法流程图；
28.图2为本发明实施例提供的层次分析法步骤示意图；
29.图3为本发明实施例提供的富水砂化白云岩地层隧道掌子面灾变因子体系示意图；
30.图4为本发明实施例提供的相互影响关系图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
33.本技术的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、过程、方法等没有限定
于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤元。
34.本发明的目的是提供一种富水砂化白云岩地层隧道掌子面致灾因子评估方法，通过对掌子面致灾因子的评估，能够多角度地实现掌子面稳定性的控制，从而实现富水砂化白云岩地层隧道的安全施工。
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
36.图1为本发明实施例提供的评估方法流程图，如图1所示，本发明提供了一种富水砂化白云岩地层隧道掌子面致灾因子评估方法，包括：
37.步骤100：获取富水砂化白云岩地层隧道掌子面的致灾因子；所述致灾因子包括：地质及岩体力学性质因子、水文地质因子和施工因子；
38.步骤200：基于层次分析法确定各所述致灾因子的权重；
39.步骤300：根据所述致灾因子的相互影响关系和所述权重对所述致灾因子进行合并和提炼，得到代表性因素；所述代表性因素包括地下水因素、砂化因素、施工因素和地应力因素。
40.具体的，富水砂化白云岩地层隧道的掌子面灾变是由多方面影响产生的，致灾因子有很多，通过调研分析，类比其它工程，其致灾因子主要包括三大方面：地质及岩体力学性质、水文地质及施工。
41.优选地，所述地质及岩体力学性质因子包括：
42.白云岩矿物成分、白云岩的物理力学特性、地应力条件、白云岩砂化程度和地质构造情况。
43.具体的，白云岩矿物成分：根据岩石样品矿物分析，显示出震旦系灯影组(zbd)的白云岩属质纯的白云岩，主要矿物成分为白云石；些许部位夹杂未完全交代的方解石，通常情况下方解石最先溶解形成大孔隙。
44.白云岩的物理力学特性：岩体力学参数是岩体力学的重要组成部分，它对工程的稳定性评价具有重要的意义。研究区工程所处地质环境不同，岩溶砂化程度也不相同，岩体力学参数也表现出差异性。随着白云岩的逐步砂化，岩体的力学参数逐渐削弱，掌子面灾变风险加大。
45.地应力条件：随着埋深增大，砂化白云岩地层隧道掌子面的变形大小、灾变趋势逐渐增大。此外，由于隧道开挖导致的应力重分布是造成隧道围岩变形的主要原因。吉新隧道的埋深大多为深埋，且经过活动断层，容易发生高地应力情况对于砂化后的白云岩地层，容易产生大变形。
46.白云岩砂化程度：白云岩地层隧道掌子面发生灾变的根本原因就是白云岩的砂化，但同时需要有其他因子的共同作用。白云岩砂化程度对围岩发生突水突泥有十分重要的影响，白云岩砂化程度小时，围岩的完整性较好，胶结性物质的胶结程度高，地下水的渗流受到很大限制；而白云岩砂化程度大时，围岩完整性差，胶结物质胶结程度低，地下水渗流通畅，若此时水头较高，地下水可能携带其中已砂化成分，通过开挖后的掌子面产生的裂隙冲出掌子面，发生突水突泥的情况。
47.地质构造情况：地质构造对隧道修建亦会产生较大影响，地质构造会影响围岩的
性质、影响地区的地应力水平，围岩的产状角度亦会对掌子面稳定性起到较大影响，故地质构造情况对白云岩隧道的风险等级也会产生影响。
48.优选地，所述水文地质因子包括：
49.地下水特征、地表水特征和水化学特征。
50.具体的，地下水特征：白云岩是一种受水影响较大的岩石，而白云岩的砂化也受水影响较大，突水涌砂的发生也与地下水情况直接相关，故地下水的压力、渗流路径、突水量等对白云岩地层隧道掌子面稳定性有极大影响。
51.地表水特征：地表水通过岩体的裂隙渗流进入隧道开挖区域，对地下水渗流起到补充以及加强的作用，对风险等级产生影响。
52.水化学特征：地下水中的化学成分决定了同样渗流速度下溶蚀的快慢，同时影响溶蚀的范围，对白云岩砂化的进程和模式起重要作用。对吉新隧道地下水进行分析，为hco
3-、so4
2-‑
mg
2+
型水，属典型岩溶水。
53.优选地，所述施工因子包括：
54.地质勘察、监控量测、施工工法和施工管理。
55.具体的，地质勘察：吉新隧道的砂化白云岩体现出分布不均，砂化等级差别大的特点，同时地下水的存在对于掌子面的稳定性影响极大，地质勘察不准确极易造成施工措施不匹配，从而导致掌子面失稳，因此做好超前地质预报探明掌子面前方地质情况尤为重要。
56.监控量测：监控量测时隧道施工的必要手段，通过对掌子面及开挖段围岩衬砌变形的监测，可以预测到灾变的发生，实现及时有效的采取措施，阻止灾变出现，或者及时停止施工，减小人员设备等损失。监控量测的精确与否对于掌子面灾变的前期发展影响较大。
57.施工工法：施工工法不仅包括开挖方法、开挖结构、支护结构等，还包括超前支护方法。因此施工工法是施工因子中最直接的影响因素，科学有效的施工工法能够适当的释放围岩应力，减小支护结构受力，还能保障掌子面及围岩的稳定性，同时能够实现工期最优。
58.施工管理：施工管理是施工工程中最依赖施工人员素质的因子，严格的管理能够保证施工过程安全顺利，施工步骤有序推进，反之，疏于管理甚至疏忽管理则有可能造成结构安全性隐患，围岩尤其是掌子面未及时支护，从而造成灾变。
59.可选地，本实施例中的致灾因子确定以后，基于层次分析法，确定了各致灾因子的权重，进而可以找出因子之间的重要性大小。
60.优选地，基于层次分析法确定各所述致灾因子的权重，包括：
61.根据所述致灾因子建立层次结构体系；所述层次结构体系包括各个致灾因子构建的各级指标；
62.基于专家评分方法，根据所述层级结构体系确定各级指标的判断矩阵；
63.对所述判断矩阵进行一致性判断，得到判断好的矩阵；
64.计算所述判断好的矩阵的特征值，并进行归一化处理，得到各所述致灾因子的权重。
65.具体的，本实施例中运用层次分析法解决问题时，大体可以分为以下四个步骤：建立起问题的层次结构体系；构造两两比较判断矩阵；通过判断矩阵计算各元素的相对权重；计算各层元素的组合权重。其流程如图2所示。
66.其次，如图3所示，本实施例根据确定的致灾因子，将地质及岩体力学性质因子、水文地质因子、施工因子定为砂化白云岩地层隧道掌子面灾变的一级指标，分为白云岩砂化程度等12个二级指标。
67.再次，层次分析法的特点是，不是所有因素一起比较，而是两两因素之间比较，且用相对的标度来进行比较，判断矩阵的行就是每个因子相对该列因子的重要性比较。在标度的选用上，虽然1-9标度应用较多，但已有研究指出指标标度比1-9标度效果更好，且具有良好的数学结构，故采用指数标度来构造判断矩阵，取a＝1.316是为了在极端重要时两因素之间的权重比为9:1，与1-9标度保持一致。指标标度含义如表1所示。
68.表1指数标度含义
[0069][0070]
采用专家打分的方法，专家为中铁二院、中铁十六局以及西南交通大学相关技术专家，得到判断矩阵如下：
[0071]
一级指标:
[0072]
二级指标:
[0073]
地质及岩体力学性质:
[0074]
水文地质因子:
[0075]
施工因子:
[0076]
再次，本实施例得出各级指标的判断矩阵后，计算各矩阵的特征值，经归一化后，即为各因子的权重。但由于判断矩阵确定时，一致性并不满足，需要对判断矩阵的一致性进
行判断，一致性指标为：
[0077][0078]
通过matlab随机建立500个正互反矩阵，可以算出不同n时的随机一致性指标(ri)，结果如表2所示，当cr＝ci/ri小于0.1时，就认为判断矩阵的不一致性满足要求。计算结果如表3所示，可见一致性都满足要求，故结果可信。
[0079]
表2随机一致性指标
[0080]
n1234567ri000.580.901.121.241.32
[0081]
表3判断矩阵计算结果
[0082][0083]
最终得到的各因子权重如表4所示，可见权重最大的一级指标为地质及岩体力学性质，权重最大的二级指标为地下水特征。
[0084]
表4各因子权重
[0085]
[0086][0087]
进一步地，本实施例经过对白云岩地层隧道的致灾因子分析，总结出一级因子三个：地质及岩体力学性质、水文地质因子、施工因子，其下分别有12个二级因子：白云岩矿物成分、白云岩物理力学特性、地应力条件、白云岩砂化程度、地质构造情况、地下水特征、水化学特征、地质勘察、监控量测、施工工法、施工管理。一级指标中地质及岩体力学性质权重最大，说明需要随时关注围岩的性质，根据砂化等级的改变，及时改变施工方法、超前支护手段等。二级指标中地下水特征权重最大，这说明地下水对白云岩地层隧道影响非常大，施工中需要特别注意前方蕴含水量，尽量避开雨季。
[0088]
优选地，所述相互影响关系包括：地下水与砂化的相互影响、砂化与施工的相互影响、施工与地应力的相互影响、地下水与地应力的相互影响、地下水与施工的相互影响和砂化与地应力的相互影响。
[0089]
可选地，本实施例由上述方法可得富水砂化白云岩地层隧道掌子面的致灾因子权重，而这些致灾因子不完全是相互独立的，存在多个因子相互之间互相影响，动态调整，从而导致了掌子面的灾变。将相互影响且影响权重高的致灾因子合并、提炼，便得到地下水、砂化、施工和地应力四个具有代表性的因素。其中地下水主要包括地下水的渗流及溶蚀；砂化主要包括砂化程度及砂化后的物理力学参数；施工主要包括开挖扰动及控制措施；地应力主要包括初始地应力及地应力的调整，如图4所示。
[0090]
这四个因素之间的相互影响主要体现在：
[0091]
(1)地下水与砂化的相互影响：施工前，地下水的渗流溶蚀作用为白云岩的砂化提供了条件，逐渐提高白云岩的砂化等级，降低其强度，施工后，掌子面揭示，水压归零，地下水的渗流速度突然增大，进一步的潜蚀使细颗粒大量流失，导致砂化程度进一步增大，而砂化程度的增大使得岩体孔隙增大、裂隙增多，使得地下水的补给渗流更为通畅。
[0092]
(2)砂化与施工的相互影响：针对不同的砂化程度，需要采取不同的控制措施，如针对严重砂化白云岩，现场行之有效的双层密排大管棚法进行超前支护，施工因素对于砂化因素的影响主要为开挖的揭示及扰动，使得被压得相对密实的砂化白云岩松散，岩体强度进一步弱化。
[0093]
(3)施工与地应力的相互影响：隧道的开挖使得围岩地应力收到扰动，在原始的应力基础上进行重分布，最后趋于平衡。不同的施工工法会有不同的应力释放模式，包括释放的速度、优先释放的部位等，例如现场采用的三台阶法施工相比全断面法会使得地应力释放更为缓慢均匀，同时减小了先行掌子面的面积，掌子面稳定性会相对较好。此外不同的超前支护方案也决定着掌子面前方应力释放模式，超前管棚能够承担竖向扰动区的土压力，减小掌子面核心土受力，从而减小应力释放，帷幕注浆可以加强核心土本身参数，限制了大变形，减小应力释放效果更为显著。正因如此，地应力对于施工的影响主要表现为需要根据所要达到的效果来调整施工参数。
[0094]
(4)地下水与地应力的相互影响：地下水由于其静水压力作用，减小了围岩的有效应力，开挖后，由于动水压力使得掌子面围岩第三主应力减小，使得岩体更容易破坏。应力场对地下水的影响主要是因为影响了围岩的体积应变以及孔隙率，从而改变了渗流模式。
[0095]
(5)地下水与施工的相互影响：隧道的开挖给地下水的渗流提供了水头差，决定了渗流的出水位置，同时对地下水的控制要求决定了施工中采取的排堵水方案，合理的超前降水方案可以有效降低水压，防止涌突水的发生。
[0096]
(6)砂化与地应力的相互影响：白云岩砂化过程中，原始地应力的存在使得溶蚀到一定程度的白云岩容易发生机械崩解破碎，是砂化的重要物理原因。隧道开挖后，应力的重分布使得靠近掌子面区域的围岩逐渐扰动松散，物理力学参数逐渐减弱。而砂化程度的增大使得围岩更为软弱，应力释放更为容易，三向受力状态更一被破坏，掌子面更容易破坏。
[0097]
由以上分析可知，能够人为控制的只有施工因素，通过选取合适的施工因素，便能多角度地实现掌子面稳定性的控制，防止发生灾变。根据超前地质预报信息，选取合适的施工工法、超前支护措施、超前排堵水方案，便能防止地下水渗流的突变，防止砂化程度的进一步提高，同时使地应力有序安全的释放，实现富水砂化白云岩地层隧道的安全施工。
[0098]
优选地，在根据所述致灾因子的相互影响关系和所述权重对所述致灾因子进行合并和提炼，得到代表性因素之后，还包括：
[0099]
根据所述代表性因素进行施工建议和决策。
[0100]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种富水砂化白云岩地层隧道掌子面致灾因子评估方法，其特征在于，包括：获取富水砂化白云岩地层隧道掌子面的致灾因子；所述致灾因子包括：地质及岩体力学性质因子、水文地质因子和施工因子；基于层次分析法确定各所述致灾因子的权重；根据所述致灾因子的相互影响关系和所述权重对所述致灾因子进行合并和提炼，得到代表性因素；所述代表性因素包括地下水因素、砂化因素、施工因素和地应力因素。2.根据权利要求1所述的富水砂化白云岩地层隧道掌子面致灾因子评估方法，其特征在于，所述地质及岩体力学性质因子包括：白云岩矿物成分、白云岩的物理力学特性、地应力条件、白云岩砂化程度和地质构造情况。3.根据权利要求1所述的富水砂化白云岩地层隧道掌子面致灾因子评估方法，其特征在于，所述水文地质因子包括：地下水特征、地表水特征和水化学特征。4.根据权利要求1所述的富水砂化白云岩地层隧道掌子面致灾因子评估方法，其特征在于，所述施工因子包括：地质勘察、监控量测、施工工法和施工管理。5.根据权利要求1所述的富水砂化白云岩地层隧道掌子面致灾因子评估方法，其特征在于，基于层次分析法确定各所述致灾因子的权重，包括：根据所述致灾因子建立层次结构体系；所述层次结构体系包括各个致灾因子构建的各级指标；基于专家评分方法，根据所述层级结构体系确定各级指标的判断矩阵；对所述判断矩阵进行一致性判断，得到判断好的矩阵；计算所述判断好的矩阵的特征值，并进行归一化处理，得到各所述致灾因子的权重。6.根据权利要求1所述的富水砂化白云岩地层隧道掌子面致灾因子评估方法，其特征在于，所述相互影响关系包括：地下水与砂化的相互影响、砂化与施工的相互影响、施工与地应力的相互影响、地下水与地应力的相互影响、地下水与施工的相互影响和砂化与地应力的相互影响。7.根据权利要求1所述的富水砂化白云岩地层隧道掌子面致灾因子评估方法，其特征在于，在根据所述致灾因子的相互影响关系和所述权重对所述致灾因子进行合并和提炼，得到代表性因素之后，还包括：根据所述代表性因素进行施工建议和决策。

技术总结
本发明提供了一种富水砂化白云岩地层隧道掌子面致灾因子评估方法，包括：获取富水砂化白云岩地层隧道掌子面的致灾因子；所述致灾因子包括：地质及岩体力学性质因子、水文地质因子和施工因子；基于层次分析法确定各所述致灾因子的权重；根据所述致灾因子的相互影响关系和所述权重对所述致灾因子进行合并和提炼，得到代表性因素；所述代表性因素包括地下水因素、砂化因素、施工因素和地应力因素。本发明通过对掌子面致灾因子的评估，能够多角度地实现掌子面稳定性的控制，从而实现富水砂化白云岩地层隧道的安全施工。地层隧道的安全施工。地层隧道的安全施工。


技术研发人员：王武现 闫肃 杨晋文 齐永立 冯义涛 晋刘杰 孙毅
受保护的技术使用者：中铁十六局集团有限公司
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/9/6