曹正東

(廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

研究隧道涌水量以及沉降問題首先需要將地質(zhì)水文信息作為基礎(chǔ)[1]。云茂高速公路處于廣東以西至廣西地區(qū)、西南地區(qū)，是連接珠江三角洲的重要通道。該地域地質(zhì)條件非常復(fù)雜，包含地下河以及溶巖管道，且圍巖可能存在斷層帶破碎或侵入巖接觸面損傷等情況。隧道建設(shè)施工中影響最大的因素是涌水災(zāi)害與沉降災(zāi)害[2-3]，不但會(huì)對實(shí)際施工造成阻礙和困難，還會(huì)對完工后實(shí)際應(yīng)用造成安全隱患。準(zhǔn)確監(jiān)測隧道涌水量與沉降情況，一直是眾多相關(guān)學(xué)者的重點(diǎn)研究內(nèi)容[4]。

對于隧道涌水的監(jiān)測，傳統(tǒng)方法是探查隧道圍巖地下水分布情況以及走勢規(guī)律，針對需要開挖隧道的水文與地質(zhì)情況實(shí)時(shí)勘查，包括地下水分布的富集帶、裂隙密集帶以及斷裂構(gòu)造帶的地下涌水情況，探查方法通常采用鉆探、同位素分析、物探、水溫測定、水化學(xué)等[5-7]。隨著技術(shù)水平不斷提高，涌水位置與涌水量的計(jì)算與監(jiān)測通常使用模糊數(shù)學(xué)或隨機(jī)數(shù)學(xué)方法。

一般情況下，通過確定施工隧道的施工方式以及水文地質(zhì)條件的復(fù)雜程度，再?zèng)Q定采用何種數(shù)學(xué)模型監(jiān)測隧道涌水量。有學(xué)者應(yīng)用“大井法”或“大氣降水入滲法”監(jiān)測隧道工程的涌水量情況[8-9]，但是這兩種方法的監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果相比，誤差較大，監(jiān)測效果并不理想。隧道施工中觀測沉降時(shí)常常使用水準(zhǔn)法，這種方法數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較高，但是精度較低，在部分施工環(huán)境中觀測效果差，操作難度高。使用懸掛鋼尺直接測量沉降的方法常常受到施工環(huán)境的干擾，而且使用人力直接測量常常會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)誤差，影響施工效果[10-11]。

為了解決上述問題，本文依托云茂高速公路TJ6標(biāo)南寨隧道，提出隧道涌水量監(jiān)測及沉降觀測技術(shù)。采用非穩(wěn)定流解析方法以及全站儀三角高程法，分別進(jìn)行云茂高速公路TJ6標(biāo)南寨隧道涌水量監(jiān)測及沉降觀測。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用該方法檢測涌水量誤差較小，沉降觀測適應(yīng)性較強(qiáng)。此外，在安全施工的要求下，使用人工測量的方式已經(jīng)不能適用于復(fù)雜環(huán)境的沉降觀測。隧道的地表高程具有多變性，水準(zhǔn)方法觀測沉降時(shí)工作量較大、效率也較低，如使用非接觸測量，能夠有效提高觀測效率，降低人為因素的影響。

1 涌水量監(jiān)測與沉降觀測技術(shù)

1.1 工程概況

云茂高速公路TJ6標(biāo)南寨隧道地處廣東西部，光照與雨量較充沛，全年降水量約為1 453mm，巖層中包含花崗巖、砂頁巖、黏土等。南寨隧道穿過構(gòu)造剝蝕丘陵，為分離式長隧道，右洞起訖樁號(hào)為YK39+510～YK41+042，長1 532m。洞門采用端墻式，設(shè)計(jì)縱坡為2.2%～-0.0744%，與路線縱面線形保持一致。隧道建筑界限為11m(凈寬)×5m(凈高)，隧道全部為Ⅴ級圍巖，其中YK39+690～YK39+840支護(hù)級別為S-Vc。南寨隧道地質(zhì)情況復(fù)雜，施工難度高，安全風(fēng)險(xiǎn)大[12]。山體陡峭，隧道最大埋深約149.2m。根據(jù)鉆探及調(diào)繪成果，隧址區(qū)地層巖性為第四系坡殘積粉質(zhì)黏土、元古代云開巖群變質(zhì)砂巖及其風(fēng)化層。隧道線路地形起伏大，地面標(biāo)高138.0～342.5m，最大相對高差約204.5m。山體植被茂密，兩端洞口坡形較陡，最大坡角約45°。由于受F1斷裂影響，巖體總體風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育較破碎。坡殘積土層、全～強(qiáng)風(fēng)化巖巖質(zhì)極軟，遇水易軟化崩解；中風(fēng)化層巖質(zhì)較軟，微風(fēng)化層巖質(zhì)較硬。隧道地下水以基巖裂隙水為主，基巖裂隙水局部發(fā)育，地下水補(bǔ)給主要為大氣降水補(bǔ)給。

1.2 涌水量監(jiān)測

本文采用非穩(wěn)定流解析法監(jiān)測隧道涌水量，式(1)為地下水非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)表達(dá)式：

(1)

式中:D與P分別表示降深與鉆孔抽水量；S與σ分別表示導(dǎo)水系數(shù)與釋水系數(shù)；t與g表示抽水持續(xù)時(shí)間與涌水半徑；v表示給水度；d表示微分，f表示取整運(yùn)算。

分析地下水動(dòng)力學(xué)時(shí)，一般會(huì)采用井函數(shù)W(v)取代指數(shù)積分：

(2)

將方程求解得到式(3)，該式也被稱為泰斯公式：

(3)

(4)

式(4)也被稱為雅各布近似公式，該式適用范圍為時(shí)間t較長而徑向距離較短時(shí)。雅各布近似公式與泰斯公式之間存在誤差，具體的誤差見表1。

表1 泰斯公式與雅各布近似公式之間誤差關(guān)系

變換式(3)得到隧道涌水量公式：

(5)

式中：E表示涌水量。假如取值范圍在0.01～0.10之間，則計(jì)算涌水量的雅各布近似公式如下式所示。

(6)

1.3 沉降觀測

采用全站儀三角高程法測量隧道拱頂沉降，觀測過程如圖1所示。

圖1 沉降觀測過程

從圖1可看出，點(diǎn)X與點(diǎn)Y分別代表隧道中的工作基準(zhǔn)點(diǎn)與拱頂沉降點(diǎn)，全站儀的位置使用點(diǎn)以J表示。依據(jù)掘進(jìn)速度，在點(diǎn)Y安裝一個(gè)包含固定反射標(biāo)志的測點(diǎn)裝置，測試點(diǎn)和反射標(biāo)志中心之間的垂直距離用U2表示。隧道底部圍巖中的基準(zhǔn)點(diǎn)組成工作基準(zhǔn)點(diǎn)X，布置工作基點(diǎn)時(shí)起碼同時(shí)布置三個(gè)以上組成一組，目的是實(shí)現(xiàn)校核高程。在外部設(shè)置水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)，采用二等水準(zhǔn)法校準(zhǔn)隧道內(nèi)部工作基點(diǎn)高程KX。為實(shí)行測量在點(diǎn)X設(shè)置一個(gè)工作覘標(biāo)，覘標(biāo)底部與反射中心之間的垂直距離以U1表示。采用全站儀實(shí)行測量時(shí)使用自由設(shè)站法，這種方法位置比較固定，全站儀所架設(shè)的位置具有預(yù)設(shè)標(biāo)志[14]。

利用全站儀觀測點(diǎn)X到點(diǎn)Y之間的距離與垂直角：P1、P2、β1、β2，通過這些距離值與垂直角值求出點(diǎn)X與點(diǎn)Y發(fā)射標(biāo)志的相對高程：Δk1與Δk2，最后獲得點(diǎn)Y的高程值KB與點(diǎn)X和點(diǎn)Y之間的相對高差ΔkAB。計(jì)算公式如下：

KB=KA+ΔkAB

(7)

ΔkAB=Δk2+U2-Δk1+U1

(8)

實(shí)際測量時(shí)，點(diǎn)X每次安裝統(tǒng)一的工作覘標(biāo)，點(diǎn)Y是固定發(fā)射裝置，所以測試點(diǎn)和反射標(biāo)志中心之間的垂直距離U2與覘標(biāo)底部與反射中心之間的垂直距離U1均為定值。通過式(7)與式(8)，計(jì)算拱頂沉降(相對于點(diǎn)Y的高程初次測量值變化)Δk：

(9)

(10)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 涌水量監(jiān)測

采用本文方法檢測云茂高速公路TJ6標(biāo)南寨隧道涌水量，假設(shè)導(dǎo)水系數(shù)值與降深分別為44T/(m2·d-1)和1s/m，涌水半徑與釋水系數(shù)分別為1m和10-4m，監(jiān)測時(shí)間分別為15d與1min(6.9×10-4d)，監(jiān)測涌水量結(jié)果見表2。

表2 涌水量監(jiān)測結(jié)果

從表2可見，經(jīng)過計(jì)算獲得監(jiān)測15d與1min(6.9×10-4d)的隧道平均涌水量分別為26 817(m3·d-1)和9 867(m3·d-1)。為驗(yàn)證監(jiān)測方法的性能，同時(shí)采用“大井法”(文獻(xiàn)[8]方法)和“大氣降水入滲法”(文獻(xiàn)[9]方法)監(jiān)測云茂高速公路TJ6標(biāo)南寨隧道的涌水量，將本文方法計(jì)算得出的監(jiān)測涌水量，與另兩種方法試驗(yàn)結(jié)果實(shí)行對比，監(jiān)測時(shí)間為10d，自2018年10月22日開始監(jiān)測，對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 涌水量監(jiān)測效果對比

從圖2可看出，云茂高速公路TJ6標(biāo)南寨隧道初期涌水量較大，隨著時(shí)間的推移，涌水量逐漸降低至穩(wěn)定。本文方法檢測的涌水量與使用儀器試劑測量的涌水量最為接近，相比之下，另兩種方法監(jiān)測涌水量的結(jié)果與儀器實(shí)際測量的結(jié)果偏差較大，由此可以表明，本文方法監(jiān)測涌水量的結(jié)果是可行的。

2.2 沉降觀測

采用全站儀實(shí)際測量時(shí)，在大氣折光與地球曲率不對三角高程造成影響的情況下，測角與測距均存在誤差，將該誤差分別設(shè)定為sp和sβ，采用式(11)計(jì)算拱頂誤差sh。

(11)

測角誤差與測量誤差會(huì)對高差精度造成影響,測距與垂直角增大，誤差也隨之增加，式(11)中，δ取值為205 154″。實(shí)際觀測隧道沉降時(shí)，取25～55m之間作為變長。觀測拱頂測點(diǎn)的垂直角(前視角)與工作基點(diǎn)的垂直角(后視角)分別控制在5°～10°與1°～5°；使用測角精度與測距精度分別為sβ=±1″和sp=±(2mm+2ppm)的全站儀測量時(shí)得到的中誤差值見表3。

表3 垂直角影響中誤差值結(jié)果

實(shí)際施工過程中要求誤差不高于變形量的0.10～0.05之間，隧道挖掘時(shí)，地表沉降與圍巖變形需控制在10～200mm和10～100mm之間。從表3可看出，拱頂與地表的誤差分別達(dá)到±0.37mm和±0.56mm，表明本文方法觀測沉降的精度比較高，符合工程變形檢測標(biāo)準(zhǔn)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法觀測隧道沉降的可靠性，在云茂高速公路TJ6標(biāo)南寨隧道中布置3個(gè)測量點(diǎn)以及1個(gè)工作基準(zhǔn)點(diǎn)，依照測量技術(shù)規(guī)范設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，試驗(yàn)開始前，依據(jù)相對于工作基準(zhǔn)點(diǎn)的水準(zhǔn)觀測測量點(diǎn)高程變化作為校核標(biāo)準(zhǔn)。觀測沉降時(shí)使用TOPCON601全站儀，測距精度與測角精度分別為sβ=±1″和sp=±(2mm+2ppm)。反復(fù)觀測6次，每次間隔2～3d，觀測值和誤差結(jié)果見表4。

表4 觀測值與中誤差

從表4可看出，理論計(jì)算值與實(shí)際測量誤差近似，測距增大，誤差也隨之增加，所以實(shí)際施工時(shí)邊長應(yīng)作為控制因素的重點(diǎn)。通過以上分析，運(yùn)用全站儀三角高程測量法觀測隧道內(nèi)的地表和拱頂沉降是有效的。

實(shí)際測量時(shí)，應(yīng)確保在同一位置設(shè)置觀測儀，保證每次觀測時(shí)的環(huán)境一致。在隧道內(nèi)部通過輔助光源增強(qiáng)環(huán)境中的能見度，初始觀測點(diǎn)的選擇為各掌子面到管側(cè)面10～20m的距離。云茂高速公路TJ6標(biāo)南寨隧道中拱頂沉降觀測結(jié)果如圖3所示。

圖3 拱頂沉降觀測結(jié)果

從圖3可以看出，施工初期，隧道中發(fā)生了比較明顯的變形情況，這與云茂高速公路TJ6標(biāo)南寨隧道實(shí)際施工情況基本吻合。隨著時(shí)間的推移，沉降量逐漸穩(wěn)定。在觀測末期，觀測結(jié)果已經(jīng)呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，在整體趨勢中存在±0.3mm的測量誤差。

云茂高速公路TJ6標(biāo)南寨隧道施工時(shí)，近70個(gè)檢測斷面拱頂采用本文方法觀測沉降，隧道出口處地表沉降情況見表5。

表5 地表沉降變化情況

從表5可看出，隨著隧道挖掘不斷推進(jìn)，沉降逐漸增加，初期出現(xiàn)一個(gè)明顯的上升，當(dāng)掘進(jìn)到一定深度時(shí)，沉降量呈現(xiàn)一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài)，升高趨勢逐漸平緩。由此表明，本文方法能夠準(zhǔn)確觀測到云茂高速公路TJ6標(biāo)南寨隧道施工過程中發(fā)生的沉降情況。

3 結(jié)語

本文采用非穩(wěn)定流解析法監(jiān)測云茂高速公路TJ6標(biāo)南寨隧道施工時(shí)的涌水量，同時(shí)采用全站儀三角高程法觀測該工程的沉降情況。非穩(wěn)定流解析法與其他方法相比計(jì)算過程更簡便，直觀性更強(qiáng)。使用該方法不僅能夠通過計(jì)算監(jiān)測施工隧道的涌水量，還能將穩(wěn)定流量作為基礎(chǔ)，計(jì)算出不同位置與時(shí)間下的水位降深，能夠應(yīng)對各種施工場所的計(jì)算需求。

與其他方法相同，本文方法也需要在水文地質(zhì)條件較理想的情況下開展，可以通過反復(fù)計(jì)算增加對研究區(qū)域的地質(zhì)條件深化認(rèn)識(shí)。通過全站儀三角高程法觀測云茂高速公路TJ6標(biāo)南寨隧道拱頂與地表沉降的實(shí)踐，表明該方法能夠滿足施工時(shí)的具體需求，適應(yīng)性較強(qiáng)。