云茂高速公路南寨隧道涌水量监测及沉降观测

曹正东

(广东华路交通科技有限公司，广州 510420)

0 引言

研究隧道涌水量以及沉降问题首先需要将地质水文信息作为基础[1]。云茂高速公路处于广东以西至广西地区、西南地区，是连接珠江三角洲的重要通道。该地域地质条件非常复杂，包含地下河以及溶岩管道，且围岩可能存在断层带破碎或侵入岩接触面损伤等情况。隧道建设施工中影响最大的因素是涌水灾害与沉降灾害[2-3]，不但会对实际施工造成阻碍和困难，还会对完工后实际应用造成安全隐患。准确监测隧道涌水量与沉降情况，一直是众多相关学者的重点研究内容[4]。

对于隧道涌水的监测，传统方法是探查隧道围岩地下水分布情况以及走势规律，针对需要开挖隧道的水文与地质情况实时勘查，包括地下水分布的富集带、裂隙密集带以及断裂构造带的地下涌水情况，探查方法通常采用钻探、同位素分析、物探、水温测定、水化学等[5-7]。随着技术水平不断提高，涌水位置与涌水量的计算与监测通常使用模糊数学或随机数学方法。

一般情况下，通过确定施工隧道的施工方式以及水文地质条件的复杂程度，再决定采用何种数学模型监测隧道涌水量。有学者应用“大井法”或“大气降水入渗法”监测隧道工程的涌水量情况[8-9]，但是这两种方法的监测结果与实际测量结果相比，误差较大，监测效果并不理想。隧道施工中观测沉降时常常使用水准法，这种方法数据稳定性较高，但是精度较低，在部分施工环境中观测效果差，操作难度高。使用悬挂钢尺直接测量沉降的方法常常受到施工环境的干扰，而且使用人力直接测量常常会导致出现误差，影响施工效果[10-11]。

为了解决上述问题，本文依托云茂高速公路TJ6标南寨隧道，提出隧道涌水量监测及沉降观测技术。采用非稳定流解析方法以及全站仪三角高程法，分别进行云茂高速公路TJ6标南寨隧道涌水量监测及沉降观测。试验结果表明，使用该方法检测涌水量误差较小，沉降观测适应性较强。此外，在安全施工的要求下，使用人工测量的方式已经不能适用于复杂环境的沉降观测。隧道的地表高程具有多变性，水准方法观测沉降时工作量较大、效率也较低，如使用非接触测量，能够有效提高观测效率，降低人为因素的影响。

1 涌水量监测与沉降观测技术

1.1 工程概况

云茂高速公路TJ6标南寨隧道地处广东西部，光照与雨量较充沛，全年降水量约为1 453mm，岩层中包含花岗岩、砂页岩、黏土等。南寨隧道穿过构造剥蚀丘陵，为分离式长隧道，右洞起讫桩号为YK39+510～YK41+042，长1 532m。洞门采用端墙式，设计纵坡为2.2%～-0.0744%，与路线纵面线形保持一致。隧道建筑界限为11m(净宽)×5m(净高)，隧道全部为Ⅴ级围岩，其中YK39+690～YK39+840支护级别为S-Vc。南寨隧道地质情况复杂，施工难度高，安全风险大[12]。山体陡峭，隧道最大埋深约149.2m。根据钻探及调绘成果，隧址区地层岩性为第四系坡残积粉质黏土、元古代云开岩群变质砂岩及其风化层。隧道线路地形起伏大，地面标高138.0～342.5m，最大相对高差约204.5m。山体植被茂密，两端洞口坡形较陡，最大坡角约45°。由于受F1断裂影响，岩体总体风化强烈，岩体节理裂隙发育较破碎。坡残积土层、全～强风化岩岩质极软，遇水易软化崩解；中风化层岩质较软，微风化层岩质较硬。隧道地下水以基岩裂隙水为主，基岩裂隙水局部发育，地下水补给主要为大气降水补给。

1.2 涌水量监测

本文采用非稳定流解析法监测隧道涌水量，式(1)为地下水非稳定流数学表达式：

(1)

式中:D与P分别表示降深与钻孔抽水量；S与σ分别表示导水系数与释水系数；t与g表示抽水持续时间与涌水半径；v表示给水度；d表示微分，f表示取整运算。

分析地下水动力学时，一般会采用井函数W(v)取代指数积分：

(2)

将方程求解得到式(3)，该式也被称为泰斯公式：

(3)

(4)

式(4)也被称为雅各布近似公式，该式适用范围为时间t较长而径向距离较短时。雅各布近似公式与泰斯公式之间存在误差，具体的误差见表1。

表1 泰斯公式与雅各布近似公式之间误差关系

变换式(3)得到隧道涌水量公式：

(5)

式中：E表示涌水量。假如取值范围在0.01～0.10之间，则计算涌水量的雅各布近似公式如下式所示。

(6)

1.3 沉降观测

采用全站仪三角高程法测量隧道拱顶沉降，观测过程如图1所示。

图1 沉降观测过程

从图1可看出，点X与点Y分别代表隧道中的工作基准点与拱顶沉降点，全站仪的位置使用点以J表示。依据掘进速度，在点Y安装一个包含固定反射标志的测点装置，测试点和反射标志中心之间的垂直距离用U2表示。隧道底部围岩中的基准点组成工作基准点X，布置工作基点时起码同时布置三个以上组成一组，目的是实现校核高程。在外部设置水准基准点，采用二等水准法校准隧道内部工作基点高程KX。为实行测量在点X设置一个工作觇标，觇标底部与反射中心之间的垂直距离以U1表示。采用全站仪实行测量时使用自由设站法，这种方法位置比较固定，全站仪所架设的位置具有预设标志[14]。

利用全站仪观测点X到点Y之间的距离与垂直角：P1、P2、β1、β2，通过这些距离值与垂直角值求出点X与点Y发射标志的相对高程：Δk1与Δk2，最后获得点Y的高程值KB与点X和点Y之间的相对高差ΔkAB。计算公式如下：

KB=KA+ΔkAB

(7)

ΔkAB=Δk2+U2-Δk1+U1

(8)

实际测量时，点X每次安装统一的工作觇标，点Y是固定发射装置，所以测试点和反射标志中心之间的垂直距离U2与觇标底部与反射中心之间的垂直距离U1均为定值。通过式(7)与式(8)，计算拱顶沉降(相对于点Y的高程初次测量值变化)Δk：

(9)

(10)

2 试验结果

2.1 涌水量监测

采用本文方法检测云茂高速公路TJ6标南寨隧道涌水量，假设导水系数值与降深分别为44T/(m2·d-1)和1s/m，涌水半径与释水系数分别为1m和10-4m，监测时间分别为15d与1min(6.9×10-4d)，监测涌水量结果见表2。

表2 涌水量监测结果

从表2可见，经过计算获得监测15d与1min(6.9×10-4d)的隧道平均涌水量分别为26 817(m3·d-1)和9 867(m3·d-1)。为验证监测方法的性能，同时采用“大井法”(文献[8]方法)和“大气降水入渗法”(文献[9]方法)监测云茂高速公路TJ6标南寨隧道的涌水量，将本文方法计算得出的监测涌水量，与另两种方法试验结果实行对比，监测时间为10d，自2018年10月22日开始监测，对比结果如图2所示。

图2 涌水量监测效果对比

从图2可看出，云茂高速公路TJ6标南寨隧道初期涌水量较大，随着时间的推移，涌水量逐渐降低至稳定。本文方法检测的涌水量与使用仪器试剂测量的涌水量最为接近，相比之下，另两种方法监测涌水量的结果与仪器实际测量的结果偏差较大，由此可以表明，本文方法监测涌水量的结果是可行的。

2.2 沉降观测

采用全站仪实际测量时，在大气折光与地球曲率不对三角高程造成影响的情况下，测角与测距均存在误差，将该误差分别设定为sp和sβ，采用式(11)计算拱顶误差sh。

(11)

测角误差与测量误差会对高差精度造成影响,测距与垂直角增大，误差也随之增加，式(11)中，δ取值为205 154″。实际观测隧道沉降时，取25～55m之间作为变长。观测拱顶测点的垂直角(前视角)与工作基点的垂直角(后视角)分别控制在5°～10°与1°～5°；使用测角精度与测距精度分别为sβ=±1″和sp=±(2mm+2ppm)的全站仪测量时得到的中误差值见表3。

表3 垂直角影响中误差值结果

实际施工过程中要求误差不高于变形量的0.10～0.05之间，隧道挖掘时，地表沉降与围岩变形需控制在10～200mm和10～100mm之间。从表3可看出，拱顶与地表的误差分别达到±0.37mm和±0.56mm，表明本文方法观测沉降的精度比较高，符合工程变形检测标准。

为进一步验证本文方法观测隧道沉降的可靠性，在云茂高速公路TJ6标南寨隧道中布置3个测量点以及1个工作基准点，依照测量技术规范设置基准点，试验开始前，依据相对于工作基准点的水准观测测量点高程变化作为校核标准。观测沉降时使用TOPCON601全站仪，测距精度与测角精度分别为sβ=±1″和sp=±(2mm+2ppm)。反复观测6次，每次间隔2～3d，观测值和误差结果见表4。

表4 观测值与中误差

从表4可看出，理论计算值与实际测量误差近似，测距增大，误差也随之增加，所以实际施工时边长应作为控制因素的重点。通过以上分析，运用全站仪三角高程测量法观测隧道内的地表和拱顶沉降是有效的。

实际测量时，应确保在同一位置设置观测仪，保证每次观测时的环境一致。在隧道内部通过辅助光源增强环境中的能见度，初始观测点的选择为各掌子面到管侧面10～20m的距离。云茂高速公路TJ6标南寨隧道中拱顶沉降观测结果如图3所示。

图3 拱顶沉降观测结果

从图3可以看出，施工初期，隧道中发生了比较明显的变形情况，这与云茂高速公路TJ6标南寨隧道实际施工情况基本吻合。随着时间的推移，沉降量逐渐稳定。在观测末期，观测结果已经呈现稳定状态，在整体趋势中存在±0.3mm的测量误差。

云茂高速公路TJ6标南寨隧道施工时，近70个检测断面拱顶采用本文方法观测沉降，隧道出口处地表沉降情况见表5。

表5 地表沉降变化情况

从表5可看出，随着隧道挖掘不断推进，沉降逐渐增加，初期出现一个明显的上升，当掘进到一定深度时，沉降量呈现一个平稳的状态，升高趋势逐渐平缓。由此表明，本文方法能够准确观测到云茂高速公路TJ6标南寨隧道施工过程中发生的沉降情况。

3 结语

本文采用非稳定流解析法监测云茂高速公路TJ6标南寨隧道施工时的涌水量，同时采用全站仪三角高程法观测该工程的沉降情况。非稳定流解析法与其他方法相比计算过程更简便，直观性更强。使用该方法不仅能够通过计算监测施工隧道的涌水量，还能将稳定流量作为基础，计算出不同位置与时间下的水位降深，能够应对各种施工场所的计算需求。

与其他方法相同，本文方法也需要在水文地质条件较理想的情况下开展，可以通过反复计算增加对研究区域的地质条件深化认识。通过全站仪三角高程法观测云茂高速公路TJ6标南寨隧道拱顶与地表沉降的实践，表明该方法能够满足施工时的具体需求，适应性较强。