CN116220814A - 深埋隧洞全生命期外水压力演化过程监测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深埋隧洞全生命期外水压力演化过程监测***及方法。监测***包括了地表深孔超前分层水压力监测单元和洞内多孔水压力监测单元，并通过多通道数据采集仪和无线传输模块自动采集和传输数据，实现对深埋隧洞全生命期外水压力的实时监测。监测方法为：根据深埋隧洞掌子面桩号和地层岩性特征，确定现场监测断面的桩号；在监测断面上方布设地表深孔超前分层水压力监测单元，并进行监测；在监测断面布设洞内多孔水压力监测单元，并进行监测。与现有技术相比，本发明可以实现对深埋隧洞全生命期外水压力的形成与演化过程的实时监测，填补了现有技术的空白。

Description

深埋隧洞全生命期外水压力演化过程监测***及方法

技术领域

本发明涉及一种深埋隧洞外水压力监测***及方法，具体地说，涉及一种实时监测深埋隧洞全生命期外水压力形成过程与演化过程的监测***及方法。本发明可应用于水利水电工程领域长距离深埋隧洞从开始施工--施工全过程—施工完毕---运行期全生命期内，外水压力的形成过程与演化规律的实时监测与分析，为深埋隧洞的设计提供科学依据。

背景技术

近年来随着我国长距离引调水工程的兴建，工程中不断出现深埋隧洞。大多数工程隧洞最大埋深深度为地表下500m～1000m，但是，目前已有个别工程中的隧洞其最大埋深深度已超过2000m，如引汉济渭工程隧洞最大埋深深度为地表下2012m，锦屏二级水电站引水隧洞最大埋深深度为地表下2525m。由于深埋隧洞的埋深大，工程设计中普遍面临隧洞高外水压力问题，因此，隧洞外水压力是长距离引调水工程中深埋隧洞设计必须要考虑的一个重要内容。

根据现行《水工隧洞设计规范》(SL279-2016)，作用于隧洞衬砌结构上的外力压力可由隧洞上方的初始水头乘以折减系数来估算。因此，在进行深埋隧洞设计时，需要确定开挖前隧洞上方的初始水头。由于深埋隧洞与浅埋隧洞不同，其埋深大，隧洞上方普遍会分布有多个不同透水能力的地层，而且局部可能还存在有一个或多个隔水层，使上、下地层间失去水力联系，故只有分层监测不同地层间的水力联系，才能准确获得开挖前隧洞上方的初始水头。

然而，目前，对于深埋隧洞开挖前其上方初始水头的确定，工程中主要是通过地表孔监测来确定，即在地表地层内钻孔，孔内仅安装一支监测仪。这种监测方法的弊端是监测的仅仅是深埋隧洞开挖上方地表地层的或地表下某个地层的初始水头，所量测的结果并没有真实的反应开挖前隧洞上方的初始水头，所以，据此估算出的深埋隧洞所承受的外水压力是不准确的，设计的深埋隧洞衬砌层结构也是不准确的。

另外，作用于深埋隧洞衬砌结构上的外水压力，除了与隧洞上方初始水头有关，还受为应对高外水压力所采取的渗控措施(如，围岩注浆和衬砌排水)的影响，不同渗控措施会使得作用于深埋隧洞的外水压力有所不同，进而也会影响《水工隧洞设计规范》(SL279-2016)中折减系数的最终取值。

总之，目前，在深埋隧洞设计以及现场施工过程中缺乏科学、准确的监测深埋隧洞外水压力的方法。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种深埋隧洞全生命期外水压力的监测***及方法。该监测***及方法可实现从深埋隧洞开始施工---施工全过程---施工完毕--运行期全生命期内，对隧洞外水压力的形成过程与演化规律进行实时监测，为深埋隧洞的设计提供科学依据。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种深埋隧洞全生命期外水压力演化过程监测方法，它包括如下步骤：

S1、根据深埋隧洞掌子面桩号和地层岩性特征，确定现场监测断面的桩号；

S1.1、采用源-汇理论模型，确定深埋隧洞掌子面周围总水头φ；

S1.2、监测深埋隧洞施工过程中掌子面的涌水量Q，并根据隧洞掌子面周围总水头φ，确定深埋隧洞掌子面地下水影响半径r_d；

式中：Q为深埋隧道掌子面的涌水量；k是深埋隧洞上覆地层最大渗透系数；β是总水头百分比系数；h₀是地下水位线至隧洞洞轴线的垂直深度；

S1.3、根据深埋隧洞掌子面的桩号以及地下水影响半径r_d，确定掌子面前方现场监测断面的桩号K：

K-K₀＝αr_d

式中：K₀为深埋隧洞开挖掌子面桩号，r_d为深埋隧洞开挖掌子面地下水影响半径；α为安全系数，一般取α＝1.5；

S.2：在现场监测断面的正上方，布设地表深孔超前分层水压力监测单元，监测深埋隧洞全生命周期外水压力；

S2.1、在监测断面的正上方，自地表地层开始向下钻孔形成地表深孔；

孔径不小于76mm；孔的深度h为：

h＝H₀-r-T-D

式中，T为深埋隧洞固结灌浆层厚度，单位m；r是深埋隧洞半径，单位m；H₀为深埋隧洞埋深，单位为m；D为表示地表深孔孔底至深埋隧洞固结灌浆层外圈的距离；

S2.2、在地表深孔内，从孔底往上，每个地层段内布设至少一个渗压计；相邻两个地层分界线处灌注一段封堵段，将相邻的两个渗压计物理隔离开；

S2.3、在地表布设一台多通道数据采集仪和数据无线传输单元；每个渗压计的测量数据输出端通过信号线缆与多通道数据采集仪的信号输入端相连；多通道数据采集仪通过数据无线传输单元将接收到的数据存储到服务器或云平台中，供控制端或上位机调取分析；

S2.4、利用地表深孔内的渗压计监测深埋隧洞全生命周期外水压力；

S.3：待深埋隧洞掘进到监测断面处时，在隧洞内布设洞内多孔水压力监测单元，监测深埋隧洞掘进过程中以及运行期外水压力；

S3.1、在深埋隧洞监测断面处，自隧洞内向外钻至少三个孔径大于76mm径向深度不同的洞内监测孔；其中一个洞内监测孔位于隧洞固结灌浆层的***岩层，用于监测***岩层内的平均水压力；一个洞内监测孔位于隧洞固结灌浆层，用于监测固结灌浆层内的平均水压力；一个洞内监测孔位于深埋隧洞衬砌层外侧，用于监测施加在深埋隧洞衬砌层外侧的水压力；

每个洞内监测孔分为前段和后段两部分，前段远离深埋隧洞为测量段；后段靠近深埋隧洞为封堵段；

S3.2、在每个洞内监测孔的测量段内布设一只渗压计，并用细砂填满整个测量段，渗压计包裹在细砂内；

S3.3、在隧洞内布设一台多通道数据采集仪和数据无线传输单元；每个渗压计的测量数据输出端通过信号线缆与多通道数据采集仪的信号输入端相连；多通道数据采集仪通过数据无线传输单元将接收到的数据存储到服务器或云平台中，供控制端或上位机调取分析；

S3.4、将每个洞内监测孔的后段灌浆封堵死，防止窜孔；

S3.5、利用洞内监测孔内的渗压计监测深埋隧洞外水压力；

S3.6、依次施作衬砌，进行灌浆，充水运行，继续利用洞内多孔水压力监测单元实时监测深埋隧洞外水压力。

进一步地，所述步骤S1中选择的现场监测断面与深埋隧洞施工掌子面位于同一个水文地质单元。

进一步地，所述步骤S2地表深孔超前分层水压力监测单元的布设要在隧洞掌子面掘进到距离地表深孔r_d范围之前完成。

进一步地，所述步骤S2.2中相邻两个地层分界线处灌注的封堵段的长度大于2m。

进一步地，所述步骤S3.1中的三个洞内监测孔深度由浅至深分别达到深埋隧洞衬砌层外侧、预施作的固结灌浆层的中间位置、***岩层位置；且，所述位于***岩层内的洞内监测孔封堵段的长度大于所述位于固结灌浆层内的洞内监测孔的孔深；所述位于固结灌浆层内的洞内监测孔封堵段的长度大于所述位于深埋隧洞衬砌层外侧的洞内监测孔的孔深。

进一步地，所述步骤S3.1中的三个洞内监测孔径向深度之间的关系为：

式中，d₁₁，d₂₁，d₃₁分别表示孔深由小到大的三个洞内监测孔测量段的长度，单位m，d₁₂，d₂₂，d₃₂分别表示孔深由小到大的三个洞内监测孔封堵段的长度，单位m，T表示深埋隧洞外一圈固结灌浆层的厚度，单位m。

进一步地，所述位于深埋隧洞固结灌浆层***岩层内的洞内监测孔测量段长度d₃₁大于等于2.0m；所述位于深埋隧洞固结灌浆层内的洞内监测孔测量段长度d₂₁大于1.0m；所述位于深埋隧洞衬砌层外侧的洞内监测孔测量段长度d₁₁大于0.5m。

本发明公开的一种深埋隧洞全生命期外水压力监测***，它包括地表深孔超前分层水压力监测单元、洞内多孔水压力监测单元和数据无线传输单元；

所述地表深孔超前分层水压力监测单元包括地表深孔、若干支渗压计、多通道数据采集仪；

所述地表深孔位于深埋隧洞开挖掌子面的前方，建成后的深埋隧洞的上方；所述地表深孔自地表钻至深埋隧洞的上方，其经过山体的不同地层；在所述地表深孔内，不同地层段内设置至少一个所述渗压计；所述每个渗压计的测量数据输出端通过信号线缆与所述多通道数据采集仪的信号输入端相连；在所述地表深孔内，地层分界线处灌注有一段封堵段；

所述洞内多孔水压力监测单元位于所述地表深孔的正下方，垂直于深埋隧洞洞轴线的监测断面上；所述洞内多孔水压力监测单元包括至少三个洞内监测孔、至少三支渗压计、多通道数据采集仪；

所有洞内监测孔位于同一断面上，且所述每个洞内监测孔的径向深度不同；其中至少一个洞内监测孔位于深埋隧洞***岩层，一个洞内监测孔位于深埋隧洞固结灌浆层，一个洞内监测孔位于深埋隧洞衬砌层外侧；

在所述每个洞内监测孔内放置有一个所述渗压计；在深埋隧洞内设有所述多通道数据采集仪和无线传输模块；所述每个渗压计的测量数据输出端通过信号线缆与所述多通道数据采集仪的信号输入端相连；

所述多通道数据采集仪通过所述数据无线传输单元将接收到的数据存储到服务器中或云平台上，供控制端或上位机调取。

进一步地，所述地表深孔的桩号K与深埋隧洞开挖掌子面桩号K₀之间的关系为：

K-K₀＝αr_d

其中：K₀为深埋隧洞开挖掌子面桩号，r_d为深埋隧洞开挖掌子面地下水影响半径；α是安全系数；

所述地表深孔的深度h为：

h＝H₀-r-T-D

式中，T为深埋隧洞固结灌浆层厚度，单位m；r是深埋隧洞半径，单位m；H₀为深埋隧洞的埋深，单位为m；D为地表深孔孔底至固结灌浆层外圈的距离。

进一步地，所述每个洞内监测孔分为前段和后段两部分，前段远离深埋隧洞为测量段，内置有所述渗压计；后段靠近深埋隧洞为封堵段；

所述前段内塞满细砂，所述渗压计包裹在细砂内；所述后段被灌浆封堵死；

所述位于***岩层内的洞内监测孔封堵段的长度大于所述位于固结灌浆层内的洞内监测孔的孔深；

所述位于固结灌浆层内的洞内监测孔封堵段的长度大于所述位于深埋隧洞衬砌层外侧的洞内监测孔的孔深。

附图说明

图1是本发明地表深孔超前分层水压力监测单元结构示意图；

图2是本发明深埋隧洞掘进前期地表深孔与深埋隧洞位置关系图；

图3是本发明深埋隧洞掘进过程中地表深孔与深埋隧洞位置关系图；

图4是本发明确定隧洞掌子面地下水影响半径r_d示意图；

图5是本发明数据无线传输单元构成示意图；

图6是本发明洞内多孔水压力监测单元结构示意图；

图7是本发明监测深埋隧洞全生命期外水压力的流程图；

图8是本发明施作衬砌前三个洞内监测孔钻孔位置及深度示意图；

图9是本发明三个洞内监测孔内置渗压计及细砂填充位置示意图；

图10是本发明三个洞内监测孔采用早强剂封孔位置示意图；

图11是本发明施作衬砌前洞内多孔水压力监测单元结构示意图；

图12是本发明施作衬砌、固结灌浆及充水运行后洞内多孔水压力监测单元结构示意图。

其中，101-地表深孔；102-渗压计；103-多通道数据采集仪；104-无线传输模块；105-深埋隧洞；106-隧洞开挖掌子面；107-地表；108-山体；109-地层；110-信号线缆；111-地层分界线；112-地表深孔封堵段；113-衬砌层；114-固结灌浆层；115-固结灌浆层***岩层；116-无线接收模块；117-数据存储服务器；118-数据云平台；119-监测断面；201-洞内监测孔，2011-测量段，2012-封堵段；202-渗压计；203-多通道数据采集装置；205-渗压计信号电缆；209-穿线孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明通过监测深埋隧洞上方地表深孔超前分层水压力和洞内不同深度多孔水压力，实现对深埋隧洞全生命期外水压力的监测。本发明深埋隧洞全生命期外水压力监测***包括地表深孔超前分层水压力监测单元和洞内多孔水压力监测单元。

如图1所示，地表深孔超前分层水压力监测单元包括地表深孔101、若干个渗压计102、多通道数据采集仪103。地表深孔101位于深埋隧洞105隧洞开挖掌子面106的前方，建成后的深埋隧洞105的上方。地表深孔101自地表107钻至深埋隧洞105的上方，其经过山体108的不同地层109。在地表深孔101内，不同地层109段内设置至少一个渗压计102。每个渗压计102的测量数据输出端通过信号线缆110与多通道数据采集仪103的信号输入端相连。

为防止地表深孔101内的渗压计102彼此干扰，测量结果不准确，如图1所示，本发明在地表深孔101内，不同地层分界线111处利用早强剂或混凝土灌注一段长度大于2m的封堵段112，将相邻的两个渗压计102物理隔离开。现场施工时，在地表深孔101内从下往上布设渗压计102，每布设一个渗压计后，使用固结灌浆技术用早强剂或混凝土对地层分界线111区域孔段进行封堵，避免不同地层内的渗压计产生干扰，渗压计信号输出线缆110穿过灌浆封堵段与地表多通道数据采集仪103的信号输入端相连。

为监测深埋隧洞全生命期即从深埋隧洞开始施工---施工全过程---施工完毕---运行期，隧洞外水压力的形成与演化过程，如图1-图3所示，本发明地表深孔101的钻孔位置位于深埋隧洞105开始施工时隧洞开挖掌子面106的前方。

如图2、图4所示，深埋隧洞掌子面106周围总水头φ的表达式为：

/>

式中，以点M₁(汇)为原点建立空间直角坐标系，深埋隧洞105开挖方向为x轴正方向，竖直向上为z轴正方向，根据右手定则确定y轴正方向；Q为深埋隧道掌子面106的流量；k是深埋隧洞上覆地层109最大渗透系数；r₁表示点M₁(汇)周围岩体中某位置到点M₁(汇)的距离；r₂表示点M₁(汇)周围岩体中某位置到点M₂(源)的距离；h₀是地下水位线至隧洞105洞轴线的垂直深度。

进一步的，引入总水头百分比系数β对总水头影响程度进行评价，计算公式为：

式中，φ表示点M₁(汇)周围岩体的总水头，单位m；h₀是地下水位线至隧洞105洞轴线的垂直深度，单位m；β表示隧洞开挖对初始地下水的影响程度，0<β<1，无量纲。β值越大，表示影响程度越小。

为了确定地表深孔101的钻孔位置，首先需要根据深埋隧洞掌子面106周围总水头φ计算深埋隧洞开挖掌子面106地下水影响半径r_d，计算公式为：

式中，Q为深埋隧道掌子面106的流量；k是深埋隧洞上覆地层109最大渗透系数；β是总水头百分比系数；h₀是地下水位线至隧洞105洞轴线的垂直深度；r_d是隧洞开挖掌子面106地下水影响半径。优选的，β＝99％。

考虑到钻孔施工影响，根据深埋隧洞掌子面106的桩号K₀以及地下水影响半径r_d，确定掌子面106前方现场监测断面的桩号K，计算公式如下：

K-K₀＝αr_d

如图2所示，式中，桩号K为现场监测断面119的桩号，桩号K₀为深埋隧洞施工掌子面106处的桩号，r_d为隧洞开挖掌子面106地下水影响半径，单位m，α是安全系数，考虑到钻孔施工过程中，掌子面106仍在推进，故为了保证监测断面119位于隧洞掌子面106的影响范围之外，一般取α＝1.5。

计算得出地表深孔101的桩号K后，在桩号K的上方自地表107向下钻孔即地表深孔101。地表深孔的孔径不小于76mm，孔的深度h应满足如下条件(如图2、3所示)：

h＝H₀-r-T-D

式中，h为地表深孔101的钻孔深度，单位m；T为深埋隧洞固结灌浆层114厚度，单位m；r是深埋隧洞105半径，单位m；H₀为深埋隧洞105的埋深，即为深埋隧洞105洞轴线至地表107的距离，单位为m；D为表示地表深孔101孔底至固结灌浆层114外圈的距离，为了保证高压灌浆时浆液进入深孔导致孔压计损坏，本发明中一般D应大于1.0m；

如图5所示，本发明还包括数据无线传输单元，其包括无线传输模块104、无线接收模块116和数据存储服务器117，无线接收模块116接收多通道数据采集仪103经无线传输模块104传输的深埋隧洞上方不同地层的水压力，并将接收到的数据存储到数据存储服务器117内和数据云平台118上，以便调取数据进行分析。

如图1、图6所示，本发明洞内多孔水压力监测单元位于地表深孔101的正下方，垂直于深埋隧洞洞轴线的纵向剖面上，其所在的与深埋隧洞洞轴线垂直的面为洞内水压力监测断面119。

深埋隧洞105的内部为衬砌层113，其外面为一圈固结灌浆层114，固结灌浆层的外面为***岩层115。本发明洞内多孔水压力监测单元包括至少三个洞内监测孔201，所有洞内监测孔位于同一断面即地表深孔101正下方的监测断面119上，且每个洞内监测孔的径向深度不同；其中一个洞内监测孔位于***岩层115，用于监测***岩层内的水压力；一个洞内监测孔位于固结灌浆层114，用于监测固结灌浆层内的水压力；一个洞内监测孔靠近深埋隧洞105的外壁，用于监测施加在深埋隧洞衬砌层113上的外水压力。

在每个洞内监测孔201内放置有一个渗压计202。在深埋隧洞105内设有多通道数据采集仪203和无线传输模块104。每个渗压计202的测量数据输出端通过信号线缆205与多通道数据采集仪203的信号输入端相连，多通道数据采集仪203再通过无线传输模块104、无线接收模块116将接收到的数据存储到数据存储服务器117内和数据云平台118上，以便控制端或上位机调取数据进行分析。

每个洞内监测孔201均分为前段和后段两部分，前段2011远离深埋隧洞105，为测量段，内置有渗压计202；后段2012靠近深埋隧洞105，为封堵段。前段2011内塞满细砂，渗压计202包裹在细砂内。后段2012用早强剂或混凝土灌浆封堵死，防止窜孔。与渗压计信号输出端相连的信号线缆205穿过细砂以及封堵段与多通道采集仪203的信号输入端相连。

为了准确地监测深埋隧洞外水压力，本发明较佳实施例中，在隧洞内打了三个孔径不小于76mm径向深度不同的监测孔201，每个洞内监测孔均分为测量段和封堵段。如图10所示，这三个不同深度的监测孔的深度及孔径应满足如下关系：

式中，d₁₁，d₂₁，d₃₁分别表示孔深由小到大的三个监测孔的监测段2011的长度，单位m；d₁₂，d₂₂，d₃₂分别表示孔深由小到大的三个监测孔的封堵段2012的长度，单位m；T表示深埋隧洞固结灌浆层114的厚度，单位m。

如图7所示，本发明监测深埋隧洞全生命期外水压力的方法是：

S.1：根据深埋隧洞掌子面106桩号和地层岩性特征，确定现场监测断面119的桩号。

S1.1、根据深埋隧洞105特点，采用源-汇理论模型，确定深埋隧洞掌子面106周围总水头φ，具体确定过程如下：

如图2所示，对于深埋隧洞105而言，由于隧洞的埋深H₀远大于隧洞半径r，即：

H₀>>r(1)

式中，H₀为深埋隧洞105的埋深，单位m，r为深埋隧洞105的半径，单位m。因此，深埋隧洞105相对于整个山体108而言，可将深埋隧洞掌子面106视为一点，即为一个山体地下水的一个出水点，由此可以利用渗流力学中经典的源-汇理论模型，确定深埋隧洞掌子面106周围的总水头φ。

如图4所示，在源-汇理论模型中，深埋隧洞掌子面106等效为一个“汇”，记为点M₁，以地下水位线为对称线，虚构出一个“源”，记为点M₂，则M₁M₂＝2h₀，h₀是地下水位线至隧洞105洞轴线的垂直深度。

如图4所示，由达西定律i＝vk，其中i是水力梯度，v是渗流速度，k是渗透系数，根据水力梯度与渗流速度的定义，在点M₁(汇)周围岩体中有：

式中，以点M₁(汇)为原点建立空间直角坐标系，深埋隧洞开挖方向为x轴正方向，竖直向上为z轴正方向，根据右手定则确定y轴正方向；φ表示点M₁(汇)周围岩体的总水头，单位m；Q为深埋隧道掌子面106的流量(流量以流入为正，流出为负)；r_j表示点M₁(汇)周围岩体中某位置到点M_j的距离，j＝1、2，单位为m。

φ表示点M₁(汇)周围岩体的总水头，按照总水头的定义，其表达式为：

φ＝z+p/γ_w(3)

式中，z是位置水头，单位m，p是孔隙水压，单位Pa，γ_w是水的重度，单位N/m³。

如图4所示，r₁表示点M₁(汇)周围岩体中某位置到点M₁(汇)的距离，r₂表示点M₁(汇)周围岩体中某位置到点M₂(源)的距离，满足如下关系式：

如图2、3所示，由于深埋隧洞105往往上覆多个地层109，每个地层109根据前期钻探资料可获取相关渗透参数，为了保证模型计算结果更加可靠，取各个地层渗透系数k_i的最大值作为整个上覆地层的渗透参数，即按照下列公式对式(2)中的渗透系数k进行取值：

进一步的，对式(2)等号两侧进行积分并带入边界条件，可以获得以源-汇理论模型为基础的点M₁(汇)周围岩体的总水头解析解公式，即深埋隧洞掌子面106周围总水头φ的表达式为：

如图2、3所示，式中，以点M₁(汇)为原点建立空间直角坐标系，深埋隧洞105开挖方向为x轴正方向，竖直向上为z轴正方向，根据右手定则确定y轴正方向；Q为深埋隧道掌子面106的流量；k是深埋隧洞上覆地层109最大渗透系数；r₁表示点M₁(汇)周围岩体中某位置到点M₁(汇)的距离；r₂表示点M₁(汇)周围岩体中某位置到点M₂(源)的距离；h₀是地下水位线至隧洞105洞轴线的垂直深度。

S1.2、监测深埋隧洞105施工过程中掌子面106的涌水量Q，并根据掌子面106周围总水头φ，确定深埋隧洞开挖掌子面106地下水影响半径r_d；

如图4所示，考虑到源-汇理论模型中无穷远处的总水头仍受到“汇”的影响，而实际情况中，隧洞掌子面106的影响范围并不是无穷远，这一点理论模型与实际情况不符，因此为了考虑实际情况下隧洞施工对初始地下水的影响，本发明中引入一个总水头百分比系数β对总水头影响程度进行评价，计算公式为：

式中，φ表示点M₁(汇)周围岩体的总水头，单位m；h₀是地下水位线至隧洞105洞轴线的垂直深度，单位m；β表示隧洞开挖对初始地下水的影响程度，0<β<1，无量纲。β值越大，表示影响程度越小。

进一步的，β越接近1，隧洞开挖对此处的初始地下水影响越小，优选的，当β＝99％时，认为此处为源-汇理论模型下隧洞开挖对地下水的影响的极限距离，此位置的总水头φ₀表达式为：

φ₀＝βh₀＝99％h₀(8)

进一步的，联立式(6)与式(8)，令φ＝φ₀，可得到下式：

如图4所示，式(9)为影响边界曲线表达式。式中，以点M₁(汇)为原点建立空间直角坐标系，深埋隧洞开挖方向为x轴正方向，竖直向上为z轴正方向，根据右手定则确定y轴正方向；Q为深埋隧道掌子面106的流量；k是深埋隧洞上覆地层109最大渗透系数；β是总水头百分比系数；h₀是地下水位线至隧洞105洞轴线的垂直深度。

如图4所示，式(9)为源-汇理论模型下隧洞开挖对地下水的影响的边界曲线的表达式，在xM₁z平面上为一条由(x,z)坐标定义的闭合曲线。

如图4所示，对式(9)进行变形可得到该影响边界曲线x坐标左边关于z坐标的表达式，由于该曲线关于z轴对称，只给出x正半轴的表达式如下：

如图4所示，式(10)是影响边界曲线位于xM₁z平面上第一象限的表达式。式中，以点M₁(汇)为原点建立空间直角坐标系，深埋隧洞105开挖方向为x轴正方向，竖直向上为z轴正方向，根据右手定则确定y轴正方向；Q为深埋隧道掌子面106的流量；k是深埋隧洞上覆地层109最大渗透系数；β是总水头百分比系数；h₀是地下水位线至隧洞105洞轴线的垂直深度。

如图4所示，隧洞开挖掌子面109地下水影响半径r_d可根据式(10)影响边界曲线由下式确定：

r_d＝x_max(11)

式中，r_d是隧洞开挖掌子面106地下水影响半径，单位m，x_max是影响边界曲线(10)中x坐标的最大值。

如图4所示，由源-汇计算模型等水头线的形状可知，在上述坐标系下，当z＝0时，曲线(10)中x取最大值，则x_max的表达式为：

式中，Q为深埋隧道掌子面106的流量；k是深埋隧洞上覆地层109最大渗透系数；β是总水头百分比系数；h₀是地下水位线至隧洞105洞轴线的垂直深度；x_max是影响边界曲线(10)中x坐标的最大值。

进一步的，联立式(11)与(12)，可以确定深埋隧洞开挖掌子面106地下水影响半径r_d的计算公式为：

如图4所示，式中，Q为深埋隧道掌子面106的流量；k是深埋隧洞上覆地层109最大渗透系数；β是总水头百分比系数；h₀是地下水位线至隧洞105洞轴线的垂直深度；r_d是隧洞开挖掌子面106地下水影响半径。优选的，β＝99％。

S1.3、根据深埋隧洞掌子面106的桩号以及地下水影响半径r_d，确定掌子面前方现场监测断面119的桩号。

确定现场监测断面119桩号的目的是确定地表深孔101的钻孔位置。

首先，现场监测断面119与深埋隧洞施工掌子面106位于同一个水文地质单元。

其次，为了监测深埋隧洞105全生命期外水压力，如图1所示，地表深孔101需要在深埋隧洞105开挖前就需要钻孔完毕，并安装好全部的若干个渗压计102。图2为深埋隧洞105开挖前，地表深孔超前分层水压力监测单元和深埋隧洞位置关系示意图，图3为深埋隧洞105掘进全过程，地表深孔超前分层水压力监测单元和深埋隧洞位置关系示意图。

如图2-图4所示，地表深孔101位于深埋隧洞105开挖时隧洞施工掌子面106的前方。假设隧洞开挖掌子面106的桩号为K₀，地表深孔101的桩号(即监测断面119的桩号)为K，隧洞开挖掌子面地下水影响半径为r_d：

K-K₀＝αr_d(14)

式中，桩号K为现场监测断面的桩号，桩号K₀为隧洞施工掌子面106处的桩号，r_d为隧洞开挖掌子面106地下水影响半径，单位m，α是安全系数，考虑到钻孔施工过程中，掌子面106仍在推进，故为了保证监测断面119位于隧洞掌子面106的影响范围之外，一般取α＝1.5。

S.2：在现场监测断面119的正上方，布设地表深孔超前分层水压力监测单元，并监测深埋隧洞全生命周期外水压力。

S2.1、在监测断面119的正上方，自地表地层107开始向下钻孔，钻至深埋隧洞105的上方。

钻孔的孔径不小于76mm。

如图2、3所示，地表深孔101的深度h为：

h＝H₀-r-T-D(15)

式中，h为地表深孔106的钻孔深度，单位m；T为深埋隧洞固结灌浆层114厚度，单位m；r是深埋隧洞105半径，单位m；H₀为深埋隧洞105埋深，即为深埋隧洞洞轴线至地表的距离，单位为m；D为表示地表深孔106孔底至固结灌浆层114外圈的距离，为了保证高压灌浆时浆液进入深孔导致孔压计损坏，本发明中一般D应大于1.0m；

S2.2、在孔内，从孔底往上，每个地层段内布设至少一个渗压计；相邻两个地层109之间的地层分界线111处用混凝土或早强剂灌注一段长度大于2m的封堵段112，将相邻的两个渗压计102物理隔离开。

S2.3、在地表布设一台多通道数据采集仪和数据无线传输单元；每个渗压计的测量数据输出端通过信号线缆与多通道数据采集仪的信号输入端相连。

优选的，如图2所示，应在深埋隧洞掌子面106掘进到距离钻孔位置r_d范围之前完成地表深孔101内全部工作内容，包括地表深孔钻孔工作、孔内布设渗压计、地层分界线区域堵孔以及数据传输通道的搭建工作。

S2.4、利用地表深孔101内的渗压计102监测深埋隧洞全生命周期外水压力。

S.3：待深埋隧洞105掘进到监测断面119处时，在隧洞内布设洞内多孔水压力监测单元，监测深埋隧洞105掘进过程中以及运行期外水压力。

S3.1、在深埋隧洞监测断面119处，自隧洞内向外钻至少三个孔径大于76mm径向深度不同的洞内监测孔201，如图8所示。

每个洞内监测孔的径向深度不同，其中一个洞内监测孔位于隧洞固结灌浆层的***岩层115，用于监测***岩层115内的平均水压力；一个洞内监测孔位于隧洞固结灌浆层114，用于监测固结灌浆层内的平均水压力；一个洞内监测孔位于深埋隧洞105衬砌层外侧，用于监测施加在深埋隧洞衬砌层113外侧水压力。

如图9-图11所示，每个洞内监测孔分为前段和后段两部分，前段远离深埋隧洞为测量段2011；后段靠近深埋隧洞为封堵段2012。

位于深埋隧洞固结灌浆层***岩层115的测量段内的渗压计测量结果代表***岩层115内的平均水压力。用于监测***岩层115内的水压力的最深孔的测量段要足够长，本发明推荐该长度d₃₁至少为2.0m，避免由于监测***岩层内的水压力的测量段过短而导致该测量段完全处于完整岩体内或岩体裂隙中，造成渗压计测量结果过高或过低。

位于深埋隧洞固结灌浆层114的测量段内的渗压计测量结果代表固结灌浆层114内的平均水压力。用于监测固结灌浆层114内的水压力的孔的测量段要足够长，一般根据固结灌浆层114的厚度T来决定该孔测量段的长度d₂₁，本发明推荐该长度d₂₁大于1.0m。

位于深埋隧洞衬砌层113外侧的渗压计测量结果代表衬砌113外侧的水压力。用于监测衬砌层113外侧的水压力的孔的测量段可以足够靠近洞壁(衬砌113外侧)，一般根据衬砌113的厚度来决定该孔测量段的长度d₁₁，本发明推荐该长度d₁₁大于0.5m。

为了防止同一监测断面119内的三个监测孔201之间的监测数据相互干扰，较深深度的监测孔的封堵段的长度要大于较浅监测孔的孔深。即用于监测固结灌浆层114内的水压力的监测孔的封堵段长度d₂₂要大于用于监测衬砌层113外侧的监测孔的孔深；用于监测***岩层115内的水压力的监测孔的封堵段长度d₃₂要大于用于固结灌浆层114内的监测孔的孔深。

三个洞内监测孔的径向深度之间的关系为：

式中，d₁₁，d₂₁，d₃₁分别表示孔深由小到大的三个监测孔的监测段的长度，单位m；d₁₂，d₂₂，d₃₂分别表示孔深由小到大的三个监测孔的封堵段的长度，单位m；T表示固结灌浆层厚度，单位m。

此时，深埋隧洞没有施作衬砌，也没有进行固结灌浆，处于隧洞开挖初始阶段，三个洞内监测孔深度由浅至深分别达到隧洞衬砌层外侧、固结灌浆层(未施作)中间位置以及固结灌浆层***岩位置。

S3.2、在每个洞内监测孔的测量段内布设一只渗压计，并用细砂填满整个测量段；

S3.3、在隧洞内布设一台多通道数据采集仪203和数据无线传输单元。每个渗压计202的测量数据输出端通过信号线缆与多通道数据采集仪203的信号输入端相连，多通道数据采集仪203再通过数据无线传输单元将接收到的数据存储到服务器或云平台中，供控制端或上位机调取分析。

S3.4、用早强剂或混凝土将每个洞内监测孔的后段灌浆封堵死，防止窜孔。

S3.5、利用洞内监测孔内的渗压计监测深埋隧洞外水压力。

S3.6、依次施作衬砌，进行灌浆，充水运行，利用洞内多孔水压力监测单元实时监测深埋隧洞外水压力，如图12所示。

优选的，施作衬砌过程中应提前给渗压计电缆留有穿线孔209，防止损坏电缆。

与现有技术相比，本发明通过对地表深孔超前分层水压力的监测和洞内不同深度多孔水压力的监测，不仅可以准确确定深埋隧洞的初始水头以及不同地层之间水力之间的联系，而且还可以实现对深埋隧洞从开始施工---施工全过程---施工完毕—运行期全生命期内外水压力的形成过程与演化规律的实时监测。为水利水电工程领域长距离深埋隧洞及其衬砌层的设计提供参考依据，填补了现有技术的空白。

Claims (10)

1.一种深埋隧洞全生命期外水压力演化过程监测方法，其特征在于：它包括如下步骤：

S1、根据深埋隧洞掌子面桩号和地层岩性特征，确定现场监测断面的桩号；

S1.1、采用源-汇理论模型，确定深埋隧洞掌子面周围总水头φ；

S1.2、监测深埋隧洞施工过程中掌子面的涌水量Q，并根据隧洞掌子面周围总水头φ，确定深埋隧洞掌子面地下水影响半径r_d；

式中：Q为深埋隧道掌子面的涌水量；k是深埋隧洞上覆地层最大渗透系数；β是总水头百分比系数；h₀是地下水位线至隧洞洞轴线的垂直深度；

S1.3、根据深埋隧洞掌子面的桩号以及地下水影响半径r_d，确定掌子面前方现场监测断面的桩号K：

K-K₀＝αr_d

式中：K₀为深埋隧洞开挖掌子面桩号，r_d为深埋隧洞开挖掌子面地下水影响半径；α为安全系数，一般取α＝1.5；

S.2：在现场监测断面的正上方，布设地表深孔超前分层水压力监测单元，监测深埋隧洞全生命周期外水压力；

S2.1、在监测断面的正上方，自地表地层开始向下钻孔形成地表深孔；

孔径不小于76mm；孔的深度h为：

h＝H₀-r-T-D

式中，T为深埋隧洞固结灌浆层厚度，单位m；r是深埋隧洞半径，单位m；H₀为深埋隧洞埋深，单位为m；D为表示地表深孔孔底至深埋隧洞固结灌浆层外圈的距离；

S2.2、在地表深孔内，从孔底往上，每个地层段内布设至少一个渗压计；相邻两个地层分界线处灌注一段封堵段，将相邻的两个渗压计物理隔离开；

S2.3、在地表布设一台多通道数据采集仪和数据无线传输单元；每个渗压计的测量数据输出端通过信号线缆与多通道数据采集仪的信号输入端相连；多通道数据采集仪通过数据无线传输单元将接收到的数据存储到服务器或云平台中，供控制端或上位机调取分析；

S2.4、利用地表深孔内的渗压计监测深埋隧洞全生命周期外水压力；

S.3：待深埋隧洞掘进到监测断面处时，在隧洞内布设洞内多孔水压力监测单元，监测深埋隧洞掘进过程中以及运行期外水压力；

S3.1、在深埋隧洞监测断面处，自隧洞内向外钻至少三个孔径大于76mm径向深度不同的洞内监测孔；其中一个洞内监测孔位于隧洞固结灌浆层的***岩层，用于监测***岩层内的平均水压力；一个洞内监测孔位于隧洞固结灌浆层，用于监测固结灌浆层内的平均水压力；一个洞内监测孔位于深埋隧洞衬砌层外侧，用于监测施加在深埋隧洞衬砌层外侧的水压力；

每个洞内监测孔分为前段和后段两部分，前段远离深埋隧洞为测量段；后段靠近深埋隧洞为封堵段；

S3.2、在每个洞内监测孔的测量段内布设一只渗压计，并用细砂填满整个测量段，渗压计包裹在细砂内；

S3.3、在隧洞内布设一台多通道数据采集仪和数据无线传输单元；每个渗压计的测量数据输出端通过信号线缆与多通道数据采集仪的信号输入端相连；多通道数据采集仪通过数据无线传输单元将接收到的数据存储到服务器或云平台中，供控制端或上位机调取分析；

S3.4、将每个洞内监测孔的后段灌浆封堵死，防止窜孔；

S3.5、利用洞内监测孔内的渗压计监测深埋隧洞外水压力；

S3.6、依次施作衬砌，进行灌浆，充水运行，继续利用洞内多孔水压力监测单元实时监测深埋隧洞外水压力。

2.根据权利要求1所述的深埋隧洞全生命期外水压力监测方法，其特征在于：所述步骤S1中选择的现场监测断面与深埋隧洞施工掌子面位于同一个水文地质单元。

3.根据权利要求2所述的深埋隧洞全生命期外水压力监测方法，其特征在于：所述步骤S2地表深孔超前分层水压力监测单元的布设要在隧洞掌子面掘进到距离地表深孔r_d范围之前完成。

4.根据权利要求3所述的深埋隧洞全生命期外水压力监测方法，其特征在于：所述步骤S2.2中相邻两个地层分界线处灌注的封堵段的长度大于2m。

5.根据权利要求4所述的深埋隧洞全生命期外水压力监测方法，其特征在于：所述步骤S3.1中的三个洞内监测孔深度由浅至深分别达到深埋隧洞衬砌层外侧、预施作的固结灌浆层的中间位置、***岩层位置；且，

所述位于***岩层内的洞内监测孔封堵段的长度大于所述位于固结灌浆层内的洞内监测孔的孔深；

所述位于固结灌浆层内的洞内监测孔封堵段的长度大于所述位于深埋隧洞衬砌层外侧的洞内监测孔的孔深。

6.根据权利要求5所述的深埋隧洞全生命期外水压力监测方法，其特征在于：所述步骤S3.1中的三个洞内监测孔径向深度之间的关系为：

式中，d₁₁，d₂₁，d₃₁分别表示孔深由小到大的三个洞内监测孔测量段的长度，单位m，d₁₂，d₂₂，d₃₂分别表示孔深由小到大的三个洞内监测孔封堵段的长度，单位m，T表示深埋隧洞外一圈固结灌浆层的厚度，单位m。

7.根据权利要求6所述的深埋隧洞全生命期外水压力监测方法，其特征在于：所述位于深埋隧洞固结灌浆层***岩层内的洞内监测孔测量段长度d₃₁大于等于2.0m；

所述位于深埋隧洞固结灌浆层内的洞内监测孔测量段长度d₂₁大于1.0m；

所述位于深埋隧洞衬砌层外侧的洞内监测孔测量段长度d₁₁大于0.5m。

8.一种深埋隧洞全生命期外水压力监测***，其特征在于：它包括地表深孔超前分层水压力监测单元、洞内多孔水压力监测单元和数据无线传输单元；

所述地表深孔超前分层水压力监测单元包括地表深孔、若干支渗压计、多通道数据采集仪；

所述地表深孔位于深埋隧洞开挖掌子面的前方，建成后的深埋隧洞的上方；所述地表深孔自地表钻至深埋隧洞的上方，其经过山体的不同地层；在所述地表深孔内，不同地层段内设置至少一个所述渗压计；所述每个渗压计的测量数据输出端通过信号线缆与所述多通道数据采集仪的信号输入端相连；在所述地表深孔内，地层分界线处灌注有一段封堵段；

所述洞内多孔水压力监测单元位于所述地表深孔的正下方，垂直于深埋隧洞洞轴线的监测断面上；所述洞内多孔水压力监测单元包括至少三个洞内监测孔、至少三支渗压计、多通道数据采集仪；

所有洞内监测孔位于同一断面上，且所述每个洞内监测孔的径向深度不同；其中至少一个洞内监测孔位于深埋隧洞***岩层，一个洞内监测孔位于深埋隧洞固结灌浆层，一个洞内监测孔位于深埋隧洞衬砌层外侧；

在所述每个洞内监测孔内放置有一个所述渗压计；在深埋隧洞内设有所述多通道数据采集仪和无线传输模块；所述每个渗压计的测量数据输出端通过信号线缆与所述多通道数据采集仪的信号输入端相连；

所述多通道数据采集仪通过所述数据无线传输单元将接收到的数据存储到服务器中或云平台上，供控制端或上位机调取。

9.根据权利要求8所述的深埋隧洞全生命期外水压力监测***，其特征在于：所述地表深孔的桩号K与深埋隧洞开挖掌子面桩号K₀之间的关系为：

K-K₀＝αr_d

其中：K₀为深埋隧洞开挖掌子面桩号，r_d为深埋隧洞开挖掌子面地下水影响半径；α是安全系数；

所述地表深孔的深度h为：

h＝H₀-r-T-D

式中，T为深埋隧洞固结灌浆层厚度，单位m；r是深埋隧洞半径，单位m；H₀为深埋隧洞的埋深，单位为m；D为地表深孔孔底至固结灌浆层外圈的距离。

10.根据权利要求9所述的深埋隧洞全生命期外水压力监测***，其特征在于：所述每个洞内监测孔分为前段和后段两部分，前段远离深埋隧洞为测量段，内置有所述渗压计；后段靠近深埋隧洞为封堵段；

所述前段内塞满细砂，所述渗压计包裹在细砂内；所述后段被灌浆封堵死；

所述位于***岩层内的洞内监测孔封堵段的长度大于所述位于固结灌浆层内的洞内监测孔的孔深；

所述位于固结灌浆层内的洞内监测孔封堵段的长度大于所述位于深埋隧洞衬砌层外侧的洞内监测孔的孔深。

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