水利工程引水隧洞施工貫通測量和智能預測研究

趙 智

（晉中市水利勘測設計院有限公司，山西晉中 030600）

0 引言

在水利工程建設中，通過在巖層中開鑿而成的過水洞即為水工隧洞，根據(jù)用途可將水工隧洞分為引水洞、放空洞和排沙洞等，其中引水隧洞通常承擔著輸送水流等功能[1]。隧洞施工測量是引水隧洞施工過程中的關鍵環(huán)節(jié)，通過貫通測量和巖爆預測等技術，對隧洞施工環(huán)境中的地質和水文條件進行分析，獲取隧洞貫通的實際誤差值和巖爆風險等信息[2-3]。這些信息為順利管理貫通引水隧洞、降低安全事故風險和提高水利工程質量提供可靠保障[4]。但在實際測量過程中，由于地形條件和測量技術水平的限制，引水隧洞施工測量存在效率低和誤差大等問題[5]。因此研究以山西省某引水隧洞工程為例，對引水隧洞施工測量方法進行了改進，以期提高引水隧洞施工質量，推動水利建設的智能化和現(xiàn)代化。

1 水利工程引水隧洞施工測量方法

1.1 工程概況

山西省某引水隧洞工程主要承擔著向沿線提供農(nóng)業(yè)灌溉用水的作用，其TBM1 標位于山西省某縣境內，全長86 km，坡比為1.05%，施工支洞長度為23 km，坡比為4.86%，支洞口高程與主洞高差約為176.45 m。引水隧洞洞底埋深約248 m~680 m，主洞段地面高程約為1385 m~1733 m。引水隧洞呈南北走向，總地質南高北低、西高東低，隧洞沿線工程地質條件較為復雜，洞身由南到北依次穿過下元古界巖層、寒武系中統(tǒng)巖層和奧陶系中統(tǒng)巖層，其中下元古界巖層由眾多巖層組成，包括灰?guī)r、頁巖、泥巖和變質礫巖等。通過勘測地質條件發(fā)現(xiàn)，在南部硬巖段由于高地應力的影響，可能會存在巖爆現(xiàn)象。

該引水隧洞工程所在區(qū)域地下水類型主要為碳酸鹽巖裂隙巖溶水和變質巖類裂隙水，其中碳酸鹽巖裂隙巖溶水多分布于奧陶系中統(tǒng)巖層中，地下水賦存能力較好，水量豐富，富水性不均，洞頂含水層厚度為0~138 mm。變質巖類裂隙水多賦存于變質巖類的構造裂隙和風化裂隙中，地下水資源豐富，其補給主要來源于大氣降水，洞頂含水層厚度為120 mm~263 mm。

1.2 引水隧洞施工貫通測量

作為一種隧洞洞內平面控制測量布網(wǎng)方法，自由測站邊角交會網(wǎng)具有多次測量和網(wǎng)形規(guī)則等特點，將其運用到洞內貫通測量中，有利于突破傳統(tǒng)測量方法需要對中的局限性，提高測量的效率，并改善貫通測量精度。將控制點設置在引水隧洞的兩壁上，控制點之間的距離控制在260 m~320 m 范圍內，在每個控制點上安裝棱鏡，并在相對控制點中間位置架設全站儀自由測站，利用全站儀自由測站測量水平方向的數(shù)據(jù)，進行自動記錄數(shù)據(jù)。采用單向觀測的方法對邊長進行測量，測量方向為水平方向，以減弱旁折光影響，提高控制網(wǎng)的橫向精度。

全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System,GNSS），能夠為全球各類軍民提供全天候、高精度的時間、位置和速度信息。采用GNSS 技術進行洞外平面貫通測量，有利于提高洞外貫通測量的精準度，為提升測量效率和自動化水平提供技術基礎。為減少因地形和氣候條件等因素對測量精度的影響，研究選擇測量區(qū)域中部的子午線作為工程獨立控制網(wǎng)的中央子午線，以避免投影所產(chǎn)生的長度變形問題，提高工程控制網(wǎng)的相對精度。設置洞外控制點為強制觀測墩，以減少定向邊測量誤差，并將所有控制點設置為同一高度水平，減少因高程誤差導致的平面貫通測量誤差。同時洞外控制點布局設置應符合通視原則，在此基礎上，盡可能延長定向邊長度，增加引水隧洞貫通測量點。

精密三角高程測量是一種常用的高程測量方法，該方法使用的儀器為全站儀，測量方法為同時對向觀測法，具有靈活和易于實現(xiàn)等優(yōu)勢，能夠降低外業(yè)勞動強度，降低人工成本，提高測量效率，適用于野外測量。因此，研究采用精密三角高程測量技術對洞外高程貫通進行測量，在引水隧洞線路上設置多個高程測量點，使用三腳架將前視棱鏡放置在隧洞前進方向，在同一條直線上放置智能型全站儀進行對向自動觀測。采用此方法對所有相鄰點進行觀測，并自動記錄觀測數(shù)據(jù)。為提高基座的標準性與規(guī)范性，減小不同基座之間的誤差，設置最后一個觀測點與第一個觀測點的基座一致，以提高高程貫通測量的精確性。引水隧洞施工貫通測量方法示意圖如圖1 所示。

圖1 引水隧洞施工貫通測量方法示意圖

由圖1 可知：引水隧洞施工貫通測量包括洞內測量和洞外測量，其中洞內測量采用自由測站邊角交會網(wǎng)測量方法，洞外的平面和高程貫通測量分別采用GNSS 技術和精密三角高程測量技術。通過對引水隧洞不同環(huán)境的多角度測量，有利于全面獲取貫通相關信息，保證貫通測量的科學性和準確性。

1.3 基于模糊綜合評價的巖爆預測

作為一種綜合評價方法，模糊綜合評價法以模糊數(shù)學為基礎，將多種因素制約的事物或對象進行綜合性評價。采用模糊綜合評價法對巖爆可能性進行預測，有利于降低巖爆預測誤差，提高引水隧洞施工的安全性。根據(jù)經(jīng)驗和引水隧洞工程實際情況，確定巖爆的影響因素，具體包括巖體地下水含量、巖體結構完整性、地應力水平和巖石特性等，在此基礎上，構建評價因素集合P，其表述如式（1）所示：

式中：H和L分別為巖石的彈性能量和埋深；J、K、μ和U分別為巖石的完整性系數(shù)、變形系數(shù)、強度系數(shù)和切向應力指數(shù)。

為提高評價指標體系的科學性，以保證評價指標體系的有效性，為提高巖爆預測準確性奠定基礎，研究采用專家評估法確定指標權重，選擇12 位水利工程領域的專家，對各種影響巖爆發(fā)生的因素進行評估與打分。對數(shù)據(jù)進行歸一化處理后，得到最終的權重值，其中巖石彈性能量權重值最高，達到0.3 ，其次是切向應力指數(shù)。對巖爆產(chǎn)生影響最小的是巖石完整性系數(shù)指標，其權重值為0.15。對巖爆可能性進行預測，其表述如式（2）所示：

式中：O為預測結果；F為模糊關系矩陣；M為權重向量。基于模糊綜合評價的巖爆預測流程如圖2 所示。

圖2 基于模糊綜合評價的巖爆預測流程

由圖2 可知：評價指標權重是巖爆預測關鍵，通過確定巖爆現(xiàn)象發(fā)生影響因素的重要度，確定各評價指標的價值，有利于提高預測結果的科學性。同時通過兩兩比較獲得指標的隸屬度，采用擇優(yōu)的方式對指標特征進行選擇，保證了評價指標的準確性，為降低巖爆預測誤差提供了保障。

2 水利工程引水隧洞施工測量效果分析

2.1 貫通測量效果分析

隨機選擇30 km的引水隧洞用于貫通測量效果檢驗，包括洞內和洞外兩種測量環(huán)境，并加入傳統(tǒng)測量方法作為實驗對比，并將研究方法與傳統(tǒng)測量方法分別記作方法1 和方法2，比較分析貫通測量效果。效果評價指標主要包括點位精度和單位權中誤差，其中點位精度值越小，表明測量準確性越高；單位權中誤差值越大，表明測量效果越差。洞內貫通測量效果對比如圖3 所示。

圖3 洞內貫通測量效果對比

由圖3（a）可知：方法1的點位精度保持在14 mm~18 mm 區(qū)間內，方法2 的最大點位精度為26 mm，最小點位精度約為24 mm。圖3（b）中，方法1 在15 km 處測量的單位權中誤差值最大，為0.35，在25 km 處測量的單位權中誤差值最小，為0.27；方法2的單位權中誤差值在0.45~0.55 范圍內變化。由此可以看出：方法1 降低了洞內貫通測量誤差，提高了洞內環(huán)境下貫通測量的效果。洞外貫通測量效果對比如圖4 所示。

圖4 洞外貫通測量效果對比

由圖4（a）可知：方法1 的最大和最小單位權中誤差值分別為0.31 和0.26 ，測量位置分別位于引水隧洞25 km 和5 km 處；方法2 的單位權中誤差值總體呈上升趨勢，其最大單位權中誤差值為0.54，最小單位權中誤差值為0.37。圖4（b）中，方法1 的單位權中誤差值保持在0.3~0.34 區(qū)間內，整體變化較小，較為穩(wěn)定；方法2 的單位權中誤差值存在較大波動，其最大單位權中誤差值達到0.5，相較于其最小單位權中誤差值高了0.15。由此可以看出：方法1 顯著提高了洞外平面和高程貫通測量的準確性，有利于推動引水隧洞的順利貫通。

2.2 巖爆預測效果分析

對同一段引水隧洞的巖爆發(fā)生的可能性進行預測，并在施工過程中對巖爆情況進行記錄，將實際巖爆情況與預測值進行比較分析，判斷預測效果。在實驗過程中，加入支持向量機（Support Vector Machine,SVM）和決策樹（Decision Tree,DT）兩種預測方法作為實驗對比，增強實驗的科學性。誤差評價指標包括平均絕對值誤差（Mean Absolute Error, MAE）和均方根誤差（Root Mean Square Error,RMSE），巖爆預測誤差對比如圖5 所示。

圖5 巖爆預測誤差對比

由圖5（a）可知：模糊綜合評價預測的MAE 值穩(wěn)定在0.01~0.02 區(qū)間內，SVM 預測的最大和最小MAE 值分別為0.05 和0.03，DT 巖爆預測的效果最差，其MAE 值保持在0.05~0.07 的最高水平。圖5（b）中，隨著引水隧洞長度的增加，模糊綜合評價預測的RMSE 值較為穩(wěn)定，約為0.02；SVM 預測的RMSE 值保持在0.04~0.06 范圍內，變化波動較大；DT 預測的RMSE 值整體呈上升趨勢，其最大的RMSE 值為0.08，相較于其最小RMSE 值高了0.03。由此可以看出，模糊綜合評價預測方法降低了巖爆預測的誤差，具有較強的穩(wěn)定性和適用性，有利于順利推進施工進度。

3 結語

水利引水隧洞是水利樞紐中的重要組成部分，為提高水利工程引水隧洞施工貫通施工水平，研究提出了引水隧洞施工測量方法，并展開了相關實驗進行可行性檢驗。在該方法下，洞內貫通測量的點位精度和單位權中誤差值分別保持在14 mm~18 mm 和0.27~0.35 區(qū)間內，洞外貫通測量的最小單位權中誤差值為0.26。巖爆預測的MAE 值和RMSE 值均不超過0.02，對不同巖爆烈度的預測準確性保持在0.78~0.97 區(qū)間內。由此可以看出：該方法提升了貫通測量的精準性，降低了巖爆預測的誤差，有利于提高對貫通誤差的控制能力，推動引水隧洞順利貫通。