水利工程引水隧洞施工贯通测量和智能预测研究

赵 智

（晋中市水利勘测设计院有限公司，山西晋中 030600）

0 引言

在水利工程建设中，通过在岩层中开凿而成的过水洞即为水工隧洞，根据用途可将水工隧洞分为引水洞、放空洞和排沙洞等，其中引水隧洞通常承担着输送水流等功能[1]。隧洞施工测量是引水隧洞施工过程中的关键环节，通过贯通测量和岩爆预测等技术，对隧洞施工环境中的地质和水文条件进行分析，获取隧洞贯通的实际误差值和岩爆风险等信息[2-3]。这些信息为顺利管理贯通引水隧洞、降低安全事故风险和提高水利工程质量提供可靠保障[4]。但在实际测量过程中，由于地形条件和测量技术水平的限制，引水隧洞施工测量存在效率低和误差大等问题[5]。因此研究以山西省某引水隧洞工程为例，对引水隧洞施工测量方法进行了改进，以期提高引水隧洞施工质量，推动水利建设的智能化和现代化。

1 水利工程引水隧洞施工测量方法

1.1 工程概况

山西省某引水隧洞工程主要承担着向沿线提供农业灌溉用水的作用，其TBM1 标位于山西省某县境内，全长86 km，坡比为1.05%，施工支洞长度为23 km，坡比为4.86%，支洞口高程与主洞高差约为176.45 m。引水隧洞洞底埋深约248 m~680 m，主洞段地面高程约为1385 m~1733 m。引水隧洞呈南北走向，总地质南高北低、西高东低，隧洞沿线工程地质条件较为复杂，洞身由南到北依次穿过下元古界岩层、寒武系中统岩层和奥陶系中统岩层，其中下元古界岩层由众多岩层组成，包括灰岩、页岩、泥岩和变质砾岩等。通过勘测地质条件发现，在南部硬岩段由于高地应力的影响，可能会存在岩爆现象。

该引水隧洞工程所在区域地下水类型主要为碳酸盐岩裂隙岩溶水和变质岩类裂隙水，其中碳酸盐岩裂隙岩溶水多分布于奥陶系中统岩层中，地下水赋存能力较好，水量丰富，富水性不均，洞顶含水层厚度为0~138 mm。变质岩类裂隙水多赋存于变质岩类的构造裂隙和风化裂隙中，地下水资源丰富，其补给主要来源于大气降水，洞顶含水层厚度为120 mm~263 mm。

1.2 引水隧洞施工贯通测量

作为一种隧洞洞内平面控制测量布网方法，自由测站边角交会网具有多次测量和网形规则等特点，将其运用到洞内贯通测量中，有利于突破传统测量方法需要对中的局限性，提高测量的效率，并改善贯通测量精度。将控制点设置在引水隧洞的两壁上，控制点之间的距离控制在260 m~320 m 范围内，在每个控制点上安装棱镜，并在相对控制点中间位置架设全站仪自由测站，利用全站仪自由测站测量水平方向的数据，进行自动记录数据。采用单向观测的方法对边长进行测量，测量方向为水平方向，以减弱旁折光影响，提高控制网的横向精度。

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS），能够为全球各类军民提供全天候、高精度的时间、位置和速度信息。采用GNSS 技术进行洞外平面贯通测量，有利于提高洞外贯通测量的精准度，为提升测量效率和自动化水平提供技术基础。为减少因地形和气候条件等因素对测量精度的影响，研究选择测量区域中部的子午线作为工程独立控制网的中央子午线，以避免投影所产生的长度变形问题，提高工程控制网的相对精度。设置洞外控制点为强制观测墩，以减少定向边测量误差，并将所有控制点设置为同一高度水平，减少因高程误差导致的平面贯通测量误差。同时洞外控制点布局设置应符合通视原则，在此基础上，尽可能延长定向边长度，增加引水隧洞贯通测量点。

精密三角高程测量是一种常用的高程测量方法，该方法使用的仪器为全站仪，测量方法为同时对向观测法，具有灵活和易于实现等优势，能够降低外业劳动强度，降低人工成本，提高测量效率，适用于野外测量。因此，研究采用精密三角高程测量技术对洞外高程贯通进行测量，在引水隧洞线路上设置多个高程测量点，使用三脚架将前视棱镜放置在隧洞前进方向，在同一条直线上放置智能型全站仪进行对向自动观测。采用此方法对所有相邻点进行观测，并自动记录观测数据。为提高基座的标准性与规范性，减小不同基座之间的误差，设置最后一个观测点与第一个观测点的基座一致，以提高高程贯通测量的精确性。引水隧洞施工贯通测量方法示意图如图1 所示。

图1 引水隧洞施工贯通测量方法示意图

由图1 可知：引水隧洞施工贯通测量包括洞内测量和洞外测量，其中洞内测量采用自由测站边角交会网测量方法，洞外的平面和高程贯通测量分别采用GNSS 技术和精密三角高程测量技术。通过对引水隧洞不同环境的多角度测量，有利于全面获取贯通相关信息，保证贯通测量的科学性和准确性。

1.3 基于模糊综合评价的岩爆预测

作为一种综合评价方法，模糊综合评价法以模糊数学为基础，将多种因素制约的事物或对象进行综合性评价。采用模糊综合评价法对岩爆可能性进行预测，有利于降低岩爆预测误差，提高引水隧洞施工的安全性。根据经验和引水隧洞工程实际情况，确定岩爆的影响因素，具体包括岩体地下水含量、岩体结构完整性、地应力水平和岩石特性等，在此基础上，构建评价因素集合P，其表述如式（1）所示：

式中：H和L分别为岩石的弹性能量和埋深；J、K、μ和U分别为岩石的完整性系数、变形系数、强度系数和切向应力指数。

为提高评价指标体系的科学性，以保证评价指标体系的有效性，为提高岩爆预测准确性奠定基础，研究采用专家评估法确定指标权重，选择12 位水利工程领域的专家，对各种影响岩爆发生的因素进行评估与打分。对数据进行归一化处理后，得到最终的权重值，其中岩石弹性能量权重值最高，达到0.3 ，其次是切向应力指数。对岩爆产生影响最小的是岩石完整性系数指标，其权重值为0.15。对岩爆可能性进行预测，其表述如式（2）所示：

式中：O为预测结果；F为模糊关系矩阵；M为权重向量。基于模糊综合评价的岩爆预测流程如图2 所示。

图2 基于模糊综合评价的岩爆预测流程

由图2 可知：评价指标权重是岩爆预测关键，通过确定岩爆现象发生影响因素的重要度，确定各评价指标的价值，有利于提高预测结果的科学性。同时通过两两比较获得指标的隶属度，采用择优的方式对指标特征进行选择，保证了评价指标的准确性，为降低岩爆预测误差提供了保障。

2 水利工程引水隧洞施工测量效果分析

2.1 贯通测量效果分析

随机选择30 km的引水隧洞用于贯通测量效果检验，包括洞内和洞外两种测量环境，并加入传统测量方法作为实验对比，并将研究方法与传统测量方法分别记作方法1 和方法2，比较分析贯通测量效果。效果评价指标主要包括点位精度和单位权中误差，其中点位精度值越小，表明测量准确性越高；单位权中误差值越大，表明测量效果越差。洞内贯通测量效果对比如图3 所示。

图3 洞内贯通测量效果对比

由图3（a）可知：方法1的点位精度保持在14 mm~18 mm 区间内，方法2 的最大点位精度为26 mm，最小点位精度约为24 mm。图3（b）中，方法1 在15 km 处测量的单位权中误差值最大，为0.35，在25 km 处测量的单位权中误差值最小，为0.27；方法2的单位权中误差值在0.45~0.55 范围内变化。由此可以看出：方法1 降低了洞内贯通测量误差，提高了洞内环境下贯通测量的效果。洞外贯通测量效果对比如图4 所示。

图4 洞外贯通测量效果对比

由图4（a）可知：方法1 的最大和最小单位权中误差值分别为0.31 和0.26 ，测量位置分别位于引水隧洞25 km 和5 km 处；方法2 的单位权中误差值总体呈上升趋势，其最大单位权中误差值为0.54，最小单位权中误差值为0.37。图4（b）中，方法1 的单位权中误差值保持在0.3~0.34 区间内，整体变化较小，较为稳定；方法2 的单位权中误差值存在较大波动，其最大单位权中误差值达到0.5，相较于其最小单位权中误差值高了0.15。由此可以看出：方法1 显著提高了洞外平面和高程贯通测量的准确性，有利于推动引水隧洞的顺利贯通。

2.2 岩爆预测效果分析

对同一段引水隧洞的岩爆发生的可能性进行预测，并在施工过程中对岩爆情况进行记录，将实际岩爆情况与预测值进行比较分析，判断预测效果。在实验过程中，加入支持向量机（Support Vector Machine,SVM）和决策树（Decision Tree,DT）两种预测方法作为实验对比，增强实验的科学性。误差评价指标包括平均绝对值误差（Mean Absolute Error, MAE）和均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE），岩爆预测误差对比如图5 所示。

图5 岩爆预测误差对比

由图5（a）可知：模糊综合评价预测的MAE 值稳定在0.01~0.02 区间内，SVM 预测的最大和最小MAE 值分别为0.05 和0.03，DT 岩爆预测的效果最差，其MAE 值保持在0.05~0.07 的最高水平。图5（b）中，随着引水隧洞长度的增加，模糊综合评价预测的RMSE 值较为稳定，约为0.02；SVM 预测的RMSE 值保持在0.04~0.06 范围内，变化波动较大；DT 预测的RMSE 值整体呈上升趋势，其最大的RMSE 值为0.08，相较于其最小RMSE 值高了0.03。由此可以看出，模糊综合评价预测方法降低了岩爆预测的误差，具有较强的稳定性和适用性，有利于顺利推进施工进度。

3 结语

水利引水隧洞是水利枢纽中的重要组成部分，为提高水利工程引水隧洞施工贯通施工水平，研究提出了引水隧洞施工测量方法，并展开了相关实验进行可行性检验。在该方法下，洞内贯通测量的点位精度和单位权中误差值分别保持在14 mm~18 mm 和0.27~0.35 区间内，洞外贯通测量的最小单位权中误差值为0.26。岩爆预测的MAE 值和RMSE 值均不超过0.02，对不同岩爆烈度的预测准确性保持在0.78~0.97 区间内。由此可以看出：该方法提升了贯通测量的精准性，降低了岩爆预测的误差，有利于提高对贯通误差的控制能力，推动引水隧洞顺利贯通。