本发明涉及一种深埋隧洞地下水分层水力联系监测系统与实施方法，具体地说，涉及一种深埋隧洞地下水分层水力联系地表深孔监测系统与实施方法。本发明属于深埋隧洞全生命期安全运行监测。
背景技术：
1、随着我国长距离引调水工程的兴建，工程中不断涌现出大量深埋隧洞，其中多数工程其隧洞的最大埋深已突破500m至1000m。由于深埋隧洞位于地下，施工建设中不可避免地会遇到地下水问题，主要体现在两方面：一方面，施工期，由于隧洞开挖会导致地下水向洞内排泄，不仅会引发突涌水问题，而且还会使得天然地下水水位降低，进而对地下水环境产生不利影响。特别是，当隧洞穿越生态敏感地区(如自然保护区、森林公园、饮用水保护区)时，隧洞施工对地下水的影响将直接关系该地区生态环境的安全。另一方面，隧洞建好运行期，由于地下水的长期积累，会在隧洞衬砌外侧形成高外水压力，对深埋隧洞的安全运行造成威胁。由于深埋隧洞埋深大，隧洞外水压力的取值问题是工程建设中面临的一个巨大难题和挑战。
2、由于深埋隧洞的埋深深度大，隧洞上方普遍会发育多个地层，不同地层内部裂隙发育程度不同，地层破碎程度不同，其透水能力也有所不同，甚至会出现个别地层因透水能力较弱而成为隔水层，使得隔水层的上、下地层之间失去水力联系，进而使得深埋隧洞的地层发育特性以及不同地层间的水力联系变得极为复杂。因此，只有分层监测深埋隧洞上方不同地层内部的地下水压力，厘清深埋隧洞地下水的分层水力联系，才能准确评估深埋隧洞施工期的涌水量和运行期的外水压力以及隧洞建设对地下水环境的影响，确保深埋隧洞实现施工前→施工→运行全生命期的安全运行。
3、为了监测深埋隧洞的外水压力，目前工程中通常采用地质长观孔对地下水位进行监测，由于整个孔内没有设置隔离段，整个孔内的地下水是连通的，导致采用该方法监测到的地下水位是不同地层的一个混合水位，无法得到不同地层内部的地下水压力。
4、此外，目前一些相关技术方案中提出了利用橡胶塞作为封隔器将地下水分隔为多层进行观察，其原理是通过对橡胶塞内注水使其发生膨胀与钻孔孔壁紧密结合，从而将孔内连通的地下水阻断隔开。但是，从工程实际应用情况来看，该技术方案仍存在一些弊端：(1)由于橡胶塞的耐久性差，采用橡胶塞作为封隔器，仅适用于几个月内的短时监测，难以满足工程数十年以上的长期监测要求；(2)采用橡胶塞作为封隔器，仅适用孔壁光滑的钻孔，而对于有裂隙发育的地层，钻孔成孔后的孔壁往往凸凹不平，存在尖角，使用橡胶塞进行封隔时，橡胶塞在注水膨胀过程中不仅易被刺破，而且其膨胀后也很难与凸凹不平的孔壁结合紧密，导致封隔效果不好或失败；(3)橡胶塞属于机械密封，封隔后会产生封存水压力，对于渗透性较差的地层，其很难消散掉，从而影响测量结果的准确性。
5、总之，目前针对深埋隧洞地下水分层水力联系监测尚无一个有效的解决方案。
技术实现思路
1、鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种深埋隧洞地下水分层水力联系监测系统及实施方法。该监测系统及实施方法可以实现深埋隧洞从施工前→施工→运行全生命期内地下水分布演化过程的监测，为深埋隧洞施工期的涌水量和运行期的外水压力的准确评估以及隧洞建设对地下水环境长期影响的评价提供技术支撑。
2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种深埋隧洞地下水分层水力联系监测系统，它包括至少一个地表深孔；
3、所述地表深孔在深埋隧洞开挖前方提前布置，位于深埋隧洞开挖掌子面前方地下水影响范围之外；
4、所述地表深孔位于深埋隧洞洞轴线上方，深埋隧洞洞轴线左右两侧1倍洞径内；所述地表深孔的孔底距离深埋隧洞固结灌浆圈上方至少5m；
5、当所述地表深孔的孔深小于200m时，其终孔孔径至少为76mm；当所述地表深孔的孔深为200m～400m时，其终孔孔径至少为91mm；当所述地表深孔的孔深大于400m时，其终孔孔径至少为125mm；
6、所述地表深孔内部由下至上依次划分为若干个不同的监测段和封堵段；所述监测段为位于不同地层的透水地层，所述封堵段为位于不同地层的隔水地层，所述封堵段将相邻的位于不同地层的所述监测段隔开；
7、每个所述监测段内布设有至少两只渗压监测仪器，所述渗压监测仪器的数据电缆穿过所述监测段和封堵段与位于地表的地表数据采集与传输单元相连；
8、所述渗压监测仪器的最大量测值可根据地层埋深来确定，计算公式如下：
9、pimax＝αρghi
10、式中，pimax为第i个监测段渗压监测仪器的最大量测值，ρ为地下水的密度，通常取1000kg/m3，g为重力加速度，通常取9.8rm/s2，hi为第i个监测段的底部到地表的高度；α为安全系数；由于灌浆过程中会产生超孔隙水压力，为了保证施工后监测仪器可以正常工作，α通常取1.2；
11、所述封堵段内填充有水泥浆液形成有水泥柱，所述水泥浆液的配比为：
12、m1：m2：m3＝0.01：0.35：1；
13、其中，m1是减水剂的质量；m2是水的质量；m3是水泥灰的质量。
14、一种深埋隧洞地下水分层水力联系监测系统实施方法，它包括如下步骤：
15、s1、在深埋隧洞开挖前方提前进行地表深孔的钻孔；
16、s1.1、确定地表深孔的超前布设位置；
17、在深埋隧洞开挖掌子面前方地下水影响范围之外布置地表深孔；
18、地表深孔位于深埋隧洞洞轴线上方，深埋隧洞洞轴线左右两侧1倍洞径内；
19、s1.2、确定地表深孔的深度；
20、地表深孔的孔底要位于深埋隧洞固结灌浆圈的上方，距离深埋隧洞固结灌浆圈上方至少5m；
21、s1.3、确定地表深孔终孔孔径；
22、当地表深孔孔深小于200m时，地表深孔的终孔孔径至少为76mm；孔深为200m～400m时，终孔孔径至少为91mm；孔深大于400m时，终孔孔径至少为125mm；
23、s1.4、利用地质钻机自地表向下进行钻孔，并进行取芯和岩芯编录；
24、s2、确定分层监测方案；
25、s2.1、确定深埋隧洞上方地层分层情况；
26、综合水文地质条件、钻孔岩芯、全孔分段压水试验确定深埋隧洞上方的地层分层；
27、s2.2、确定地表深孔分层监测方案；
28、根据上述地层分层情况，对地表深孔进行分层，根据地层的相对透水能力将深埋隧洞上方的地层划分为透水能力较好的透水地层和透水能力较差的隔水地，透水能力较差的隔水地层将上下相邻两个透水地内的地下水失去水力联系；优选地，将地层渗透系数大于1*10-5cm/s的地层称为透水地层，将地层渗透系数小于1*10-6cm/s的地层称为隔水地层；
29、s2.3、确定地表深孔内各监测段及封堵段长度；
30、将地表深孔内，与透水地层对应的长度范围设为监测段，与隔水地层对应的长度范围设为封堵段；
31、监测段包含足够多的岩体裂隙；封堵段长度大于对应的隔水地层厚度；
32、s3、确定各监测段和封堵段的材料用量；
33、s3.1、确定监测段回填砂粒的用量；
34、监测段填充砂粒的总质量msand为：
35、msand＝(1-δ)ρsandπd2ljc (2)
36、其中，msand表示监测段填充砂粒总质量；δ表示静水中填充砂粒自然堆积的孔隙率；ρsand表示填充砂粒的密度；d表示地表深孔的半径；ljc表示监测段的长度；
37、s3.2、确定封堵段水泥各成份的用量；
38、封堵段填充的水泥浆液的质量为：
39、msn＝ρsnπd2lfd (3)
40、其中，msn表示封堵段使用水泥浆液的总质量；ρsn表示水泥浆液的密度，d表示地表深孔的半径；lfd表示封堵段的长度；
41、填充的水泥浆液配比为：
42、m1：m2：m3＝0.01：0.35：1 (4)
43、其中，m1是减水剂的质量；m2是水的质量；m3是水泥灰的质量；
44、水泥浆液各部分具体含量，计算公式如下：
45、
46、s3.3、确定替浆水用量；
47、水下注浆完成后，注入的替浆水的质量为：
48、mw＝ρwπr2hw (6)
49、其中，mw表示替浆水质量；ρw表示替浆水的密度，其值为1000kg/m3；r表示注浆管内半径；hw表示封堵段的上端边界的埋深；
50、s4、自下而上分层实施分层监测方案；
51、s4.1、提升护壁套管至监测段上端；
52、防止钻孔塌孔，在地表深孔内安装护壁套管；护壁套管所在位置可能低于监测段埋深，将护壁套管提升至监测段上端，避免后续步骤回填细粒砂后护壁套管与砂粒摩阻力较大而难以向上提升；
53、s4.2、下放注浆管至封堵段底部；
54、s4.3、下放最下段监测段渗压监测仪器；
55、s4.4、从孔口倒入监测段回填细砂粒形成砂柱；
56、s4.5、提升护壁套管至封堵段上端；
57、s4.6、利用注浆管进行注浆形成水泥柱；
58、s4.7、从注浆管中压入替浆水；
59、s4.8、拔出注浆管；
60、完成一个监测段和一个封堵段的孔内工作，待水泥柱完全凝固；
61、s4.9、重复步骤s4.1-s4.8完成更上一层的监测段和封堵段的孔内作业，直至完成所有孔内作业；
62、s4.10、地表封孔；
63、s5、实现自动监测；
64、将渗压监测仪器的数据传输电缆线从地表深孔内引出，连接至地表数据采集与传输单元，将渗压监测仪器监测到的数据通过无线网络上传至控制端服务器，实现现场分层监测数据的传输。
65、本发明深埋隧洞地下水分层水力联系监测系统是基于地表深孔建立的，其核心是在隧洞开挖前或隧洞开挖掌子面的前方提前布设地表深孔，并按照地层透水特性利用封堵段将孔内连通的地下水阻断隔开，从而实现对不同地层内部地下水进行分层监测。
66、与现有监测技术方法相比，本发明可以提前监测不同地层内的初始地下水压力分布，为深埋隧洞施工期的涌水量和运行期的外水压力的准确评估提供技术支撑；可以适应破碎地层，实现长期的分层监测，为隧洞建设对地下水环境长期影响的评价提供技术支撑；可以自动消除封存的水压力或者超孔隙水压力，监测结果真实可靠。本发明可广泛地应用于水利水电工程技术领域。
1.一种深埋隧洞地下水分层水力联系监测系统，其特征在于：它包括至少一个地表深孔；
2.根据权利要求1所述深埋隧洞地下水分层水力联系监测系统，其特征在于：所述地表深孔位于深埋隧洞开挖掌子面前方1000m范围之外。
3.根据权利要求1或2所述深埋隧洞地下水分层水力联系监测系统，其特征在于：所述封堵段长度大于对应位置的隔水地层厚度；
4.根据权利要求3所述深埋隧洞地下水分层水力联系监测系统，其特征在于：所述隔水地层是根据地层的相对透水能力来划分；
5.根据权利要求1所述深埋隧洞地下水分层水力联系监测系统，其特征在于：布设在同一所述监测段内相邻的两个渗压监测仪器之间的间距为5m。
6.一种深埋隧洞地下水分层水力联系监测系统实施方法，其特征在于：它包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述深埋隧洞地下水分层水力联系监测系统实施方法，其特征在于：所述步骤s3确定的砂粒、水泥浆液和替浆水对应的是一个监测段长度和相邻的一个封堵段长度所需的材料用量，不同监测段与封堵段的材料用量需根据相应的监测段长度和封堵段长度计算。
8.根据权利要求6所述深埋隧洞地下水分层水力联系监测系统实施方法，其特征在于：所述注浆管的外径不超过地表深孔直径的1/2；
