紅外探水技術在隧道超前地質預報中的應用

劉赟君，韋培富，劉邦勝，謝朝葉

(1.貴州省交通科學研究院，貴州　貴陽　550008；2.廣西紅河高速公路有限公司，廣西　南寧　530600)

紅外探水技術在隧道超前地質預報中的應用

劉赟君1，韋培富1，劉邦勝2，謝朝葉1

(1.貴州省交通科學研究院，貴州貴陽550008；2.廣西紅河高速公路有限公司，廣西南寧530600)

摘要：超前地質預報是隧道施工中尤為重要的環節。文章闡述了紅外探水技術的特點、使用條件、基本原理、探測方法和影響因素，并結合工程實例介紹了紅外探水技術的具體應用方法與效果，指出紅外探水技術便捷、無損、準確、可靠，值得廣泛運用于隧道超前地質預報中。

關鍵詞：紅外探水技術；超前地質預報；含水構造；場強；應用

0引言

隧道工程施工地質條件具有不可預見性，而斷層破碎帶、軟弱圍巖和溶洞等不良地質條件在施工過程中經常出現(尤其是我國西南巖溶地區)，而貿然的施工極易引起塌方、涌突水等不良地質病害[1]，特別是巖溶和斷層破碎帶地區涌突水具有高發性和高危性，是隧道施工的重大關鍵難題。因此，隧道超前地質預報越來越引起專家、學者和技術人員的重視。基于現有的物探技術和手段，隧道施工過程中廣泛采用的超前地質預報方法有：地質雷達法、地震波法和電法等[2]。而由于紅外探水技術的日益成熟、操作簡單、測量快速、數據處理簡快捷以及精度高，可以預先判定隧道前方地質體存在地下脈狀流、脈狀含水體或隱伏含水體，得出巖溶涌水、突泥的可能性，能有效地預知、防止涌突水等不良地質災害的發生，因此該技術除了應用于煤礦井下安全生產以外[3]，其在隧道工程中的運用日趨廣泛。本文主要介紹紅外探水在隧道工程超前地質預報中的運用。

1紅外探水技術

1.1　特點

紅外探水技術是一種非接觸式防爆紅外探測法，與其余超前地質預報方法相比主要特點有：操作和數據處理方法簡單；探測快速便捷，對結構無損傷；不影響施工；對含水體敏感，精度高，結果可靠；預報費用低，符合經濟型。然而，紅外探水技術有干擾因素多，無法得出含水體距離和水量等等缺點[4]。

1.2　適用條件

通過大量的運用實踐和資料整理研究發現，紅外探水技術適用范圍廣，主要適用工作如下[5]：

(1)判斷前方圍巖的均一性；

(2)判定隧道前方地質體存在地下脈狀流、脈狀含水體或隱伏含水體；

(3)確定地下水發育區和非發育區的分界位置；

(4)分析巖溶涌水、突泥的可能性。

1.3　基本原理

物質由分子組成，分子處于一直不停的運動狀態，由于分子震動或轉動，任何物體由于分子和晶格振動會向周圍發射紅外輻射，形成一個紅外場，不同的物體產生的紅外輻射場的強度不一致。

紅外探測技術就是通過探測前方一定范圍內的紅外輻射場的變化，即通過探測儀顯示出紅外輻射溫度的變化。將穩定的地質體作為探測對象時，得到紅外場的強度與場源本身的場強相一致。如果前方地質體存在地下脈狀流、脈狀含水體或隱伏含水體等異常現象，其輻射出來的異常場將疊加在正常輻射場上，則在探測數據上會出現畸變。因此在隧道掘進現場，當掌子面前方存在含水構造時，含水構造產生的異常紅外輻射場會疊加到圍巖的正常輻射場上，儀器顯示屏上的曲線出現數據突變；而當掌子面前方沒有含水構造時，所測定的紅外輻射場為正常場值，數據曲線近似為一條直線。即通過對采集到的紅外場強數據進行分析，就可以全面地預報隧道前方的不良地質體，尤其是含水體[6]。

1.4　探測方法

紅外探水為非接觸無損探測，具體的探測分析方法有兩種：隧道周圍探測分析法和掌子面探測分析法。

1.4.1隧道周圍探測分析法

在隧道拱頂、兩側邊墻和兩側拱腳，沿著隧道掘進方向每5 m布置一個測點，共布設60個，一般要求掌子面后方可探測段達到60 m，具體如圖1所示(測線方向為自掌子面向洞口方向測量)。測量前應先標記，測量過程中當遇到個別測點位于出水部位時，記錄者應標記、記錄。而對于軟弱圍巖和斷層破碎帶段，由于初支往往緊跟掌子面，該方法不可行。

探測結束后，通過處理和分析每條測線的紅外場強曲線來分析和推測掌子面前方賦存地下水的情況。

圖1　隧道周圍探測分析法測點布置圖

1.4.2掌子面探測分析法

在掌子面布設測點五行，依次從下往上布置，第一行至第三行每行5個測點，第四行和第五行6個測點，具體如圖2所示。探測后，經過數據處理，得出每行和每列的最大差值，通過分析縱、橫向最大差值來分析和推測掌子面前方賦存地下水的情況。

圖2　掌子面探測分析法測點布置圖

1.5　判斷依據

對于某含水體場強分布如圖3所示。

圖3　含水體紅外場強分布圖

圖3中原點(陰影部分)為含水體，綠色虛線為紅外場強等勢線，紅色實線和虛線均為場強曲線。分析圖3可以發現，由于地下水的滲流規律得出，離含水體越近，紅外場強等勢線越密；隧道走向為水平方向，正對含水體時，隨著距離的增大紅外場強曲線分為三個區域：分區一、分區二和分區三；隧道未穿越含水體，當隧道離含水體達到一定距離時，紅外場強曲線分為兩個區域：分區二和分區三。

分區一：含水體離隧道近，在隧道前方推測區域內，紅外場強值隨著距離的變化明顯，近呈雙曲線形式。

分區二：含水體離隧道距離較遠或者隧道并未正對含水體，該區域紅外場強值隨距離變化基本呈直線。

分區三：含水體離隧道非常遠，或者掌子面前方基本未存在含水體，紅外場強值基本上呈水平線。

總之，紅外探水數據處理結果可以按下圖進行判定。曲線為圖4(a)說明隧道掌子面前方探測范圍內出現大規模含水體可能性很小，圖4(b)說明隧道掌子面前方探測范圍內可能出現含水體，圖4(c)說明隧道掌子面前方探測范圍內存在含水體。

(a)前方不含水　(b)有可能含水　(c)前方含水

對于掌子面探測分析法，根據眾多研究結果，縱向、橫向最大場強差基本理論值為10μw/cm2，當最大紅外場強差大于理論值時，說明掌子面前方存在含水體；當最大紅外場強差與理論值相當時，說明掌子面前方可能有含水體；當最大場強差小于理論值，說明掌子面前方存在含水體的可能性很小。

1.6　影響因素和不足

紅外探水技術的干擾因素有很多，紅外場強探測過程中，往往存在一定的缺陷和不足，亟待解決。具體影響紅外場強的因素主要和不足有：

(1)易受干擾場影響，如風筒、燈泡、底板積水等。

(2)施工期間，噴射混凝土放熱會影響結果。

(3)紅外探水的預報距離較短，為20~30m左右，且每次搭接長度要求0~5m。

(4)紅外探水僅能探測出隧道前方隱伏的含水構造，而無法準確獲得水量、水壓、水質等信息，亦無法直接對斷層、破碎帶等不良地質體進行預報。

(5)紅外探水儀器受洞內、洞外環境差異影響較大，如溫度、濕度等。

2應用實踐

以某隧道為例，采用HY-303紅外探水儀進行施工地質預報，該隧道探測區段為DK23+000~DK23+025。該隧道掌子面為白云巖，呈灰白色，巖質較堅硬，巖石完整程度和整體穩定性較好，掌子面整體較為干燥，無明顯出水現象。

探測過程分別采用了隧道周圍探測分析法和掌子面探測分析法，探測結果如下。

2.1　預報結果分析

2.1.1掌子面探測分析法

本次預報紅外探測共在掌子面布置21個測點，探測深度約25m(DK23+000~DK23+025)，各測點測值如表1所示，測點號橫向從左至右(面對掌子面)依次遞增編號，行數由下至上依次遞增編號。

表1　掌子面超前紅外探測數據記錄表(場強值)

圖5　DK23+000掌子面紅外場強分布圖

從表1中可以看出掌子面D4K23+000測點縱、橫向最大場強能量差分別為7 μw/cm2和9 μw/cm2，略小于理論安全值10 μw/cm2，結合隧道現場情況，推測掌子面前方大范圍賦存地下水的可能性很小，但不排除局部溶洞的存在而少量出水可能。

2.1.2隧道周圍探測分析法

隧道周圍探測分析法在拱頂、兩側邊墻和兩側拱腳共布置5條測線，測點間距約5 m，以各測點的場強為y軸、測點到掘進掌子面的距離為x軸，繪制出函數圖形，其測試結果圖如圖6所示。

圖6　隧道周圍紅外場強分布圖

從圖6可以看出，掌子面DK23+000后方探測區域的紅外場強曲線整體上呈下降趨勢，但下降趨勢不明顯，且各條測線較為一致，基本符合紅外探水經驗判斷模式的第一種，如圖4(a)。結合現場圍巖情況，推測掌子面前方25 m范圍內大范圍賦存地下水的可能性很小，但不能排除具有規模相對較小的溶洞和含水構造，若遭遇強降雨，可能會使出水量增加。

2.2　結論及建議

通過掌子面場強分布圖(見圖5)及各測點縱向場強曲線判斷，本次探測段落DK23+000~D4K23+025范圍內掌子面紅外探測曲線波動相對較大，縱、橫向最大場強能量差為分別為7 μw/cm2和9 μw/cm2，略小于理論安全值10 μw/cm2，掌子面圍巖較好，整體較為干燥，掌子面前方25 m內基本上沒有大范圍賦存地下水的可能，但不排除可能出現規模較小的溶洞或含水構造。并且紅外探水為無損檢測，影響因素較多，結果可能具有一定誤差，建議施工過程中及時觀察隧道圍巖及出水情況，視情況輔以一定數量超前鉆孔探明掌子面前方水源發育及水量情況，避免不良地質災害的發生。

3結語

(1)紅外探水不影響施工，無損、快速方便、數據處理快捷、結論可靠、費用低等優點，非常適合運用于隧道施工地質預報中，而其適用性在很多工程中已經得到充分的證明。

(2)紅外探水對含水體敏感、能準確地探測隧道前方隱伏含水構造體，預報精度高。

(3)紅外探水技術用來預測隧道掌子面前方短距離內隱伏含水構造，操作快捷簡單，準確率高，它與地質雷達探測等其它地質預報技術相結合，可以優勢互補。

(4)紅外探水技術探測距離短，易受干擾場影響，因此探測過程中應盡可能減小干擾場的影響，保證探測的最大精度。

(5)紅外探水技術對含水層的位置、賦存形態、出水量、出水壓力等都無法定量分析，對水引起的地質災害準確預報難度大，因此紅外探測技術還有待于進一步研究。

參考文獻

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[3]王鷹，陳強，魏有儀，等.紅外探測技術在圓梁山隧道突水預報中的應用[J].巖石力學與工程學報，2003，22(5)：855-857.

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[5]李妍軍.紅外探測技術在隧道工程中的適用性分析[J].鐵道勘察，2008(2)：45-48.

[6]呂喬森，羅學東，任浩.綜合超前地質預報技術在穿河隧道中的應用[J].隧道建設，2009，29(2)：189-193.

Application of Infrared Water Exploration Technology in Tunnel Geologi-cal Prospecting

LIU Yun-jun1，WEI Pei-fu1，LIU Bang-sheng2，XIE Chao-ye1

(1.Guizhou Transport Science Research Institute，Guiyang，Guizhou，550008；2.Guangxi Honghe Expressway Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530600)

Abstract：The geological prospecting is a particularly important link in tunnel construction.This article described the characteristics，application conditions，basic principles，detection methods and influen-cing factors of infrared water exploration technology，and combined with engineering practices，it intro-duced the specific application methods and results of infrared water exploration technology，and pointed out that the infrared water exploration technology is convenient，non-destructive，accurate，and reliable，thus it is worth being widely used in geological tunnel prospecting.

Key Words：Infrared water exploration technology；Geological prospecting；Aquifer structure；Field strength；Application

收稿日期：2015-02-08

文章編號：1673-4874(2015)02-0037-05

中圖分類號：U455.4

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.02.010

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