隧道施工紅外探水干擾分析與預防研究

翟秋柱， 李海斌， 王亞暐

(1.中鐵十七局集團第四工程有限公司， 重慶 401120；2.西南交通大學地球科學與環境工程學院， 四川 成都 610031)

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隧道施工紅外探水干擾分析與預防研究

翟秋柱1， 李海斌1， 王亞暐2

(1.中鐵十七局集團第四工程有限公司， 重慶 401120；2.西南交通大學地球科學與環境工程學院， 四川 成都 610031)

隧道紅外探水預報受多種因素的干擾，其準確性往往受到影響。通過紅外探水的原理分析，對廣大鐵路擴能改造工程祥和隧道進口段進行現場試驗，針對每一項影響因素做詳細的試驗測試，分析發現燈源、初噴混凝土對紅外探測造成的影響最大，產生干擾的根本原因是干擾源產生的熱量改變了原來的環境溫度，并探討了減小干擾的主要方法：1)探測時選擇干擾源最少的時間段；2)若干擾無法避免，可按最高溫度為標志點建立干擾溫度場，即可明顯排除干擾產生的影響；3)探測時應保持在隧道中軸線上，保持接收孔與每一條測線各測點夾角相同。通過以上方法，可以有效提高隧道紅外探水的準確性。

隧道施工；紅外探水；干擾源；干擾分析；干擾預防

0 引言

隧道施工過程中常遇到地下水(斷層水、巖溶水等)，在不探明前方地質條件的情況下貿然施工的話，可能會引發突泥、突水等災害[1-3]。采用紅外探水技術對隧道前方及周邊的隱伏水體進行全方位的探測，具有操作簡單、不占用施工時間、準確率高等優點，在隧道施工過程中成為一種不可或缺的隱伏水災害預報手段[4-7]。

在實際施工過程中，使用紅外探水儀進行隱伏水探測時存在很多干擾源，如處理不當，可對探測結果造成較大影響。因此，對探測結果進行干擾甄別及剔除是紅外探水的一項重要工作。

常記春[8]闡述了應用紅外遙感技術預報隧道施工水害的原理，并提出其特定抗干擾性能；王洪勇等[9]和王鷹等[10]通過圓梁山隧道紅外探水結果統計分析，得出地質體紅外輻射場分布規律及其影響因素，并提出紅外探水的判別標準；李彥軍[11]和田榮等[12]詳細闡述了紅外探水的正確操作方法；呂喬森等[13]分析了幾種干擾場影響下紅外探水預報的處理方法。然而各主要干擾場對紅外探水產生的影響尚未得到定量化分析，而對隧道施工紅外探水干擾場的定量化可以進一步提高其預報的準確性。

本文以廣大鐵路擴能改造工程祥和隧道進口灰巖段紅外探水預報為背景，根據紅外探水基本原理，分析影響預報結果的主要干擾因素，提出一種定量化分析方法，以進一步提高預報的準確性。

1 工程概況

祥和隧道進口段主要穿越地層為泥盆系青山組灰巖，康郎組白云質灰巖、白云巖，屬可溶性碳酸鹽巖地層，巖溶發育，山體內發育暗河、溶洞等，地下水以巖溶水為主，水量豐沛，水文地質條件復雜，隧道施工時易發生涌水、突泥。巖溶水多具囊狀，含水體集中豐富，其水體與巖石間的差異性較多數裂隙水更明顯，紅外探測結果更突出。該隧道灰巖段采用紅外探水方法進行隱伏水體探測具有較強的適應性。

2 紅外探水原理

2.1 紅外探水理論依據[8]

組成物體的所有分子和原子都在不停地做無規則運動，這種無規則運動使物體能量狀態發生改變，其結果是產生熱，物體的內能會轉換成輻射能，并以電磁波的方式不斷向外發射[14]。根據熱輻射原理，任何溫度在絕對零度以上的物體都可看成熱輻射源。輻射能量總值稱為輻射通量，單位面積輻射通量稱為輻射通量密度或輻射總功率。根據斯蒂芬-玻爾茲曼定律：物體溫度越高，它輻射出來的能量就越大，物體輻射總功率

(1)

式中：Wr為輻射總功率，W/cm2；ε為物體發射本領，又稱比輻射率，是一個與波長有關的量綱一的量；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，其值為5.67×1012W·cm2·K4；Tkin為動溫度，即平時所說的物體溫度，可用普通溫度計與物體直接接觸進行測量,℃。

通過式(1)可以看出，物體輻射總功率由物體發射本領ε和物體動溫度Tkin共同決定，在實際探測中所需探測的既不是目標體輻射總功率，也不是其動溫度，而是輻射溫度Trad。動溫度與輻射溫度的關系為Trad=ε1/4Tkin，可知輻射溫度仍由目標體發射本領和其動溫度決定。表1列舉了溫度在20 ℃時的部分巖體和波長在8～12 μm時的水的發射本領。

由表1可以看出：水的發射本領高于巖石，由于各物體在相同溫度和波長條件下，發射本領的變化規律是相同的，因此在動溫度相同的條件下，水的輻射溫度高于巖石，這是利用紅外技術進行隧道水災害探測的理論依據之一。根據Trad=ε1/4Tkin，可求出上述各巖石和水在動溫度為20 ℃時的輻射溫度。如表1所示，在相同動溫度條件下，巖石與水的輻射溫差都在1 ℃以內，可以看出物體發射本領對輻射溫度影響不大。

表1 溫度在20 ℃時的部分巖體和波長在8～12 μm時的水的發射本領和輻射溫度Table 1 Emission capacity and radiation temperature of local rocks under 20 ℃ and water under 8-12 μm wavelength

紅外探水的另一重要依據在于水與巖石間熱性質的差異。表2為上述6種巖石和水在20 ℃時的熱性質。表2中數據顯示：水的熱導率和熱擴散率較所有巖石都低，而其熱容量和比熱慣量又較所有巖石都高得多?？芍绻趪鷰r中存在一個較大的含水構造，由于其自身的熱導率低而熱容量高，所以能很好地儲熱或儲冷，以保持它原來的溫度，而不易被周圍巖體溫度所同化，這對流動性地下水來說效果尤其明顯[15]。隧道開挖會破壞原來的水文系統，使得外部環境的水進入因隧道開挖而形成的新的地下水流動系統，因此這部分水與圍巖會存在明顯差異，而若是少量滲水或者隧道底板的少量積水，則這部分水很容易被隧道中大的巖石環境同化，二者輻射溫度相差無幾。這是利用紅外探水技術進行隧道施工水害預報的另一重要依據。

表2 溫度為20 ℃時部分巖石和水的熱性質Table 2 Thermal properties of local rocks and water under 20 ℃

2.2 紅外探水操作方法

紅外探水步驟包括2部分。首先，沿隧道軸向布置6條測線，分別為右拱腳、右拱腰、拱頂、左拱腰、左拱腳和隧底，每5 m探測一次，共探測12次，直到掌子面后5 m處；然后，在掌子面處由上至下布置4條測線，每條測線均勻探測6次。紅外探水示意圖如圖1所示。后期數據處理時，將第1部分所測的6條測線繪制成輻射變化曲線，分析曲線變化趨勢；另外，將掌子面處測得的4組數據列表，分析橫向和縱向輻射最大差值，并與安全差值10 mW/m-2對比[11-12]。

圖1 紅外探水示意圖(單位：mm)Fig.1 Sketch of infrared water detecting (mm)

3 可能干擾場分析

從紅外探水理論依據可以看出，物體的發射本領和本身動溫度決定其輻射溫度，水和其他物體間熱性質差異決定各自動溫度。縱觀整個隧道施工現場，對幾種主要的非原始山體環境(即可能的干擾源主要有掌子面施工照明用燈源、通風筒、隧道滲水和地面積水、初噴混凝土放熱等)，進行紅外探水的影響程度分析。

3.1 燈源對紅外探水的影響分析

隧道施工時現場會布置一些燈管以提供照明，尤以掌子面處燈管數量最多。燈管在點亮時溫度很高，由2.1分析可知外界溫度是物體輻射溫度的最重要影響因素。圖2是在祥和隧道平導進口采用隧道施工最常用的DWDG型碘鎢燈管進行紅外探測的影響試驗。試驗過程如下：在隧道相對干燥的邊墻上選取距燈源水平距離為55 cm、離地面1.5 m的點作為基準點，將這55 cm距離以5 cm為間隔作為觀測點，以距基準點垂直距離為0、1、2、3、4、5 m處各進行一組探測，將探測數據繪制成曲線進行分析(見圖3)。

圖2 現場試驗Fig.2 Field test

圖3 試驗過程示意圖Fig.3 Sketch of testing process

圖4為紅外探水儀距燈源分別為0、1、2、3、4、5 m時不同測點的紅外輻射值?？梢钥闯觯寒斕綔y儀距燈管距離分別為0和1 m時，隨著測點到燈管燈源距離的增大，輻射值迅速降低，至5 m時基本趨于穩定；所有曲線均在測點距燈管0.5 m后趨于穩定，輻射值達到255 mW/m-2，測得此段試驗場地隧道邊墻的輻射值均為254 mW/m-2，可認為燈管對隧道紅外探測顯著干擾場是高為5 m、半徑為0.5 m的圓錐體。需要注意的是，由于燈管持續放熱，整個隧道施工空間溫度都將受其影響，而環境的輻射值為254 mW/m-2，也是輻射值的影響因子；因此，燈管對紅外探測的影響具有全局性。圖5為PDK150+580～+635段(掌子面里程為PDK150+640)紅外探測曲線，同時測得掌子面處輻射值在259 mW/m-2左右，此時洞內僅在PDK150+635處(即掌子面后臺架處)有燈源，且開挖后圍巖無水?？梢钥闯?，輻射值呈逐漸上升的趨勢，在燈源處達到最大，可知燈源對紅外探測的影響很大。

圖4 燈源對輻射值的影響曲線Fig.4 Curves of impact of lamp on radiation value

3.2 風筒對紅外探水的影響分析

圖6和圖7分別為平導進口PDK149+540～+595段風筒開啟3 h和風筒關閉3 h后各測線輻射的變化曲線，測試時除風筒外無其他的可能干擾源。本測試段已經開挖，圍巖為完整灰巖，且無水發育。

圖5 燈源對紅外探測的影響曲線Fig.5 Curves of impact of lamp on infrared water detecting

圖6 風筒開啟時紅外探測曲線Fig.6 Infrared water detecting curves when air duct is open

圖7 風筒關閉時紅外探測曲線Fig.7 Infrared water detecting curves when air duct is closed

從圖6和圖7可以看出：風筒開啟前后紅外輻射值變化不大，輻射值均在190～193 mW/m-2，可認為由偶然誤差引起；風筒關閉后曲線局部點輻射波動較大，究其原因，風筒開啟時整個隧道內空氣不斷流動，溫度擴散相對均勻，而風筒關閉后空氣流動滯緩，導致溫度擴散不均，局部溫度偏高或者偏低，從而導致輻射的波動。對比圖6和圖7可知，風筒對紅外探測結果的影響大不，在實際工作中可忽略這一因素的影響。

3.3 隧道滲水和地面積水對紅外探測的影響分析

在對PDK150+580～+640段(如圖5所示)進行探測時，現場記錄PDK150+595處有少量積水，PDK150+590左拱腰和PDK150+610拱頂襯砌有少量滲水，但通過輻射變化曲線可以看出，這幾處輻射值并沒有明顯變化，各曲線變化也均趨于平穩，可以得出地面少量積水和隧道少量滲水不會影響紅外探測的結果。由基本原理可知，水與巖石間熱性質的差異是進行紅外探水的最主要依據，隧道內存在的少量水很快會被巖石、襯砌等其他環境同化，而且得到的探測結果是很多點源輻射值的疊加，隧道內少量積水和滲水不是輻射的主體，所表現出的差異并不明顯。因此，這一可能干擾因素也可不予考慮。

3.4 初噴混凝土對紅外探測的影響分析

初期支護由噴射混凝土進行封閉時，無論采用干噴還是濕噴工法，混凝土在凝固過程中都會產生化學反應，并釋放出大量熱，此時進行紅外探水將會產生很大影響；混凝土噴射位置的不同和每次噴射方量的不同，也會產生不同的輻射效果，且噴射過程中及噴射完畢后的較長時間內，隧道內將存在大量的粉塵，對于場源所輻射出的電磁波產生一定的散射和吸收等作用，這期間所得的紅外探測數據很無規律。因此，必須避免在噴射混凝土期間及以后較長放熱階段進行紅外探水工作。

通過對以上可能干擾源的分析可知，燈源、初噴混凝土對紅外探測造成的影響最大，而風筒、隧道少量地面積水和滲水則對紅外探測結果基本無影響。值得注意的是，隧道內還存在其他干擾源，如出碴時裝載機、汽車等機械，打炮眼時風槍及由其產生的水汽等，都會對紅外探測產生很大影響。但綜合分析這些干擾源可以發現，產生干擾的根本原因是干擾源產生的熱量改變了原來的環境溫度，產生的熱量越多，造成的干擾也越大。

4 紅外探水干擾預防方法探析

4.1 選擇合適的探測時間

為降低干擾造成的影響，最直接的方法就是盡量減少上述干擾源。隧道施工是一個連續的過程，具有任務重、工期短的特點，很難較長時間停工來恢復正常溫度場，因此選擇一個合適的時間段進行紅外探水是減少干擾的首要途徑。經過對比各個施工工序，掌子面處出完渣后進行下一個工序的準備工作時，是最好的紅外探水時機。此時掌子面無燈源，而由裝載機和汽車工作所散發的熱量會靠風筒換風盡快排走，因此這時候掌子面的溫度將最接近正常溫度場。

4.2 建立干擾溫度場模型

實際工作中由于開挖工作面多，上述合適的工作時段與探測時間難免有沖突，應尋找在干擾存在的情況下消除干擾的方法。由上文論述可知溫度是產生干擾的根本因素，而所需探測的60 m范圍內必然存在一個溫度最高點和最低點，溫度在整個探測環境中逐漸變化，干擾源處溫度最高。因此，以最高環境溫度作為分類標志建立干擾溫度場模型，如圖8所示，為最高溫度為27 ℃時干擾溫度場輻射曲線。測溫時以沿隧道中線離地2 m處最高溫度為準，最高溫度處離掌子面4 m左右，即掌子面前工作臺架安放燈源處，同時測得掌子面處輻射最大值為232 mW/m-2，最小值為228 mW/m-2。此組數據是在相同環境、不同里程下，經多次測量、取平均值所得，因而具有代表性。

圖8 27 ℃干擾溫度場輻射曲線Fig.8 Radiation curves of interference temperature field under 27 ℃

圖9為祥和隧道平導進口PDK151+327～+382段紅外探測曲線。測量期間掌子面處及探測范圍均無施工，但掌子面處有一臺架，且上面安裝有6盞DWDG型碘鎢燈管，臺架下停放一裝載機，測得最高溫度為26 ℃，與上述所建模型溫度接近；同時，測得掌子面處輻射最大值為263 mW/m-2，最小值為258 mW/m-2。

圖9 PDK151+327～+382段紅外探測曲線Fig.9 Infrared detecting curves at PDK151+327～+382

比較圖8和圖9可知，二者變化趨勢相同，而圖7代表的是前方無隱伏水，因此僅憑圖9無法判斷前方是否有水害。若再根據另一種比較掌子面橫向最大差值和縱向最大差值的方法判斷，則發現橫向和縱向輻射最大差值均在安全值10 mW/m-2以內，給判斷前方是否有水害帶來更大困難。將圖9中每個測點的輻射值減去圖8中相對應測點的輻射值，就可以得到可能隱伏水體沿隧道軸向的輻射變化趨勢，如圖10所示。圖10是去掉干擾場和巖石場后的輻射變化趨勢，很明顯剩下的輻射值只可能是前方隱伏水體表現出來的?？梢钥闯鲭S著距掌子面距離的接近，輻射值呈明顯上升的趨勢，此時可判斷前方存在隱伏水害的可能性極大，而掌子面處輻射差值在10 mW/m-2以內，這是因為平導斷面較小，由此甚至可判斷前方隱伏水體的體積很大。經超前水平鉆探，前方8 m后水壓陡增。通過按照最高溫度為標志點建立溫度干擾場模型，可有效地排除干擾。

圖10 隱伏水體輻射變化趨勢Fig.10 Radiation variation trend of concealed water body

4.3 規范探測過程

進行紅外探測時，紅外探測儀頂部一個很小的接收孔接收外界紅外輻射電磁波，并接收前方一定范圍內的輻射，測點相對于接收孔的張角很大，因此各點源應稱為擴展源。根據擴展源有輻亮度概念，即某方向上單位立體角內的輻射功率(單位為W/(m2·球面度))，輻亮度L可定義為

(2)

輻亮度可由圖11來表示?？梢娸椓炼扰c紅外探測儀接收孔所在的方位角θ有關。因此，實際探測時為了保持每條測線各點探測方位角相同，要求探測時站在隧道中軸線上，令探測儀對準各測點，即保證接收孔處在測點所在的隧道半徑線上，這樣才能保證每條測線各輻射強度的相對變化均等。

圖11 擴展源的輻亮度[8]Fig.11 Radial brightness of extended source[8]

5 應用實例與分析

5.1 PDK149+998～PDK150+058段紅外探測

PDK149+998～PDK150+058段穿越地層為中厚層狀泥盆系青山組灰巖，開挖揭露邊墻及掌子面圍巖節理較發育，圍巖較完整，巖面較干燥，無地下水出露，設計圍巖級別為Ⅲ級，采用臺階法施工。圖12為該段紅外探測曲線，各測線輻射值均呈逐漸下降的趨勢，PDK149+998比PDK150+058處高大約13 mW/m-2，變化趨勢與一般情況下的呈逐漸上升或平緩曲線形態不同，后期掌子面開挖后未揭露含水體。經查閱施工日志，該探測段施工時圍巖均較干燥，含水情況相似，所形成的各測線曲線應為平緩的。對于探測曲線的異常情況，經分析，該段掌子面開挖已停工數日，隧道正在PDK149+995處進行二次襯砌施工，探測時剛澆筑完二次襯砌混凝土，且環繞二次襯砌臺車裝有數盞DWDG型碘鎢燈管。澆筑的混凝土和燈源在該段探測起點處形成了熱輻射源，因而形成了該段逐漸下降的變化曲線。

圖12 PDK149+998～PDK150+058段紅外探測曲線Fig.12 Infrared detecting curves at PDK149+998～PDK150+058

5.2 PDK149+615～+675段紅外探測

PDK149+615～+675段穿越地層為中厚層—厚層狀泥盆系青山組灰巖，開挖揭露邊墻及掌子面圍巖節理較發育，圍巖較完整，局部夾泥質軟弱夾層，掌子面圍巖呈潮濕狀，無地下水出露，設計圍巖級別為Ⅲ級，采用臺階法施工。圖13為該段紅外探測曲線，各測線輻射值變化趨勢均較平緩，最高值為221 W/m-2，最低值為215 W/m-2，變化值在正常誤差范圍內，掌子面處輻射值在217～219 W/m-2，與隧道軸向輻射值在同一區間范圍內。探測時無燈源、初期支護噴射混凝土和初期支護滲漏水等干擾情況，經溫度測試，整個探測范圍內溫度均為21 ℃。掌子面開挖時未揭露地下水出露。結合本文所列的各異常情況下的曲線變化趨勢，通過對各干擾源的分析可知，進行紅外探測時，若能避免各種干擾情況，則可準確地進行隧道紅外探水。

圖13 PDK149+615～+675段紅外探測曲線Fig.13 Infrared detecting curves at PDK149+615～+675

6 結論與建議

通過廣大鐵路擴能改造工程祥和隧道進口灰巖段的紅外探水預報，根據紅外探水基本原理，總結出影響預報結果的主要干擾因素，并對各干擾因素進行現場試驗，得出以下結論。

1)影響預報結果的主要干擾源為燈源和噴射混凝土散熱，產生干擾的根本原因是干擾源產生的熱量改變了原來的環境溫度，產生的熱量越多，造成的干擾也越大。

2)減小干擾的主要方法：①選擇合適的紅外探測時間，以減少干擾；②若干擾無法避免，可按最高溫度為標志點建立干擾溫度場；③為保證各測線各測點相對輻射值均衡，探測時應保持在隧道中軸線上，令探測儀對準各測點，并保持接收孔與每一條測線各測點夾角相同。

采用以上方法可有效提高隧道紅外探水的準確性，但仍會經常出現較大偏差。對干擾源的類型及預防方法尚需進一步討論。建議實際探測時在一條隧道內連續多次探測，通過前期探測及開挖揭露驗證情況，進行數據和經驗的歸納與積累。探討建立適合該隧道的紅外探水模型，從而對后來的探測發揮指導作用，以提高預報的準確性。

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Analysis of Interference during Infrared Water Detecting in Tunnel and Corresponding Prevention Technologies

ZHAI Qiuzhu1， LI Haibin1， WANG Yawei2

(1.FourthEngineeringCo.,Ltd.，ChinaRailway17thBureauGroup,Chongqing401120，China；2.FacultyofGeosciencesandEnvironmentalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031，Sichuan，China)

There are many interfering factors in infrared water detecting in tunnel,hence the detecting accuracy would be affected.The mechanism of infrared water detecting used in site test of entrance section of Xianghe Tunnel is analyzed.It is revealed that lamp and the shotcrete have significant impact on infrared water detecting results; the primary cause of the interference to infrared water detecting lies on environment temperature variation induced by the heat generated by interference sources.The main methods to prevention interference,i.e.carrying out detecting work with minimum interference source,interference temperature field establishment and detecting right along tunnel axial line and some angle between receiving hole and detecting lines,are discussed.

tunnel construction; infrared water detecting; interference sources; interference analysis; interference prevention

2016-10-24;

2017-01-24

翟秋柱(1975—)，男，山西太原人，1998年畢業于西南交通大學，橋梁專業，本科，高級工程師，主要從事隧道施工及開挖方法研究工作。E-mail：306917917@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.06.003

U 455

A

1672-741X(2017)06-0662-07