紅外探水技術(shù)在隧道超前地質(zhì)預報中的應用

白崇賀

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，沈陽 110000)

1 概 述

由于地下工程的特殊性，隧道工程處在各種復雜的地質(zhì)環(huán)境中，在地質(zhì)條件差、地質(zhì)構(gòu)造復雜的地區(qū)，斷層破碎帶、褶皺、節(jié)理裂隙等構(gòu)造比較發(fā)育，內(nèi)含豐富的地下水，導致圍巖的力學性質(zhì)差，從而增大了施工難度。尤其是在未探明前方及周圍的地質(zhì)環(huán)境下突發(fā)的涌水、突泥會給施工安全帶來巨大的隱患，因此超前地質(zhì)預報在隧道施工中起著至關(guān)重要的作用。目前，物探方法較多，如電磁法、TSP、電法及聲波法在隧道超前地質(zhì)超報中應用較為普遍。本文主要闡述紅外線探水技術(shù)在隧道超前地質(zhì)預報中的應用。

2 工程概況

本工程位于遼寧錦州市義縣境內(nèi)，全長2 160 m。隧道開挖采取鉆爆法施工，開挖斷面為馬蹄形，設(shè)計坡比0.155 4‰。工程洞室埋深34 m～111 m，洞室?guī)r性主要為泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、石英砂巖、角礫巖、凝灰質(zhì)砂巖/礫巖、含燧石條帶白云質(zhì)灰?guī)r、蝕變凝灰?guī)r等。強風化～弱風化，其中泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、蝕變凝灰?guī)r等屬極軟～較軟巖，石英砂巖、含燧石條帶白云質(zhì)灰?guī)r中硬～堅硬巖。巖體多完整性差～較完整，節(jié)理不發(fā)育～較發(fā)育，節(jié)理面多平直光滑～起伏粗糙，微張～閉合，泥質(zhì)填充，少數(shù)無充填。

為保證隧道施工安全，提高施工效率，服務(wù)隧道施工，防止因突然涌水造成施工事故，采用紅外線探水法系統(tǒng)作近距離探測方式進行超前地質(zhì)預報的探測方法。

3 紅外探水的基本原理

輻射是從物質(zhì)中發(fā)射出來的，所有物體均向外界輻射紅外線，相對應的形成一個紅外線場。對于一個巖性相對穩(wěn)定的地質(zhì)體來說，其紅外線場是穩(wěn)定的，地質(zhì)體不同位置的場強變化不大。當?shù)刭|(zhì)體內(nèi)含有水時，則該地質(zhì)體有水處的場強和沒水處的場強會相差較大。利用這個原理應用紅外探測圍巖上不同位置的場強變化來預測前方30 m范圍內(nèi)是否含水。

4 紅外探水的方法

紅外探水屬于非接觸探測，主要方法是：

1) 在隧道掌子面布置測點。

2) 在隧道縱向邊墻布置測點。

3) 用儀器對測點打出一個紅色光點，扣動扳機，就可進行讀數(shù)，作好記錄。

4) 進入下一個測點循環(huán)。

4.1 掘進掌子面超前探水的測線布置

1) 在掌子面上布置24個測點，分4行布置，對每個測點打出紅色光點，并記錄讀數(shù)。若地質(zhì)情況復雜或探測過程中出現(xiàn)異常后，加密測點。

2) 測量開始時，應對一個點進行重復測量，當讀數(shù)基本穩(wěn)定時，才能正式開始測量。在探測地質(zhì)條件正常的斷面，會總結(jié)出各行讀數(shù)的最大值與最小值的差值是有一定范圍的,本工程隧道安全值為10 μw/cm2。這個范圍就是該隧道紅外場強的安全值，當前方出現(xiàn)含水層時則最大值和最小值的差值將大于安全值時，從而可以判斷出前方含水層及其位置。

圖1 掌子面測點布置示意圖

4.2 隧道邊墻縱向進行測點布置

1) 由隧道開挖掌子面開始向后方60 m范圍，5 m為間距，沿邊墻布置12個測點。

2) 先對掌子面開挖前方進行探測，之后返回。在行進的路徑上，每經(jīng)過一個測點，就用紅外探測儀器的激光器打出光點，使之分別落到左右邊墻中線、左右拱腳中線、拱頂中線及隧道底板中線的位置，讀數(shù)并記錄。

3) 當探測范圍有滲流、線流或涌水時，均要對出水點進行紅外探測。

4) 探測過程中要排除照明燈、通風口光源等干擾因素，若無法避免，要備注說明。見圖2。

圖2 拱頂及側(cè)幫測點布置示意圖

5 紅外探水的數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上探測成果，由場強曲線及隧道走向構(gòu)成的紅外探水判斷條件，建立直角坐標系：X軸為探測點距開挖掌子面長度，Y軸為探測點場強，并形成函數(shù)圖形。

對函數(shù)圖形進行分析，以此進行超前探水預報。

函數(shù)圖形為水平線，則可判斷開挖掌子面前方地質(zhì)構(gòu)造不含水，見圖3(a)。

函數(shù)圖形為斜線，則可判斷開挖掌子面前方地質(zhì)構(gòu)造存在含水可能性，為得到精確預報結(jié)果，需進行進一步探測，見圖3(b)。

函數(shù)圖形接近Y軸的部分斜率變化較為明顯，遠離部位趨于水平或斜線，則可判斷開挖掌子面前方地質(zhì)構(gòu)造含水，見圖3(c)。

在某隧道的掌子面上進行紅外探水地質(zhì)預報，是為了對開挖掌子面前方地質(zhì)構(gòu)造含水情況進行探明，對地下水系發(fā)育情況進行評價。表1和圖4分別是對掌子面進行紅外探測的數(shù)據(jù)記錄表和掌子面場強分布圖。

圖3 紅外探水場強曲線判據(jù)圖

表1 掌子面超前紅外探測數(shù)據(jù)記錄表(場強值)

注：數(shù)據(jù)按掌子面自左向右排列。

圖4 掌子面場強分布圖

由表1可知，掌子面紅外輻射場場強最大值為361 μw/cm2，最小值240 μw/cm2，差值為21 μw/cm2，差值大于安全值10 μw/cm2，紅外輻射場強差值較大，據(jù)此分析開挖掌子面前方20 m范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造含水。

在隧道邊墻和拱頂沿隧道走向布置5條測線，由探測的數(shù)據(jù)(表2)繪出曲線圖(圖5)。圖5顯示，左邊墻腳、左邊墻、拱頂對應的曲線上的場強值沒有突變，曲線起伏不大。布置在右邊墻、右邊腳對應的曲線起伏較大，據(jù)此分析開挖掌子面前方20 m內(nèi)右下側(cè)地質(zhì)構(gòu)造含水。兩種探測方法一致。

表2 隧道走向超前紅外探測數(shù)據(jù)記錄表(場強值)

續(xù)表2

圖5 沿隧道走向布點探測法場強分布圖

6 結(jié) 論

1) 紅外探水與其他超前預報相比所需時間較短、不影響正常施工、可與施工共同進行，儀器便于攜帶，并且在后期分析時仍具有較多優(yōu)點，如數(shù)據(jù)分析簡潔、成果精度、準確度高。

2) 探測數(shù)據(jù)要具有可靠性，若因探測時操作失誤或讀數(shù)錯誤，而得到允許值之外的函數(shù)圖像，則探水結(jié)果必然錯誤。因此，現(xiàn)場操作必須注意正確的地下工作方法、探測技巧、操作和記錄規(guī)定。

3) 紅外探水在使用的過程中對周圍環(huán)境的要求較為嚴格，探測期間要控制洞內(nèi)的溫度及濕度，并要確保開挖掌子面和已開挖洞段的圍巖表面沒有水，否則紅外探測結(jié)果將不準確。使用環(huán)境條件，溫度：0℃～40℃；濕度：應不大于80%，在潮濕環(huán)境工作不應超過8 h；大氣壓力：(0.8～1.1)×105Pa；無腐蝕性氣體和強電磁場干擾。而且紅外探測距離較短只有在30 m范圍內(nèi)進行，且相鄰探測時應有5～10 m的重疊區(qū)，只能探測地質(zhì)體是否含水，無法定量判出水量大小、水壓力和距離，因此紅外探測技術(shù)在應用過程中有待于進一步開發(fā)和研究。