紅外探測技術在隧道超前地質預報中優(yōu)、缺點探討

安 輝

(蘭州鐵道設計院有限公司，蘭州 730000)

紅外探測技術在隧道超前地質預報中優(yōu)、缺點探討

安 輝

(蘭州鐵道設計院有限公司，蘭州 730000)

紅外探測技術在隧道超前地質預報中發(fā)揮著重要作用，通過實踐對儀器的性能和適用范圍進行探討和研究，可以對紅外探測儀器的改進起到指導作用。詳細闡述紅外探水的基本原理、特點、測線布置方式和預報判讀依據(jù)，結合滬昆客運專線貴州段玉屏至凱里段隧道工程實例，多次準確預報出掌子面前方存在的隱伏含水構造，從而成功避免了隱伏含水構造對隧道施工帶來的安全隱患，同時對紅外探測技術在隧道超前地質預報中的優(yōu)、缺點進行分析、探討。

超前地質預報;紅外探水儀;掌子面;隱伏含水體

滬昆客運專線貴州段工程十分艱巨，是我國又一條修建在艱、險、難山區(qū)的客運專線鐵路，沿線通過碳酸鹽巖地段長約510 km，占全線線路總長的68.5%。影響鐵路工程的溶洞、落水洞、溶蝕洼地、隱伏溶洞、暗河等巖溶形態(tài)眾多，伴隨而來的隱伏含水構造給隧道施工帶來了安全隱患，所以查明掌子面前方是否存在隱伏含水構造就顯得異常重要，本文詳細闡述了紅外探水的基本原理、特點、測線布置方式和預報判讀依據(jù)，結合工程實例，對紅外探測技術在隧道超前地質預報中的優(yōu)、缺點進行了分析、探討。

1 工程概況

1.1 地形地貌

滬昆客運專線貴州段玉屏至凱里段位于侵蝕、剝蝕中低山區(qū)，群峰起伏，山脈綿延，線路穿山越谷，地面高程400～1 000m，相對高差200～400 m，地面坡度35°～40°，基巖多裸露，常見懸崖峭壁、障谷、隘谷景觀。

1.2 地層巖性

沿線地層出露較為完全，自前震旦系至第四系地層皆有分布。巖性以灰?guī)r、白云巖類可溶巖為主，相間分布板巖、泥巖、砂巖、頁巖及煤系地層，局部地段有玄武巖分布。

1.3 地質構造

滬昆客運專線貴州段玉屏至凱里段屬梵凈山拗陷褶皺帶，構造作用強烈，褶皺斷層發(fā)育，致使巖層風化破碎較為強烈。構造線多為NE向，部分為NW向，線路與NE向構造線方向基本一致，順層較普遍。區(qū)內褶皺形態(tài)發(fā)育不均衡，背斜寬展，向斜狹窄緊密，兩翼不對稱。

新構造運動時期以來，區(qū)域內隨云貴高原整體抬升，其上升幅度表現(xiàn)出西部較大，東部較小，形成了現(xiàn)今地勢上的3個顯著階梯。其階坎部位既與地區(qū)重力異常等值線梯度帶吻合，又大致與松桃—獨山、埡都—紫云兩深斷裂帶一致。

本段即處于第三級階梯黔東桂北低山丘陵地帶，海拔在900～1 000m，相對高差較小，一般在400～500 m以下。

1.4 水文地質特征

線路所經地區(qū)的水文地質條件主要受地貌、巖性、構造的控制。丘陵、陡坡及泥頁巖地段，一般水量較小;砂巖、碳酸鹽巖地區(qū)，構造裂隙帶及向斜等儲水構造的地下水水量較大。沿線地下水主要為基巖裂隙水、巖溶水。

1.4.1 基巖裂隙水

主要分布在低、中山區(qū)，丘陵區(qū)較少。在沿線地質構造、風化裂隙發(fā)育的砂巖、礫巖、白云巖及玄武巖地段，裂隙水相對較豐富，大部分山間溝槽中部一帶有地下水露頭，其流量一般為0.05～3 L/s，個別可達5 L/s。在既有隧道中多見滲水、滴水、浸水現(xiàn)象，局部可見股狀流水，路塹邊坡上時有少量裂隙水浸出、滲出。在構造裂隙密集帶或斷層帶普遍富集地下水，水量較大。

1.4.2 巖溶水

主要發(fā)育于石炭、二疊及三疊系碳酸鹽巖地層中，次為部分寒武系的碳酸鹽巖地層中發(fā)育的巖溶水。水量較豐富，分布不均勻，受巖溶發(fā)育形態(tài)及程度控制，接受大氣降雨補給。從各種溶洞、溶孔、溶縫中以泉或暗河方式排泄，流量隨季節(jié)變化大，泉水流量一般為2～5 L/s，個別可達 10～30 L/s，集中暴雨后會更大，暗河流量一般為50～500 L/s不等，豐水期更大。

2 紅外探測的基本原理

巖層由于分子振動和晶體格振動，每時每刻都在向外輻射電磁波，并形成紅外輻射場。紅外探測技術就是通過紅外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。當探測前方不存在隱伏的地質異常體時，紅外輻射場就是一常值。當探測前方一定范圍內存在隱伏的地質異常體時，地質異常體產生的輻射場就要疊加在正常輻射場上，從而使得正常輻射場發(fā)生畸變。因此根據(jù)紅外輻射場曲線的變化規(guī)律，就可以全空間、全方位探查地質異常體。在隧道掘進現(xiàn)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)曲線近似為一條直線。

3 紅外線超前探水測線的布置

3.1 軸向測線布置

從隧道開挖面后方60m處向掘進方向每隔5 m對隧道周邊探測1次(圖1)，每次探測順序依次為左邊墻腳、左邊墻、拱頂、右邊墻、右邊墻腳和隧底中線，每個斷面的測點布置示意見圖2，共探測12個斷面，這樣沿隧道軸線方向共形成6條探測曲線，分別為左邊墻腳探測曲線、左邊墻探測曲線、拱頂探測曲線、右邊墻探測曲線、右邊墻腳探測曲線和隧底中線探測曲線。

圖1 沿隧道軸向探測斷面布置示意(單位:m)

3.2 掌子面測點布置

圖2 斷面的測點布置示意

圖3 隧道掌子面的測點布置示意

隧道掌子面上的測點布置如圖3所示，在開挖面上水平方向自上而下布置4條測線，每條測線上布置6個測點。

4 紅外線超前探水法的判據(jù)

4.1 根據(jù)掘進掌子面場強差異進行超前探水的判據(jù)

通過對比分析掌子面各測點的場強，判定掘進掌子面是否存在含水構造體。根據(jù)以往測試經驗，判譯標準一般設定為:當掘進掌子面測點中最大場強和最小場強的能量差≥10W/cm2，可判定前方存在含水構造體，否則不存在含水體構造。

4.2 根據(jù)場強曲線進行超前探水的判據(jù)

建立各測點的場強(y軸)與測點到掘進掌子面的距離(軸)的函數(shù)關系，并繪制出函數(shù)圖形，根據(jù)函數(shù)圖形特征進行超前探水預報。如果函數(shù)圖形為一水平直線，表明掌子面前方不存在含水構造，見圖4(a)。如果函數(shù)圖形為一斜線，表明掌子面前方存在具有含水構造的可能性，需要進一步探測，見圖4(b)。如果函數(shù)圖形開始部分存在階躍突變，后部為水平或斜線，表明掌子面前方存在含水構造，見圖4(c)。

圖4 場強曲線進行超前探水的判據(jù)

5 實例分析

5.1 實例1 小高山隧道(圖5、圖6)

圖5 小高山隧道DK567+213～DK567+158段紅外探測曲線

圖6 小高山隧道DK567+153掌子面紅外探測曲線

以滬昆客運專線小高山隧道DK567+213～DK567+153段為例，該段出露巖性為寒武系白云巖，洞身多處可見滲水、滴水現(xiàn)象，掌子面滲水現(xiàn)象較嚴重;從紅

外線探測曲線來看，DK567+213～DK567+173段測值走勢整體呈均一上升趨勢，DK567+173～DK567+163段測值陡然上升，DK567+163～DK567+158段測值較為均一，掌子面探測值略有波動，剔除受外界干擾的數(shù)值后，場強最大差值為19W/cm2，據(jù)此應該判定前方可能存在隱伏含水構造;從而給出施工建議為:預先采取超前水平鉆探和加深炮孔來驗證預報的準確性，加強監(jiān)測出水情況，做好相應的防排水措施，以防止涌水、突水現(xiàn)象發(fā)生時造成人員傷害和設備損失，確保安全。實際驗證情況為:DK567+126右側拱腰處地下水發(fā)育，出水方式為股狀流水，出水量5 000～10 000m3/d，對現(xiàn)場施工造成了較大影響;從該實例可以看出，紅外探水儀非常敏感，對前方存在的隱伏含水構造把握非常準確，但出水的位置和水量的大小需要其他預報方法進行補充、驗證。

5.2 實例2 格沖隧道(圖7、圖8)

圖7 格沖隧道DK557+568～DK557+513段紅外探測曲線

圖8 格沖隧道DK557+508掌子面紅外探測曲線

以滬昆客運專線格沖隧道DK557+568～DK557+508段為例，該段出露巖性為寒武系白云巖，洞身多處可見滲水、淋雨狀出水，掌子面局部有股狀涌水;從紅外線探測曲線來看，測值走勢整體呈均一下降趨勢，掌子面探測值有所波動，剔除受外界干擾的數(shù)值后，場強最大差值為9W/cm2，據(jù)此應該判定前方不存在含水構造;實際驗證情況為:DK557+508～DK557+478段地下水較發(fā)育，出水方式以滲水、淋雨狀出水為主，局部有股狀流水現(xiàn)象，出水量較大，對現(xiàn)場施工造成了較大影響;從該實例可以看出，若測試段地下水較發(fā)育，則紅外探測儀就喪失了其敏感性，無法準確判斷前方地下水發(fā)育情況，從而喪失了對施工的指導作用。

5.3 實例3 臺盤隧道(圖9、圖10)

以滬昆客運專線臺盤隧道DK546+111～DK546+

圖9 臺盤隧道DK546+111～DK546+166段紅外探測曲線

圖10 臺盤隧道DK546+171掌子面紅外探測曲線

171段為例，該段出露巖性為寒武系白云巖，掌子面及洞身地下水不發(fā)育，從紅外線探測曲線來看測值呈均勻下降趨勢，受周圍環(huán)境影響，局部略有波動，從圖9、圖10可以看出，場強曲線呈起伏交錯分布，尤其底中及右邊墻腳場強值變化較大，最大差值為17W/cm2，據(jù)此判定前方存在含水體的可能性較大，從而給出施工建議為:采用超前水平鉆探進行驗證，做好防、排水措施。實際驗證情況為DK546+171～DK546+201段拱頂出現(xiàn)滴、滲水，兩側邊墻局部出現(xiàn)滲水。從該實例可以看出，紅外探水儀非常敏感，但是無法準確預報出出水位置和水量，此例中出現(xiàn)的滴、滲水現(xiàn)象還不足以對施工造成危害，因此對施工的實際指導意義不大。

6 優(yōu)、缺點的探討

6.1 紅外探水的優(yōu)點

(1)紅外探水不影響施工、可與施工同步進行，攜帶方便、現(xiàn)場操作快速便捷。

(2)紅外探水儀對含水構造很敏感。

(3)后期數(shù)據(jù)處理速度快，資料簡潔、直觀，能夠及時有效地指導施工。

(4)預報費用較低。

6.2 紅外探水的缺點

(1)由于紅外探水儀很敏感，因此容易受外界因素干擾。

(2)不能定量推測水壓、水量、水體寬度及其準確位置。

(3)紅外探測技術最好的使用條件是掌子面及其后方已開挖區(qū)段的圍巖表面沒有水，如果掌子面及其后方已開挖區(qū)段的圍巖表面有大面積水體，紅外探測技術就失去了應有的作用。

(4)當隧道圍巖節(jié)理裂隙比較發(fā)育，每次預報均有水，但水量較小未影響到施工時，容易引起施工單位對地下水災害隱患的麻痹。

7 結語

(1)紅外探水法最佳的適用環(huán)境是從無水環(huán)境進入有水環(huán)境，此時紅外探水儀最為敏感，預報效果最好;如果已開挖段落地下水發(fā)育，此時紅外探水儀則喪失其敏感的優(yōu)勢，無法準確預報前方地下水發(fā)育情況。

(2)紅外探水法由于其自身的缺陷，很難作為一種獨立的預報手段，只能作為其他預報方法的補充、驗證。

(3)紅外探水無法定量預報水量，而預報有水時，但水量較小未影響施工時，容易導致“狼來了”的效應，從而導致施工單位麻痹大意，當真正災害來臨時，造成無法估量的損失。因此，在紅外探水資料出來之后，應結合隧道的地質資料和其他物探測試的結果綜合分析，才能得出比較客觀的結論。

(4)紅外探水預報尚需在工程施工中不斷創(chuàng)新、優(yōu)化、總結、完善和提高。

(5)加強地質知識的學習與補充，才能對儀器的處理結果做出正確判斷，并做出合理的解釋，進而做出正確的預報。

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Study on Advantages and Disadvantages of Infrared Detection Technology Used in Geological Forecast of Tunnel

AN Hui

(Lanzhou Railway Survey and Design Institute Co．，Ltd．，Lanzhou 730000，China)

Infrared detection technology plays an important role in geological forecast of tunnel;and when combining with actual practice，an analytical research on the performance and application scope of this kind of instrument can play a guiding role in improvement of infrared detection instrument．This paper expounds how to use infrared technology for water detecting，including the basic principle，the survey line arrangement，and the basis of forecast interpretation．Especially，in combination with the actual tunnel projects of Yuping-Kaili section on Shanghai-Kunming passenger dedicated line in Guizhou Province，the infrared water detector have accurately forecasted the hidden water-bearing structures in front of the tunnel work-faces formany times，so that the hidden safety hazard for tunnel construction，arising from the hidden water-bearing structure，have been eliminated successfully．This paper also analyses and discusses the advantages and disadvantages of infrared detection technology used in geological forecast of tunnel．

geological forecast;infrared water detector;tunnel workface;hidden water-bearing bodies

U456.3+3

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．024

1004－2954(2014)03－0101－04

2013－06－27;

2013－07－15

安 輝(1976—)，男，高級工程師，工學學士，E-mail:78336999@qq．com。