隧道施工紅外探水干擾分析與預(yù)防研究

翟秋柱， 李海斌， 王亞暐

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

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隧道施工紅外探水干擾分析與預(yù)防研究

翟秋柱1， 李海斌1， 王亞暐2

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

隧道紅外探水預(yù)報(bào)受多種因素的干擾，其準(zhǔn)確性往往受到影響。通過(guò)紅外探水的原理分析，對(duì)廣大鐵路擴(kuò)能改造工程祥和隧道進(jìn)口段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，針對(duì)每一項(xiàng)影響因素做詳細(xì)的試驗(yàn)測(cè)試，分析發(fā)現(xiàn)燈源、初噴混凝土對(duì)紅外探測(cè)造成的影響最大，產(chǎn)生干擾的根本原因是干擾源產(chǎn)生的熱量改變了原來(lái)的環(huán)境溫度，并探討了減小干擾的主要方法：1)探測(cè)時(shí)選擇干擾源最少的時(shí)間段；2)若干擾無(wú)法避免，可按最高溫度為標(biāo)志點(diǎn)建立干擾溫度場(chǎng)，即可明顯排除干擾產(chǎn)生的影響；3)探測(cè)時(shí)應(yīng)保持在隧道中軸線上，保持接收孔與每一條測(cè)線各測(cè)點(diǎn)夾角相同。通過(guò)以上方法，可以有效提高隧道紅外探水的準(zhǔn)確性。

隧道施工；紅外探水；干擾源；干擾分析；干擾預(yù)防

0 引言

隧道施工過(guò)程中常遇到地下水(斷層水、巖溶水等)，在不探明前方地質(zhì)條件的情況下貿(mào)然施工的話，可能會(huì)引發(fā)突泥、突水等災(zāi)害[1-3]。采用紅外探水技術(shù)對(duì)隧道前方及周邊的隱伏水體進(jìn)行全方位的探測(cè)，具有操作簡(jiǎn)單、不占用施工時(shí)間、準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)，在隧道施工過(guò)程中成為一種不可或缺的隱伏水災(zāi)害預(yù)報(bào)手段[4-7]。

在實(shí)際施工過(guò)程中，使用紅外探水儀進(jìn)行隱伏水探測(cè)時(shí)存在很多干擾源，如處理不當(dāng)，可對(duì)探測(cè)結(jié)果造成較大影響。因此，對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行干擾甄別及剔除是紅外探水的一項(xiàng)重要工作。

常記春[8]闡述了應(yīng)用紅外遙感技術(shù)預(yù)報(bào)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(guò)圓梁山隧道紅外探水結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，得出地質(zhì)體紅外輻射場(chǎng)分布規(guī)律及其影響因素，并提出紅外探水的判別標(biāo)準(zhǔn)；李彥軍[11]和田榮等[12]詳細(xì)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(chǎng)影響下紅外探水預(yù)報(bào)的處理方法。然而各主要干擾場(chǎng)對(duì)紅外探水產(chǎn)生的影響尚未得到定量化分析，而對(duì)隧道施工紅外探水干擾場(chǎng)的定量化可以進(jìn)一步提高其預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

本文以廣大鐵路擴(kuò)能改造工程祥和隧道進(jìn)口灰?guī)r段紅外探水預(yù)報(bào)為背景，根據(jù)紅外探水基本原理，分析影響預(yù)報(bào)結(jié)果的主要干擾因素，提出一種定量化分析方法，以進(jìn)一步提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

1 工程概況

祥和隧道進(jìn)口段主要穿越地層為泥盆系青山組灰?guī)r，康郎組白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，屬可溶性碳酸鹽巖地層，巖溶發(fā)育，山體內(nèi)發(fā)育暗河、溶洞等，地下水以巖溶水為主，水量豐沛，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道施工時(shí)易發(fā)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(shù)裂隙水更明顯，紅外探測(cè)結(jié)果更突出。該隧道灰?guī)r段采用紅外探水方法進(jìn)行隱伏水體探測(cè)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

2 紅外探水原理

2.1 紅外探水理論依據(jù)[8]

組成物體的所有分子和原子都在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，這種無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)使物體能量狀態(tài)發(fā)生改變，其結(jié)果是產(chǎn)生熱，物體的內(nèi)能會(huì)轉(zhuǎn)換成輻射能，并以電磁波的方式不斷向外發(fā)射[14]。根據(jù)熱輻射原理，任何溫度在絕對(duì)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(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律：物體溫度越高，它輻射出來(lái)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(fā)射本領(lǐng)，又稱比輻射率，是一個(gè)與波長(zhǎng)有關(guān)的量綱一的量；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.67×1012W·cm2·K4；Tkin為動(dòng)溫度，即平時(shí)所說(shuō)的物體溫度，可用普通溫度計(jì)與物體直接接觸進(jìn)行測(cè)量,℃。

通過(guò)式(1)可以看出，物體輻射總功率由物體發(fā)射本領(lǐng)ε和物體動(dòng)溫度Tkin共同決定，在實(shí)際探測(cè)中所需探測(cè)的既不是目標(biāo)體輻射總功率，也不是其動(dòng)溫度，而是輻射溫度Trad。動(dòng)溫度與輻射溫度的關(guān)系為Trad=ε1/4Tkin，可知輻射溫度仍由目標(biāo)體發(fā)射本領(lǐng)和其動(dòng)溫度決定。表1列舉了溫度在20 ℃時(shí)的部分巖體和波長(zhǎng)在8～12 μm時(shí)的水的發(fā)射本領(lǐng)。

由表1可以看出：水的發(fā)射本領(lǐng)高于巖石，由于各物體在相同溫度和波長(zhǎng)條件下，發(fā)射本領(lǐng)的變化規(guī)律是相同的，因此在動(dòng)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(shù)進(jìn)行隧道水災(zāi)害探測(cè)的理論依據(jù)之一。根據(jù)Trad=ε1/4Tkin，可求出上述各巖石和水在動(dòng)溫度為20 ℃時(shí)的輻射溫度。如表1所示，在相同動(dòng)溫度條件下，巖石與水的輻射溫差都在1 ℃以內(nèi)，可以看出物體發(fā)射本領(lǐng)對(duì)輻射溫度影響不大。

表1 溫度在20 ℃時(shí)的部分巖體和波長(zhǎng)在8～12 μm時(shí)的水的發(fā)射本領(lǐng)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(jù)在于水與巖石間熱性質(zhì)的差異。表2為上述6種巖石和水在20 ℃時(shí)的熱性質(zhì)。表2中數(shù)據(jù)顯示：水的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)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。可知如果在圍巖中存在一個(gè)較大的含水構(gòu)造，由于其自身的熱導(dǎo)率低而熱容量高，所以能很好地儲(chǔ)熱或儲(chǔ)冷，以保持它原來(lái)的溫度，而不易被周圍巖體溫度所同化，這對(duì)流動(dòng)性地下水來(lái)說(shuō)效果尤其明顯[15]。隧道開(kāi)挖會(huì)破壞原來(lái)的水文系統(tǒng)，使得外部環(huán)境的水進(jìn)入因隧道開(kāi)挖而形成的新的地下水流動(dòng)系統(tǒng)，因此這部分水與圍巖會(huì)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(huán)境同化，二者輻射溫度相差無(wú)幾。這是利用紅外探水技術(shù)進(jìn)行隧道施工水害預(yù)報(bào)的另一重要依據(jù)。

表2 溫度為20 ℃時(shí)部分巖石和水的熱性質(zhì)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(cè)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(cè)一次，共探測(cè)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(cè)線，每條測(cè)線均勻探測(cè)6次。紅外探水示意圖如圖1所示。后期數(shù)據(jù)處理時(shí)，將第1部分所測(cè)的6條測(cè)線繪制成輻射變化曲線，分析曲線變化趨勢(shì)；另外，將掌子面處測(cè)得的4組數(shù)據(jù)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(duì)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(chǎng)分析

從紅外探水理論依據(jù)可以看出，物體的發(fā)射本領(lǐng)和本身動(dòng)溫度決定其輻射溫度，水和其他物體間熱性質(zhì)差異決定各自動(dòng)溫度。縱觀整個(gè)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)幾種主要的非原始山體環(huán)境(即可能的干擾源主要有掌子面施工照明用燈源、通風(fēng)筒、隧道滲水和地面積水、初噴混凝土放熱等)，進(jìn)行紅外探水的影響程度分析。

3.1 燈源對(duì)紅外探水的影響分析

隧道施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)布置一些燈管以提供照明，尤以掌子面處燈管數(shù)量最多。燈管在點(diǎn)亮?xí)r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(dǎo)進(jìn)口采用隧道施工最常用的DWDG型碘鎢燈管進(jìn)行紅外探測(cè)的影響試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程如下：在隧道相對(duì)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(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，將這55 cm距離以5 cm為間隔作為觀測(cè)點(diǎn)，以距基準(zhǔn)點(diǎn)垂直距離為0、1、2、3、4、5 m處各進(jìn)行一組探測(cè)，將探測(cè)數(shù)據(jù)繪制成曲線進(jìn)行分析(見(jiàn)圖3)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)Fig.2 Field test

圖3 試驗(yàn)過(guò)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(shí)不同測(cè)點(diǎn)的紅外輻射值。可以看出：當(dāng)探測(cè)儀距燈管距離分別為0和1 m時(shí)，隨著測(cè)點(diǎn)到燈管燈源距離的增大，輻射值迅速降低，至5 m時(shí)基本趨于穩(wěn)定；所有曲線均在測(cè)點(diǎn)距燈管0.5 m后趨于穩(wěn)定，輻射值達(dá)到255 mW/m-2，測(cè)得此段試驗(yàn)場(chǎng)地隧道邊墻的輻射值均為254 mW/m-2，可認(rèn)為燈管對(duì)隧道紅外探測(cè)顯著干擾場(chǎng)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(xù)放熱，整個(gè)隧道施工空間溫度都將受其影響，而環(huán)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(duì)紅外探測(cè)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(cè)曲線，同時(shí)測(cè)得掌子面處輻射值在259 mW/m-2左右，此時(shí)洞內(nèi)僅在PDK150+635處(即掌子面后臺(tái)架處)有燈源，且開(kāi)挖后圍巖無(wú)水?？梢钥闯?，輻射值呈逐漸上升的趨勢(shì)，在燈源處達(dá)到最大，可知燈源對(duì)紅外探測(cè)的影響很大。

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

3.2 風(fēng)筒對(duì)紅外探水的影響分析

圖6和圖7分別為平導(dǎo)進(jìn)口PDK149+540～+595段風(fēng)筒開(kāi)啟3 h和風(fēng)筒關(guān)閉3 h后各測(cè)線輻射的變化曲線，測(cè)試時(shí)除風(fēng)筒外無(wú)其他的可能干擾源。本測(cè)試段已經(jīng)開(kāi)挖，圍巖為完整灰?guī)r，且無(wú)水發(fā)育。

圖5 燈源對(duì)紅外探測(cè)的影響曲線Fig.5 Curves of impact of lamp on infrared water detecting

圖6 風(fēng)筒開(kāi)啟時(shí)紅外探測(cè)曲線Fig.6 Infrared water detecting curves when air duct is open

圖7 風(fēng)筒關(guān)閉時(shí)紅外探測(cè)曲線Fig.7 Infrared water detecting curves when air duct is closed

從圖6和圖7可以看出：風(fēng)筒開(kāi)啟前后紅外輻射值變化不大，輻射值均在190～193 mW/m-2，可認(rèn)為由偶然誤差引起；風(fēng)筒關(guān)閉后曲線局部點(diǎn)輻射波動(dòng)較大，究其原因，風(fēng)筒開(kāi)啟時(shí)整個(gè)隧道內(nèi)空氣不斷流動(dòng)，溫度擴(kuò)散相對(duì)均勻，而風(fēng)筒關(guān)閉后空氣流動(dòng)滯緩，導(dǎo)致溫度擴(kuò)散不均，局部溫度偏高或者偏低，從而導(dǎo)致輻射的波動(dòng)。對(duì)比圖6和圖7可知，風(fēng)筒對(duì)紅外探測(cè)結(jié)果的影響大不，在實(shí)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(duì)紅外探測(cè)的影響分析

在對(duì)PDK150+580～+640段(如圖5所示)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)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(guò)輻射變化曲線可以看出，這幾處輻射值并沒(méi)有明顯變化，各曲線變化也均趨于平穩(wěn)，可以得出地面少量積水和隧道少量滲水不會(huì)影響紅外探測(cè)的結(jié)果。由基本原理可知，水與巖石間熱性質(zhì)的差異是進(jìn)行紅外探水的最主要依據(jù)，隧道內(nèi)存在的少量水很快會(huì)被巖石、襯砌等其他環(huán)境同化，而且得到的探測(cè)結(jié)果是很多點(diǎn)源輻射值的疊加，隧道內(nèi)少量積水和滲水不是輻射的主體，所表現(xiàn)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(duì)紅外探測(cè)的影響分析

初期支護(hù)由噴射混凝土進(jìn)行封閉時(shí)，無(wú)論采用干噴還是濕噴工法，混凝土在凝固過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，并釋放出大量熱，此時(shí)進(jìn)行紅外探水將會(huì)產(chǎn)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(huì)產(chǎn)生不同的輻射效果，且噴射過(guò)程中及噴射完畢后的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，隧道內(nèi)將存在大量的粉塵，對(duì)于場(chǎng)源所輻射出的電磁波產(chǎn)生一定的散射和吸收等作用，這期間所得的紅外探測(cè)數(shù)據(jù)很無(wú)規(guī)律。因此，必須避免在噴射混凝土期間及以后較長(zhǎng)放熱階段進(jìn)行紅外探水工作。

通過(guò)對(duì)以上可能干擾源的分析可知，燈源、初噴混凝土對(duì)紅外探測(cè)造成的影響最大，而風(fēng)筒、隧道少量地面積水和滲水則對(duì)紅外探測(cè)結(jié)果基本無(wú)影響。值得注意的是，隧道內(nèi)還存在其他干擾源，如出碴時(shí)裝載機(jī)、汽車等機(jī)械，打炮眼時(shí)風(fēng)槍及由其產(chǎn)生的水汽等，都會(huì)對(duì)紅外探測(cè)產(chǎn)生很大影響。但綜合分析這些干擾源可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生干擾的根本原因是干擾源產(chǎn)生的熱量改變了原來(lái)的環(huán)境溫度，產(chǎn)生的熱量越多，造成的干擾也越大。

4 紅外探水干擾預(yù)防方法探析

4.1 選擇合適的探測(cè)時(shí)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(gè)連續(xù)的過(guò)程，具有任務(wù)重、工期短的特點(diǎn)，很難較長(zhǎng)時(shí)間停工來(lái)恢復(fù)正常溫度場(chǎng)，因此選擇一個(gè)合適的時(shí)間段進(jìn)行紅外探水是減少干擾的首要途徑。經(jīng)過(guò)對(duì)比各個(gè)施工工序，掌子面處出完渣后進(jìn)行下一個(gè)工序的準(zhǔn)備工作時(shí)，是最好的紅外探水時(shí)機(jī)。此時(shí)掌子面無(wú)燈源，而由裝載機(jī)和汽車工作所散發(fā)的熱量會(huì)靠風(fēng)筒換風(fēng)盡快排走，因此這時(shí)候掌子面的溫度將最接近正常溫度場(chǎng)。

4.2 建立干擾溫度場(chǎng)模型

實(shí)際工作中由于開(kāi)挖工作面多，上述合適的工作時(shí)段與探測(cè)時(shí)間難免有沖突，應(yīng)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(chǎn)生干擾的根本因素，而所需探測(cè)的60 m范圍內(nèi)必然存在一個(gè)溫度最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，溫度在整個(gè)探測(cè)環(huán)境中逐漸變化，干擾源處溫度最高。因此，以最高環(huán)境溫度作為分類標(biāo)志建立干擾溫度場(chǎng)模型，如圖8所示，為最高溫度為27 ℃時(shí)干擾溫度場(chǎng)輻射曲線。測(cè)溫時(shí)以沿隧道中線離地2 m處最高溫度為準(zhǔn)，最高溫度處離掌子面4 m左右，即掌子面前工作臺(tái)架安放燈源處，同時(shí)測(cè)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(shù)據(jù)是在相同環(huán)境、不同里程下，經(jīng)多次測(cè)量、取平均值所得，因而具有代表性。

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

圖9為祥和隧道平導(dǎo)進(jìn)口PDK151+327～+382段紅外探測(cè)曲線。測(cè)量期間掌子面處及探測(cè)范圍均無(wú)施工，但掌子面處有一臺(tái)架，且上面安裝有6盞DWDG型碘鎢燈管，臺(tái)架下停放一裝載機(jī)，測(cè)得最高溫度為26 ℃，與上述所建模型溫度接近；同時(shí)，測(cè)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(cè)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(shì)相同，而圖7代表的是前方無(wú)隱伏水，因此僅憑圖9無(wú)法判斷前方是否有水害。若再根據(jù)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(fā)現(xiàn)橫向和縱向輻射最大差值均在安全值10 mW/m-2以內(nèi)，給判斷前方是否有水害帶來(lái)更大困難。將圖9中每個(gè)測(cè)點(diǎn)的輻射值減去圖8中相對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)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(shì)，如圖10所示。圖10是去掉干擾場(chǎng)和巖石場(chǎng)后的輻射變化趨勢(shì)，很明顯剩下的輻射值只可能是前方隱伏水體表現(xiàn)出來(lái)的。可以看出隨著距掌子面距離的接近，輻射值呈明顯上升的趨勢(shì)，此時(shí)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(nèi)，這是因?yàn)槠綄?dǎo)斷面較小，由此甚至可判斷前方隱伏水體的體積很大。經(jīng)超前水平鉆探，前方8 m后水壓陡增。通過(guò)按照最高溫度為標(biāo)志點(diǎn)建立溫度干擾場(chǎng)模型，可有效地排除干擾。

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

4.3 規(guī)范探測(cè)過(guò)程

進(jìn)行紅外探測(cè)時(shí)，紅外探測(cè)儀頂部一個(gè)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(nèi)的輻射，測(cè)點(diǎn)相對(duì)于接收孔的張角很大，因此各點(diǎn)源應(yīng)稱為擴(kuò)展源。根據(jù)擴(kuò)展源有輻亮度概念，即某方向上單位立體角內(nèi)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(lái)表示?？梢?jiàn)輻亮度與紅外探測(cè)儀接收孔所在的方位角θ有關(guān)。因此，實(shí)際探測(cè)時(shí)為了保持每條測(cè)線各點(diǎn)探測(cè)方位角相同，要求探測(cè)時(shí)站在隧道中軸線上，令探測(cè)儀對(duì)準(zhǔn)各測(cè)點(diǎn)，即保證接收孔處在測(cè)點(diǎn)所在的隧道半徑線上，這樣才能保證每條測(cè)線各輻射強(qiáng)度的相對(duì)變化均等。

圖11 擴(kuò)展源的輻亮度[8]Fig.11 Radial brightness of extended source[8]

5 應(yīng)用實(shí)例與分析

5.1 PDK149+998～PDK150+058段紅外探測(cè)

PDK149+998～PDK150+058段穿越地層為中厚層狀泥盆系青山組灰?guī)r，開(kāi)挖揭露邊墻及掌子面圍巖節(jié)理較發(fā)育，圍巖較完整，巖面較干燥，無(wú)地下水出露，設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)，采用臺(tái)階法施工。圖12為該段紅外探測(cè)曲線，各測(cè)線輻射值均呈逐漸下降的趨勢(shì)，PDK149+998比PDK150+058處高大約13 mW/m-2，變化趨勢(shì)與一般情況下的呈逐漸上升或平緩曲線形態(tài)不同，后期掌子面開(kāi)挖后未揭露含水體。經(jīng)查閱施工日志，該探測(cè)段施工時(shí)圍巖均較干燥，含水情況相似，所形成的各測(cè)線曲線應(yīng)為平緩的。對(duì)于探測(cè)曲線的異常情況，經(jīng)分析，該段掌子面開(kāi)挖已停工數(shù)日，隧道正在PDK149+995處進(jìn)行二次襯砌施工，探測(cè)時(shí)剛澆筑完二次襯砌混凝土，且環(huán)繞二次襯砌臺(tái)車裝有數(shù)盞DWDG型碘鎢燈管。澆筑的混凝土和燈源在該段探測(cè)起點(diǎn)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(cè)曲線Fig.12 Infrared detecting curves at PDK149+998～PDK150+058

5.2 PDK149+615～+675段紅外探測(cè)

PDK149+615～+675段穿越地層為中厚層—厚層狀泥盆系青山組灰?guī)r，開(kāi)挖揭露邊墻及掌子面圍巖節(jié)理較發(fā)育，圍巖較完整，局部夾泥質(zhì)軟弱夾層，掌子面圍巖呈潮濕狀，無(wú)地下水出露，設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)，采用臺(tái)階法施工。圖13為該段紅外探測(cè)曲線，各測(cè)線輻射值變化趨勢(shì)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(nèi)，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(qū)間范圍內(nèi)。探測(cè)時(shí)無(wú)燈源、初期支護(hù)噴射混凝土和初期支護(hù)滲漏水等干擾情況，經(jīng)溫度測(cè)試，整個(gè)探測(cè)范圍內(nèi)溫度均為21 ℃。掌子面開(kāi)挖時(shí)未揭露地下水出露。結(jié)合本文所列的各異常情況下的曲線變化趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)各干擾源的分析可知，進(jìn)行紅外探測(cè)時(shí)，若能避免各種干擾情況，則可準(zhǔn)確地進(jìn)行隧道紅外探水。

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

6 結(jié)論與建議

通過(guò)廣大鐵路擴(kuò)能改造工程祥和隧道進(jìn)口灰?guī)r段的紅外探水預(yù)報(bào)，根據(jù)紅外探水基本原理，總結(jié)出影響預(yù)報(bào)結(jié)果的主要干擾因素，并對(duì)各干擾因素進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

1)影響預(yù)報(bào)結(jié)果的主要干擾源為燈源和噴射混凝土散熱，產(chǎn)生干擾的根本原因是干擾源產(chǎn)生的熱量改變了原來(lái)的環(huán)境溫度，產(chǎn)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(cè)時(shí)間，以減少干擾；②若干擾無(wú)法避免，可按最高溫度為標(biāo)志點(diǎn)建立干擾溫度場(chǎng)；③為保證各測(cè)線各測(cè)點(diǎn)相對(duì)輻射值均衡，探測(cè)時(shí)應(yīng)保持在隧道中軸線上，令探測(cè)儀對(duì)準(zhǔn)各測(cè)點(diǎn)，并保持接收孔與每一條測(cè)線各測(cè)點(diǎn)夾角相同。

采用以上方法可有效提高隧道紅外探水的準(zhǔn)確性，但仍會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)較大偏差。對(duì)干擾源的類型及預(yù)防方法尚需進(jìn)一步討論。建議實(shí)際探測(cè)時(shí)在一條隧道內(nèi)連續(xù)多次探測(cè)，通過(guò)前期探測(cè)及開(kāi)挖揭露驗(yàn)證情況，進(jìn)行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)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(duì)后來(lái)的探測(cè)發(fā)揮指導(dǎo)作用，以提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

[1] 呂喬森， 羅學(xué)東， 任浩.綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在穿河隧道中的應(yīng)用[J].隧道建設(shè)， 2009， 29(2):189-193.LYU Qiaosen,LUO Xuedong,REN Hao.Application of integrated advanced geology forecast technology in a river-crossing tunnel[J].Tunnel Construction,2009,29(2):189-193.

[2] 王夢(mèng)恕.對(duì)巖溶地區(qū)隧道施工水文地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的意見(jiàn)[J].鐵道勘察， 2004，30(1):7-9， 18.WANG Mengshu.Hydrologic and geological forecast of tunnel construction in the karst district [J].Railway Investigation and Surveying,2004,30(1):7-9,18.

[3] 張慶欣.HY-303 紅外探測(cè)技術(shù)在齊岳山隧道的運(yùn)用[J].鐵道建筑， 2006(8):38-39.ZHANG Qingxin.Application of HY-303 type infrared detector to Qiyueshan Tunnel[J].Railway Engineering,2006(8):38-39.

[4] 黃憶龍.紅外線探水法在隧道超前探水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)， 2007， 26(4):126-127.HUANG Yilong.Application for prediction of water by using infrared ray method in tunnel[J].Coal Technology,2007,26(4):126-127.

[5] 李術(shù)才，李樹(shù)忱，張慶松，等，巖溶裂隙水與不良地質(zhì)情況超前預(yù)報(bào)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(2)：217-225.LI Shucai,LI Shuchen， ZHANG Qingsong,et al.Forecast of karst-fractured groundwater and defective geological conditions [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(2)：217-225.

[6] 曲海峰， 劉志剛， 朱合華.隧道信息化施工中綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù) [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2006， 25(6):1246-1251.QU Haifeng,LIU Zhigang,ZHU Hehua.Technique of synthetic geologic prediction ahead in tunnel informational construction [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(6):1246-1251.

[7] 羅利銳，劉志剛.巖溶地區(qū)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法對(duì)比分析 [J].巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33(增刊 1)：344-348.LUO Lirui,LIU Zhigang.Comparative analysis of advance geological forecast method in karst region[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2011,33(S1)：344-348.

[8] 常記春.應(yīng)用紅外遙感技術(shù)預(yù)報(bào)隧道施工水害的可行性[C]//中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)隧道及地下工程分會(huì)第八屆年會(huì)論文集.洛陽(yáng)：中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)及地下工程分會(huì)，1994.CHANG Jichun.Feasibility of application of infrared remote sensing technology for water disaster detecting in tunnel construction[C]//Proceedings for The 8th Annual Conference of Tunnel and Underground Engineering Branch of China Civil Engineering Society.Luoyang：Tunnel and Underground Engineering Branch of China Civil Engineering Society,1994.

[9] 王洪勇，張繼奎，李志輝.長(zhǎng)大隧道紅外輻射測(cè)溫超前預(yù)報(bào)含水體方法研究與應(yīng)用實(shí)例分析[J].物探化探計(jì)算技術(shù)，2003，25(1)：11-17.WANG Hongyong,ZHANG Jikui,LI Zhihui.The theory and case analysis for prediction of water-bearing bodies in over-length and over-size tunnel using infrared ray method[J].Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration,2003,25(1):11-17.

[10] 王鷹， 陳強(qiáng)， 魏有儀， 等.紅外探測(cè)技術(shù)在圓梁山隧道突水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2003， 22(5):855-857.WANG Ying,CHEN Qiang,WEI Youyi,et al.Application of infrared acquisition technology in prediction of water gushing in Yuanliangshan Tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2003,22 (5):855-857.

[11] 李彥軍.紅外探測(cè)技術(shù)在隧道工程中的適用性分析[J].鐵道勘察， 2008， 34(2):45-48.LI Yanjun.Discussion on adaptability of infrared surveying in application of tunnel projects [J].Railway Investigation and Surveying,2008,34(2):45-48.

[12] 田榮，吳應(yīng)明.紅外探測(cè)技術(shù)在隧道超前探水中的應(yīng)用研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2007(增刊2)：107-110.TIAN Rong,WU Yingming.Research on application of infrared surveying technology in advanced water-surveying tunnels[J].Railway Standard Design,2007(S2)：107-110.

[13] 呂喬森，陳建平.紅外探水技術(shù)在巖溶隧道施工中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2010， 47(4)：45-49.LYU Qiaosen,CHEN Jianping.Infrared acquisition technology applied to karst tunnels [J].Modern Tunnelling Technology,2010， 47(4)：45-49.

[14] Alimoradi A,Moradzadeh A,Naderi R,et al． Prediction of geological hazardous zones in front of a tunnel face using TSP-203 and artificial neural networks[J]．Tunnelling and Underground Space Technology， 2008，23(6)：711-717.

[15] Cremer F,Jong de W,Schutte K． Fusion of polarimetric infrared features and GPR features for landmine detection[C]/ / The 2nd International Workshop on Advanced Ground Penetrating Radar． Delft:[s.n.],2003：222-227.

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(yè)于西南交通大學(xué)，橋梁專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，主要從事隧道施工及開(kāi)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