紅外探水技術(shù)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

白崇賀

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110000)

1 概 述

由于地下工程的特殊性，隧道工程處在各種復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，在地質(zhì)條件差、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)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(dǎo)致圍巖的力學(xué)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(huì)給施工安全帶來(lái)巨大的隱患，因此超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(bào)中應(yīng)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(yù)報(bào)中的應(yīng)用。

2 工程概況

本工程位于遼寧錦州市義縣境內(nèi)，全長(zhǎng)2 160 m。隧道開(kāi)挖采取鉆爆法施工，開(kāi)挖斷面為馬蹄形，設(shè)計(jì)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(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)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(jiān)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(wú)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(cè)方式進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的探測(cè)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(lái)的，所有物體均向外界輻射紅外線，相對(duì)應(yīng)的形成一個(gè)紅外線場(chǎng)。對(duì)于一個(gè)巖性相對(duì)穩(wěn)定的地質(zhì)體來(lái)說(shuō)，其紅外線場(chǎng)是穩(wěn)定的，地質(zhì)體不同位置的場(chǎng)強(qiáng)變化不大。當(dāng)?shù)刭|(zhì)體內(nèi)含有水時(shí)，則該地質(zhì)體有水處的場(chǎng)強(qiáng)和沒(méi)水處的場(chǎng)強(qiáng)會(huì)相差較大。利用這個(gè)原理應(yīng)用紅外探測(cè)圍巖上不同位置的場(chǎng)強(qiáng)變化來(lái)預(yù)測(cè)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(cè)，主要方法是：

1) 在隧道掌子面布置測(cè)點(diǎn)。

2) 在隧道縱向邊墻布置測(cè)點(diǎn)。

3) 用儀器對(duì)測(cè)點(diǎn)打出一個(gè)紅色光點(diǎn)，扣動(dòng)扳機(jī)，就可進(jìn)行讀數(shù)，作好記錄。

4) 進(jìn)入下一個(gè)測(cè)點(diǎn)循環(huán)。

4.1 掘進(jìn)掌子面超前探水的測(cè)線布置

1) 在掌子面上布置24個(gè)測(cè)點(diǎn)，分4行布置，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)打出紅色光點(diǎn)，并記錄讀數(shù)。若地質(zhì)情況復(fù)雜或探測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)異常后，加密測(cè)點(diǎn)。

2) 測(cè)量開(kāi)始時(shí)，應(yīng)對(duì)一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，當(dāng)讀數(shù)基本穩(wěn)定時(shí)，才能正式開(kāi)始測(cè)量。在探測(cè)地質(zhì)條件正常的斷面，會(huì)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(gè)范圍就是該隧道紅外場(chǎng)強(qiáng)的安全值，當(dāng)前方出現(xiàn)含水層時(shí)則最大值和最小值的差值將大于安全值時(shí)，從而可以判斷出前方含水層及其位置。

圖1 掌子面測(cè)點(diǎn)布置示意圖

4.2 隧道邊墻縱向進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置

1) 由隧道開(kāi)挖掌子面開(kāi)始向后方60 m范圍，5 m為間距，沿邊墻布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2) 先對(duì)掌子面開(kāi)挖前方進(jìn)行探測(cè)，之后返回。在行進(jìn)的路徑上，每經(jīng)過(guò)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，就用紅外探測(cè)儀器的激光器打出光點(diǎn)，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(dāng)探測(cè)范圍有滲流、線流或涌水時(shí)，均要對(duì)出水點(diǎn)進(jìn)行紅外探測(cè)。

4) 探測(cè)過(guò)程中要排除照明燈、通風(fēng)口光源等干擾因素，若無(wú)法避免，要備注說(shuō)明。見(jiàn)圖2。

圖2 拱頂及側(cè)幫測(cè)點(diǎn)布置示意圖

5 紅外探水的數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上探測(cè)成果，由場(chǎng)強(qiáng)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(biāo)系：X軸為探測(cè)點(diǎn)距開(kāi)挖掌子面長(zhǎng)度，Y軸為探測(cè)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)，并形成函數(shù)圖形。

對(duì)函數(shù)圖形進(jìn)行分析，以此進(jìn)行超前探水預(yù)報(bào)。

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

函數(shù)圖形為斜線，則可判斷開(kāi)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(yù)報(bào)結(jié)果，需進(jìn)行進(jìn)一步探測(cè)，見(jiàn)圖3(b)。

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

在某隧道的掌子面上進(jìn)行紅外探水地質(zhì)預(yù)報(bào)，是為了對(duì)開(kāi)挖掌子面前方地質(zhì)構(gòu)造含水情況進(jìn)行探明，對(duì)地下水系發(fā)育情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。表1和圖4分別是對(duì)掌子面進(jìn)行紅外探測(cè)的數(shù)據(jù)記錄表和掌子面場(chǎng)強(qiáng)分布圖。

圖3 紅外探水場(chǎng)強(qiáng)曲線判據(jù)圖

表1 掌子面超前紅外探測(cè)數(shù)據(jù)記錄表(場(chǎng)強(qiáng)值)

注：數(shù)據(jù)按掌子面自左向右排列。

圖4 掌子面場(chǎng)強(qiáng)分布圖

由表1可知，掌子面紅外輻射場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)差值較大，據(jù)此分析開(kāi)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(cè)線，由探測(cè)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(duì)應(yīng)的曲線上的場(chǎng)強(qiáng)值沒(méi)有突變，曲線起伏不大。布置在右邊墻、右邊腳對(duì)應(yīng)的曲線起伏較大，據(jù)此分析開(kāi)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(cè)方法一致。

表2 隧道走向超前紅外探測(cè)數(shù)據(jù)記錄表(場(chǎng)強(qiáng)值)

續(xù)表2

圖5 沿隧道走向布點(diǎn)探測(cè)法場(chǎng)強(qiáng)分布圖

6 結(jié) 論

1) 紅外探水與其他超前預(yù)報(bào)相比所需時(shí)間較短、不影響正常施工、可與施工共同進(jìn)行，儀器便于攜帶，并且在后期分析時(shí)仍具有較多優(yōu)點(diǎn)，如數(shù)據(jù)分析簡(jiǎn)潔、成果精度、準(zhǔn)確度高。

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

3) 紅外探水在使用的過(guò)程中對(duì)周圍環(huán)境的要求較為嚴(yán)格，探測(cè)期間要控制洞內(nèi)的溫度及濕度，并要確保開(kāi)挖掌子面和已開(kāi)挖洞段的圍巖表面沒(méi)有水，否則紅外探測(cè)結(jié)果將不準(zhǔn)確。使用環(huán)境條件，溫度：0℃～40℃；濕度：應(yīng)不大于80%，在潮濕環(huán)境工作不應(yīng)超過(guò)8 h；大氣壓力：(0.8～1.1)×105Pa；無(wú)腐蝕性氣體和強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾。而且紅外探測(cè)距離較短只有在30 m范圍內(nèi)進(jìn)行，且相鄰探測(cè)時(shí)應(yīng)有5～10 m的重疊區(qū)，只能探測(cè)地質(zhì)體是否含水，無(wú)法定量判出水量大小、水壓力和距離，因此紅外探測(cè)技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中有待于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和研究。