紅外探水法在泉州東海隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

孫迪

（福建省建筑設(shè)計(jì)研究院，福建 福州350001）

1 引言

隧道開挖前方常存在不良地質(zhì)體（如斷層破碎帶、溶洞、地下暗河等），隧道突水也就成為隧道工程中的主要工程地質(zhì)問題，是隧道施工中的安全隱患。所以隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)越來越受到各方的重視，能否準(zhǔn)確預(yù)報(bào)隧洞開挖前方的地質(zhì)條件是隧道建設(shè)者們的迫切需求。當(dāng)前如地震波法（TSP、TRT等）、電法等各種方法被廣泛應(yīng)用于施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中，其中紅外探水法在隧道的開挖中起著舉足輕重的作用，為隧道安全施工提供了技術(shù)保障［1］。

紅外探測技術(shù)是目前較為先進(jìn)的一種地下水探測預(yù)報(bào)方法，該技術(shù)除了應(yīng)用于煤礦井下安全生產(chǎn)以外［2］，也被引入到隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中，用于探測隧道前方隱伏含水體。紅外探水技術(shù)操作簡單、測量快速，相較于其它物探技術(shù)而言，基本不占用生產(chǎn)時(shí)間，而且在后期數(shù)據(jù)處理上也簡便快捷，準(zhǔn)確率高。在圓梁山隧道施工中的應(yīng)用結(jié)果表明：紅外探水有水判斷準(zhǔn)確率20m內(nèi)為76.2%，30m內(nèi)為86%；無水判斷準(zhǔn)確率20 m內(nèi)為96.4%，30m內(nèi)為88%［3］；在齊岳山隧道出口工區(qū)，采用紅外探水法超前預(yù)報(bào)，保證隧道順利通過了3個(gè)斷層破碎帶［4］。通過理論論證和實(shí)踐證明，紅外探測技術(shù)為隧道和地下工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)提供了一種強(qiáng)有力的方法和工具，與其它地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)（TSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、地質(zhì)雷達(dá)探測等）相結(jié)合，可以優(yōu)勢互補(bǔ)。

2 工程概況

泉州東海隧道左線全長2 170m（里程樁號(hào)ZK1＋430.0-ZK3＋600.0），右線全長2 157m（里程樁號(hào)YK1＋414.0-YK3＋571.0）。隧址區(qū)屬低山丘陵地貌，隧道沿線地勢起伏較大，水文和地質(zhì)條件變化大，穿越城區(qū)環(huán)境復(fù)雜。

其中，在ZK1＋900-ZK2＋000處隧道從赤山水庫大壩下游約20～70m處穿越，隧洞頂頂板道設(shè)計(jì)標(biāo)高23.33m～23.63m，圍巖主要為中、微風(fēng)化花崗巖。在（ZK1＋820-ZK1＋840m、ZK1＋870-ZK2＋020m、YK1＋820-YK1＋980m、ZK3＋040-3＋070m 及YK3＋035-YK3＋065m）由于受F1、F2斷裂構(gòu)造及隧道頂板距地面厚度約6m的黎明大學(xué)操場淺埋段的影響，隧道圍巖級(jí)別會(huì)相應(yīng)降低，地下水可能較為豐富，這樣就對(duì)隧道施工造成不同類型的風(fēng)險(xiǎn)，如斷層破碎帶引起的塌方、突水涌水、落石等。所以，針對(duì)泉州東海隧道F1、F2斷裂帶，赤山水庫段和黎明大學(xué)操場淺埋段進(jìn)行紅外探水超前預(yù)報(bào)的重點(diǎn)測試。泉州東海隧道右線地質(zhì)縱斷面圖如圖1所示。

3 紅外探水的基本原理及實(shí)施方法

3.1 紅外探測基本原理

在隧道中，圍巖每時(shí)每刻都在向外發(fā)射紅外波段的電磁波，并形成紅外輻射場，場有密度、能量、方向等信息，巖層在向外發(fā)射紅外輻射的同時(shí)，必然會(huì)把內(nèi)部的地質(zhì)信息傳遞出來。由于干燥無水的地層和含水地層發(fā)射不同的紅外輻射。同時(shí)地下水的活動(dòng)會(huì)引起巖體紅外輻射場強(qiáng)的變化，紅外探水儀通過接收巖體的紅外輻射強(qiáng)度，根據(jù)圍巖紅外輻射場強(qiáng)的變化來確定掌子前方或洞壁四周是否有隱伏的含水體。通過測試掘進(jìn)工作面和隧道開挖縱向的紅外輻射場變化情況，根據(jù)介質(zhì)的輻射紅外波段長的能量變化，判析前方是否為隱伏含水構(gòu)造體，有無發(fā)生突涌水的可能［5，6］。

3.2 儀器設(shè)備

紅外探水采用HY-303型防爆紅外探測儀，如圖2所示。

3.3 紅外探測技術(shù)方法

3.3.1 準(zhǔn)備工作

確定物體發(fā)射率，測線測點(diǎn)定位方法。

3.3.2 掌子面測點(diǎn)布置與判別依據(jù)

一般情況下，將掘進(jìn)掌子面劃分為9個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域設(shè)定1個(gè)測點(diǎn)，如圖3所示。根據(jù)以往測試經(jīng)驗(yàn)，其判譯標(biāo)準(zhǔn)一般設(shè)定為：當(dāng)掘進(jìn)掌子面測點(diǎn)中最大場強(qiáng)和最小場強(qiáng)的能量差大于等于10（該值稱為安全值，經(jīng)過多次探測可以確定正常輻射場的安全值范圍），可判定前方存在含水構(gòu)造體，否則不存在含水體構(gòu)造。當(dāng)掌子面前方存在斷層時(shí)，斷層走向不一定與隧道走向完全垂直，即使垂直，次級(jí)構(gòu)造或含水裂隙相對(duì)掘進(jìn)掌子面上不同點(diǎn)的距離也有遠(yuǎn)有近，掌子面上各測點(diǎn)的探測值離散差異很大；如果掌子面前方是溶洞，溶洞中心不一定在隧道軸線上，即便溶洞中心剛好在隧道軸線上，由于溶洞形態(tài)的不規(guī)則性，含水體相對(duì)掌子面各測點(diǎn)而言，也有遠(yuǎn)有近，因而掌子面上各測點(diǎn)的讀數(shù)值，存在明顯的差異性。

3.3.3 隧道縱測線布置及判別依據(jù)

在已開挖洞段在拱頂、拱腰、邊墻、隧底等位置沿隧道軸向布置測線，可根據(jù)需要選擇，一般選擇3～4條測線。從掘進(jìn)掌子面開始，向已開挖方向（背離掘進(jìn)掌子面方向），每間隔1～5m設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)數(shù)不少于12個(gè)，如圖4所示。長度通常為60m，不得少于50m。之所以由掌子面向后方探60m，是為了使前一段曲線能反應(yīng)出隧道在這個(gè)區(qū)間的正常場，從而識(shí)別出異常場。正常場確定后，在以后的探測中，凡是不同于正常場的探測曲線都可視為異常場。曲線尾部是下降、上升還是保持不變，是判定曲線是否正常的關(guān)鍵。60m的規(guī)定并非一成不變，可以做適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)斷面后方有較長一段是含水構(gòu)造時(shí)，為了確定正常場，還需加長探測距離。測點(diǎn)從開挖面起按里程編號(hào)，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)或接近不良地質(zhì)段時(shí)測點(diǎn)布設(shè)應(yīng)適當(dāng)加密。

3.3.4 具體操作方法

進(jìn)入探測地段時(shí)，首先沿隧道一個(gè)壁，以5m點(diǎn)距用粉筆或油漆標(biāo)好探測順序號(hào)，一直標(biāo)到終點(diǎn)，或者標(biāo)到掘進(jìn)面處。在掘進(jìn)面處，首先對(duì)斷面前方探測，在返回的路徑上，每遇到一個(gè)順序號(hào)，就在隧道中央，分別用儀器的激光器打出紅色光斑，使之落在左壁中線位置、頂部中線位置、右壁中線位置、底板中線位置，并扣動(dòng)儀器扳機(jī)分別讀取探測值，并作好紀(jì)錄。然后轉(zhuǎn)入下一序號(hào)點(diǎn)，直至全部探完。

將測得的數(shù)據(jù)繪制成紅外輻射探測曲線圖，建立各測點(diǎn)的場強(qiáng)（Y軸）與測點(diǎn)到掘進(jìn)掌子面的距離（X軸）的函數(shù)關(guān)系，然后結(jié)合已知資料對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解釋，預(yù)測、預(yù)報(bào)隧道周邊及其附近是否存在含水構(gòu)造。根據(jù)曲線變化情況判定隧道前方和周邊是否存在含水構(gòu)造，其前提是要正確區(qū)分正常場、異常場和干擾場。

當(dāng)隧道里出現(xiàn)人為造成的熱源，或出現(xiàn)不均勻的熱源物體或氣體時(shí)，就會(huì)對(duì)探測曲線產(chǎn)生干擾。如燈泡附近，正在使用的機(jī)械附近或夏天風(fēng)筒出口附近等都會(huì)產(chǎn)生干擾場。這種干擾場會(huì)疊加到正常場上，使探測曲線發(fā)生變化。

3.3.5 注意事項(xiàng)

為了提高紅外探測的測量精度與判譯效果，以下幾個(gè)方面值得注意。

（1）嚴(yán)格遵守“泉州市東海隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)大綱”中關(guān)于安全生產(chǎn)的要求。儀器不允許無關(guān)人員擺弄，也不允許探煙頭、燒紅的電爐絲、電焊機(jī)的火花等，更不能讓激光束對(duì)準(zhǔn)人的眼睛，以免造成傷害。

（2）不同材料的物體具有不同的發(fā)射率，必須準(zhǔn)確確定被測物體的發(fā)射率。在使用測溫儀時(shí)，應(yīng)保持透鏡的清潔。測溫儀應(yīng)盡量垂直對(duì)準(zhǔn)被測物體表面，在任何情況下，角度都不能超過30°。正確選擇距離系數(shù)，目標(biāo)直徑必須充滿視場。

避免周圍環(huán)境高溫物體的影響。

在冬季，野外溫度低，洞內(nèi)溫度高。當(dāng)進(jìn)入洞內(nèi)探測時(shí)，儀器會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)到適宜工作的溫度，這個(gè)過程需要20～30min。如果想縮短等待時(shí)間，可以給儀器做個(gè)棉套，避免儀器在進(jìn)洞之前受凍。在正式開始探測前，要用儀器對(duì)準(zhǔn)一個(gè)目標(biāo)不動(dòng)，多扣動(dòng)幾下扳機(jī)，看儀器讀數(shù)是否變化，如不變，說明儀器不用再預(yù)熱，可進(jìn)行正式探測。

（3）真實(shí)的探測資料是正確分析數(shù)據(jù)和解譯探測曲線的前提，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。紅外探測時(shí)間應(yīng)選在爆破及出碴完成后進(jìn)行；剛錨噴過尚未干的邊墻不能探測，干了以后才能探；在一條隧道中，有錨噴段、裸巖段、襯砌段，探測時(shí)，應(yīng)在備注欄內(nèi)注明；開挖工作面炮眼、超前探孔等鉆進(jìn)過程中所采集的數(shù)據(jù)，測線范圍內(nèi)存在高能熱源場（如電動(dòng)空壓機(jī)等）時(shí)所采集的數(shù)據(jù)，噴錨作業(yè)后水泥水化熱影響明顯的部位所采集的數(shù)據(jù)均為不合格數(shù)據(jù)。

（4）紅外探測技術(shù)現(xiàn)場操作比較容易，對(duì)探測曲線的分析判定則相對(duì)困難。好在隧道開挖可以及時(shí)對(duì)判定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。相信經(jīng)過“判定-驗(yàn)證-調(diào)整”的不斷實(shí)踐，就一定能逐步積累經(jīng)驗(yàn)，使紅外探測技術(shù)日臻成熟，成為地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的一把利器，更好地服務(wù)于隧道施工。

沿隧道軸向的紅外探測曲線和開挖工作面紅外探測數(shù)據(jù)最大差值應(yīng)結(jié)合起來分析，在實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，作出符合實(shí)際的分析判斷。分析由探測數(shù)據(jù)繪制的探測曲線前，必須認(rèn)真檢查探測數(shù)據(jù)的可靠性；分析解釋時(shí)應(yīng)先確定正常場，再確定異常場，由異常場判定地下水體的存在；在分析單條曲線的同時(shí)，還應(yīng)對(duì)所有探測曲線進(jìn)行對(duì)比，比如兩邊墻探測曲線的對(duì)比、頂?shù)滋綔y曲線的對(duì)比，依此確定隱蔽水體或含水構(gòu)造相對(duì)隧道的所在空間位置［7，8］。

3.3.6 資料提交

現(xiàn)場觀測完成后，將測得的數(shù)據(jù)繪制成紅外輻射探測曲線圖，建立各測點(diǎn)的場強(qiáng)（Y軸）與測點(diǎn)到掘進(jìn)掌子面的距離（X軸）的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)曲線變化情況，結(jié)合已有的隧道地質(zhì)勘察報(bào)告等資料，進(jìn)行分析、解譯，預(yù)測，綜合判定隧道掌子面前方及隧洞周邊是否存在含水構(gòu)造，并在24h內(nèi)向有關(guān)單位提交觀測報(bào)告。

4 工程實(shí)例

筆者從2009年12月開始，采用HY-303型防爆紅外探測儀對(duì)泉州東海隧道A、B標(biāo)左線（ZK1＋547～ZK3＋427）和右線（YK1＋434～YK3＋349）進(jìn)行了連續(xù)紅外探水超前預(yù)報(bào)測試工作，其中對(duì)F1、F2斷裂帶，赤山水庫段和黎明大學(xué)操場淺埋段進(jìn)行了重點(diǎn)測試預(yù)報(bào)。

本工程紅外探水探測點(diǎn)布置方法為掌子面法和縱測線法。掌子面法測點(diǎn)布置是掘進(jìn)掌子面劃分為9個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域設(shè)置1個(gè)探測點(diǎn)（圖3所示）；縱測線法測點(diǎn)布置是沿已開挖隧道邊墻縱向進(jìn)行測點(diǎn)布置，分別在拱頂、兩側(cè)邊墻上各布置一條測線，從已開挖方向（背離掘進(jìn)掌子面方向），每間隔1～5m設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)數(shù)不少于12個(gè)（圖4）。由于在實(shí)際的操作中，整條隧道裸巖段較少，大部分地段隧道洞身為錨噴段和襯砌段，所以為了結(jié)果更準(zhǔn)確，更真實(shí)地反映實(shí)際情況，本工程僅在A標(biāo)個(gè)別裸巖段進(jìn)行縱測線法紅外探測。

4.1 掌子面法

從隧道左、右洞掌子面法紅外熱輻射場強(qiáng)沿隧道軸向的變化曲線圖的探測結(jié)果來看，隧道局部地段輻射場強(qiáng)沿隧道軸向起伏變化較大，曲線在ZK1＋923～ZK1＋942、ZK1＋946～ZK1＋958、ZK1＋961～ZK1＋973段各斷面測點(diǎn)場強(qiáng)離散性很大，最大場強(qiáng)和最小場強(qiáng)的能量差幾乎均大于10μw/cm2，說明前方巖體具有含水裂隙構(gòu)造特征，且含水量較大，開挖掌子面可能會(huì)產(chǎn)生滲水、滴水甚至涌水等現(xiàn)象；曲線在YK1＋854～YK1＋873段各斷面場強(qiáng)離散性相對(duì)較小，最大場強(qiáng)和最小場強(qiáng)的能量差個(gè)別大于10μw/cm2，說明前方巖體局部具有含水裂隙構(gòu)造特征，含水量較小，開挖掌子面可能會(huì)產(chǎn)生滲水現(xiàn)象。此探測結(jié)果與實(shí)際施工中掌子面地下水出露情況基本一致。ZK1＋923～ZK1＋975、YK1＋854～YK1＋873斷面紅外探測曲線圖如圖5所示。

4.2 縱測線法

從隧道ZK1＋835、YK1＋770縱測線法紅外熱輻射場強(qiáng)沿隧道軸向的變化曲線圖的探測結(jié)果來看，左洞ZK1＋835斷面后方80m范圍內(nèi)各條測線上測點(diǎn)場強(qiáng)離散性較大，時(shí)有相交，且靠近掌子面的曲線尾部有明顯下降，說明前方巖體具有含水裂隙構(gòu)造特征，且含水量較大，開挖掌子面可能會(huì)產(chǎn)生滲水、滴水甚至涌水等現(xiàn)象；右洞YK1＋770斷面后方80m范圍內(nèi)各條測線上測點(diǎn)場強(qiáng)離散相對(duì)較小，基本沒有相交，但靠近掌子面的曲線尾部略有下降，則不能排除前方巖體具有含水裂隙構(gòu)造特征的可能性，開挖掌子面可能會(huì)產(chǎn)生滲水現(xiàn)象。此探測結(jié)果與實(shí)際施工中掌子面地下水出露情況基本一致。ZK1＋835、YK1＋770斷面縱測線法紅外探測曲線圖如圖6所示。

5 結(jié)語

實(shí)踐證明，紅外探水法超前預(yù)報(bào)能夠比較準(zhǔn)確地探測到隧道掌子面前方的含水構(gòu)造，既方便快捷，又省時(shí)省工，而且適用性強(qiáng)，值得推廣應(yīng)用。但是在探測過程中，存在多種干擾因素，如人為因素、探測面出水、周圍燈泡發(fā)熱影響等因素，使得正常場的場強(qiáng)受到一定影響，進(jìn)而影響預(yù)測的準(zhǔn)確性。而且由于目前紅外探水技術(shù)只能定性預(yù)報(bào)掌子面前方有無隱伏的含水構(gòu)造，卻對(duì)含水層的位置、賦存形態(tài)、出水量、出水壓力等都無法定量分析，對(duì)有水情況下的地質(zhì)災(zāi)害更難以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。因此紅外探水技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)結(jié)合地質(zhì)素描、TSP、地質(zhì)雷達(dá)、超前鉆孔等綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)，相信可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，避免隧道施工中發(fā)生突水、涌泥，甚至塌方事故，進(jìn)而保障隧道施工安全［9～12］。

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