紅外探水儀在隧道超前地質預報中的應用研究

張彥宇

摘要：本文選取位于漳平市南洋鄉梧溪村內九鵬溪斜井隧道作為研究對象，采用紅外探水儀對其隧道斷面和掌子面進行了超前地質預報探測，并根據紅外探水儀對斷面和掌子面測試數據的分析，對隧道當前的地質狀況進行有效預判，對隧道的后期工程有較好的開展指導作用。

關鍵詞：紅外探水;隧道;超前地質預報;九鵬溪斜井

中圖分類號：TP334.3 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）03-0270-02

1 紅外超前探水原理

利用紅外線探測隱伏含水構造，首先是由于水體本身的熱導性質決定的。水的熱導率比所有巖石的熱導率低，對地下近似水平的開挖空間來說，如果存在一個含水構造，這個含水構造中的水體，不論是與隧道周圍層局部位發生水力聯系，由于水自身的熱導率很低，都很難被巖溫同化[1-3]。就其比熱來說，所有巖石的比熱值均比水低，這說明任何一種地質體的熱容量都沒有水體大，水體能夠最大限度地儲存冷溫和熱溫。又因為水的熱擴散率比所有巖石的熱擴散率都低。因此，從外部空間地層通過構造運移到采掘水平的隱伏水體，能夠最大限度地保持原來所在空間的水溫，所以隱伏水體和巖溫總是存在明顯的溫差。地溫場理論指出地溫場是一恒定值[3-4]，當開挖周圍空間出現含水構造時，正常溫度場將會迭加上含水構造的背景場，從而使正常地溫場發生畸變，另也說明紅外波段長的能量也要跟著發化口]。根據斯蒂芬一波爾茲曼定律：介質所輻射的紅外波段的能量和被測目標溫度之間將發生顯著變化。因而利用紅外線探水技術，可以尋找到開挖隧道圍巖的隱伏含水體[6-8]。

2 隧道及地質概況

隧道選擇是九鵬溪斜井，位于漳平市南洋鄉梧溪村內，是九鵬溪隧道的輔助坑道，洞口地勢平坦，多為林地，有山路相通，交通較為便利，全長1039m，坡率為7.86%，位于線路前進方向右側，與線路相交與DK179+040，與線路小里程方向平面夾角為120度。九鵬溪隧道出口段，表層零星分布有Qel+dl粉質粘土，褐黃色，硬塑，厚1-3m;粗角礫土：紫紅色，密實、稍濕、礫徑2-5cm，分布于隧道出口表層。下伏全。弱風化T3d粉砂巖，褐黃色、紫紅色、青灰色。強風化呈土狀，厚約1.2-7.2m;強風化呈碎塊狀，巖體破碎，厚15-35m;以下為弱風化。

3 斷面和掌子面探測方法

3.1 進入隧道后首先布置探測順序號

（1）探測目的：目的之一確定掘進前方30米范圍內有無隱伏含水構造或溶洞。目的之二是確定掘進隧道外圍空間30米范圍有無隱蔽水體或含水斷層和溶洞。實現上述兩個目的是通過N條探測線和掌子面探測數據的差值來完成的。這N條探測線的名稱分別是：左邊墻腳探測線、左邊墻探測線、拱頂探測線、右邊墻探測線、右邊墻腳探測線、底板中線探測線等等。

（2）布置探測斷面號的方法：如以掌子面為起點，向隧道后方每隔5米在一個邊墻上標出探測斷面號，總共標12個號。繪制紅外探測圖時，首端表示的是001號斷面，尾端表示的是12號斷面。微機成圖時，是把001號斷面的數據放在左端，12號點的數據放在右端，相對繪成的探測曲線而言，首端表示的場強是01號點位，尾端表示的場強是12號點位。（12號點標在靠近掌子面的邊墻上，距底板約半人高即可。）

3.2 沿隧道走向進行紅外探測

操作人員依次站在隧道中央每個斷面號旁，分別對N個不同空間部位進行探測，并把探測值儲存起來。然后走到下一個斷面號，進行同樣的操作。具體做法如下：

（1）正式探測前應把儀器的設置搞好，具體做法是接通儀器電源，在主菜單進入信息項檢查核對日期和時間。另一方面是在主菜單進入設置項來選擇是否開激光。當隧道中光線好時，可以只要激光器開。

（2）在完成上述工作后，就可進入正式探測了。此時操作者應站到001號斷面號旁的隧道中央，按在主菜單進入斷面測量，液晶屏由主菜單轉入測量畫面。

3.3 探掌子面

探掌子面的目的是為了確定掘進前方有無含水斷層、破碎帶、巖溶發育段。探掌子面的探點布置如圖2，即在掌子面上水平方向布4條線，每條線上布6個探點。

4 測試數據分析

4.1 斷面測試數據分析

斷面數據分析說明：1、表中前和尾的X極差數據，已接近和超出安全值lOum/cm2，表示右墻、底板含水體區域明顯。2、Y極差雖然沒有超安全值，但極差也偏大（斷面測試時人背對掌子面）

（2）斷面測試數據曲線圖

4.2 掌子面測試數據分析

（1）掌子面測試數據表

掌子面數據分析說明：掌子面數據與右墻、底板數值接近（掌子面測試時，人正對掌子面）

（2）掌子面測試數據曲線圖

5 結論

通過以上數據分析及曲線圖顯示，右墻、底板含水體區域明顯。也符合了與現場實體查看一致，掌子面、底板明顯有水流動，右墻濕潤。因此，經過測試，對該隧道的處理時應該對右墻側面注意做好防護;掌子面往前開挖，重點提醒右墻側面慎防發生透水。

參考文獻：

[1]安輝.紅外探測技術在隧道超前地質預報中優、缺點探討[J].鐵道標準設計，2014 （3）：101-104.

[2]張寧.基于藍牙技術的直流探水儀的設計[D].山東大學，2016.

[3]劉東洋.MRS探水儀發射系統程控配諧技術研究[D].吉林大學.2018.

[4]曲曉冬，寒冷高溫差地區高速公路隧道密集裂縫滲水病害處治研究[D].石家莊鐵道大學，2018.

[5]錢玉麟，基于DSP+FPGA的近紅外檢測儀關鍵技術研究[D].南京理工大學，2012.

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[7]關維國，鄒林杰，郝德華，等.基于多屬性代價函數的WiFi與藍牙TLS融合定位算法[J]傳感器與微系統，2011（11）： 132-135.

[8]劉菁，張秩惟.探討藍牙技術在無線局域網中的應用[J].中國新通信，2018（20）：145-150.