紅外探水技術在隧道超前地質預報中的應用

白崇賀

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，沈陽 110000)

1 概 述

由于地下工程的特殊性，隧道工程處在各種復雜的地質環境中，在地質條件差、地質構造復雜的地區，斷層破碎帶、褶皺、節理裂隙等構造比較發育，內含豐富的地下水，導致圍巖的力學性質差，從而增大了施工難度。尤其是在未探明前方及周圍的地質環境下突發的涌水、突泥會給施工安全帶來巨大的隱患，因此超前地質預報在隧道施工中起著至關重要的作用。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超報中應用較為普遍。本文主要闡述紅外線探水技術在隧道超前地質預報中的應用。

2 工程概況

本工程位于遼寧錦州市義縣境內，全長2 160 m。隧道開挖采取鉆爆法施工，開挖斷面為馬蹄形，設計坡比0.155 4‰。工程洞室埋深34 m～111 m，洞室巖性主要為泥質粉砂巖、泥巖、石英砂巖、角礫巖、凝灰質砂巖/礫巖、含燧石條帶白云質灰巖、蝕變凝灰巖等。強風化～弱風化，其中泥質粉砂巖、泥巖、蝕變凝灰巖等屬極軟～較軟巖，石英砂巖、含燧石條帶白云質灰巖中硬～堅硬巖。巖體多完整性差～較完整，節理不發育～較發育，節理面多平直光滑～起伏粗糙，微張～閉合，泥質填充，少數無充填。

為保證隧道施工安全，提高施工效率，服務隧道施工，防止因突然涌水造成施工事故，采用紅外線探水法系統作近距離探測方式進行超前地質預報的探測方法。

3 紅外探水的基本原理

輻射是從物質中發射出來的，所有物體均向外界輻射紅外線，相對應的形成一個紅外線場。對于一個巖性相對穩定的地質體來說，其紅外線場是穩定的，地質體不同位置的場強變化不大。當地質體內含有水時，則該地質體有水處的場強和沒水處的場強會相差較大。利用這個原理應用紅外探測圍巖上不同位置的場強變化來預測前方30 m范圍內是否含水。

4 紅外探水的方法

紅外探水屬于非接觸探測，主要方法是：

1) 在隧道掌子面布置測點。

2) 在隧道縱向邊墻布置測點。

3) 用儀器對測點打出一個紅色光點，扣動扳機，就可進行讀數，作好記錄。

4) 進入下一個測點循環。

4.1 掘進掌子面超前探水的測線布置

1) 在掌子面上布置24個測點，分4行布置，對每個測點打出紅色光點，并記錄讀數。若地質情況復雜或探測過程中出現異常后，加密測點。

2) 測量開始時，應對一個點進行重復測量，當讀數基本穩定時，才能正式開始測量。在探測地質條件正常的斷面，會總結出各行讀數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。這個范圍就是該隧道紅外場強的安全值，當前方出現含水層時則最大值和最小值的差值將大于安全值時，從而可以判斷出前方含水層及其位置。

圖1 掌子面測點布置示意圖

4.2 隧道邊墻縱向進行測點布置

1) 由隧道開挖掌子面開始向后方60 m范圍，5 m為間距，沿邊墻布置12個測點。

2) 先對掌子面開挖前方進行探測，之后返回。在行進的路徑上，每經過一個測點，就用紅外探測儀器的激光器打出光點，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，讀數并記錄。

3) 當探測范圍有滲流、線流或涌水時，均要對出水點進行紅外探測。

4) 探測過程中要排除照明燈、通風口光源等干擾因素，若無法避免，要備注說明。見圖2。

圖2 拱頂及側幫測點布置示意圖

5 紅外探水的數據分析

根據以上探測成果，由場強曲線及隧道走向構成的紅外探水判斷條件，建立直角坐標系：X軸為探測點距開挖掌子面長度，Y軸為探測點場強，并形成函數圖形。

對函數圖形進行分析，以此進行超前探水預報。

函數圖形為水平線，則可判斷開挖掌子面前方地質構造不含水，見圖3(a)。

函數圖形為斜線，則可判斷開挖掌子面前方地質構造存在含水可能性，為得到精確預報結果，需進行進一步探測，見圖3(b)。

函數圖形接近Y軸的部分斜率變化較為明顯，遠離部位趨于水平或斜線，則可判斷開挖掌子面前方地質構造含水，見圖3(c)。

在某隧道的掌子面上進行紅外探水地質預報，是為了對開挖掌子面前方地質構造含水情況進行探明，對地下水系發育情況進行評價。表1和圖4分別是對掌子面進行紅外探測的數據記錄表和掌子面場強分布圖。

圖3 紅外探水場強曲線判據圖

表1 掌子面超前紅外探測數據記錄表(場強值)

注：數據按掌子面自左向右排列。

圖4 掌子面場強分布圖

由表1可知，掌子面紅外輻射場場強最大值為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，紅外輻射場強差值較大，據此分析開挖掌子面前方20 m范圍內地質構造含水。

在隧道邊墻和拱頂沿隧道走向布置5條測線，由探測的數據(表2)繪出曲線圖(圖5)。圖5顯示，左邊墻腳、左邊墻、拱頂對應的曲線上的場強值沒有突變，曲線起伏不大。布置在右邊墻、右邊腳對應的曲線起伏較大，據此分析開挖掌子面前方20 m內右下側地質構造含水。兩種探測方法一致。

表2 隧道走向超前紅外探測數據記錄表(場強值)

續表2

圖5 沿隧道走向布點探測法場強分布圖

6 結 論

1) 紅外探水與其他超前預報相比所需時間較短、不影響正常施工、可與施工共同進行，儀器便于攜帶，并且在后期分析時仍具有較多優點，如數據分析簡潔、成果精度、準確度高。

2) 探測數據要具有可靠性，若因探測時操作失誤或讀數錯誤，而得到允許值之外的函數圖像，則探水結果必然錯誤。因此，現場操作必須注意正確的地下工作方法、探測技巧、操作和記錄規定。

3) 紅外探水在使用的過程中對周圍環境的要求較為嚴格，探測期間要控制洞內的溫度及濕度，并要確保開挖掌子面和已開挖洞段的圍巖表面沒有水，否則紅外探測結果將不準確。使用環境條件，溫度：0℃～40℃；濕度：應不大于80%，在潮濕環境工作不應超過8 h；大氣壓力：(0.8～1.1)×105Pa；無腐蝕性氣體和強電磁場干擾。而且紅外探測距離較短只有在30 m范圍內進行，且相鄰探測時應有5～10 m的重疊區，只能探測地質體是否含水，無法定量判出水量大小、水壓力和距離，因此紅外探測技術在應用過程中有待于進一步開發和研究。