安 輝

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州 730000)

紅外探測(cè)技術(shù)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中優(yōu)、缺點(diǎn)探討

安 輝

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州 730000)

紅外探測(cè)技術(shù)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中發(fā)揮著重要作用，通過(guò)實(shí)踐對(duì)儀器的性能和適用范圍進(jìn)行探討和研究，可以對(duì)紅外探測(cè)儀器的改進(jìn)起到指導(dǎo)作用。詳細(xì)闡述紅外探水的基本原理、特點(diǎn)、測(cè)線布置方式和預(yù)報(bào)判讀依據(jù)，結(jié)合滬昆客運(yùn)專線貴州段玉屏至凱里段隧道工程實(shí)例，多次準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出掌子面前方存在的隱伏含水構(gòu)造，從而成功避免了隱伏含水構(gòu)造對(duì)隧道施工帶來(lái)的安全隱患，同時(shí)對(duì)紅外探測(cè)技術(shù)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行分析、探討。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào);紅外探水儀;掌子面;隱伏含水體

滬昆客運(yùn)專線貴州段工程十分艱巨，是我國(guó)又一條修建在艱、險(xiǎn)、難山區(qū)的客運(yùn)專線鐵路，沿線通過(guò)碳酸鹽巖地段長(zhǎng)約510 km，占全線線路總長(zhǎng)的68.5%。影響鐵路工程的溶洞、落水洞、溶蝕洼地、隱伏溶洞、暗河等巖溶形態(tài)眾多，伴隨而來(lái)的隱伏含水構(gòu)造給隧道施工帶來(lái)了安全隱患，所以查明掌子面前方是否存在隱伏含水構(gòu)造就顯得異常重要，本文詳細(xì)闡述了紅外探水的基本原理、特點(diǎn)、測(cè)線布置方式和預(yù)報(bào)判讀依據(jù)，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)紅外探測(cè)技術(shù)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行了分析、探討。

1 工程概況

1.1 地形地貌

滬昆客運(yùn)專線貴州段玉屏至凱里段位于侵蝕、剝蝕中低山區(qū)，群峰起伏，山脈綿延，線路穿山越谷，地面高程400～1 000m，相對(duì)高差200～400 m，地面坡度35°～40°，基巖多裸露，常見懸崖峭壁、障谷、隘谷景觀。

1.2 地層巖性

沿線地層出露較為完全，自前震旦系至第四系地層皆有分布。巖性以灰?guī)r、白云巖類可溶巖為主，相間分布板巖、泥巖、砂巖、頁(yè)巖及煤系地層，局部地段有玄武巖分布。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

滬昆客運(yùn)專線貴州段玉屏至凱里段屬梵凈山拗陷褶皺帶，構(gòu)造作用強(qiáng)烈，褶皺斷層發(fā)育，致使巖層風(fēng)化破碎較為強(qiáng)烈。構(gòu)造線多為NE向，部分為NW向，線路與NE向構(gòu)造線方向基本一致，順層較普遍。區(qū)內(nèi)褶皺形態(tài)發(fā)育不均衡，背斜寬展，向斜狹窄緊密，兩翼不對(duì)稱。

新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期以來(lái)，區(qū)域內(nèi)隨云貴高原整體抬升，其上升幅度表現(xiàn)出西部較大，東部較小，形成了現(xiàn)今地勢(shì)上的3個(gè)顯著階梯。其階坎部位既與地區(qū)重力異常等值線梯度帶吻合，又大致與松桃—獨(dú)山、埡都—紫云兩深斷裂帶一致。

本段即處于第三級(jí)階梯黔東桂北低山丘陵地帶，海拔在900～1 000m，相對(duì)高差較小，一般在400～500 m以下。

1.4 水文地質(zhì)特征

線路所經(jīng)地區(qū)的水文地質(zhì)條件主要受地貌、巖性、構(gòu)造的控制。丘陵、陡坡及泥頁(yè)巖地段，一般水量較小;砂巖、碳酸鹽巖地區(qū)，構(gòu)造裂隙帶及向斜等儲(chǔ)水構(gòu)造的地下水水量較大。沿線地下水主要為基巖裂隙水、巖溶水。

1.4.1 基巖裂隙水

主要分布在低、中山區(qū)，丘陵區(qū)較少。在沿線地質(zhì)構(gòu)造、風(fēng)化裂隙發(fā)育的砂巖、礫巖、白云巖及玄武巖地段，裂隙水相對(duì)較豐富，大部分山間溝槽中部一帶有地下水露頭，其流量一般為0.05～3 L/s，個(gè)別可達(dá)5 L/s。在既有隧道中多見滲水、滴水、浸水現(xiàn)象，局部可見股狀流水，路塹邊坡上時(shí)有少量裂隙水浸出、滲出。在構(gòu)造裂隙密集帶或斷層帶普遍富集地下水，水量較大。

1.4.2 巖溶水

主要發(fā)育于石炭、二疊及三疊系碳酸鹽巖地層中，次為部分寒武系的碳酸鹽巖地層中發(fā)育的巖溶水。水量較豐富，分布不均勻，受巖溶發(fā)育形態(tài)及程度控制，接受大氣降雨補(bǔ)給。從各種溶洞、溶孔、溶縫中以泉或暗河方式排泄，流量隨季節(jié)變化大，泉水流量一般為2～5 L/s，個(gè)別可達(dá) 10～30 L/s，集中暴雨后會(huì)更大，暗河流量一般為50～500 L/s不等，豐水期更大。

2 紅外探測(cè)的基本原理

巖層由于分子振動(dòng)和晶體格振動(dòng)，每時(shí)每刻都在向外輻射電磁波，并形成紅外輻射場(chǎng)。紅外探測(cè)技術(shù)就是通過(guò)紅外探測(cè)前方一定范圍內(nèi)的紅外輻射場(chǎng)的變化，即通過(guò)探測(cè)儀顯示出紅外輻射溫度的變化。當(dāng)探測(cè)前方不存在隱伏的地質(zhì)異常體時(shí)，紅外輻射場(chǎng)就是一常值。當(dāng)探測(cè)前方一定范圍內(nèi)存在隱伏的地質(zhì)異常體時(shí)，地質(zhì)異常體產(chǎn)生的輻射場(chǎng)就要疊加在正常輻射場(chǎng)上，從而使得正常輻射場(chǎng)發(fā)生畸變。因此根據(jù)紅外輻射場(chǎng)曲線的變化規(guī)律，就可以全空間、全方位探查地質(zhì)異常體。在隧道掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)掌子面前方存在含水構(gòu)造時(shí)，含水構(gòu)造產(chǎn)生的異常紅外輻射場(chǎng)會(huì)疊加到圍巖的正常輻射場(chǎng)上，儀器顯示屏上的曲線出現(xiàn)數(shù)據(jù)突變。而當(dāng)掌子面前方?jīng)]有含水構(gòu)造時(shí)，所測(cè)定的紅外輻射場(chǎng)為正常場(chǎng)值，數(shù)據(jù)曲線近似為一條直線。

3 紅外線超前探水測(cè)線的布置

3.1 軸向測(cè)線布置

從隧道開挖面后方60m處向掘進(jìn)方向每隔5 m對(duì)隧道周邊探測(cè)1次(圖1)，每次探測(cè)順序依次為左邊墻腳、左邊墻、拱頂、右邊墻、右邊墻腳和隧底中線，每個(gè)斷面的測(cè)點(diǎn)布置示意見圖2，共探測(cè)12個(gè)斷面，這樣沿隧道軸線方向共形成6條探測(cè)曲線，分別為左邊墻腳探測(cè)曲線、左邊墻探測(cè)曲線、拱頂探測(cè)曲線、右邊墻探測(cè)曲線、右邊墻腳探測(cè)曲線和隧底中線探測(cè)曲線。

圖1 沿隧道軸向探測(cè)斷面布置示意(單位:m)

3.2 掌子面測(cè)點(diǎn)布置

圖2 斷面的測(cè)點(diǎn)布置示意

圖3 隧道掌子面的測(cè)點(diǎn)布置示意

隧道掌子面上的測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，在開挖面上水平方向自上而下布置4條測(cè)線，每條測(cè)線上布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)。

4 紅外線超前探水法的判據(jù)

4.1 根據(jù)掘進(jìn)掌子面場(chǎng)強(qiáng)差異進(jìn)行超前探水的判據(jù)

通過(guò)對(duì)比分析掌子面各測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)，判定掘進(jìn)掌子面是否存在含水構(gòu)造體。根據(jù)以往測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，判譯標(biāo)準(zhǔn)一般設(shè)定為:當(dāng)掘進(jìn)掌子面測(cè)點(diǎn)中最大場(chǎng)強(qiáng)和最小場(chǎng)強(qiáng)的能量差≥10W/cm2，可判定前方存在含水構(gòu)造體，否則不存在含水體構(gòu)造。

4.2 根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)曲線進(jìn)行超前探水的判據(jù)

建立各測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)(y軸)與測(cè)點(diǎn)到掘進(jìn)掌子面的距離(軸)的函數(shù)關(guān)系，并繪制出函數(shù)圖形，根據(jù)函數(shù)圖形特征進(jìn)行超前探水預(yù)報(bào)。如果函數(shù)圖形為一水平直線，表明掌子面前方不存在含水構(gòu)造，見圖4(a)。如果函數(shù)圖形為一斜線，表明掌子面前方存在具有含水構(gòu)造的可能性，需要進(jìn)一步探測(cè)，見圖4(b)。如果函數(shù)圖形開始部分存在階躍突變，后部為水平或斜線，表明掌子面前方存在含水構(gòu)造，見圖4(c)。

圖4 場(chǎng)強(qiáng)曲線進(jìn)行超前探水的判據(jù)

5 實(shí)例分析

5.1 實(shí)例1 小高山隧道(圖5、圖6)

圖5 小高山隧道DK567+213～DK567+158段紅外探測(cè)曲線

圖6 小高山隧道DK567+153掌子面紅外探測(cè)曲線

以滬昆客運(yùn)專線小高山隧道DK567+213～DK567+153段為例，該段出露巖性為寒武系白云巖，洞身多處可見滲水、滴水現(xiàn)象，掌子面滲水現(xiàn)象較嚴(yán)重;從紅

外線探測(cè)曲線來(lái)看，DK567+213～DK567+173段測(cè)值走勢(shì)整體呈均一上升趨勢(shì)，DK567+173～DK567+163段測(cè)值陡然上升，DK567+163～DK567+158段測(cè)值較為均一，掌子面探測(cè)值略有波動(dòng)，剔除受外界干擾的數(shù)值后，場(chǎng)強(qiáng)最大差值為19W/cm2，據(jù)此應(yīng)該判定前方可能存在隱伏含水構(gòu)造;從而給出施工建議為:預(yù)先采取超前水平鉆探和加深炮孔來(lái)驗(yàn)證預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)出水情況，做好相應(yīng)的防排水措施，以防止涌水、突水現(xiàn)象發(fā)生時(shí)造成人員傷害和設(shè)備損失，確保安全。實(shí)際驗(yàn)證情況為:DK567+126右側(cè)拱腰處地下水發(fā)育，出水方式為股狀流水，出水量5 000～10 000m3/d，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工造成了較大影響;從該實(shí)例可以看出，紅外探水儀非常敏感，對(duì)前方存在的隱伏含水構(gòu)造把握非常準(zhǔn)確，但出水的位置和水量的大小需要其他預(yù)報(bào)方法進(jìn)行補(bǔ)充、驗(yàn)證。

5.2 實(shí)例2 格沖隧道(圖7、圖8)

圖7 格沖隧道DK557+568～DK557+513段紅外探測(cè)曲線

圖8 格沖隧道DK557+508掌子面紅外探測(cè)曲線

以滬昆客運(yùn)專線格沖隧道DK557+568～DK557+508段為例，該段出露巖性為寒武系白云巖，洞身多處可見滲水、淋雨?duì)畛鏊?，掌子面局部有股狀涌?從紅外線探測(cè)曲線來(lái)看，測(cè)值走勢(shì)整體呈均一下降趨勢(shì)，掌子面探測(cè)值有所波動(dòng)，剔除受外界干擾的數(shù)值后，場(chǎng)強(qiáng)最大差值為9W/cm2，據(jù)此應(yīng)該判定前方不存在含水構(gòu)造;實(shí)際驗(yàn)證情況為:DK557+508～DK557+478段地下水較發(fā)育，出水方式以滲水、淋雨?duì)畛鏊疄橹鳎植坑泄蔂盍魉F(xiàn)象，出水量較大，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工造成了較大影響;從該實(shí)例可以看出，若測(cè)試段地下水較發(fā)育，則紅外探測(cè)儀就喪失了其敏感性，無(wú)法準(zhǔn)確判斷前方地下水發(fā)育情況，從而喪失了對(duì)施工的指導(dǎo)作用。

5.3 實(shí)例3 臺(tái)盤隧道(圖9、圖10)

以滬昆客運(yùn)專線臺(tái)盤隧道DK546+111～DK546+

圖9 臺(tái)盤隧道DK546+111～DK546+166段紅外探測(cè)曲線

圖10 臺(tái)盤隧道DK546+171掌子面紅外探測(cè)曲線

171段為例，該段出露巖性為寒武系白云巖，掌子面及洞身地下水不發(fā)育，從紅外線探測(cè)曲線來(lái)看測(cè)值呈均勻下降趨勢(shì)，受周圍環(huán)境影響，局部略有波動(dòng)，從圖9、圖10可以看出，場(chǎng)強(qiáng)曲線呈起伏交錯(cuò)分布，尤其底中及右邊墻腳場(chǎng)強(qiáng)值變化較大，最大差值為17W/cm2，據(jù)此判定前方存在含水體的可能性較大，從而給出施工建議為:采用超前水平鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，做好防、排水措施。實(shí)際驗(yàn)證情況為DK546+171～DK546+201段拱頂出現(xiàn)滴、滲水，兩側(cè)邊墻局部出現(xiàn)滲水。從該實(shí)例可以看出，紅外探水儀非常敏感，但是無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出出水位置和水量，此例中出現(xiàn)的滴、滲水現(xiàn)象還不足以對(duì)施工造成危害，因此對(duì)施工的實(shí)際指導(dǎo)意義不大。

6 優(yōu)、缺點(diǎn)的探討

6.1 紅外探水的優(yōu)點(diǎn)

(1)紅外探水不影響施工、可與施工同步進(jìn)行，攜帶方便、現(xiàn)場(chǎng)操作快速便捷。

(2)紅外探水儀對(duì)含水構(gòu)造很敏感。

(3)后期數(shù)據(jù)處理速度快，資料簡(jiǎn)潔、直觀，能夠及時(shí)有效地指導(dǎo)施工。

(4)預(yù)報(bào)費(fèi)用較低。

6.2 紅外探水的缺點(diǎn)

(1)由于紅外探水儀很敏感，因此容易受外界因素干擾。

(2)不能定量推測(cè)水壓、水量、水體寬度及其準(zhǔn)確位置。

(3)紅外探測(cè)技術(shù)最好的使用條件是掌子面及其后方已開挖區(qū)段的圍巖表面沒(méi)有水，如果掌子面及其后方已開挖區(qū)段的圍巖表面有大面積水體，紅外探測(cè)技術(shù)就失去了應(yīng)有的作用。

(4)當(dāng)隧道圍巖節(jié)理裂隙比較發(fā)育，每次預(yù)報(bào)均有水，但水量較小未影響到施工時(shí)，容易引起施工單位對(duì)地下水災(zāi)害隱患的麻痹。

7 結(jié)語(yǔ)

(1)紅外探水法最佳的適用環(huán)境是從無(wú)水環(huán)境進(jìn)入有水環(huán)境，此時(shí)紅外探水儀最為敏感，預(yù)報(bào)效果最好;如果已開挖段落地下水發(fā)育，此時(shí)紅外探水儀則喪失其敏感的優(yōu)勢(shì)，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)前方地下水發(fā)育情況。

(2)紅外探水法由于其自身的缺陷，很難作為一種獨(dú)立的預(yù)報(bào)手段，只能作為其他預(yù)報(bào)方法的補(bǔ)充、驗(yàn)證。

(3)紅外探水無(wú)法定量預(yù)報(bào)水量，而預(yù)報(bào)有水時(shí)，但水量較小未影響施工時(shí)，容易導(dǎo)致“狼來(lái)了”的效應(yīng)，從而導(dǎo)致施工單位麻痹大意，當(dāng)真正災(zāi)害來(lái)臨時(shí)，造成無(wú)法估量的損失。因此，在紅外探水資料出來(lái)之后，應(yīng)結(jié)合隧道的地質(zhì)資料和其他物探測(cè)試的結(jié)果綜合分析，才能得出比較客觀的結(jié)論。

(4)紅外探水預(yù)報(bào)尚需在工程施工中不斷創(chuàng)新、優(yōu)化、總結(jié)、完善和提高。

(5)加強(qiáng)地質(zhì)知識(shí)的學(xué)習(xí)與補(bǔ)充，才能對(duì)儀器的處理結(jié)果做出正確判斷，并做出合理的解釋，進(jìn)而做出正確的預(yù)報(bào)。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部．鐵建設(shè)［2008］105號(hào) 鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2008:94－96．

［2］中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司．滬昆客運(yùn)專線長(zhǎng)沙至昆明段初步設(shè)計(jì)·第四篇地質(zhì)［R］．成都:中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，2009．

［3］王鷹，陳強(qiáng)，魏有儀，王華．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(5):855－857．

［4］王夢(mèng)?。畬?duì)巖溶地區(qū)隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的意見［J］．鐵道勘察，2004(1):7－9．

［5］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(2):45－48．

［6］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．

［7］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(S2):107－110．

［8］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(4):126－127．

［9］呂喬森，陳建平．紅外線探水技術(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):45－48．

［10］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(2):189－193．

Study on Advantages and Disadvantages of Infrared Detection Technology Used in Geological Forecast of Tunnel

AN Hui

(Lanzhou Railway Survey and Design Institute Co．，Ltd．，Lanzhou 730000，China)

Infrared detection technology plays an important role in geological forecast of tunnel;and when combining with actual practice，an analytical research on the performance and application scope of this kind of instrument can play a guiding role in improvement of infrared detection instrument．This paper expounds how to use infrared technology for water detecting，including the basic principle，the survey line arrangement，and the basis of forecast interpretation．Especially，in combination with the actual tunnel projects of Yuping-Kaili section on Shanghai-Kunming passenger dedicated line in Guizhou Province，the infrared water detector have accurately forecasted the hidden water-bearing structures in front of the tunnel work-faces formany times，so that the hidden safety hazard for tunnel construction，arising from the hidden water-bearing structure，have been eliminated successfully．This paper also analyses and discusses the advantages and disadvantages of infrared detection technology used in geological forecast of tunnel．

geological forecast;infrared water detector;tunnel workface;hidden water-bearing bodies

U456.3+3

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．024

1004－2954(2014)03－0101－04

2013－06－27;

2013－07－15

安 輝(1976—)，男，高級(jí)工程師，工學(xué)學(xué)士，E-mail:78336999@qq．com。