劉赟君，韋培富，劉邦勝，謝朝葉

(1.貴州省交通科學(xué)研究院，貴州　貴陽　550008；2.廣西紅河高速公路有限公司，廣西　南寧　530600)

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

劉赟君1，韋培富1，劉邦勝2，謝朝葉1

(1.貴州省交通科學(xué)研究院，貴州貴陽550008；2.廣西紅河高速公路有限公司，廣西南寧530600)

摘要：超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是隧道施工中尤為重要的環(huán)節(jié)。文章闡述了紅外探水技術(shù)的特點(diǎn)、使用條件、基本原理、探測(cè)方法和影響因素，并結(jié)合工程實(shí)例介紹了紅外探水技術(shù)的具體應(yīng)用方法與效果，指出紅外探水技術(shù)便捷、無損、準(zhǔn)確、可靠，值得廣泛運(yùn)用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中。

關(guān)鍵詞：紅外探水技術(shù)；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；含水構(gòu)造；場(chǎng)強(qiáng)；應(yīng)用

0引言

隧道工程施工地質(zhì)條件具有不可預(yù)見性，而斷層破碎帶、軟弱圍巖和溶洞等不良地質(zhì)條件在施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)(尤其是我國西南巖溶地區(qū))，而貿(mào)然的施工極易引起塌方、涌突水等不良地質(zhì)病害[1]，特別是巖溶和斷層破碎帶地區(qū)涌突水具有高發(fā)性和高危性，是隧道施工的重大關(guān)鍵難題。因此，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)越來越引起專家、學(xué)者和技術(shù)人員的重視。基于現(xiàn)有的物探技術(shù)和手段，隧道施工過程中廣泛采用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有：地質(zhì)雷達(dá)法、地震波法和電法等[2]。而由于紅外探水技術(shù)的日益成熟、操作簡(jiǎn)單、測(cè)量快速、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)快捷以及精度高，可以預(yù)先判定隧道前方地質(zhì)體存在地下脈狀流、脈狀含水體或隱伏含水體，得出巖溶涌水、突泥的可能性，能有效地預(yù)知、防止涌突水等不良地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，因此該技術(shù)除了應(yīng)用于煤礦井下安全生產(chǎn)以外[3]，其在隧道工程中的運(yùn)用日趨廣泛。本文主要介紹紅外探水在隧道工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的運(yùn)用。

1紅外探水技術(shù)

1.1　特點(diǎn)

紅外探水技術(shù)是一種非接觸式防爆紅外探測(cè)法，與其余超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法相比主要特點(diǎn)有：操作和數(shù)據(jù)處理方法簡(jiǎn)單；探測(cè)快速便捷，對(duì)結(jié)構(gòu)無損傷；不影響施工；對(duì)含水體敏感，精度高，結(jié)果可靠；預(yù)報(bào)費(fèi)用低，符合經(jīng)濟(jì)型。然而，紅外探水技術(shù)有干擾因素多，無法得出含水體距離和水量等等缺點(diǎn)[4]。

1.2　適用條件

通過大量的運(yùn)用實(shí)踐和資料整理研究發(fā)現(xiàn)，紅外探水技術(shù)適用范圍廣，主要適用工作如下[5]：

(1)判斷前方圍巖的均一性；

(2)判定隧道前方地質(zhì)體存在地下脈狀流、脈狀含水體或隱伏含水體；

(3)確定地下水發(fā)育區(qū)和非發(fā)育區(qū)的分界位置；

(4)分析巖溶涌水、突泥的可能性。

1.3　基本原理

物質(zhì)由分子組成，分子處于一直不停的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由于分子震動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，任何物體由于分子和晶格振動(dòng)會(huì)向周圍發(fā)射紅外輻射，形成一個(gè)紅外場(chǎng)，不同的物體產(chǎn)生的紅外輻射場(chǎng)的強(qiáng)度不一致。

紅外探測(cè)技術(shù)就是通過探測(cè)前方一定范圍內(nèi)的紅外輻射場(chǎng)的變化，即通過探測(cè)儀顯示出紅外輻射溫度的變化。將穩(wěn)定的地質(zhì)體作為探測(cè)對(duì)象時(shí)，得到紅外場(chǎng)的強(qiáng)度與場(chǎng)源本身的場(chǎng)強(qiáng)相一致。如果前方地質(zhì)體存在地下脈狀流、脈狀含水體或隱伏含水體等異?，F(xiàn)象，其輻射出來的異常場(chǎng)將疊加在正常輻射場(chǎng)上，則在探測(cè)數(shù)據(jù)上會(huì)出現(xiàn)畸變。因此在隧道掘進(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。即通過對(duì)采集到的紅外場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，就可以全面地預(yù)報(bào)隧道前方的不良地質(zhì)體，尤其是含水體[6]。

1.4　探測(cè)方法

紅外探水為非接觸無損探測(cè)，具體的探測(cè)分析方法有兩種：隧道周圍探測(cè)分析法和掌子面探測(cè)分析法。

1.4.1隧道周圍探測(cè)分析法

在隧道拱頂、兩側(cè)邊墻和兩側(cè)拱腳，沿著隧道掘進(jìn)方向每5 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布設(shè)60個(gè)，一般要求掌子面后方可探測(cè)段達(dá)到60 m，具體如圖1所示(測(cè)線方向?yàn)樽哉谱用嫦蚨纯诜较驕y(cè)量)。測(cè)量前應(yīng)先標(biāo)記，測(cè)量過程中當(dāng)遇到個(gè)別測(cè)點(diǎn)位于出水部位時(shí)，記錄者應(yīng)標(biāo)記、記錄。而對(duì)于軟弱圍巖和斷層破碎帶段，由于初支往往緊跟掌子面，該方法不可行。

探測(cè)結(jié)束后，通過處理和分析每條測(cè)線的紅外場(chǎng)強(qiáng)曲線來分析和推測(cè)掌子面前方賦存地下水的情況。

圖1　隧道周圍探測(cè)分析法測(cè)點(diǎn)布置圖

1.4.2掌子面探測(cè)分析法

在掌子面布設(shè)測(cè)點(diǎn)五行，依次從下往上布置，第一行至第三行每行5個(gè)測(cè)點(diǎn)，第四行和第五行6個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體如圖2所示。探測(cè)后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得出每行和每列的最大差值，通過分析縱、橫向最大差值來分析和推測(cè)掌子面前方賦存地下水的情況。

圖2　掌子面探測(cè)分析法測(cè)點(diǎn)布置圖

1.5　判斷依據(jù)

對(duì)于某含水體場(chǎng)強(qiáng)分布如圖3所示。

圖3　含水體紅外場(chǎng)強(qiáng)分布圖

圖3中原點(diǎn)(陰影部分)為含水體，綠色虛線為紅外場(chǎng)強(qiáng)等勢(shì)線，紅色實(shí)線和虛線均為場(chǎng)強(qiáng)曲線。分析圖3可以發(fā)現(xiàn)，由于地下水的滲流規(guī)律得出，離含水體越近，紅外場(chǎng)強(qiáng)等勢(shì)線越密；隧道走向?yàn)樗椒较?，正?duì)含水體時(shí)，隨著距離的增大紅外場(chǎng)強(qiáng)曲線分為三個(gè)區(qū)域：分區(qū)一、分區(qū)二和分區(qū)三；隧道未穿越含水體，當(dāng)隧道離含水體達(dá)到一定距離時(shí)，紅外場(chǎng)強(qiáng)曲線分為兩個(gè)區(qū)域：分區(qū)二和分區(qū)三。

分區(qū)一：含水體離隧道近，在隧道前方推測(cè)區(qū)域內(nèi)，紅外場(chǎng)強(qiáng)值隨著距離的變化明顯，近呈雙曲線形式。

分區(qū)二：含水體離隧道距離較遠(yuǎn)或者隧道并未正對(duì)含水體，該區(qū)域紅外場(chǎng)強(qiáng)值隨距離變化基本呈直線。

分區(qū)三：含水體離隧道非常遠(yuǎn)，或者掌子面前方基本未存在含水體，紅外場(chǎng)強(qiáng)值基本上呈水平線。

總之，紅外探水?dāng)?shù)據(jù)處理結(jié)果可以按下圖進(jìn)行判定。曲線為圖4(a)說明隧道掌子面前方探測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)大規(guī)模含水體可能性很小，圖4(b)說明隧道掌子面前方探測(cè)范圍內(nèi)可能出現(xiàn)含水體，圖4(c)說明隧道掌子面前方探測(cè)范圍內(nèi)存在含水體。

(a)前方不含水　(b)有可能含水　(c)前方含水

對(duì)于掌子面探測(cè)分析法，根據(jù)眾多研究結(jié)果，縱向、橫向最大場(chǎng)強(qiáng)差基本理論值為10μw/cm2，當(dāng)最大紅外場(chǎng)強(qiáng)差大于理論值時(shí)，說明掌子面前方存在含水體；當(dāng)最大紅外場(chǎng)強(qiáng)差與理論值相當(dāng)時(shí)，說明掌子面前方可能有含水體；當(dāng)最大場(chǎng)強(qiáng)差小于理論值，說明掌子面前方存在含水體的可能性很小。

1.6　影響因素和不足

紅外探水技術(shù)的干擾因素有很多，紅外場(chǎng)強(qiáng)探測(cè)過程中，往往存在一定的缺陷和不足，亟待解決。具體影響紅外場(chǎng)強(qiáng)的因素主要和不足有：

(1)易受干擾場(chǎng)影響，如風(fēng)筒、燈泡、底板積水等。

(2)施工期間，噴射混凝土放熱會(huì)影響結(jié)果。

(3)紅外探水的預(yù)報(bào)距離較短，為20~30m左右，且每次搭接長度要求0~5m。

(4)紅外探水僅能探測(cè)出隧道前方隱伏的含水構(gòu)造，而無法準(zhǔn)確獲得水量、水壓、水質(zhì)等信息，亦無法直接對(duì)斷層、破碎帶等不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)報(bào)。

(5)紅外探水儀器受洞內(nèi)、洞外環(huán)境差異影響較大，如溫度、濕度等。

2應(yīng)用實(shí)踐

以某隧道為例，采用HY-303紅外探水儀進(jìn)行施工地質(zhì)預(yù)報(bào)，該隧道探測(cè)區(qū)段為DK23+000~DK23+025。該隧道掌子面為白云巖，呈灰白色，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，巖石完整程度和整體穩(wěn)定性較好，掌子面整體較為干燥，無明顯出水現(xiàn)象。

探測(cè)過程分別采用了隧道周圍探測(cè)分析法和掌子面探測(cè)分析法，探測(cè)結(jié)果如下。

2.1　預(yù)報(bào)結(jié)果分析

2.1.1掌子面探測(cè)分析法

本次預(yù)報(bào)紅外探測(cè)共在掌子面布置21個(gè)測(cè)點(diǎn)，探測(cè)深度約25m(DK23+000~DK23+025)，各測(cè)點(diǎn)測(cè)值如表1所示，測(cè)點(diǎn)號(hào)橫向從左至右(面對(duì)掌子面)依次遞增編號(hào)，行數(shù)由下至上依次遞增編號(hào)。

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

圖5　DK23+000掌子面紅外場(chǎng)強(qiáng)分布圖

從表1中可以看出掌子面D4K23+000測(cè)點(diǎn)縱、橫向最大場(chǎng)強(qiáng)能量差分別為7 μw/cm2和9 μw/cm2，略小于理論安全值10 μw/cm2，結(jié)合隧道現(xiàn)場(chǎng)情況，推測(cè)掌子面前方大范圍賦存地下水的可能性很小，但不排除局部溶洞的存在而少量出水可能。

2.1.2隧道周圍探測(cè)分析法

隧道周圍探測(cè)分析法在拱頂、兩側(cè)邊墻和兩側(cè)拱腳共布置5條測(cè)線，測(cè)點(diǎn)間距約5 m，以各測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為y軸、測(cè)點(diǎn)到掘進(jìn)掌子面的距離為x軸，繪制出函數(shù)圖形，其測(cè)試結(jié)果圖如圖6所示。

圖6　隧道周圍紅外場(chǎng)強(qiáng)分布圖

從圖6可以看出，掌子面DK23+000后方探測(cè)區(qū)域的紅外場(chǎng)強(qiáng)曲線整體上呈下降趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)不明顯，且各條測(cè)線較為一致，基本符合紅外探水經(jīng)驗(yàn)判斷模式的第一種，如圖4(a)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況，推測(cè)掌子面前方25 m范圍內(nèi)大范圍賦存地下水的可能性很小，但不能排除具有規(guī)模相對(duì)較小的溶洞和含水構(gòu)造，若遭遇強(qiáng)降雨，可能會(huì)使出水量增加。

2.2　結(jié)論及建議

通過掌子面場(chǎng)強(qiáng)分布圖(見圖5)及各測(cè)點(diǎn)縱向場(chǎng)強(qiáng)曲線判斷，本次探測(cè)段落DK23+000~D4K23+025范圍內(nèi)掌子面紅外探測(cè)曲線波動(dòng)相對(duì)較大，縱、橫向最大場(chǎng)強(qiáng)能量差為分別為7 μw/cm2和9 μw/cm2，略小于理論安全值10 μw/cm2，掌子面圍巖較好，整體較為干燥，掌子面前方25 m內(nèi)基本上沒有大范圍賦存地下水的可能，但不排除可能出現(xiàn)規(guī)模較小的溶洞或含水構(gòu)造。并且紅外探水為無損檢測(cè)，影響因素較多，結(jié)果可能具有一定誤差，建議施工過程中及時(shí)觀察隧道圍巖及出水情況，視情況輔以一定數(shù)量超前鉆孔探明掌子面前方水源發(fā)育及水量情況，避免不良地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

3結(jié)語

(1)紅外探水不影響施工，無損、快速方便、數(shù)據(jù)處理快捷、結(jié)論可靠、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合運(yùn)用于隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)中，而其適用性在很多工程中已經(jīng)得到充分的證明。

(2)紅外探水對(duì)含水體敏感、能準(zhǔn)確地探測(cè)隧道前方隱伏含水構(gòu)造體，預(yù)報(bào)精度高。

(3)紅外探水技術(shù)用來預(yù)測(cè)隧道掌子面前方短距離內(nèi)隱伏含水構(gòu)造，操作快捷簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確率高，它與地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)等其它地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)相結(jié)合，可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

(4)紅外探水技術(shù)探測(cè)距離短，易受干擾場(chǎng)影響，因此探測(cè)過程中應(yīng)盡可能減小干擾場(chǎng)的影響，保證探測(cè)的最大精度。

(5)紅外探水技術(shù)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)水引起的地質(zhì)災(zāi)害準(zhǔn)確預(yù)報(bào)難度大，因此紅外探測(cè)技術(shù)還有待于進(jìn)一步研究。

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Application of Infrared Water Exploration Technology in Tunnel Geologi-cal Prospecting

LIU Yun-jun1，WEI Pei-fu1，LIU Bang-sheng2，XIE Chao-ye1

(1.Guizhou Transport Science Research Institute，Guiyang，Guizhou，550008；2.Guangxi Honghe Expressway Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530600)

Abstract：The geological prospecting is a particularly important link in tunnel construction.This article described the characteristics，application conditions，basic principles，detection methods and influen-cing factors of infrared water exploration technology，and combined with engineering practices，it intro-duced the specific application methods and results of infrared water exploration technology，and pointed out that the infrared water exploration technology is convenient，non-destructive，accurate，and reliable，thus it is worth being widely used in geological tunnel prospecting.

Key Words：Infrared water exploration technology；Geological prospecting；Aquifer structure；Field strength；Application

收稿日期：2015-02-08

文章編號(hào)：1673-4874(2015)02-0037-05

中圖分類號(hào)：U455.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.02.010

作者簡(jiǎn)介