红外探测技术在隧道超前地质预报中优、缺点探讨

安 辉

(兰州铁道设计院有限公司，兰州 730000)

红外探测技术在隧道超前地质预报中优、缺点探讨

安 辉

(兰州铁道设计院有限公司，兰州 730000)

红外探测技术在隧道超前地质预报中发挥着重要作用，通过实践对仪器的性能和适用范围进行探讨和研究，可以对红外探测仪器的改进起到指导作用。详细阐述红外探水的基本原理、特点、测线布置方式和预报判读依据，结合沪昆客运专线贵州段玉屏至凯里段隧道工程实例，多次准确预报出掌子面前方存在的隐伏含水构造，从而成功避免了隐伏含水构造对隧道施工带来的安全隐患，同时对红外探测技术在隧道超前地质预报中的优、缺点进行分析、探讨。

超前地质预报;红外探水仪;掌子面;隐伏含水体

沪昆客运专线贵州段工程十分艰巨，是我国又一条修建在艰、险、难山区的客运专线铁路，沿线通过碳酸盐岩地段长约510 km，占全线线路总长的68.5%。影响铁路工程的溶洞、落水洞、溶蚀洼地、隐伏溶洞、暗河等岩溶形态众多，伴随而来的隐伏含水构造给隧道施工带来了安全隐患，所以查明掌子面前方是否存在隐伏含水构造就显得异常重要，本文详细阐述了红外探水的基本原理、特点、测线布置方式和预报判读依据，结合工程实例，对红外探测技术在隧道超前地质预报中的优、缺点进行了分析、探讨。

1 工程概况

1.1 地形地貌

沪昆客运专线贵州段玉屏至凯里段位于侵蚀、剥蚀中低山区，群峰起伏，山脉绵延，线路穿山越谷，地面高程400～1 000m，相对高差200～400 m，地面坡度35°～40°，基岩多裸露，常见悬崖峭壁、障谷、隘谷景观。

1.2 地层岩性

沿线地层出露较为完全，自前震旦系至第四系地层皆有分布。岩性以灰岩、白云岩类可溶岩为主，相间分布板岩、泥岩、砂岩、页岩及煤系地层，局部地段有玄武岩分布。

1.3 地质构造

沪昆客运专线贵州段玉屏至凯里段属梵净山拗陷褶皱带，构造作用强烈，褶皱断层发育，致使岩层风化破碎较为强烈。构造线多为NE向，部分为NW向，线路与NE向构造线方向基本一致，顺层较普遍。区内褶皱形态发育不均衡，背斜宽展，向斜狭窄紧密，两翼不对称。

新构造运动时期以来，区域内随云贵高原整体抬升，其上升幅度表现出西部较大，东部较小，形成了现今地势上的3个显著阶梯。其阶坎部位既与地区重力异常等值线梯度带吻合，又大致与松桃—独山、垭都—紫云两深断裂带一致。

本段即处于第三级阶梯黔东桂北低山丘陵地带，海拔在900～1 000m，相对高差较小，一般在400～500 m以下。

1.4 水文地质特征

线路所经地区的水文地质条件主要受地貌、岩性、构造的控制。丘陵、陡坡及泥页岩地段，一般水量较小;砂岩、碳酸盐岩地区，构造裂隙带及向斜等储水构造的地下水水量较大。沿线地下水主要为基岩裂隙水、岩溶水。

1.4.1 基岩裂隙水

主要分布在低、中山区，丘陵区较少。在沿线地质构造、风化裂隙发育的砂岩、砾岩、白云岩及玄武岩地段，裂隙水相对较丰富，大部分山间沟槽中部一带有地下水露头，其流量一般为0.05～3 L/s，个别可达5 L/s。在既有隧道中多见渗水、滴水、浸水现象，局部可见股状流水，路堑边坡上时有少量裂隙水浸出、渗出。在构造裂隙密集带或断层带普遍富集地下水，水量较大。

1.4.2 岩溶水

主要发育于石炭、二叠及三叠系碳酸盐岩地层中，次为部分寒武系的碳酸盐岩地层中发育的岩溶水。水量较丰富，分布不均匀，受岩溶发育形态及程度控制，接受大气降雨补给。从各种溶洞、溶孔、溶缝中以泉或暗河方式排泄，流量随季节变化大，泉水流量一般为2～5 L/s，个别可达 10～30 L/s，集中暴雨后会更大，暗河流量一般为50～500 L/s不等，丰水期更大。

2 红外探测的基本原理

岩层由于分子振动和晶体格振动，每时每刻都在向外辐射电磁波，并形成红外辐射场。红外探测技术就是通过红外探测前方一定范围内的红外辐射场的变化，即通过探测仪显示出红外辐射温度的变化。当探测前方不存在隐伏的地质异常体时，红外辐射场就是一常值。当探测前方一定范围内存在隐伏的地质异常体时，地质异常体产生的辐射场就要叠加在正常辐射场上，从而使得正常辐射场发生畸变。因此根据红外辐射场曲线的变化规律，就可以全空间、全方位探查地质异常体。在隧道掘进现场，当掌子面前方存在含水构造时，含水构造产生的异常红外辐射场会叠加到围岩的正常辐射场上，仪器显示屏上的曲线出现数据突变。而当掌子面前方没有含水构造时，所测定的红外辐射场为正常场值，数据曲线近似为一条直线。

3 红外线超前探水测线的布置

3.1 轴向测线布置

从隧道开挖面后方60m处向掘进方向每隔5 m对隧道周边探测1次(图1)，每次探测顺序依次为左边墙脚、左边墙、拱顶、右边墙、右边墙脚和隧底中线，每个断面的测点布置示意见图2，共探测12个断面，这样沿隧道轴线方向共形成6条探测曲线，分别为左边墙脚探测曲线、左边墙探测曲线、拱顶探测曲线、右边墙探测曲线、右边墙脚探测曲线和隧底中线探测曲线。

图1 沿隧道轴向探测断面布置示意(单位:m)

3.2 掌子面测点布置

图2 断面的测点布置示意

图3 隧道掌子面的测点布置示意

隧道掌子面上的测点布置如图3所示，在开挖面上水平方向自上而下布置4条测线，每条测线上布置6个测点。

4 红外线超前探水法的判据

4.1 根据掘进掌子面场强差异进行超前探水的判据

通过对比分析掌子面各测点的场强，判定掘进掌子面是否存在含水构造体。根据以往测试经验，判译标准一般设定为:当掘进掌子面测点中最大场强和最小场强的能量差≥10W/cm2，可判定前方存在含水构造体，否则不存在含水体构造。

4.2 根据场强曲线进行超前探水的判据

建立各测点的场强(y轴)与测点到掘进掌子面的距离(轴)的函数关系，并绘制出函数图形，根据函数图形特征进行超前探水预报。如果函数图形为一水平直线，表明掌子面前方不存在含水构造，见图4(a)。如果函数图形为一斜线，表明掌子面前方存在具有含水构造的可能性，需要进一步探测，见图4(b)。如果函数图形开始部分存在阶跃突变，后部为水平或斜线，表明掌子面前方存在含水构造，见图4(c)。

图4 场强曲线进行超前探水的判据

5 实例分析

5.1 实例1 小高山隧道(图5、图6)

图5 小高山隧道DK567+213～DK567+158段红外探测曲线

图6 小高山隧道DK567+153掌子面红外探测曲线

以沪昆客运专线小高山隧道DK567+213～DK567+153段为例，该段出露岩性为寒武系白云岩，洞身多处可见渗水、滴水现象，掌子面渗水现象较严重;从红

外线探测曲线来看，DK567+213～DK567+173段测值走势整体呈均一上升趋势，DK567+173～DK567+163段测值陡然上升，DK567+163～DK567+158段测值较为均一，掌子面探测值略有波动，剔除受外界干扰的数值后，场强最大差值为19W/cm2，据此应该判定前方可能存在隐伏含水构造;从而给出施工建议为:预先采取超前水平钻探和加深炮孔来验证预报的准确性，加强监测出水情况，做好相应的防排水措施，以防止涌水、突水现象发生时造成人员伤害和设备损失，确保安全。实际验证情况为:DK567+126右侧拱腰处地下水发育，出水方式为股状流水，出水量5 000～10 000m3/d，对现场施工造成了较大影响;从该实例可以看出，红外探水仪非常敏感，对前方存在的隐伏含水构造把握非常准确，但出水的位置和水量的大小需要其他预报方法进行补充、验证。

5.2 实例2 格冲隧道(图7、图8)

图7 格冲隧道DK557+568～DK557+513段红外探测曲线

图8 格冲隧道DK557+508掌子面红外探测曲线

以沪昆客运专线格冲隧道DK557+568～DK557+508段为例，该段出露岩性为寒武系白云岩，洞身多处可见渗水、淋雨状出水，掌子面局部有股状涌水;从红外线探测曲线来看，测值走势整体呈均一下降趋势，掌子面探测值有所波动，剔除受外界干扰的数值后，场强最大差值为9W/cm2，据此应该判定前方不存在含水构造;实际验证情况为:DK557+508～DK557+478段地下水较发育，出水方式以渗水、淋雨状出水为主，局部有股状流水现象，出水量较大，对现场施工造成了较大影响;从该实例可以看出，若测试段地下水较发育，则红外探测仪就丧失了其敏感性，无法准确判断前方地下水发育情况，从而丧失了对施工的指导作用。

5.3 实例3 台盘隧道(图9、图10)

以沪昆客运专线台盘隧道DK546+111～DK546+

图9 台盘隧道DK546+111～DK546+166段红外探测曲线

图10 台盘隧道DK546+171掌子面红外探测曲线

171段为例，该段出露岩性为寒武系白云岩，掌子面及洞身地下水不发育，从红外线探测曲线来看测值呈均匀下降趋势，受周围环境影响，局部略有波动，从图9、图10可以看出，场强曲线呈起伏交错分布，尤其底中及右边墙脚场强值变化较大，最大差值为17W/cm2，据此判定前方存在含水体的可能性较大，从而给出施工建议为:采用超前水平钻探进行验证，做好防、排水措施。实际验证情况为DK546+171～DK546+201段拱顶出现滴、渗水，两侧边墙局部出现渗水。从该实例可以看出，红外探水仪非常敏感，但是无法准确预报出出水位置和水量，此例中出现的滴、渗水现象还不足以对施工造成危害，因此对施工的实际指导意义不大。

6 优、缺点的探讨

6.1 红外探水的优点

(1)红外探水不影响施工、可与施工同步进行，携带方便、现场操作快速便捷。

(2)红外探水仪对含水构造很敏感。

(3)后期数据处理速度快，资料简洁、直观，能够及时有效地指导施工。

(4)预报费用较低。

6.2 红外探水的缺点

(1)由于红外探水仪很敏感，因此容易受外界因素干扰。

(2)不能定量推测水压、水量、水体宽度及其准确位置。

(3)红外探测技术最好的使用条件是掌子面及其后方已开挖区段的围岩表面没有水，如果掌子面及其后方已开挖区段的围岩表面有大面积水体，红外探测技术就失去了应有的作用。

(4)当隧道围岩节理裂隙比较发育，每次预报均有水，但水量较小未影响到施工时，容易引起施工单位对地下水灾害隐患的麻痹。

7 结语

(1)红外探水法最佳的适用环境是从无水环境进入有水环境，此时红外探水仪最为敏感，预报效果最好;如果已开挖段落地下水发育，此时红外探水仪则丧失其敏感的优势，无法准确预报前方地下水发育情况。

(2)红外探水法由于其自身的缺陷，很难作为一种独立的预报手段，只能作为其他预报方法的补充、验证。

(3)红外探水无法定量预报水量，而预报有水时，但水量较小未影响施工时，容易导致“狼来了”的效应，从而导致施工单位麻痹大意，当真正灾害来临时，造成无法估量的损失。因此，在红外探水资料出来之后，应结合隧道的地质资料和其他物探测试的结果综合分析，才能得出比较客观的结论。

(4)红外探水预报尚需在工程施工中不断创新、优化、总结、完善和提高。

(5)加强地质知识的学习与补充，才能对仪器的处理结果做出正确判断，并做出合理的解释，进而做出正确的预报。

［1］中华人民共和国铁道部．铁建设［2008］105号 铁路隧道超前地质预报技术指南［S］．北京:中国铁道出版社，2008:94－96．

［2］中铁二院工程集团有限责任公司．沪昆客运专线长沙至昆明段初步设计·第四篇地质［R］．成都:中铁二院工程集团有限责任公司，2009．

［3］王鹰，陈强，魏有仪，王华．红外探测技术在圆梁山隧道突水预报中的应用［J］．岩石力学与工程学报，2003(5):855－857．

［4］王梦恕．对岩溶地区隧道施工地质超前预报的意见［J］．铁道勘察，2004(1):7－9．

［5］李彦军．红外探测技术在隧道工程中的适用性分析［J］．铁道勘察，2008(2):45－48．

［6］张庆欣．HY－303红外探测技术在齐岳山隧道的运用［J］．铁道建筑，2006(8):38－39．

［7］田荣，吴应明．红外探测技术在隧道超前探水中的应用研究［J］．铁道标准设计，2007(S2):107－110．

［8］黄忆龙;红外线探水法在隧道超前探水预报中的应用［J］．煤炭技术，2007(4):126－127．

［9］吕乔森，陈建平．红外线探水技术在岩溶隧道施工中的应用［J］．现代隧道技术，2010，47(4):45－48．

［10］吕乔森，罗学东，任浩．综合超前地质预报技术在穿河隧道中的应用［J］．隧道建设，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 辉(1976—)，男，高级工程师，工学学士，E-mail:78336999@qq．com。