红外探水技术在隧道超前地质预报中的应用

刘赟君，韦培富，刘邦胜，谢朝叶

(1.贵州省交通科学研究院，贵州　贵阳　550008；2.广西红河高速公路有限公司，广西　南宁　530600)

红外探水技术在隧道超前地质预报中的应用

刘赟君1，韦培富1，刘邦胜2，谢朝叶1

(1.贵州省交通科学研究院，贵州贵阳550008；2.广西红河高速公路有限公司，广西南宁530600)

摘要：超前地质预报是隧道施工中尤为重要的环节。文章阐述了红外探水技术的特点、使用条件、基本原理、探测方法和影响因素，并结合工程实例介绍了红外探水技术的具体应用方法与效果，指出红外探水技术便捷、无损、准确、可靠，值得广泛运用于隧道超前地质预报中。

关键词：红外探水技术；超前地质预报；含水构造；场强；应用

0引言

隧道工程施工地质条件具有不可预见性，而断层破碎带、软弱围岩和溶洞等不良地质条件在施工过程中经常出现(尤其是我国西南岩溶地区)，而贸然的施工极易引起塌方、涌突水等不良地质病害[1]，特别是岩溶和断层破碎带地区涌突水具有高发性和高危性，是隧道施工的重大关键难题。因此，隧道超前地质预报越来越引起专家、学者和技术人员的重视。基于现有的物探技术和手段，隧道施工过程中广泛采用的超前地质预报方法有：地质雷达法、地震波法和电法等[2]。而由于红外探水技术的日益成熟、操作简单、测量快速、数据处理简快捷以及精度高，可以预先判定隧道前方地质体存在地下脉状流、脉状含水体或隐伏含水体，得出岩溶涌水、突泥的可能性，能有效地预知、防止涌突水等不良地质灾害的发生，因此该技术除了应用于煤矿井下安全生产以外[3]，其在隧道工程中的运用日趋广泛。本文主要介绍红外探水在隧道工程超前地质预报中的运用。

1红外探水技术

1.1　特点

红外探水技术是一种非接触式防爆红外探测法，与其余超前地质预报方法相比主要特点有：操作和数据处理方法简单；探测快速便捷，对结构无损伤；不影响施工；对含水体敏感，精度高，结果可靠；预报费用低，符合经济型。然而，红外探水技术有干扰因素多，无法得出含水体距离和水量等等缺点[4]。

1.2　适用条件

通过大量的运用实践和资料整理研究发现，红外探水技术适用范围广，主要适用工作如下[5]：

(1)判断前方围岩的均一性；

(2)判定隧道前方地质体存在地下脉状流、脉状含水体或隐伏含水体；

(3)确定地下水发育区和非发育区的分界位置；

(4)分析岩溶涌水、突泥的可能性。

1.3　基本原理

物质由分子组成，分子处于一直不停的运动状态，由于分子震动或转动，任何物体由于分子和晶格振动会向周围发射红外辐射，形成一个红外场，不同的物体产生的红外辐射场的强度不一致。

红外探测技术就是通过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。将稳定的地质体作为探测对象时，得到红外场的强度与场源本身的场强相一致。如果前方地质体存在地下脉状流、脉状含水体或隐伏含水体等异常现象，其辐射出来的异常场将叠加在正常辐射场上，则在探测数据上会出现畸变。因此在隧道掘进现场，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。即通过对采集到的红外场强数据进行分析，就可以全面地预报隧道前方的不良地质体，尤其是含水体[6]。

1.4　探测方法

红外探水为非接触无损探测，具体的探测分析方法有两种：隧道周围探测分析法和掌子面探测分析法。

1.4.1隧道周围探测分析法

在隧道拱顶、两侧边墙和两侧拱脚，沿着隧道掘进方向每5 m布置一个测点，共布设60个，一般要求掌子面后方可探测段达到60 m，具体如图1所示(测线方向为自掌子面向洞口方向测量)。测量前应先标记，测量过程中当遇到个别测点位于出水部位时，记录者应标记、记录。而对于软弱围岩和断层破碎带段，由于初支往往紧跟掌子面，该方法不可行。

探测结束后，通过处理和分析每条测线的红外场强曲线来分析和推测掌子面前方赋存地下水的情况。

图1　隧道周围探测分析法测点布置图

1.4.2掌子面探测分析法

在掌子面布设测点五行，依次从下往上布置，第一行至第三行每行5个测点，第四行和第五行6个测点，具体如图2所示。探测后，经过数据处理，得出每行和每列的最大差值，通过分析纵、横向最大差值来分析和推测掌子面前方赋存地下水的情况。

图2　掌子面探测分析法测点布置图

1.5　判断依据

对于某含水体场强分布如图3所示。

图3　含水体红外场强分布图

图3中原点(阴影部分)为含水体，绿色虚线为红外场强等势线，红色实线和虚线均为场强曲线。分析图3可以发现，由于地下水的渗流规律得出，离含水体越近，红外场强等势线越密；隧道走向为水平方向，正对含水体时，随着距离的增大红外场强曲线分为三个区域：分区一、分区二和分区三；隧道未穿越含水体，当隧道离含水体达到一定距离时，红外场强曲线分为两个区域：分区二和分区三。

分区一：含水体离隧道近，在隧道前方推测区域内，红外场强值随着距离的变化明显，近呈双曲线形式。

分区二：含水体离隧道距离较远或者隧道并未正对含水体，该区域红外场强值随距离变化基本呈直线。

分区三：含水体离隧道非常远，或者掌子面前方基本未存在含水体，红外场强值基本上呈水平线。

总之，红外探水数据处理结果可以按下图进行判定。曲线为图4(a)说明隧道掌子面前方探测范围内出现大规模含水体可能性很小，图4(b)说明隧道掌子面前方探测范围内可能出现含水体，图4(c)说明隧道掌子面前方探测范围内存在含水体。

(a)前方不含水　(b)有可能含水　(c)前方含水

对于掌子面探测分析法，根据众多研究结果，纵向、横向最大场强差基本理论值为10μw/cm2，当最大红外场强差大于理论值时，说明掌子面前方存在含水体；当最大红外场强差与理论值相当时，说明掌子面前方可能有含水体；当最大场强差小于理论值，说明掌子面前方存在含水体的可能性很小。

1.6　影响因素和不足

红外探水技术的干扰因素有很多，红外场强探测过程中，往往存在一定的缺陷和不足，亟待解决。具体影响红外场强的因素主要和不足有：

(1)易受干扰场影响，如风筒、灯泡、底板积水等。

(2)施工期间，喷射混凝土放热会影响结果。

(3)红外探水的预报距离较短，为20~30m左右，且每次搭接长度要求0~5m。

(4)红外探水仅能探测出隧道前方隐伏的含水构造，而无法准确获得水量、水压、水质等信息，亦无法直接对断层、破碎带等不良地质体进行预报。

(5)红外探水仪器受洞内、洞外环境差异影响较大，如温度、湿度等。

2应用实践

以某隧道为例，采用HY-303红外探水仪进行施工地质预报，该隧道探测区段为DK23+000~DK23+025。该隧道掌子面为白云岩，呈灰白色，岩质较坚硬，岩石完整程度和整体稳定性较好，掌子面整体较为干燥，无明显出水现象。

探测过程分别采用了隧道周围探测分析法和掌子面探测分析法，探测结果如下。

2.1　预报结果分析

2.1.1掌子面探测分析法

本次预报红外探测共在掌子面布置21个测点，探测深度约25m(DK23+000~DK23+025)，各测点测值如表1所示，测点号横向从左至右(面对掌子面)依次递增编号，行数由下至上依次递增编号。

表1　掌子面超前红外探测数据记录表(场强值)

图5　DK23+000掌子面红外场强分布图

从表1中可以看出掌子面D4K23+000测点纵、横向最大场强能量差分别为7 μw/cm2和9 μw/cm2，略小于理论安全值10 μw/cm2，结合隧道现场情况，推测掌子面前方大范围赋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隧道周围探测分析法

隧道周围探测分析法在拱顶、两侧边墙和两侧拱脚共布置5条测线，测点间距约5 m，以各测点的场强为y轴、测点到掘进掌子面的距离为x轴，绘制出函数图形，其测试结果图如图6所示。

图6　隧道周围红外场强分布图

从图6可以看出，掌子面DK23+000后方探测区域的红外场强曲线整体上呈下降趋势，但下降趋势不明显，且各条测线较为一致，基本符合红外探水经验判断模式的第一种，如图4(a)。结合现场围岩情况，推测掌子面前方25 m范围内大范围赋存地下水的可能性很小，但不能排除具有规模相对较小的溶洞和含水构造，若遭遇强降雨，可能会使出水量增加。

2.2　结论及建议

通过掌子面场强分布图(见图5)及各测点纵向场强曲线判断，本次探测段落DK23+000~D4K23+025范围内掌子面红外探测曲线波动相对较大，纵、横向最大场强能量差为分别为7 μw/cm2和9 μw/cm2，略小于理论安全值10 μw/cm2，掌子面围岩较好，整体较为干燥，掌子面前方25 m内基本上没有大范围赋存地下水的可能，但不排除可能出现规模较小的溶洞或含水构造。并且红外探水为无损检测，影响因素较多，结果可能具有一定误差，建议施工过程中及时观察隧道围岩及出水情况，视情况辅以一定数量超前钻孔探明掌子面前方水源发育及水量情况，避免不良地质灾害的发生。

3结语

(1)红外探水不影响施工，无损、快速方便、数据处理快捷、结论可靠、费用低等优点，非常适合运用于隧道施工地质预报中，而其适用性在很多工程中已经得到充分的证明。

(2)红外探水对含水体敏感、能准确地探测隧道前方隐伏含水构造体，预报精度高。

(3)红外探水技术用来预测隧道掌子面前方短距离内隐伏含水构造，操作快捷简单，准确率高，它与地质雷达探测等其它地质预报技术相结合，可以优势互补。

(4)红外探水技术探测距离短，易受干扰场影响，因此探测过程中应尽可能减小干扰场的影响，保证探测的最大精度。

(5)红外探水技术对含水层的位置、赋存形态、出水量、出水压力等都无法定量分析，对水引起的地质灾害准确预报难度大，因此红外探测技术还有待于进一步研究。

参考文献

[1]吕乔森，陈建平.红外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)：45-49.

[2]程光炜.红外探水技术在岩溶隧道施工中的应用[J].桥梁隧道，2012(12)：214-215.

[3]王鹰，陈强，魏有仪，等.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，2003，22(5)：855-857.

[4]康海波，郭新明，陈先国，等.红外探测技术在岩溶富水公路隧道中的应用[J].公路交通科技，2014(5)：182-184.

[5]李妍军.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]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，2009，29(2)：189-193.

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

文章编号：1673-4874(2015)02-0037-05

中图分类号：U455.4

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.02.010

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