白崇贺

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，沈阳 110000)

1 概 述

由于地下工程的特殊性，隧道工程处在各种复杂的地质环境中，在地质条件差、地质构造复杂的地区，断层破碎带、褶皱、节理裂隙等构造比较发育，内含丰富的地下水，导致围岩的力学性质差，从而增大了施工难度。尤其是在未探明前方及周围的地质环境下突发的涌水、突泥会给施工安全带来巨大的隐患，因此超前地质预报在隧道施工中起着至关重要的作用。目前，物探方法较多，如电磁法、TSP、电法及声波法在隧道超前地质超报中应用较为普遍。本文主要阐述红外线探水技术在隧道超前地质预报中的应用。

2 工程概况

本工程位于辽宁锦州市义县境内，全长2 160 m。隧道开挖采取钻爆法施工，开挖断面为马蹄形，设计坡比0.155 4‰。工程洞室埋深34 m～111 m，洞室岩性主要为泥质粉砂岩、泥岩、石英砂岩、角砾岩、凝灰质砂岩/砾岩、含燧石条带白云质灰岩、蚀变凝灰岩等。强风化～弱风化，其中泥质粉砂岩、泥岩、蚀变凝灰岩等属极软～较软岩，石英砂岩、含燧石条带白云质灰岩中硬～坚硬岩。岩体多完整性差～较完整，节理不发育～较发育，节理面多平直光滑～起伏粗糙，微张～闭合，泥质填充，少数无充填。

为保证隧道施工安全，提高施工效率，服务隧道施工，防止因突然涌水造成施工事故，采用红外线探水法系统作近距离探测方式进行超前地质预报的探测方法。

3 红外探水的基本原理

辐射是从物质中发射出来的，所有物体均向外界辐射红外线，相对应的形成一个红外线场。对于一个岩性相对稳定的地质体来说，其红外线场是稳定的，地质体不同位置的场强变化不大。当地质体内含有水时，则该地质体有水处的场强和没水处的场强会相差较大。利用这个原理应用红外探测围岩上不同位置的场强变化来预测前方30 m范围内是否含水。

4 红外探水的方法

红外探水属于非接触探测，主要方法是：

1) 在隧道掌子面布置测点。

2) 在隧道纵向边墙布置测点。

3) 用仪器对测点打出一个红色光点，扣动扳机，就可进行读数，作好记录。

4) 进入下一个测点循环。

4.1 掘进掌子面超前探水的测线布置

1) 在掌子面上布置24个测点，分4行布置，对每个测点打出红色光点，并记录读数。若地质情况复杂或探测过程中出现异常后，加密测点。

2) 测量开始时，应对一个点进行重复测量，当读数基本稳定时，才能正式开始测量。在探测地质条件正常的断面，会总结出各行读数的最大值与最小值的差值是有一定范围的,本工程隧道安全值为10 μw/cm2。这个范围就是该隧道红外场强的安全值，当前方出现含水层时则最大值和最小值的差值将大于安全值时，从而可以判断出前方含水层及其位置。

图1 掌子面测点布置示意图

4.2 隧道边墙纵向进行测点布置

1) 由隧道开挖掌子面开始向后方60 m范围，5 m为间距，沿边墙布置12个测点。

2) 先对掌子面开挖前方进行探测，之后返回。在行进的路径上，每经过一个测点，就用红外探测仪器的激光器打出光点，使之分别落到左右边墙中线、左右拱脚中线、拱顶中线及隧道底板中线的位置，读数并记录。

3) 当探测范围有渗流、线流或涌水时，均要对出水点进行红外探测。

4) 探测过程中要排除照明灯、通风口光源等干扰因素，若无法避免，要备注说明。见图2。

图2 拱顶及侧帮测点布置示意图

5 红外探水的数据分析

根据以上探测成果，由场强曲线及隧道走向构成的红外探水判断条件，建立直角坐标系：X轴为探测点距开挖掌子面长度，Y轴为探测点场强，并形成函数图形。

对函数图形进行分析，以此进行超前探水预报。

函数图形为水平线，则可判断开挖掌子面前方地质构造不含水，见图3(a)。

函数图形为斜线，则可判断开挖掌子面前方地质构造存在含水可能性，为得到精确预报结果，需进行进一步探测，见图3(b)。

函数图形接近Y轴的部分斜率变化较为明显，远离部位趋于水平或斜线，则可判断开挖掌子面前方地质构造含水，见图3(c)。

在某隧道的掌子面上进行红外探水地质预报，是为了对开挖掌子面前方地质构造含水情况进行探明，对地下水系发育情况进行评价。表1和图4分别是对掌子面进行红外探测的数据记录表和掌子面场强分布图。

图3 红外探水场强曲线判据图

表1 掌子面超前红外探测数据记录表(场强值)

注：数据按掌子面自左向右排列。

图4 掌子面场强分布图

由表1可知，掌子面红外辐射场场强最大值为361 μw/cm2，最小值240 μw/cm2，差值为21 μw/cm2，差值大于安全值10 μw/cm2，红外辐射场强差值较大，据此分析开挖掌子面前方20 m范围内地质构造含水。

在隧道边墙和拱顶沿隧道走向布置5条测线，由探测的数据(表2)绘出曲线图(图5)。图5显示，左边墙脚、左边墙、拱顶对应的曲线上的场强值没有突变，曲线起伏不大。布置在右边墙、右边脚对应的曲线起伏较大，据此分析开挖掌子面前方20 m内右下侧地质构造含水。两种探测方法一致。

表2 隧道走向超前红外探测数据记录表(场强值)

续表2

图5 沿隧道走向布点探测法场强分布图

6 结 论

1) 红外探水与其他超前预报相比所需时间较短、不影响正常施工、可与施工共同进行，仪器便于携带，并且在后期分析时仍具有较多优点，如数据分析简洁、成果精度、准确度高。

2) 探测数据要具有可靠性，若因探测时操作失误或读数错误，而得到允许值之外的函数图像，则探水结果必然错误。因此，现场操作必须注意正确的地下工作方法、探测技巧、操作和记录规定。

3) 红外探水在使用的过程中对周围环境的要求较为严格，探测期间要控制洞内的温度及湿度，并要确保开挖掌子面和已开挖洞段的围岩表面没有水，否则红外探测结果将不准确。使用环境条件，温度：0℃～40℃；湿度：应不大于80%，在潮湿环境工作不应超过8 h；大气压力：(0.8～1.1)×105Pa；无腐蚀性气体和强电磁场干扰。而且红外探测距离较短只有在30 m范围内进行，且相邻探测时应有5～10 m的重叠区，只能探测地质体是否含水，无法定量判出水量大小、水压力和距离，因此红外探测技术在应用过程中有待于进一步开发和研究。