红外探水仪在隧道超前地质预报中的应用研究

张彦宇

摘要：本文选取位于漳平市南洋乡梧溪村内九鹏溪斜井隧道作为研究对象，采用红外探水仪对其隧道断面和掌子面进行了超前地质预报探测，并根据红外探水仪对断面和掌子面测试数据的分析，对隧道当前的地质状况进行有效预判，对隧道的后期工程有较好的开展指导作用。

关键词：红外探水;隧道;超前地质预报;九鹏溪斜井

中图分类号：TP334.3 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）03-0270-02

1 红外超前探水原理

利用红外线探测隐伏含水构造，首先是由于水体本身的热导性质决定的。水的热导率比所有岩石的热导率低，对地下近似水平的开挖空间来说，如果存在一个含水构造，这个含水构造中的水体，不论是与隧道周围层局部位发生水力联系，由于水自身的热导率很低，都很难被岩温同化[1-3]。就其比热来说，所有岩石的比热值均比水低，这说明任何一种地质体的热容量都没有水体大，水体能够最大限度地储存冷温和热温。又因为水的热扩散率比所有岩石的热扩散率都低。因此，从外部空间地层通过构造运移到采掘水平的隐伏水体，能够最大限度地保持原来所在空间的水温，所以隐伏水体和岩温总是存在明显的温差。地温场理论指出地温场是一恒定值[3-4]，当开挖周围空间出现含水构造时，正常温度场将会迭加上含水构造的背景场，从而使正常地温场发生畸变，另也说明红外波段长的能量也要跟着发化口]。根据斯蒂芬一波尔兹曼定律：介质所辐射的红外波段的能量和被测目标温度之间将发生显著变化。因而利用红外线探水技术，可以寻找到开挖隧道围岩的隐伏含水体[6-8]。

2 隧道及地质概况

隧道选择是九鹏溪斜井，位于漳平市南洋乡梧溪村内，是九鹏溪隧道的辅助坑道，洞口地势平坦，多为林地，有山路相通，交通较为便利，全长1039m，坡率为7.86%，位于线路前进方向右侧，与线路相交与DK179+040，与线路小里程方向平面夹角为120度。九鹏溪隧道出口段，表层零星分布有Qel+dl粉质粘土，褐黄色，硬塑，厚1-3m;粗角砾土：紫红色，密实、稍湿、砾径2-5cm，分布于隧道出口表层。下伏全。弱风化T3d粉砂岩，褐黄色、紫红色、青灰色。强风化呈土状，厚约1.2-7.2m;强风化呈碎块状，岩体破碎，厚15-35m;以下为弱风化。

3 断面和掌子面探测方法

3.1 进入隧道后首先布置探测顺序号

（1）探测目的：目的之一确定掘进前方30米范围内有无隐伏含水构造或溶洞。目的之二是确定掘进隧道外围空间30米范围有无隐蔽水体或含水断层和溶洞。实现上述两个目的是通过N条探测线和掌子面探测数据的差值来完成的。这N条探测线的名称分别是：左边墙脚探测线、左边墙探测线、拱顶探测线、右边墙探测线、右边墙脚探测线、底板中线探测线等等。

（2）布置探测断面号的方法：如以掌子面为起点，向隧道后方每隔5米在一个边墙上标出探测断面号，总共标12个号。绘制红外探测图时，首端表示的是001号断面，尾端表示的是12号断面。微机成图时，是把001号断面的数据放在左端，12号点的数据放在右端，相对绘成的探测曲线而言，首端表示的场强是01号点位，尾端表示的场强是12号点位。（12号点标在靠近掌子面的边墙上，距底板约半人高即可。）

3.2 沿隧道走向进行红外探测

操作人员依次站在隧道中央每个断面号旁，分别对N个不同空间部位进行探测，并把探测值储存起来。然后走到下一个断面号，进行同样的操作。具体做法如下：

（1）正式探测前应把仪器的设置搞好，具体做法是接通仪器电源，在主菜单进入信息项检查核对日期和时间。另一方面是在主菜单进入设置项来选择是否开激光。当隧道中光线好时，可以只要激光器开。

（2）在完成上述工作后，就可进入正式探测了。此时操作者应站到001号断面号旁的隧道中央，按在主菜单进入断面测量，液晶屏由主菜单转入测量画面。

3.3 探掌子面

探掌子面的目的是為了确定掘进前方有无含水断层、破碎带、岩溶发育段。探掌子面的探点布置如图2，即在掌子面上水平方向布4条线，每条线上布6个探点。

4 测试数据分析

4.1 断面测试数据分析

断面数据分析说明：1、表中前和尾的X极差数据，已接近和超出安全值lOum/cm2，表示右墙、底板含水体区域明显。2、Y极差虽然没有超安全值，但极差也偏大（断面测试时人背对掌子面）

（2）断面测试数据曲线图

4.2 掌子面测试数据分析

（1）掌子面测试数据表

掌子面数据分析说明：掌子面数据与右墙、底板数值接近（掌子面测试时，人正对掌子面）

（2）掌子面测试数据曲线图

5 结论

通过以上数据分析及曲线图显示，右墙、底板含水体区域明显。也符合了与现场实体查看一致，掌子面、底板明显有水流动，右墙湿润。因此，经过测试，对该隧道的处理时应该对右墙侧面注意做好防护;掌子面往前开挖，重点提醒右墙侧面慎防发生透水。

参考文献：

[1]安辉.红外探测技术在隧道超前地质预报中优、缺点探讨[J].铁道标准设计，2014 （3）：101-104.

[2]张宁.基于蓝牙技术的直流探水仪的设计[D].山东大学，2016.

[3]刘东洋.MRS探水仪发射系统程控配谐技术研究[D].吉林大学.2018.

[4]曲晓冬，寒冷高温差地区高速公路隧道密集裂缝渗水病害处治研究[D].石家庄铁道大学，2018.

[5]钱玉麟，基于DSP+FPGA的近红外检测仪关键技术研究[D].南京理工大学，2012.

[6]王庆胜.蓝牙无线通信技术在工程中的应用与实现[J].电子世界，2019（2）：191-193.

[7]关维国，邹林杰，郝德华，等.基于多属性代价函数的WiFi与蓝牙TLS融合定位算法[J]传感器与微系统，2011（11）： 132-135.

[8]刘菁，张秩惟.探讨蓝牙技术在无线局域网中的应用[J].中国新通信，2018（20）：145-150.