红外探水法在泉州东海隧道地质超前预报中的应用

孙迪

（福建省建筑设计研究院，福建 福州350001）

1 引言

隧道开挖前方常存在不良地质体（如断层破碎带、溶洞、地下暗河等），隧道突水也就成为隧道工程中的主要工程地质问题，是隧道施工中的安全隐患。所以隧道地质超前预报越来越受到各方的重视，能否准确预报隧洞开挖前方的地质条件是隧道建设者们的迫切需求。当前如地震波法（TSP、TRT等）、电法等各种方法被广泛应用于施工地质超前预报中，其中红外探水法在隧道的开挖中起着举足轻重的作用，为隧道安全施工提供了技术保障［1］。

红外探测技术是目前较为先进的一种地下水探测预报方法，该技术除了应用于煤矿井下安全生产以外［2］，也被引入到隧道施工地质超前预报中，用于探测隧道前方隐伏含水体。红外探水技术操作简单、测量快速，相较于其它物探技术而言，基本不占用生产时间，而且在后期数据处理上也简便快捷，准确率高。在圆梁山隧道施工中的应用结果表明：红外探水有水判断准确率20m内为76.2%，30m内为86%；无水判断准确率20 m内为96.4%，30m内为88%［3］；在齐岳山隧道出口工区，采用红外探水法超前预报，保证隧道顺利通过了3个断层破碎带［4］。通过理论论证和实践证明，红外探测技术为隧道和地下工程地质超前预报提供了一种强有力的方法和工具，与其它地质预报技术（TSP地质超前预报、地质雷达探测等）相结合，可以优势互补。

2 工程概况

泉州东海隧道左线全长2 170m（里程桩号ZK1＋430.0-ZK3＋600.0），右线全长2 157m（里程桩号YK1＋414.0-YK3＋571.0）。隧址区属低山丘陵地貌，隧道沿线地势起伏较大，水文和地质条件变化大，穿越城区环境复杂。

其中，在ZK1＋900-ZK2＋000处隧道从赤山水库大坝下游约20～70m处穿越，隧洞顶顶板道设计标高23.33m～23.63m，围岩主要为中、微风化花岗岩。在（ZK1＋820-ZK1＋840m、ZK1＋870-ZK2＋020m、YK1＋820-YK1＋980m、ZK3＋040-3＋070m 及YK3＋035-YK3＋065m）由于受F1、F2断裂构造及隧道顶板距地面厚度约6m的黎明大学操场浅埋段的影响，隧道围岩级别会相应降低，地下水可能较为丰富，这样就对隧道施工造成不同类型的风险，如断层破碎带引起的塌方、突水涌水、落石等。所以，针对泉州东海隧道F1、F2断裂带，赤山水库段和黎明大学操场浅埋段进行红外探水超前预报的重点测试。泉州东海隧道右线地质纵断面图如图1所示。

3 红外探水的基本原理及实施方法

3.1 红外探测基本原理

在隧道中，围岩每时每刻都在向外发射红外波段的电磁波，并形成红外辐射场，场有密度、能量、方向等信息，岩层在向外发射红外辐射的同时，必然会把内部的地质信息传递出来。由于干燥无水的地层和含水地层发射不同的红外辐射。同时地下水的活动会引起岩体红外辐射场强的变化，红外探水仪通过接收岩体的红外辐射强度，根据围岩红外辐射场强的变化来确定掌子前方或洞壁四周是否有隐伏的含水体。通过测试掘进工作面和隧道开挖纵向的红外辐射场变化情况，根据介质的辐射红外波段长的能量变化，判析前方是否为隐伏含水构造体，有无发生突涌水的可能［5，6］。

3.2 仪器设备

红外探水采用HY-303型防爆红外探测仪，如图2所示。

3.3 红外探测技术方法

3.3.1 准备工作

确定物体发射率，测线测点定位方法。

3.3.2 掌子面测点布置与判别依据

一般情况下，将掘进掌子面划分为9个区域，每个区域设定1个测点，如图3所示。根据以往测试经验，其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大于等于10（该值称为安全值，经过多次探测可以确定正常辐射场的安全值范围），可判定前方存在含水构造体，否则不存在含水体构造。当掌子面前方存在断层时，断层走向不一定与隧道走向完全垂直，即使垂直，次级构造或含水裂隙相对掘进掌子面上不同点的距离也有远有近，掌子面上各测点的探测值离散差异很大；如果掌子面前方是溶洞，溶洞中心不一定在隧道轴线上，即便溶洞中心刚好在隧道轴线上，由于溶洞形态的不规则性，含水体相对掌子面各测点而言，也有远有近，因而掌子面上各测点的读数值，存在明显的差异性。

3.3.3 隧道纵测线布置及判别依据

在已开挖洞段在拱顶、拱腰、边墙、隧底等位置沿隧道轴向布置测线，可根据需要选择，一般选择3～4条测线。从掘进掌子面开始，向已开挖方向（背离掘进掌子面方向），每间隔1～5m设置一个测点，测点数不少于12个，如图4所示。长度通常为60m，不得少于50m。之所以由掌子面向后方探60m，是为了使前一段曲线能反应出隧道在这个区间的正常场，从而识别出异常场。正常场确定后，在以后的探测中，凡是不同于正常场的探测曲线都可视为异常场。曲线尾部是下降、上升还是保持不变，是判定曲线是否正常的关键。60m的规定并非一成不变，可以做适当调整。当断面后方有较长一段是含水构造时，为了确定正常场，还需加长探测距离。测点从开挖面起按里程编号，发现异常时或接近不良地质段时测点布设应适当加密。

3.3.4 具体操作方法

进入探测地段时，首先沿隧道一个壁，以5m点距用粉笔或油漆标好探测顺序号，一直标到终点，或者标到掘进面处。在掘进面处，首先对断面前方探测，在返回的路径上，每遇到一个顺序号，就在隧道中央，分别用仪器的激光器打出红色光斑，使之落在左壁中线位置、顶部中线位置、右壁中线位置、底板中线位置，并扣动仪器扳机分别读取探测值，并作好纪录。然后转入下一序号点，直至全部探完。

将测得的数据绘制成红外辐射探测曲线图，建立各测点的场强（Y轴）与测点到掘进掌子面的距离（X轴）的函数关系，然后结合已知资料对数据进行分析解释，预测、预报隧道周边及其附近是否存在含水构造。根据曲线变化情况判定隧道前方和周边是否存在含水构造，其前提是要正确区分正常场、异常场和干扰场。

当隧道里出现人为造成的热源，或出现不均匀的热源物体或气体时，就会对探测曲线产生干扰。如灯泡附近，正在使用的机械附近或夏天风筒出口附近等都会产生干扰场。这种干扰场会叠加到正常场上，使探测曲线发生变化。

3.3.5 注意事项

为了提高红外探测的测量精度与判译效果，以下几个方面值得注意。

（1）严格遵守“泉州市东海隧道地质超前预报大纲”中关于安全生产的要求。仪器不允许无关人员摆弄，也不允许探烟头、烧红的电炉丝、电焊机的火花等，更不能让激光束对准人的眼睛，以免造成伤害。

（2）不同材料的物体具有不同的发射率，必须准确确定被测物体的发射率。在使用测温仪时，应保持透镜的清洁。测温仪应尽量垂直对准被测物体表面，在任何情况下，角度都不能超过30°。正确选择距离系数，目标直径必须充满视场。

避免周围环境高温物体的影响。

在冬季，野外温度低，洞内温度高。当进入洞内探测时，仪器会自动调节到适宜工作的温度，这个过程需要20～30min。如果想缩短等待时间，可以给仪器做个棉套，避免仪器在进洞之前受冻。在正式开始探测前，要用仪器对准一个目标不动，多扣动几下扳机，看仪器读数是否变化，如不变，说明仪器不用再预热，可进行正式探测。

（3）真实的探测资料是正确分析数据和解译探测曲线的前提，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。红外探测时间应选在爆破及出碴完成后进行；刚锚喷过尚未干的边墙不能探测，干了以后才能探；在一条隧道中，有锚喷段、裸岩段、衬砌段，探测时，应在备注栏内注明；开挖工作面炮眼、超前探孔等钻进过程中所采集的数据，测线范围内存在高能热源场（如电动空压机等）时所采集的数据，喷锚作业后水泥水化热影响明显的部位所采集的数据均为不合格数据。

（4）红外探测技术现场操作比较容易，对探测曲线的分析判定则相对困难。好在隧道开挖可以及时对判定结果进行验证。相信经过“判定-验证-调整”的不断实践，就一定能逐步积累经验，使红外探测技术日臻成熟，成为地质超前预报的一把利器，更好地服务于隧道施工。

沿隧道轴向的红外探测曲线和开挖工作面红外探测数据最大差值应结合起来分析，在实践中不断总结经验，作出符合实际的分析判断。分析由探测数据绘制的探测曲线前，必须认真检查探测数据的可靠性；分析解释时应先确定正常场，再确定异常场，由异常场判定地下水体的存在；在分析单条曲线的同时，还应对所有探测曲线进行对比，比如两边墙探测曲线的对比、顶底探测曲线的对比，依此确定隐蔽水体或含水构造相对隧道的所在空间位置［7，8］。

3.3.6 资料提交

现场观测完成后，将测得的数据绘制成红外辐射探测曲线图，建立各测点的场强（Y轴）与测点到掘进掌子面的距离（X轴）的函数关系，根据曲线变化情况，结合已有的隧道地质勘察报告等资料，进行分析、解译，预测，综合判定隧道掌子面前方及隧洞周边是否存在含水构造，并在24h内向有关单位提交观测报告。

4 工程实例

笔者从2009年12月开始，采用HY-303型防爆红外探测仪对泉州东海隧道A、B标左线（ZK1＋547～ZK3＋427）和右线（YK1＋434～YK3＋349）进行了连续红外探水超前预报测试工作，其中对F1、F2断裂带，赤山水库段和黎明大学操场浅埋段进行了重点测试预报。

本工程红外探水探测点布置方法为掌子面法和纵测线法。掌子面法测点布置是掘进掌子面划分为9个区域，每个区域设置1个探测点（图3所示）；纵测线法测点布置是沿已开挖隧道边墙纵向进行测点布置，分别在拱顶、两侧边墙上各布置一条测线，从已开挖方向（背离掘进掌子面方向），每间隔1～5m设置一个测点，测点数不少于12个（图4）。由于在实际的操作中，整条隧道裸岩段较少，大部分地段隧道洞身为锚喷段和衬砌段，所以为了结果更准确，更真实地反映实际情况，本工程仅在A标个别裸岩段进行纵测线法红外探测。

4.1 掌子面法

从隧道左、右洞掌子面法红外热辐射场强沿隧道轴向的变化曲线图的探测结果来看，隧道局部地段辐射场强沿隧道轴向起伏变化较大，曲线在ZK1＋923～ZK1＋942、ZK1＋946～ZK1＋958、ZK1＋961～ZK1＋973段各断面测点场强离散性很大，最大场强和最小场强的能量差几乎均大于10μw/cm2，说明前方岩体具有含水裂隙构造特征，且含水量较大，开挖掌子面可能会产生渗水、滴水甚至涌水等现象；曲线在YK1＋854～YK1＋873段各断面场强离散性相对较小，最大场强和最小场强的能量差个别大于10μw/cm2，说明前方岩体局部具有含水裂隙构造特征，含水量较小，开挖掌子面可能会产生渗水现象。此探测结果与实际施工中掌子面地下水出露情况基本一致。ZK1＋923～ZK1＋975、YK1＋854～YK1＋873断面红外探测曲线图如图5所示。

4.2 纵测线法

从隧道ZK1＋835、YK1＋770纵测线法红外热辐射场强沿隧道轴向的变化曲线图的探测结果来看，左洞ZK1＋835断面后方80m范围内各条测线上测点场强离散性较大，时有相交，且靠近掌子面的曲线尾部有明显下降，说明前方岩体具有含水裂隙构造特征，且含水量较大，开挖掌子面可能会产生渗水、滴水甚至涌水等现象；右洞YK1＋770断面后方80m范围内各条测线上测点场强离散相对较小，基本没有相交，但靠近掌子面的曲线尾部略有下降，则不能排除前方岩体具有含水裂隙构造特征的可能性，开挖掌子面可能会产生渗水现象。此探测结果与实际施工中掌子面地下水出露情况基本一致。ZK1＋835、YK1＋770断面纵测线法红外探测曲线图如图6所示。

5 结语

实践证明，红外探水法超前预报能够比较准确地探测到隧道掌子面前方的含水构造，既方便快捷，又省时省工，而且适用性强，值得推广应用。但是在探测过程中，存在多种干扰因素，如人为因素、探测面出水、周围灯泡发热影响等因素，使得正常场的场强受到一定影响，进而影响预测的准确性。而且由于目前红外探水技术只能定性预报掌子面前方有无隐伏的含水构造，却对含水层的位置、赋存形态、出水量、出水压力等都无法定量分析，对有水情况下的地质灾害更难以准确预报。因此红外探水技术在实际应用过程中应结合地质素描、TSP、地质雷达、超前钻孔等综合超前预报技术，相信可以实现更准确的预报，避免隧道施工中发生突水、涌泥，甚至塌方事故，进而保障隧道施工安全［9～12］。

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