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红外探水仪在隧道超前地质预报中的应用研究

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  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.
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