一种基于红外探测的岩溶隧道掌子面突水预报方法

1.本发明涉及岩土及地下工程中的隧道工程技术领域，具体涉及一种基于红外探测的岩溶隧道掌子面突水预报方法。


背景技术：

2.我国岩溶地区辽阔，并伴随着复杂的地下水环境，岩溶区隧道施工过程中受岩溶发育程度、岩溶分布方位及岩溶充填物等多种因素影响，经常遇到突水突泥造成围岩坍塌，不但影响隧道施工，且严重危及施工人员和机械设备安全，也对岩溶隧道的发展造成了严重的影响，故加强对岩溶地区的隧道突水灾害防治以及治理的研究显得尤为重要，而隧道力学的理论分析并不能够对突水时机和突水范围进行预报，不能够完全反映实际工程状况，在施工过程中伴随着无法预料的危害，很难保证施工人员和施工机械的安全。为解决上述难题，采用红外探测仪在对隧道掌子面进行观测，将实时观测数据图像通过matlab等软件进行处理，避开数学和力学上的困难，观察岩溶隧道开挖过程中掌子面突水前后时空演化规律，真实、全面、直观地反映岩溶隧道开挖引起掌子面突水的范围和规律，为施工安全得到保障。


技术实现要素：

3.本发明提供一种基于红外探测的岩溶隧道掌子面突水预报方法，利用红外辐射系统清晰反映了掌子面突水时空规律，可以直观呈现岩溶隧道掘进过程中掌子面突水的时机和范围，从时空综合预测角度研究突水的识别和监测预报，建立红外时、空联合分析预报，获得更加精准的前兆信息，提高水害预测的准确度。可以有效地在施工过程中进行突水、涌泥等灾害的预报和预防，在一定程度上可以减少实际工程中突水事故带来的损失。
4.为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于红外探测的岩溶隧道掌子面突水预报方法，包括如下步骤：
5.步骤一、通过红外辐射探测装置在隧道内部对掌子面进行实时监测，并生成红外辐射监测数据；
6.步骤二、通过红外辐射系统对所述红外辐射监测数据进行分析，获得隧道开挖过程中掌子面突水时空规律；
7.步骤三、根据所述突水时空规律揭示隧道开挖时溶洞在施工影响和岩溶水压双重作用下的突水机制；
8.步骤四、采用红外技术建立无接触监测系统，收集掌子面红外辐射图像数据；
9.步骤五、并采用matlab对所述红外辐射图像数据进行分析。
10.优选的，所述步骤一中，所述红外辐射探测装置固定在掌子面前方，并与所述掌子面间隔设置；所述间隔的距离视所述红外辐射探测装置的规格及隧道掌子面断面大小来决定。
11.优选的，所述步骤一中的实时监测包括对开挖、安装衬砌过程中的掌子面红外温
度场编发进行观察和数据采集。
12.优选的，所述红外辐射探测装置的空间分辨率320
×
240像素，光谱范围为7.5～13μm，测温范围为-40～+650℃之间，温度灵敏度为0.03℃。
13.本发明有益效果为：利用红外辐射系统清晰反映了掌子面突水时空规律，可以直观呈现岩溶隧道掘进过程中掌子面突水的时机和范围，从时空综合预测角度研究突水的识别和监测预报，建立红外时、空联合分析预报，获得更加精准的前兆信息，提高水害预测的准确度。可以有效地在施工过程中进行突水、涌泥等灾害的预报和预防，在一定程度上可以减少实际工程中突水事故带来的损失。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本发明红外辐射探测工作原理示意图；
16.图2为本发明实施中工具、掌子面、扔拍溶洞位置示意图；
17.图3为本发明应用场景背后结构示意图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.一种基于红外探测的岩溶隧道掌子面突水预报方法，包括如下步骤：
20.步骤一、通过红外辐射探测装置在隧道内部对掌子面进行实时监测，并生成红外辐射监测数据；
21.所述红外辐射探测装置固定在掌子面前方，并与所述掌子面间隔设置；所述间隔的距离视所述红外辐射探测装置的规格及隧道掌子面断面大小来决定。
22.其中，实时监测包括对开挖、安装衬砌过程中的掌子面红外温度场编发进行观察和数据采集；
23.步骤二、通过红外辐射系统对所述红外辐射监测数据进行分析，获得隧道开挖过程中掌子面突水时空规律；
24.步骤三、根据所述突水时空规律揭示隧道开挖时溶洞在施工影响和岩溶水压双重作用下的突水机制；
25.步骤四、采用红外技术建立无接触监测系统，收集掌子面红外辐射图像数据；
26.步骤五、并采用matlab对所述红外辐射图像数据进行分析。
27.上述方法依赖红外探测技术，其原理是通过红外探测仪探测前方一定范围内红外辐射场的变化，通过探测仪显示出红外辐射温度的变化。温度变化的实质是热量传递，该过程主要受两方面因素影响：水体与环境的温差、水体渗漏速度。
28.本方法基于试验模拟得到掌子面突水全过程的辐射温度变化规律以及突水范围时空变化规律，掌子面突水应分为四个阶段，即渗水、滴水、淋水、涌水，通过试验可知，加载过程中掌子面红外辐射温度呈现出阶段性上升状态，随后由于岩石破裂引起的裂纹产生和封闭维持一段时间水平状态直至发生渗水，至此红外辐射温度会降低0.1-0.3℃，随后发生波动性升降，但总体呈现下降的趋势；发生大面积滴水、淋水前红外辐射温度较快的速率升高，最高速率可达0.05℃/s，进入淋水、滴水阶段时温度又瞬时降低0.2℃左右，随后继续升温，升高到一定温度时红外辐射温度发生短暂高频的骤升骤降，直至发生突水，此时温度会发生大幅度下降，为1.0℃左右。
29.基于此可将试验所得数据结果应用于隧道施工现场对掌子面进行观测预报，所用红外辐射探测装置可安装在台架上，也可固定在掌子面前方一段距离处，如图1、图2及图3所示距离视装置规格及隧道掌子面断面大小决定，在隧道内部对掌子面进行实时监测，对开挖、安装衬砌等过程中掌子面的红外温度场编发进行观察和数据采集，通过红外辐射系统检测隧道开挖过程中掌子面突水时空规律，揭示隧道开挖时溶洞在施工影响和岩溶水压双重作用下的突水机制。采用红外技术建立无接触监测系统，收集掌子面红外辐射图像数据，并采用matlab对图像数据进行分析。
30.其中，红外热像仪可以采集被观测物表面的最低辐射温度、最高辐射温度及平均辐射温度，分别代表某一时刻观测区域内所有像素点温度的最小值、最大值和平均值，反映红外辐射特征随时间变化的规律。通过对比试验可知最低红外辐射温度能更好地反映试验过程中各阶段的红外辐射特征变化，故采用最低红外辐射温度作为掌子面破裂突水的指标分析试验过程中的红外数据。
31.作为优选设备，红外辐射探测装置优先采用美国filra325sc红外热像仪，空间分辨率320
×
240像素，光谱范围在7.5～13μm，测温范围在-40～+650℃，温度灵敏度达0.03℃，具备优异的图像分辨率及精确的温度测量能力。
32.本方案利用红外辐射系统清晰反映了掌子面突水时空规律，可以直观呈现岩溶隧道掘进过程中掌子面突水的时机和范围，从时空综合预测角度研究突水的识别和监测预报，建立红外时、空联合分析预报，获得更加精准的前兆信息，提高水害预测的准确度。可以有效地在施工过程中进行突水、涌泥等灾害的预报和预防，在一定程度上可以减少实际工程中突水事故带来的损失。
33.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。