隧道施工含水構造激發(fā)極化定量超前地質預報理論及其應用.pdf

1、目前我國已經成為世界上隧道（洞）修建數量最多、規(guī)模最大、發(fā)展速度最快的國家，與此同時，復雜的地質條件和頻發(fā)的地質災害成為地下工程施工期面臨的巨大挑戰(zhàn)。其中，突涌水災害給隧道（洞）施工帶來了巨大的經濟損失、重大的人員傷亡與惡劣的社會影響，對地表及隧址區(qū)水資源和生態(tài)環(huán)境造成了不可修復的破壞。突涌水災害源（含水地質構造）的超前探測理論與技術已經成為隧道等地下工程建設亟待解決的關鍵科學難題。針對以上難題，提出多同性源陣列激發(fā)極化超前探測新方法，

2、并對孔中陣列激發(fā)極化觀測模式進行探討，以含水構造的三維反演成像與水量預測的相關理論、方法為目標內容，并引入約束聯(lián)合反演思想，以基于約束聯(lián)合反演的綜合超前探測方法為結合點，形成多同性源陣列激發(fā)極化法隧道含水構造超前探測綜合定量識別方法，并在物理模型試驗與現場工程中得到應用，取得一系列的研究成果:
　　(1)針對傳統(tǒng)激發(fā)極化探測方法存在旁側干擾嚴重，且無法適用于TBM(Tunnel Boring Machine全斷面隧道掘進機)施工隧

3、道的問題，提出了激發(fā)極化超前探測的多同性源陣列型新觀測模式，揭示了多同性源電極供電的后向屏蔽與前向聚焦作用機制，并對孔中陣列激發(fā)極化觀測方式進行了探討，優(yōu)選出了最佳陣列電極觀測方式，揭示了激發(fā)極化法對典型含水地質構造的響應特征，提高了抗旁側干擾能力與超前探測能力，從多同性源觀測模式與孔中陣列觀測模式的技術特點來看，其可同時適用于鉆爆法與TBM施工環(huán)境。
　　(2)針對線性反演方法對初始模型依賴性大、非線性方法搜索效率低的問題，基于

4、觀測數據加權函數與模型深度加權函數，提出了基于加權函數的最小二乘反演方法;同時，將電阻率光滑約束與軌跡光滑約束引入到蟻群反演中，提高了蟻群算法的搜索效率，建立了線性反演方法與非線性反演方法相結合的混合反演方法，解決了由于隧道掌子面狹小探測空間而導致反演深度分辨率差的難題，實現了隧道含水構造的三維反演成像。
　　(3)針對多解性這一地球物理探測固有難題，采用已知地質體形態(tài)信息作為先驗約束的思想，研究已知先驗信息約束聯(lián)合反演模型構制方

5、法與約束反演方法，提出了空間形態(tài)約束反演與空間結構約束反演方法，將地震波法、電磁法以及地質分析方法確定地質體形態(tài)作為已知先驗信息約束，并施加到激發(fā)極化約束反演方程中，形成了以激發(fā)極化約束聯(lián)合反演為載體的隧道綜合超前探測方法，實現了對多個含水構造邊界識別、三維形態(tài)刻畫，為降低隧道超前地質探測中的多解性，實現多元地球物理信息融合與聯(lián)合反演找到一條可行有效的途徑。
　　(4)研制了多路大電流恒流供電與多通道同步采集的激發(fā)極化儀器—GEI

6、綜合電法儀，實現了6路大電流恒流輸出與8通道數據同步采集;研發(fā)了滿足多地球物理場超前探測模擬的相似材料，開發(fā)了兼容多種地球物理探測方法的大型綜合超前探測試驗裝置，尺寸長17m×寬8.4m×高6.7m，可模擬溶洞、暗河、斷層等多種含水地質構造探測，滿足地震波法、電磁法、電法等多種地球物理方法探測的要求。
　　(5)針對含水構造水量定量探測難題，基于電化學與傳質動力學基本理論，建立激發(fā)極化電場-濃度場-離子流場耦合關系方程，研究巖石孔

7、隙模型中離子濃度的不同時刻的運移規(guī)律，闡明了激發(fā)極化二電流半衰時之差探測水量的微觀機理;通過開展典型含水構造超前探測物理模型試驗，揭示了激發(fā)極化衰減特性與含水體水量的相關關系，建立了激發(fā)極化隧道含水構造超前探測水量估算模型與方法。
　　(6)綜合隧道激發(fā)極化法三維反演成像方法與水量估算方法，形成了激發(fā)極化法隧道含水構造超前探測綜合定量識別方法，研究成果應用于宜巴高速馬家坡隧道、石門埡隧道等工程實踐巾，驗證了激發(fā)極化隧道含水構造超前