隧道施工含水構(gòu)造激發(fā)極化定量超前地質(zhì)預(yù)報(bào)理論及其應(yīng)用.pdf

1、目前我國(guó)已經(jīng)成為世界上隧道（洞）修建數(shù)量最多、規(guī)模最大、發(fā)展速度最快的國(guó)家，與此同時(shí)，復(fù)雜的地質(zhì)條件和頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害成為地下工程施工期面臨的巨大挑戰(zhàn)。其中，突涌水災(zāi)害給隧道（洞）施工帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失、重大的人員傷亡與惡劣的社會(huì)影響，對(duì)地表及隧址區(qū)水資源和生態(tài)環(huán)境造成了不可修復(fù)的破壞。突涌水災(zāi)害源（含水地質(zhì)構(gòu)造）的超前探測(cè)理論與技術(shù)已經(jīng)成為隧道等地下工程建設(shè)亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)難題。針對(duì)以上難題，提出多同性源陣列激發(fā)極化超前探測(cè)新方法，

2、并對(duì)孔中陣列激發(fā)極化觀測(cè)模式進(jìn)行探討，以含水構(gòu)造的三維反演成像與水量預(yù)測(cè)的相關(guān)理論、方法為目標(biāo)內(nèi)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(cè)方法為結(jié)合點(diǎn)，形成多同性源陣列激發(fā)極化法隧道含水構(gòu)造超前探測(cè)綜合定量識(shí)別方法，并在物理模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)工程中得到應(yīng)用，取得一系列的研究成果:
　　(1)針對(duì)傳統(tǒng)激發(fā)極化探測(cè)方法存在旁側(cè)干擾嚴(yán)重，且無(wú)法適用于TBM(Tunnel Boring Machine全斷面隧道掘進(jìn)機(jī))施工隧

3、道的問(wèn)題，提出了激發(fā)極化超前探測(cè)的多同性源陣列型新觀測(cè)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(jī)制，并對(duì)孔中陣列激發(fā)極化觀測(cè)方式進(jìn)行了探討，優(yōu)選出了最佳陣列電極觀測(cè)方式，揭示了激發(fā)極化法對(duì)典型含水地質(zhì)構(gòu)造的響應(yīng)特征，提高了抗旁側(cè)干擾能力與超前探測(cè)能力，從多同性源觀測(cè)模式與孔中陣列觀測(cè)模式的技術(shù)特點(diǎn)來(lái)看，其可同時(shí)適用于鉆爆法與TBM施工環(huán)境。
　　(2)針對(duì)線性反演方法對(duì)初始模型依賴(lài)性大、非線性方法搜索效率低的問(wèn)題，基于

4、觀測(cè)數(shù)據(jù)加權(quán)函數(shù)與模型深度加權(quán)函數(shù)，提出了基于加權(quán)函數(shù)的最小二乘反演方法;同時(shí)，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(jié)合的混合反演方法，解決了由于隧道掌子面狹小探測(cè)空間而導(dǎo)致反演深度分辨率差的難題，實(shí)現(xiàn)了隧道含水構(gòu)造的三維反演成像。
　　(3)針對(duì)多解性這一地球物理探測(cè)固有難題，采用已知地質(zhì)體形態(tài)信息作為先驗(yàn)約束的思想，研究已知先驗(yàn)信息約束聯(lián)合反演模型構(gòu)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(jié)構(gòu)約束反演方法，將地震波法、電磁法以及地質(zhì)分析方法確定地質(zhì)體形態(tài)作為已知先驗(yàn)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(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)含水構(gòu)造邊界識(shí)別、三維形態(tài)刻畫(huà)，為降低隧道超前地質(zhì)探測(cè)中的多解性，實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)了6路大電流恒流輸出與8通道數(shù)據(jù)同步采集;研發(fā)了滿(mǎn)足多地球物理場(chǎng)超前探測(cè)模擬的相似材料，開(kāi)發(fā)了兼容多種地球物理探測(cè)方法的大型綜合超前探測(cè)試驗(yàn)裝置，尺寸長(zhǎng)17m×寬8.4m×高6.7m，可模擬溶洞、暗河、斷層等多種含水地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)，滿(mǎn)足地震波法、電磁法、電法等多種地球物理方法探測(cè)的要求。
　　(5)針對(duì)含水構(gòu)造水量定量探測(cè)難題，基于電化學(xué)與傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)基本理論，建立激發(fā)極化電場(chǎng)-濃度場(chǎng)-離子流場(chǎng)耦合關(guān)系方程，研究巖石孔

7、隙模型中離子濃度的不同時(shí)刻的運(yùn)移規(guī)律，闡明了激發(fā)極化二電流半衰時(shí)之差探測(cè)水量的微觀機(jī)理;通過(guò)開(kāi)展典型含水構(gòu)造超前探測(cè)物理模型試驗(yàn)，揭示了激發(fā)極化衰減特性與含水體水量的相關(guān)關(guān)系，建立了激發(fā)極化隧道含水構(gòu)造超前探測(cè)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(gòu)造超前探測(cè)綜合定量識(shí)別方法，研究成果應(yīng)用于宜巴高速馬家坡隧道、石門(mén)埡隧道等工程實(shí)踐巾，驗(yàn)證了激發(fā)極化隧道含水構(gòu)造超前