[發明專利]基于自然電場隧道裂隙水的超前預報方法

有效

• 申請號: 202110774577.8
• 申請日: 2021-07-08
• 公開（公告）號: CN113433595B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 崔益安;郭友軍;柳建新;陸河順子;羅議建;官俊峰
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G01V3/08
• 分類號: G01V3/08;G01V3/38
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 周達

基于自然電場隧道裂隙水的超前預報方法，包括：在隧道內布置多條測線，各測線上布置有測點；在掌子面掘進過程中，每掘進設定長度對各測線進行一次數據采集，得到自然電場動態觀測數據；將隧道所在整個研究區域進行三維網格剖分，構建隧道三維地質模型，利用有限單元法進行正演數值模擬，計算每次數據采集時隧道三維地質模型對應的剛度矩陣；根據自然電場的動態觀測數據以及隧道三維地質模型對應的剛度矩陣正演響應函數，構建目標函數；采用優化算法進行迭代求解使得目標函數滿足預設精度要求，獲得能有效擬合自然電場動態觀測數據的場源分布即三維地質模型中各網格節點的電流密度分布情況，進而獲得隧道裂隙水異常源的位置分布情況。

技術領域

本發明屬于隧道及地下空間工程的地球物理監測、探測技術領域，具體涉 及一種基于自然電場隧道裂隙水的超前預報方法。

背景技術

我國是多高山、丘陵的國家，山區面積占全國總面積的2/3，給我國的道路 交通建設帶來了極大的不便。橋隧工程是我國現代高鐵、高速公路建設的主要 工程，特別是在我國西部地區，隧道工程的比例越來越大，占比約在30％～40％。 在隧道施工過程中，由于山體地質條件錯綜復雜，隧道開挖的安全事故時有發 生。受勘探技術水平、施工期、資金等因素的限制，隧道所在區域的工程地質 條件和水文工程條件尚不清楚，經常會遇到如大規模斷層、軟弱巖層、溶洞暗 河、高地應力、采空區、松散堆積體、瓦斯等不良地質體，可能導致嚴重地質 災害發生。尤其在我國西南(云貴川)地區，受斷層褶皺、喀斯特等地貌的影 響，地下裂隙水發育，給隧道施工帶來極大的挑戰，因此開展高效準確的隧道 超前地質預報工作極為重要。

目前常規的物探方法，如TSP探測技術存在成本高，對水體識別效果不佳。 地質雷達是探測速度快，分辨率高的無損探測技術，但是探測深度有限，無法 全斷面探測效果。直流聚焦超前探測，對低阻體反應靈敏，但是施工復雜，成 本高。

發明內容

針對現有技術存在的缺陷，本發明提供一種基于自然電場隧道裂隙水的超 前預報方法，通過采集隧道掌子面和隧道底部自然電場動態觀測數據，有效探 測隧道掘進方向的隧道裂隙水位置分布情況。

為實現上述技術目的，本發明采用的技術方案如下：

基于自然電場隧道裂隙水的超前預報方法，包括：

在隧道內布置多條測線，各測線上布置有測點；

在掌子面掘進過程中，每掘進設定長度對各測線進行一次數據采集，得到 自然電場動態觀測數據；

將隧道所在整個研究區域進行三維網格剖分，構建隧道三維地質模型，利 用有限單元法進行正演數值模擬；

根據自然電場的動態觀測數據以及隧道三維地質模型對應正演響應函數， 構建目標函數；

采用優化算法對目標函數進行迭代求解，使得目標函數滿足預設精度要求， 獲得能有效擬合自然電場動態觀測數據的場源分布即三維地質模型中各網格節 點的電流密度分布情況，進而獲得隧道裂隙水異常源的位置分布情況。

進一步地，本發明在隧道內布置兩條測線，分別為第一測線和第二測線， 其中：第一測線位于掌子面上且垂直于隧道的掘進方向，第一測線的兩端點在 掌子面相對的兩側邊上，第一測線上等間距設置有測點；第二測線與隧道的掘 進方向平行，位于隧道底面的中線上，且第二測線的起始點位于掌子面上，第 二測線上等間距設置有測點。在實際應用中，根據探測的精度、有效探測深度、 工作效率，設計測點距離。優先地，第一測線、第二測線上測點間的距離為0.5m 至1m。第二測線的測線長度一般為20m。根據掌子面的所在圍巖的級別確定第 二測線的長度。

對于圍巖為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，根據隧道實際施工過程中仰拱于掌子面的距離， 第二測線長度不小于10m；對于圍巖為Ⅱ、Ⅲ級圍巖，第二測線長度不小于15m。 第一測線即掌子面測線的數據能有效探測垂直狀裂隙水異常源和傾斜狀裂隙水 異常源，第二測線能夠有效探測水平狀裂隙水異常源。