隧道施工含水构造激发极化定量超前地质预报理论及其应用

QUANTITATIVE IDENTIFICATION THEORY AND ITS APPLICATION OF ADVANCED GEOLOGICAL PREDICTION FOR WATER-BEARING STRUCTURE USING INDUCED POLARIZATION IN TUNNEL CONSTRUCTION PERIOD

突涌水灾害源(含水地质构造)的超前探测理论与技术已经成为隧道等地下工程建设亟待解决的关键科学难题。针对以上难题,提出多同性源阵列激发极化超前探测新方法,以含水构造的三维反演成像与水量预测的相关理论、方法为目标内容,并引入约束联合反演思想,以基于约束联合反演的综合超前探测方法为结合点,形成多同性源阵列激发极化法隧道含水构造超前探测综合定量识别方法,具体内容如下:(1)针对传统激发极化探测方法存在旁侧干扰严重,且无法适用于TBM施工隧道的问题,提出了激发极化超前探测的多同性源阵列型新观测模式,揭示了多同性源电极供电的后向屏蔽与前向聚焦作用机制,并对孔中阵列激发极化观测方式进行了探讨,优选出了最佳阵列电极观测方式,揭示了激发极化法对典型含水地质构造的响应特征,提高了抗旁侧干扰能力与超前探测能力,可同时适用于钻爆法与TBM施工环境。(2)针对线性反演方法对初始模型依赖性大、非线性方法搜索效率低的问题,基于观测数据加权函数与模型深度加权函数,提出了基于加权函数的最小二乘反演方法;同时,将电阻率光滑约束与轨迹光滑约束引入到蚁群反演中,提高了蚁群算法的搜索效率,建立了线性反演方法与非线性反演方法相结合的混合反演方法,解决了由于隧道掌子面狭小探测空间而导致反演深度分辨率差的难题,实现了隧道含水构造的三维反演成像。(3)针对多解性这一地球物理探测固有难题,采用已知地质体形态信息作为先验约束的思想,研究已知先验信息约束联合反演模型构制方法与约束反演方法,提出了空间形态约束反演与空间结构约束反演方法,将地震波法、电磁法以及地质分析方法确定地质体形态作为已知先验信息约束,并施加到激发极化约束反演方程中,形成了以激发极化约束联合反演为载体的隧道综合超前探测方法,为实现多元地球物理信息融合与联合反演找到一条可行有效的途径。(4)研制了多路大电流恒流供电与多通道同步采集的激发极化仪器——GEI综合电法仪,实现了6路大电流恒流输出与8通道数据同步采集;研发了兼容多种地球物理探测方法的大型综合超前探测试验装置,尺寸长17 m×宽8.4 m×高6.7 m,满足地震波法、电磁法、电法等多种地球物理方法探测的要求。(5)针对含水构造水量定量探测难题,基于电化学与传质动力学基本理论,建立激发极化电场-浓度场-离子流场耦合关系方程,研究岩石孔隙模型中离子浓度的不同时刻的运移规律,阐明了激发极化二电流半衰时之差探测水量的微观机制;通过开展典型含水构造超前探测物理模型试验,揭示了激发极化衰减特性与含水体水量的相关关系,建立了激发极化隧道含水构造超前探测水量估算模型与方法。(6)综合隧道激发极化法三维反演成像方法与水量估算方法,形成了激发极化法隧道含水构造超前探测综合定量识别方法,研究成果应用于宜巴高速马家坡隧道、石门垭隧道、利万高速齐岳山隧道等工程实践中,验证了激发极化隧道含水构造超前探测综合定量识别方法与技术的有效性与实用性。