隧道突水突泥致灾构造分类、地质判识、孕灾模式与典型案例分析

致灾构造是突水突泥灾害发生的内在条件和控制因素,突水突泥致灾构造兼具蓄积地下水的自然属性与突水突泥致灾性的社会属性,是地质条件与地下工程活动相互作用的综合体。通过221例突水突泥灾害案例统计分析,将突水突泥致灾构造划分为3类11型,即岩溶类(溶蚀裂隙型、溶洞溶腔型、管道及地下暗河型),断层类(富水断层型、导水断层型、阻水断层型),其他成因类(侵入接触型、层间裂隙型、不整合接触型、差异风化型、特殊条件型),研究不同类型致灾构造的结构特征、赋存规律和地质判识方法,并开展典型案例分析。统计分析表明,岩溶类致灾构造突水突泥数量居首(约占48%,105例),断层类次之(约占29%,65例),最后为其他成因类(约占23%,51例)。提出4种典型的隧道突水突泥孕灾模式,即直接揭露型、渐进破坏型、渗透失稳型和间歇破坏型。研究成果为突水突泥灾害的致灾机制与灾害控制研究奠定了基础,对隧道安全施工具有借鉴和指导意义。     

基于跨孔电阻率CT的地铁盾构区间孤石探测方法及物理模型试验研究

跨孔电阻率CT方法在地铁盾构区间孤石探测方面具有一定优势,但仍然存在孤石定位精度低、小尺寸孤石难以识别等工程实际难题。首先,提出了电阻率CT不等式约束反演成像方法和偏导数矩阵的并行解析快速求解方法,从施加先验信息约束和提高反演精度两个方面共同改善了电阻率CT反演的多解性与成像效果。在此基础上,通过大量常规观测模式的成像效果对比试验,提出了一种组合式观测模式,可以综合多种常规观测模式的探测优势并增加采集的数据量,从而提高对异常体的识别能力。针对影响探测效果的两个因素——孔距和电极间距进行了数值模拟试验研究,获得了在组合式观测模式下的有效孔距范围和合理的电极间距参数,并进一步检验了对小粒径孤石的识别效果。在此基础上,提出了地面物探普查与电阻率CT详查相结合的孤石探测方案。最后,开展了物理模型试验研究进行验证,探测结果与实际情况比较一致,具有较好的应用前景。     

隧道含水构造三维瞬变电磁场响应特征及突水灾害源预报研究

针对隧道含水构造的瞬变电磁场响应特征和隧道突水灾害瞬变电磁探测与预报问题进行了两方面的研究:第一,采用时域有限差分法实现了针对任意复杂模型瞬变电磁探测的三维正演,完成了隧道含水构造瞬变电磁场响应的三维建模,并针对典型含水构造进行了响应特征分析;第二,提出了隧道突水灾害瞬变电磁三维多分量阵列式探测方法,并就其解释技术进行了探索。具体研究内容如下:(1)地面和航空瞬变电磁的三维正反演技术在欧美、澳洲等发达国家已经开始应用于工业生产,然而,隧道内的瞬变电磁探测存在一个复杂的伪均匀全空间环境,现有的正演技术均不适用于隧道内的瞬变电磁探测,其主要原因是采用现有方法对隧道探测施加激励源存在难度。针对这一问题,同时考虑有源和无源区域的Maxwell方程组,引入激励源电流密度项到安培定理中,从而实现回线激励源的注入。理论上,这种施加激励源的方法适用于任意复杂的三维模型,但其缺点是增加了计算成本。为了提高计算效率,采用了CPU+GPU异构并行计算方案。为了验证所给出的新激励源施加方法的正确性,首先采用均匀半空间模型解析解与三维FDTD解进行对比,结果显示衰减曲线误差小于5%,视电阻率误差小于3.5%;然后采用四类三层模型(A,H,K,Q)的线性数字滤波解与三维FDTD计算结果进行对比;之后采用均匀半空间包含低阻块体的模型进行计算并与相关研究中的FDTD解和积分方程解进行对比。以地面验证的理论为基础,针对隧道探测进行了专门改进,提出了隧道超前探测瞬变电磁三维正演建模方法,针对直立断层、倾斜断层、充水溶洞等隧道开挖过程中可能遇到的典型含水构造进行了正演模拟,考察了含水构造与掌子面的距离、含水构造规模、含水构造与背景围岩电阻率差异等参数对瞬变电磁响应的影响,得到了部分典型含水构造的瞬变电磁响应特征。针对TBM开挖的隧道,计算和分析了TBM机对瞬变电磁超前探测的影响规律,为隧道瞬变电磁超前地质预报用于TBM施工的隧道进行了数值的探索。分析数值算例后,新发现隧道超前地质预报中尚未采用的水平感应电动势响应对含水构造具有明显的反应,对于判识大规模含水构造具有重要作用。(2)现有的隧道瞬变电磁超前探测一般采用中心回线的方式并在掌子面布置1条测线,得到电阻率断面的二维分布,对含水构造的空间形态与分布规律反映较差。借鉴地面大回线中心装置的工作方式,提出了隧道突水灾害瞬变电磁三维多分量阵列式探测方法,给出了详细的装置布置形式与观测方法。以一维瞬变电磁基本理论为基础,研究了小回线半径下瞬变电磁回线内带偏移距观测点的水平和垂直磁场频率域响应中双重贝塞尔函数强振荡型积分的计算方法,以中心点频率域响应多项式为基函数,定义多项式形式的带偏移距观测点频率域响应表达式,通过最小二乘拟合获得多项式系数。将得到的频率域响应方程按照反傅里叶变换转换到时间域,得到瞬变电磁回线内带偏移距观测点水平和垂直感应电动势响应的时间域方程,在瞬变电磁场晚期近似条件下,给出了与隧道多点阵列式探测方法配套的水平和垂直感应电动势响应晚期视电阻率公式,从而使隧道多分量阵列式瞬变电磁探测采集的数据能够转换为视电阻率图像进行解释。以层状地层的横向和纵向电阻率合成方法给出了综合利用水平和垂直响应的电阻率矢量合成方法。采用均匀半空间模型和四类三层模型(A,H,K,Q)进行对比验证,并采用现场实测数据进行分析,结果得到了钻孔验证。上述两部分研究工作为瞬变电磁正演理论提供了研究基础,尤其是隧道突水灾害瞬变电磁探测的响应特征研究提供了基础。建立的隧道三维探测方法能够获得三维数据体,连同正演理论为进一步的三维反演提供了研究基础。     

隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势

 超前地质预报是隧道施工中必不可少的环节,对隧道信息化施工、灾害防治和安全保障具有重要作用。在收集整理国内外研究资料的基础上,总结钻爆法和TBM施工隧道的超前地质预报技术的研究现状。钻爆法施工隧道超前预报技术取得较大进展,涌现出一批专用的反射地震类、电磁类和电法类超前探测地球物理方法、技术与设备,逐步形成定量化探测思想和综合超前预报技术。认为基于多元地球物理信息融合与联合反演理论的综合超前地质预报技术是压制探测多解性、提高预报可靠性的可行有效途径;激发极化技术和核磁共振技术则由于其参数对水量的响应敏感性在定量探测水量方面显示出较好的应用前景。同时,TBM施工环境具有其特殊性和复杂性,少数几项专用探测技术的探测效果无法满足工程需要,总体上处于初步研究阶段,尚没有可用、可靠、有效的超前预报技术。结合课题组的研究特色,介绍3种自主研发的钻爆法隧道超前预报技术的最新进展及其用于TBM环境的可行性,提出了四阶段全过程的隧道综合超前地质预报体系,初步形成基于约束联合反演理论的综合预报方法,在钻爆法施工隧道定量化超前预报方面进行有益探索。最后,对隧道施工超前地质预报的发展趋势及其中的关键问题进行预测,认为以下4个方向是今后研究的重点和趋势：(1) 隧道施工定量化超前预报理论与技术的发展深化;(2) TBM施工隧道超前地质预报技术与装备;(3) 钻孔精细超前探测理论与技术;(4) 实时超前地质预报与施工灾害监测技术。     

陆地声纳法在隧道不良地质超前预报中的应用

在隧道施工过程中经常遇到断层、溶洞、突水及突泥等无法预料的地质灾害,给施工带来重大灾难和无法估计的经济损失.为了保证隧道施工安全,对掌子面前面地质情况进行准确及时的超前预报具有重大的工程价值.陆地声纳法作为地震反射法的一个变种,是一种易掌握、仪器轻便的隧道掌子面前方地质预报方法.该方法与其它常归物探方法相比,可避开许多干扰波,可单道连续采集,并且有分辨率高,偏移距小,反射能量高等特点.在详细调查某引水隧道沿线工程地质情况的基础上,结合陆地声纳的探测结果,对掌子面前方的断层、溶洞和可能较大的涌水点的位置进行了预测.结果表明该方法对断层、破碎带、溶洞的探查精度较高,对水的探查可作为辅助手段.     

矿井含水构造地井瞬变电磁响应规律分析

采用三维多尺度时域有限差分法对矿井主要面临的顶底板层状含水体、充水陷落柱、充水断层地质灾害进行了数值试验.分析了不同位置和厚度的顶底板层状含水体模型响应特征和不同厚度模型的电阻率规律,得出了响应电压对不同厚度层状含水体区分能力较强,对不同位置层状含水体区分能力较弱.对不同位置、规模、填充和测点的顶底部充水陷落柱响应特征和不同位置模型的电阻率规律进行了分析,得出了顶部陷落柱的响应特征相比底部陷落柱明显,随着距离减小,规模增大,电阻率降低,测点接近陷落柱响应电压晚期幅值增大,并且尖点响应时间推迟.分析了不同位置和测点的顶底部充水断层响应规律,得出了随着接收测点与断层垂向距离的减小,响应电压幅值增大,随着接收测点与断层横向距离的减小,响应电压幅值减小,并且尖点响应时间延迟.数值试验得出,通过响应曲线的晚期响应幅值和尖点响应时间能够对含水体位置、规模和电阻率等参数进行判断,得出地面发射-井下接收瞬变电磁法具备探测矿井不同形态含水体的能力.     

隧道瞬变电磁超前预报平行磁场响应探测方法

 通过三维数值试验和模型试验研究,分析平行磁场的响应特征,发现一些新的现象和规律,提出隧道瞬变电磁超前预报平行磁场响应探测方法。数值试验结果表明：(1) 与掌子面平行的磁场响应对于判识掌子面前方的含水构造具有非常明显的响应特征;(2) 对于垂直磁场响应无法识别的含水构造,平行磁场响应仍然具有很明显的响应特征。(3) 当大规模含水构造距离掌子面较近时,平行磁场响应存在2次电动势反向的现象,可直接用于工程中水体的判识。采用数值方法计算TBM开挖隧道进行瞬变电磁超前预报时的响应特征曲线,提出的新探测方法有望应用于TBM开挖隧道的超前预报工作。     

隧道全空间瞬变电磁任意点垂直磁场分量全域视电阻率解释方法研究

 针对目前隧道瞬变电磁超前预报主要利用垂直分量晚期视电阻率断面进行近似解释存在的不足,文中研究了隧道瞬变电磁任意共面垂直磁场全空间全域视电阻率解释方法。首先,从电偶极子的均匀全空间响应公式出发,通过对偶极子响应进行矢量叠加,计算隧道全空间回线源瞬变电磁场垂直分量的响应。然后,根据全空间磁场时域响应推导了隧道瞬变电磁共面垂直磁场的全域视电阻率的定义方法,介绍了利用反函数原理进行电阻率计算的数值迭代方法。最后,计算并分析了隧道腔体和含水体对视电阻率的影响。将文中解释方法与传统解释方法进行对比分析,计算结果表明,文中视电阻率定义方法较其他方法可以避免隧道腔体的影响,能够更好的对含水构造进行探测。     

基于场路耦合的隧道瞬变电磁超前探测正演与工程应用

 瞬变电磁正演计算几乎全部采用均匀半空间的解析解作为初始条件加入,这对于存在解析解的情况下是可行的,然而,进行隧道超前探测时,由于处在全空间中并且存在已开挖洞体的影响,使用均匀全空间的解析解作为初始条件并不适用。从麦克斯韦方程组出发,在三维瞬态涡流场方程和电路方程的基础上,建立基于A法(矢量磁位法)的瞬变电磁场路耦合模型。通过节点法进行时间离散,建立迦辽金格式的时间离散方程,实现独立电压源激励下的瞬变电磁三维正演,使瞬变电磁法的三维正演更接近实际的观测过程。应用场路耦合方法进行瞬变电磁“烟圈效应”的数值计算,其结果与解析值对比表明正演结果与实际相符。以青岛胶州湾海底隧道为例分别建立考虑海水影响和不考虑海水影响的瞬变电磁超前探测模型,应用场路耦合的方法进行三维正演模拟,得到隧道上方海水体对瞬变电磁探测的影响。     

核磁共振测深进行隧道超前地质预报的可行性

针对隧道掌子面前方含水构造有效探测问题,提出了采用核磁共振测深技术进行隧道超前地质预报。以均匀全空间模型为基础,计算了均匀导电全空间中回线源形成的谐变电磁场,模拟了核磁共振超前探测时的扳倒角分布。结果显示隧道核磁共振超前探测时含水体能够产生明显核磁共振响应,但信号较弱。针对地下探测空间的特殊性,提出了以阶跃波代替现有余弦波激发源、以磁探头代替线圈作为接收装置进行改进的建议。核磁共振测深直接找水有望成为一种非常有潜力的探测掌子面前方水体并区分水与泥的有效方法。