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。     

饱水过程中类岩石材料波速和电阻率变化规律及其相互关系试验研究

 研究饱水过程中岩石波速和电阻率变化规律及其相互关系,对实际工程中岩石物性判断和地球物理探测资料综合分析解释具有重要意义。为防止原岩试块的矿物组成、原生裂隙等其他因素对试验结果的影响,采用水泥砂浆制作了30组孔隙率不同的类岩石材料试块,系统测试了饱水过程中不同试块的波速和电阻率变化情况,分别揭示了波速和电阻率随饱和度、孔隙率的变化规律。采用常用的基于Wood理论假设的Gassmann方程得到了波速与饱和度、孔隙率的理论关系,但与试验实测结果相比,该理论关系不能较好的描述饱水达到门槛值之后波速快速上升的特征。对此,考虑重力等影响对试块中孔隙水的分布状态做出了合理假设,修正了饱水全过程中波速与饱和度、孔隙率的关系式,与试验实测数据变化特征较一致。同时采用Archie的非饱和岩石电阻率模型公式对电阻率随饱和度和孔隙率变化规律进行了较好拟合。在此基础上,针对以往波速与电阻率关系研究中仅以孔隙率为纽带的问题,综合考虑孔隙率和饱水状态对波速-电阻率变化规律的影响,建立了以试块孔隙率和饱水状态为桥梁的波速–电阻率关系,与试验实测数据拟合较好,并通过石灰岩原岩试块测试验证了其合理性。     

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。     

单轴压缩条件下砂岩破坏全过程电阻率与声发射响应特征及损伤演化

 为了全面、客观地描述单轴压缩条件下砂岩损伤破坏过程和状态,提出利用电阻率和声发射技术对砂岩岩样单轴压缩全过程进行联合测试的试验方法。针对30个砂岩岩样单轴压缩全过程中的电阻率和声发射响应特征进行试验研究。研究表明,电阻率和声发射的响应信息有很强的规律性和互补性：在压密阶段、弹性变形阶段和塑性变形阶段,电阻率信息对岩样内部裂隙萌生和发展活动的响应更为敏感,而声发射信号较微弱;岩样破裂瞬间,电阻率和声发射都突然升高,二者相比,声发射的同步性更好,敏感程度更高;岩样破坏完成后,电阻率仍有不同程度的变化,最终趋于稳定,而声发射又恢复到较低的水平。同时,推导基于电阻率表征的岩样损伤变量的解析表达,并根据其与声发射表征的损伤变量之间的互补性,定义一综合损伤变量,得到典型岩样的损伤演化方程,提出岩样损伤破坏状态的判别标准和破坏前兆特征。通过理论与实际试验全应力–应变曲线的对比发现,综合损伤变量能够更全面、客观地反映和描述受载岩样的损伤演化过程。     

基于距离加权约束算法的围岩三维电阻率CT反演成像研究

孔中电极附近成像效果差的问题是一直以来困扰三维电阻率CT精细探测的难题,针对该问题,提出了"距离加权"约束反演的思路,通过构建"指数型"衰减的距离加权因子分布模型,对距孔中电源点不同远近的剖分单元赋予差异权重,重点改善了孔中电源点附近区域反演敏感度较高而造成的成像形态畸变问题,提高了三维电阻率CT反演成像方法对异常体三维定位和识别的精度及可靠性。通过数值反演试验和物理模型试验研究,进一步检验了距离加权约束反演方法在改善孔中电极附近异常体成像形态方面的有益效果,试验结果均比较准确地反映了异常体的空间位置、规模和形态。     

一种岩溶地质条件下的城市地铁超前预报方法

 与普通公路或铁路隧道相比,城市地铁一般从城市道路下方通过,因此,城市地铁超前预报(主要指物探类预报)的实施可分洞内和洞外两部分。但由于地铁埋深较浅,干扰因素众多,需要开展综合超前预报。通过分析岩溶地质条件下的城市地铁超前预报特点,利用地质雷达和高密度电法各自优势和互补特点,提出洞内开展地质雷达超前预报和洞外开展高密度电法与地质雷达相结合的综合预报方法。辅以工程应用实例,详细分析该综合预报方法的实施与综合解释过程,证明该综合预报方法对岩溶地质条件下的城市地铁超前预报的有效性。     

隧道激发极化法超前探测快速反演研究

突（涌）水地质灾害是制约隧道等地下工程建设的瓶颈问题之一,掌子面前方存在多个含水构造的情况普遍存在,对隧道前方多个含水构造的超前探测是亟待解决的难题,基于激发极化法中极化率参数对水体响应敏感的特点,将其引入到隧道前方含水体超前探测研究工作中,从正演理论、反演解释、物理模拟和现场应用等方面入手对激发极化超前预报技术进行了较为深入的研究。首先,推导了隧道掌子面前方多个含水构造激发极化法超前探测的理论解公式,采用等效电阻率法计算视极化率观测数据,为激发极化法超前探测快速反演奠定了基础。其次,基于隧道前方多个含水构造的理论解,提出了利用两个阻尼系数控制步长和搜索方向的思路,解决了传统马奎特方法仅依靠一个阻尼系数很难有效同时控制两个变化因素的矛盾;提出了一种改进的马奎特快速反演方法,同时对视电阻率和激发极化数据进行反演,使之对初始模型参数依赖较小,收敛速度较快,精度较高,并对隧道前方存在多个含水构造模型进行了较为成功的反演。最后,物理模型试验和现场实际应用表明,激发极化法超前探测快速反演方法是行之有效的, 为解决隧道多个含水构造超前探测这一难题提供了可行的途径。     

三维电阻率空间结构约束反演成像方法

 反演的多解性是三维电阻率探测的固有问题,极易造成地质解释的误差甚至错误。针对该问题,提出利用其他勘探地球物理方法(如地震反射方法、地质雷达方法等)获得的异常体的空间结构和形态信息作为电阻率反演先验约束的学术思路。首先,提出空间结构约束这一新约束的构制方法,将已知异常区域(由其他勘探地球物理方法得到)映射到三维反演模型中,使得对应区域的各网格之间的电阻率差异极小,建立一种表达简单、易于实现的空间结构约束矩阵,可表征常见典型构造,特别是形态或结构较复杂的地质构造。在此基础上,构造携带空间结构约束的三维电阻率探测反演目标函数及其反演成像方程,形成三维电阻率探测空间约束反演成像方法。然后,基于上述反演方法,开展数值试验和工程应用,将地质雷达和地质分析获得的空间结构约束施加到三维电阻率反演中,发现利用三维电阻率空间结构约束反演方法大大增加了异常区域的先验信息,可有效去除反演成像中的假异常和多余构造,对异常体的定位精度和界面分辨效果较传统的电阻率反演方法有了很大的提高,使得反演结果与地质原型较为一致,显著压制了电阻率探测反演的多解性问题,证明三维电阻率探测空间结构约束反演成像方法是抑制多解性、改善定位精度和界面分辨效果的可行途径。     

TBM掘进前方不良地质与岩体参数的综合获取方法

TBM在穿越断层、破碎带、岩溶发育区等不良地质时有时出现突涌水、塌方、卡机等灾害事故,导致TBM掘进效率低下、工期延误甚至是TBM机械损坏和人员伤亡。出现上述问题的一个主要原因就是TBM工作环境极为复杂,难以提前获取前方不良地质与主要岩体参数。因此,提出了一套以地球物理超前地质预报和基于“岩-机关系”预测岩体主要参数的解决方法。在该方法中,采用三维地震超前预报技术远距离识别和预报断层、破碎带、大型溶洞等不良地质;采用三维激发极化获取掌子面前方含、导水地质构造;采用机器学习的手段挖掘TBM机械电液参数与主要岩体力学参数的关系,并初步实现了TBM前方岩体单轴抗压强度的预测。以上述三种方法为核心,提出了TBM前方不良地质与主要岩体参数的综合获取方法及其流程,在实际工程中得到了验证。实际案例表明,综合获取方法可为TBM安全、高效掘进提供前方不良地质和单轴抗压强度信息,并为TBM掘进方案决策提供依据。     

基于图像熵值的矿井突水电阻率CT图像量化评价

针对以往对电阻率CT图像单纯依靠直观判断的定性分析方法,提出了一种基于图像熵值的CT图像量化评价方法,从定量的角度判读图像信息的实时变化.建立了煤层底板陷落柱突水过程的简化地电模型,利用有限元方法对该地电模型的突水过程的电阻率监测进行了正演模拟,分析了电阻率CT图像熵值对突水过程的响应特征,根据图像熵值的变化信息成功捕捉到了突水前兆信息.利用图像熵值对矿井顶板突水模型试验中的动态电阻率CT图像进行评价,较突水发生时刻提前574 s捕捉到了突水前兆信息.通过综合分析数值模拟和模型试验中图像熵值响应特点,得到了"CT图像熵值的突变本质上是对导致岩层或煤层导电性根本变化的突变事件的响应"这一重要结论,发现利用CT图像熵值量化评价方法,可以在一定程度上压制初期扰动对突水前兆信息判读和捕捉的干扰,放大突变事件的影响程度,有效的提高了突水前兆信息的捕捉的成功概率和可靠性.