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。     

瞬变电磁法在岩溶水勘查中的应用

介绍了瞬变电磁法工作原理、特点及工作方法.瞬变电磁法对于施工区有较强的适应能力,工作效率较高.它对低阻充水断层、充泥充水溶洞等低电阻目标物敏感,岩溶含水岩组及断层破碎带的电阻率与其完整的围岩有明显的电性差异.所以主要用于探测含水层、溶洞、陷落柱、含水断层等地质构造情况.选用适当的装置可将瞬变电磁法应用于溶洞的探测,根据...     

射频激励平板CO2激光器放电机理的理论研究

本文以气体放电理论为基础，利用简化模型推导出射频激励平板CO2激光器气体放电击穿电压的数学关系式，指出影响激光气体放电击穿的几个物理参量。通过对激光气体放电进行数值模拟，得出放电等离子体电压－电流密度特性曲线，讨论了影响该曲线的物理因素，描述了放电等离子体的物理结构模型。把理论结论与相关实验测试结果比较，二者符合一致。     

基于块状有理Krylov方法的大地电磁三维模型降阶正演

三维大地电磁正演需要求解两个极化源在不同频率下的电磁场分布,计算量巨大。基于块状有理Krylov方法,文中实现了大地电磁三维模型降阶快速正演计算。所用算法的创新点包括：①将大地电磁的源项显式表示为平面电流源,将随频率变化的电场响应表示为一个传递函数与电流源常矢量的乘积,从而可通过构建有理Krylov子空间实现所有频率电场响应的快速求解,避免多次求解不同频率的大型稀疏线性方程组;②采用块状Krylov技术,将TE和TM极化源表示为块状源矢量,将求解两个极化源的正演响应简化为构建一个块状有理Krylov子空间。引入渐近收敛公式得到了块状有理Krylov方法的最优化单个重复极点,结合直接求解器,将大地电磁三维正演的计算量降为一次系数矩阵分解和几十次矩阵回代。该算法在保证正演精度的同时,极大地提高了正演速度。半空间模型和三维DTM1模型的正演数值结果表明,相比常规的逐个频率的正演求解方法,块状有理Krylov方法可显著提高正演速度。     

起伏地形电偶源2.5维有限元数值模拟

地形的起伏严重影响着电磁场分布,在实际资料处理中,研究地形起伏对电磁场的畸变规律可使电磁勘探解释更加准确可信。采用任意四边形网格剖分求解区域,实现起伏地形2.5维电偶源有限元正演算法,推导波数域电磁场耦合微分方程,通过基于等参单元的双二次插值将连续函数的微分离散化;采用一维非零元素紧缩存储,利用大规模稀疏矩阵并行求解器PARDISO求解,得到电偶源激发下二维地电断面的波数域电磁场响应。然后通过选取适当的波数进行傅里叶反变换,获取空间域电磁场响应,对正演中的关键问题,如波数的选择、场源参数的选取以及辅助场的计算等进行了分析和研究,为提高正演计算的精度和速度提供了理论保证。验证该算法的正确性和高效性,分别对山丘和山谷等典型地形进行了数值计算,分析起伏地形的电磁场响应规律。     

隧道地质预报中的瞬变电磁视纵向电导解释方法研究

瞬变电磁隧道超前地质预报最常用到的成果解释图为视电阻率等值线图,但由于视纵向电导相对于视电阻率等值线图具有更好的电性界面识别特征,因此,研究隧道超前地质预报中的瞬变电磁视纵向电导解释方法就显得很有意义。通过建立在全空间条件下的等效导电平面法来计算视纵向电导参数,并且详细阐述了视纵向电导曲线及其一次、二次微分曲线之间的关系。然后,通过建立隧道正演夹层模型和实际应用实例对视纵向电导的解释特点和效果进行较为全面的分析研究,并深入讨论了视电阻率等值线图与视纵向电导二次微分成像联合解释方法。最后,总结和归纳出视纵向电导在瞬变电磁超前地质预报解释中的一些方法特点和规律,以此指导瞬变电磁法在隧道内的超前地质预报工作,不断提高瞬变电磁隧道超前地质预报的精度及准确度。     

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。     

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。     

高风险隧道施工期水害预报方法研究

隧道水害在隧道施工期普遍存在,尤其在岩溶地区,隧道施工中80%遇到水害,隧道水害给施工安全带来了重大灾难和无法估计的经济损失.主要介绍了目前国内外对于高风险隧道施工期水害探测的方法:水文地质法、地质雷达技术、瞬变电磁法、红外探水法等.并对每种方法进行了现场工程应用,对高风险隧道施工期水害超前预报及施工安全具有一定的理论价值和工程实用价值.     

隧道掌子面前方低阻夹层的瞬变电磁探测研究

实践表明,隧道掌子面前方含水、充泥等不良地质体对隧道施工构成潜在的危险和障碍,严重影响隧道施工速度。由于瞬变电磁法对低阻体反应灵敏,在进行瞬变电磁隧道超前地质预报时,这些含水、充泥等不良地质体通常又可以近似当成一种低阻夹层来处理,因此,利用瞬变电磁法对掌子面前方低阻夹层的探测研究就显得很有意义。采用建立在全空间理论上的瞬变电磁等效导电平面法,利用遗传算法进行计算,并结合视纵向电导及其微分成像对隧道掌子面前方低阻夹层展开相应的正演模拟及应用研究,重点讨论视纵向电导微分成像的电性界面响应特点及其与视电阻率断面等值线联合解释方法,总结出相应的结论和规律,以此来指导瞬变电磁法在隧道内的超前地质预报工作,不断提高瞬变电磁探测的精度及准确度。