[发明专利]基于自然电场隧道裂隙水的超前预报方法

权利要求书

1.基于自然电场隧道裂隙水的超前预报方法，其特征在于，包括：

在隧道内布置多条测线，各测线上布置有测点；

在掌子面掘进过程中，每掘进设定长度对各测线进行一次数据采集，得到自然电场动态观测数据；

将隧道所在整个研究区域进行三维网格剖分，构建隧道三维地质模型，利用有限单元法进行正演数值模拟；其中采用六面体单元将隧道所在整个研究区域进行均匀的三维网格剖分，分别对剖分形成的各六面体子网格单元和网格节点进行编号，NX为x方向的网格剖分的个数，NY为y方向网格剖分的个数，NZ为z方向网格剖分的个数，NN为总的网格数，ND是网格剖分总节点数；

NN＝NX×NY×NZ

ND＝(NX+1)×(NY+1)×(NZ+1)

对于第i次数据采集，K_i为第i次数据采集时隧道三维地质模型对应的刚度矩阵，其是ND×ND矩阵,将各六面体子网格单元的8×8的单元系数矩阵K_ie分别放置在ND×ND矩阵的对应位置处即得到第i次数据采集时隧道三维地质模型对应的刚度矩阵K_i；

令第e个六面体子网格单元的三个边长为a，b，c，e＝1,2,3…NN，得到第i次数据采集时隧道三维地质模型中每个六面体子网格单元的单元系数矩阵K_ie为：

K_ie＝K_1e+K_2e

式中由以下公式计算：

其中：

式中：σ为第e个六面体子网格单元的电导率，r是裂隙水异常源至网格剖分的边界的距离，cos(r,n)为裂隙水异常源到边界的方向与水平方向的夹角的余弦值；

根据自然电场的动态观测数据以及隧道三维地质模型对应的正演响应函数，构建目标函数；

采用优化算法对目标函数进行迭代求解，使得目标函数满足预设精度要求，获得能有效拟合自然电场动态观测数据的场源分布即三维地质模型中各网格节点的电流密度分布情况，进而获得隧道裂隙水异常源位置分布情况。

2.根据权利要求1所述的基于自然电场隧道裂隙水的超前预报方法，其特征在于，隧道内布置两条测线，分别为第一测线和第二测线，其中：第一测线位于掌子面上且垂直于隧道的掘进方向，第一测线的两端点在掌子面相对的两侧边上，第一测线上等间距设置有测点；第二测线与隧道的掘进方向平行，位于隧道底面的中线上，且第二测线的起始点位于掌子面上，第二测线上等间距设置有测点。

3.根据权利要求2所述的基于自然电场隧道裂隙水的超前预报方法，其特征在于，第一测线、第二测线上测点间的距离为0.5m至1m。

4.根据权利要求2所述的基于自然电场隧道裂隙水的超前预报方法，其特征在于，对于围岩为Ⅳ、Ⅴ级围岩，根据隧道实际施工过程中仰拱于掌子面的距离，第二测线长度不小于10m；对于围岩为Ⅱ、Ⅲ级围岩，第二测线长度不小于15m。

5.根据权利要求2或3或4所述的基于自然电场隧道裂隙水的超前预报方法，其特征在于，通过测量电极N和参考电极M采集观测自然电位数据，参考电极M固定设置在相对于掌子面的无穷远处；在每次数据采集过程中，测量电极N依次对各测线上各测点的自然电位数据进行测量，得到各测点的自然电位数据与参考电极M的自然电位数据之间的差值即各测点的绝对自然电位值，将各测点的绝对自然电位值作为观测自然电位数据，其中测量电极N和参考电极M均为不极化电极。