[发明专利]基于自然电场隧道裂隙水的超前预报方法

说明书

基于自然电场隧道裂隙水的超前预报方法，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，计算每次数据采集时隧道三维地质模型对应的刚度矩阵；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刚度矩阵正演响应函数，构建目标函数；采用优化算法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的位置分布情况。

技术领域

本发明属于隧道及地下空间工程的地球物理监测、探测技术领域，具体涉 及一种基于自然电场隧道裂隙水的超前预报方法。

背景技术

我国是多高山、丘陵的国家，山区面积占全国总面积的2/3，给我国的道路 交通建设带来了极大的不便。桥隧工程是我国现代高铁、高速公路建设的主要 工程，特别是在我国西部地区，隧道工程的比例越来越大，占比约在30％～40％。 在隧道施工过程中，由于山体地质条件错综复杂，隧道开挖的安全事故时有发 生。受勘探技术水平、施工期、资金等因素的限制，隧道所在区域的工程地质 条件和水文工程条件尚不清楚，经常会遇到如大规模断层、软弱岩层、溶洞暗 河、高地应力、采空区、松散堆积体、瓦斯等不良地质体，可能导致严重地质 灾害发生。尤其在我国西南(云贵川)地区，受断层褶皱、喀斯特等地貌的影 响，地下裂隙水发育，给隧道施工带来极大的挑战，因此开展高效准确的隧道 超前地质预报工作极为重要。

目前常规的物探方法，如TSP探测技术存在成本高，对水体识别效果不佳。 地质雷达是探测速度快，分辨率高的无损探测技术，但是探测深度有限，无法 全断面探测效果。直流聚焦超前探测，对低阻体反应灵敏，但是施工复杂，成 本高。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于自然电场隧道裂隙水的超 前预报方法，通过采集隧道掌子面和隧道底部自然电场动态观测数据，有效探 测隧道掘进方向的隧道裂隙水位置分布情况。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

基于自然电场隧道裂隙水的超前预报方法，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；

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的位置分布情况。

进一步地，本发明在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。在实际应用中，根据探测的精度、有效探测深度、 工作效率，设计测点距离。优先地，第一测线、第二测线上测点间的距离为0.5m 至1m。第二测线的测线长度一般为20m。根据掌子面的所在围岩的级别确定第 二测线的长度。

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。 第一测线即掌子面测线的数据能有效探测垂直状裂隙水异常源和倾斜状裂隙水 异常源，第二测线能够有效探测水平状裂隙水异常源。