15基于激发极化法的隧道含水地质构造超前探测研究

发布时间：2016-11-02 20:16

本文关键词：基于激发极化法的隧道含水地质构造超前探测研究，由笔耕文化传播整理发布。

第30卷第7期；岩石力学与工程学报Vol.30No.7；2011年7月ChineseJournalofR；基于激发极化法的隧道含水地质构造；超前探测研究；李术才，刘斌，李树忱，张庆松，聂利超，李利平，许；(山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南250；摘要：突(涌)水地质灾害是制约隧道等地下工程建设；中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：100；STU

第30卷第7期

岩石力学与工程学报 Vol.30 No.7

2011年7月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July，2011

基于激发极化法的隧道含水地质构造

超前探测研究

李术才，刘斌，李树忱，张庆松，聂利超，李利平，许振浩，钟世航

(山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南 250061)

摘要：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，隧道施工期含水地质构造的超前探测尤其是水量预测已经成为亟待研究和解决的重要工程科技难题。针对上述难题，提出以激发极化法等地球物理方法为先导的解决思路，研发隧道含水构造超前探测专用激发极化仪器。提出从视电阻率数据着手解决含水构造定位难题的思路和基于三维电阻率反演方法的隧道含水构造超前探测三维成像方法及其计算效率优化方案。解答隧道超前探测的基本问题(如三维全空间点源电场求解、三维测量观测方式、干扰识别与去除方法、反演目标区域等)，利用反演算例验证断层、溶洞等含导水地质构造三维成像的有效性。针对含水体的水量预测难题，提出基于二电流激发极化半衰时之差法的隧道含水构造水量预测方法，通过物理模型试验发现半衰时之差与水量之间存在线性正相关关系，二者之间的这种单调线性正相关关系为解决实际工程中含水构造的水量预测难题奠定了基础。最终形成激发极化法隧道含水地质构造超前探测技术体系，并将该技术用于隧道地质预报实践中，预报结果与实际开挖情况基本一致。实际应用效果表明，激发极化超前预报技术可有效解决隧道施工期含水构造超前探测的定位难题，尤其可实现含水体水量的估算，拓展了超前地质预报工作的功能，具有良好的应用前景和推广价值。关键词：隧道工程；含水地质构造；超前地质预报；激发极化法；三维成像；水量估算

中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2011)07–1297–13

STUDY OF ADVANCED DETECTION FOR TUNNEL WATER-BEARING

GEOLOGICAL STRUCTURES WITH INDUCED

POLARIZATION METHOD

LI Shucai，LIU Bin，LI Shuchen，ZHANG Qingsong，NIE Lichao，LI Liping，XU Zhenhao，ZHONG Shihang

(Geotechnical and Structural Engineering Research Center，Shandong University，Jinan，Shandong250061，China)

Abstract：The water inrush hazards have become one of the bottleneck problems that constrain the construction of underground engineering such as tunnels. The advanced detection of the water-bearing geological structures especially estimation of the water volume in tunnel construction period has become an important scientific and engineering problem to be studied and solved urgently. For the above problems，the solving method with the induced polarization(IP) method as the guide is proposed. The advanced geological prediction with IP method in tunnel faces with a lot of new problems to be studied and solved urgently in contrast with shallow exploration. The special IP instrument for tunnel advanced detection is developed. The thought for solving the problem of water-body location with apparent resistivity is presented；and the three-dimensional(3D) tomography method of

收稿日期：2010–05–19；修回日期：2010–09–21

基金项目：国家杰出青年科学基金项目(A50625927)；国家重点基础研究发展计划(973)项目(2007CB209407)；国家高技术研究发展计划(863)项目(2007AA11Z131)

作者简介：李术才(1965–)，，男，博士，1987年毕业于山东矿业学院土木工程系矿井建设专业，现任教授、博士生导师，主要从事裂隙岩体断裂损伤、地质灾害超前预报与防治等方面的教学与研究工作。E-mail：lishucai@sdu.edu.cn

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water-bearing structures advanced detection based on 3D resistivity inversion method and its computation scheme is proposed. The basic problems of tunnel advanced detection are solved(e.g. solution of point source field in 3D whole space，3D measurement mode，recognition and removal of the measurement disturbance，inversion target region). The feasibility and effectiveness of 3D tomography for water-bearing structures has been proved by massive inversion examples. For the problem of water volume estimation，the method based on half-decay time difference of two-current induced polarization is put forward. It is found that the relation between difference of half-decay time and water volume is linear positive correlation by physical model test. And this linear positive correlation lays a solid foundation for water volume prediction of water-bearing structures in practical engineering. In the end，advanced detection technical system with IP method for tunnel water-bearing geological structures is formed. And this technical system is introduced into geological forecast work in tunnel engineering. The prediction results are basically identical with the practical excavation results. Practical application demonstrates that the problem of advanced detection for tunnel water-bearing structures especially the water volume estimation is solved effectively with prediction technique of IP method；and it has good application prospect and popularization value which extends the function of advanced geological prediction technique.

Key words：tunnelling engineering；water-bearing geological structures；advanced geological prediction；induced polarization(IP) method；three-dimensional(3D) tomography；water volume estimation

国内常用的地质预报方法可分为地质分析法和地球物理方法，其中地质分析法包括超前导洞(坑)法、超前水平钻孔法、工程地质调查法等，而地球物理方法包括地震反射波探测法、地质雷达探测法、瞬变电磁法等，每种方法都有各自的优缺点及适用范围。由于目前还没有哪种方法能对各种地质缺陷做出准确预报，因此许多研究者致力于多种预报方法相结合的综合超前地质预报方法的研究，大大提高了地质预报的准确率与精度，但是综合预报方法通常需要耗费较大的经济成本和时间成本，只适合在重点高风险段落实施[1-9]。

综上所述，对于含导水地质构造的超前探测而言，国内外已有的超前地质预报技术尚存在诸多问题，主要表现在以下3个方面：(1) 缺乏对含水体预报行之有效的预报方法与仪器设备；(2) 含水构造异常的识别与含水构造的三维成像具有巨大困难；(3) 目前已有的地球物理探测方法均不能实现含水体水量的定量或半定量的估算。

对于含水地质构造的超前探测而言，主要任务分为2个：(1) 探明含水构造的位置、规模甚至是形态等特征，也就是需要实现含水构造的三维成像；(2) 预测含水构造内的水量，这对隧道施工期制定突涌水防治措施和评价隧道安全具有重要意义。通过调研与分析，本文针对上述任务将时域激发极化法引入到隧道超前地质预报工作中，旨在实现含水地质构造的三维成像与水量估算。对于含水构造超前探测的三维成像而言，围岩的电阻率等参数对含

目前我国已经成为世界上隧道数量最多、建设规模最大、发展速度最快的国家。随着我国基础设施建设进程的加快，在交通、水利水电及矿产资源开发等领域还将会修建更多的长大隧道、隧洞等地下工程。这些隧道工程普遍具有埋深大、洞线长、水文地质条件复杂等显著特点，加之施工前期的地质勘查工作难以查清隧洞沿线的水文地质条件，导致在隧道施工中将面临诸多地质灾害，如突水突泥、岩爆、塌方、瓦斯突出等。其中突(涌)水、突(涌)泥灾害是隧道施工中的主要地质灾害之一，在国内外隧道特大事故中，突(涌)水、突(涌)泥灾害在死亡人数和发生次数上均居于前列，如：2002年9月渝怀铁路圆梁山隧道发生大体积塌方涌泥，死亡9人；2006年1月宜万铁路马鹿箐隧道发生突水灾害，死亡11人；2007年8月宜万铁路野三关隧道突发大型突水灾害，死亡10人。可见，突(涌)水灾害已经成为制约隧道等地下工程建设的瓶颈问题，给隧道施工带来了严重的安全问题和经济损失，并极易诱发次生地质灾害和生态环境问题。因此，隧道掌子面前方含水地质构造的超前探测已经成为亟待研究和解决的重要工程科技难题。

隧道等地下工程施工期的超前地质预报是一直以来备受关注而又未能很好解决的难题。多年来，许多研究者对该问题进行了深入系统的研究，目前

1 引言

第30卷第7期李术才等：基于激发极化法的隧道含水地质构造超前探测研究 ? 1299 ?

导水地质构造的位置、规模、形态等特征响应敏感。因此，利用时域激发极化法进行含导水地质构造的三维成像具有独特的优势。岳建华等[10-14]进行了相关研究，为激发极化法超前探测研究奠定了重要基础，但是较为偏重现场实践，正演模拟和反演成像研究较为滞后。张平松等[15]提出了煤矿坑道内立体电法超前预报方法，通过三维立体电阻率反演技术获得探测区间内介质的三维电阻率分布，为利用三维电阻率反演技术进行超前探测提供了新的思路。强建科等[16]提出了聚焦型电阻率法超前探测新方法，有效地排除了底板下的异常干扰，但该方法处于理论探索阶段，未见到实际应用的报道，对异常体响应距离较小是该方法的缺点。对于含水体水量的预测而言，谢明魁和刘永炳[17]在地面找水实践中总结了利用激发极化法进行水量预测与估算的方法，认为激发极化“二次时差”与涌水量之间存在正相关关系，为解决隧道含水构造水量预测这一工程难题提供了可借鉴的经验和思路。

作为一种普通的地表浅层应用地球物理技术，激发极化法是探测含水构造或金属矿的常用方法，但仅就地表勘探而言，激发极化法尚存在一些不足之处：(1) 在反演成像方面，目前一维或二维激发极化勘探技术已经不能满足实际生产的需求，而三维激发极化探测及其反演成像技术尚处于探索阶段，其反演速度与精度是制约三维激发极化法发展的瓶颈，因此急需提出一种反演效率优化方案；(2) 在水量预测方面，仅是通过实践经验积累发现了水量与激电参数之间的相关关系，缺乏系统而科学的理论研究或试验支持。

将激发极化法引入到隧道超前地质预报工作中后，在面临上述问题的同时产生了新的特殊问题：(1) 隧道内的空间属于含腔体的三维全空间，其正反演理论问题与地表半无限空间中的情况有所不同；(2) 隧道内地质预报的任务是探明测线前方的地质情况，其探测方向是测线向前的延伸方向，而地表激发极化法的探测方向是测线下方，因此对于超前探测而言测线下方的干扰的识别去除与测线前方探测范围的确定是必须解决的难题，是决定三维反演成败的关键；(3) 由于探测的方向性与空间有所不同，地表探测中激电参数与水量之间的关系不能照搬到隧道超前探测中，二者之间甚至有可能不存在明确的相关关系，因此有待深入研究隧道三维全空间中超前探测情况下水量与激电参数的关系。

针对上述问题，本文以实现含水体的三维成像与水量预测为核心任务，研发了隧道地质预报专用激发极化仪器，从视电阻率数据和半衰时之差数据着手，实现了基于三维电阻率反演法的隧道含水构造超前探测三维成像技术，提出了基于二电流激发极化半衰时之差法的含水构造水量预测方法，最终形成了隧道含水地质构造超前探测三维成像与水量预测技术体系，相关成果在实际工程中得到了成功的应用。

2 基于激发极化法的隧道含水构造

超前探测技术体系

本文以理论探索、设备研发、模型试验、现场试验等为主要研究手段，解决了超前探测技术方法、三维反演成像理论、相关仪器设备等一系列难题，形成了激发极化法隧道含水构造超前探测技术体系。

2.1 隧道地质预报专用激发极化仪器研发

本文针对隧道工作环境特点研发了隧道超前探测专用激发极化仪器系统，如图1所示。

电源

发射机

电极

电缆

接收机

图1 隧道超前探测专用激发极化仪器系统 Fig.1 Special IP instrument system for tunnel advanced

detection

该仪器系统的主要特点如下：

(1) 系统主要由发射机、接收机、电缆以及电极等组成。

(2) 发射机的主要特色是实现了大电流恒流脉动式发射，恒流电源设计采用隔离逆变设计思想，供电电流范围为0.01～1.00 A，供电电压为36 V。

(3) 接收机采用工业计算机系统实现了激发极化充放电过程的在线实时显示。

2.2 激发极化法隧道超前探测三维观测方式

由于隧道内工作场地的限制和探测目的的特殊

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? 岩石力学与工程学报 2011年

性(即超前探测)，导致常规的电阻率法和激电法的工作方式不能照搬到隧道超前探测工作中。将定点源三极法作为隧道内超前探测的主要装置形式(见图2(a))，其具体工作方法是将测线沿隧道走向布置在隧道底板或边墙上，将供电点源A极固定在掌子面处不动，B极放置在无穷远处固定不动，而测量电极M极和N极沿测线移动以采集数据，设A极与M极的距离为AM，M极与N极的距离为MN。

掌子面正演模拟是反演成像的前提和基础，利用有限单元法求解三维全空间中点源电场异常电位的变分问题，以实现三维电阻率勘探的正演。三维点源场对应的有限元线性方程组[18]如下：

Ku=?K'u0 (1) 式中：u，u0分别为含有各节点异常和正常电位值的向量；K'，K分别为异常和正常电位向量的总体系数矩阵。

对于节点i，正常电位u0i可表示为

u0i= (2)

4πσ0R

式中：R为该节点与电源点的距离，I为电流，σ0为电源点附近围岩的电导率。

求得每个节点的正常电位值后，便得到节点的总电位。需要说明的是，为了模拟隧道空腔，将隧道空腔内的单元电阻率定义为一个较大的值，如

(a) 单测线示意图

(b) 多测线的三维立体布置示意图

1×105 Ω·m。

携带光滑约束的最小二乘反演成像方程为

(ATA+λCTC)Δm=ATΔd (3)

式中：A为偏导数矩阵，表示数值正演得到的理论观测数据对模型参数的偏导数矩阵；Δm为每次反演迭代中模型参数增量向量；Δd为观测数据dobs与正演理论值dm的残差向量；λ为拉格朗日常数，代表着反演方程中光滑约束的权重；C为光滑度矩阵[18-20]。

对于三维电阻率反演问题而言，观测数据的个数往往小于未知参数的数目，且由于观测数据存在误差等原因，导致方程中往往存在较强的相关性。这种情况下，反演问题表现为混定问题。为解决上述问题，需要在模型构制中施加先验信息。本文将光滑约束作为先验信息施加到反演方程中，所谓光滑约束，就是指相邻网格的电阻率值光滑过渡，也就是使相邻网格电阻率差异极小，构制最为“简单”的三维地球物理模型。这种约束有其天然的合理性，因为它保持了模型所具有的基本特征。光滑约束的施加，大大降低了反演方程的不适定性。

对于第i个网格而言，光滑约束可表示如下： Δmif+Δmib+Δmil+Δmir+Δmiu+Δmid?6Δmi

Ri=

(4)

图2 激发极化法隧道超前探测测量方式

Fig.2 Measurement modes of tunnel advanced detection with

IP method

在定点源三极法的基础上设计了多测线立体测量方式(见图2(b))，在隧道底板上或边墙上同时布置多条平行的测线，一方面多条测线数据之间可相互校核，提高了数据的可信性；另一方面增加了观测数据量，有利于抑制反演的多解性，每条测线可反映不同位置的异常信息，有利于实现掌子面前方异常体的三维成像。

2.3 隧道含水地质构造超前探测三维成像技术

地球物理勘探数据的解释需要借助地球物理反演手段，地球物理反演实现了由观测数据空间到地质模型空间的映射。解决掌子面前方含水体的三维成像难题，本文从以下3个方面入手：(1) 提出了基于光滑约束的最小二乘法的三维电阻率反演方法及其计算效率优化方案，这是含水体三维成像的核心技术；(2) 提出了测线附近干扰的识别与去除技术，这是提取掌子面前方有用信息的关键技术，去除了测线下方的信息，保证了探测方向的向前性；(3) 确定了探测范围和反演目标区域，保证了反演的指向性。以上3个方面的研究成果构成了隧道含水地质构造超前探测的三维成像的方法与技术体系。 2.3.1 基于光滑约束的最小二乘法三维电阻率反演

式中：Δmif，Δmib，Δmil，Δmir，Δmiu，Δmid分别为第i

个网格的前、后、左、右、上、下的相邻网格的电阻率修正量。将整个模型的光滑约束用矩阵形式可表示如下：

成像技术

第30卷第7期李术才等：基于激发极化法的隧道含水地质构造超前探测研究

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R=CΔm (5)

三维电阻率的反演就是通过多次迭代逐步逼近最优解的过程，其反演流程如图3所示。反演收敛的判据为rus＜εinv(rus为观测数据dobs与正演理论

值dm之间的均方误差)。

隧道腔体

探测范围

图4 激发极化法超前探测范围 Fig.4 Advanced detection range by IP method

下各30 m(以隧道底板为分界线)。 2.3.3 测线附近干扰识别与去除技术

测量电极附近介质电阻率的不均一性是最主要的干扰，研究围岩电阻率不均一性对超前探测数据的干扰及其去除方法对于提取掌子面前方的有用信息保证反演方向的向前性具有重要作用，因此提出了一套干扰识别与去除方案：(1) 对于单个或少数几个干扰的情况，视电阻率曲线往往表现为单个突变性极值，如图5所示，通过数据滤波或叠加技术便可去除这种干扰。(2) 而对于多个干扰的情况，视电阻率曲线往往表现为多个突变性极值，采用数据叠加技术一般不能达到良好的效果，提出了电阻率层析成像法的解决思路，沿超前探测测线布置一条ERT测线，通过对ERT数据的反演得到测线附近的电阻率分布，从而将干扰去除，图6为利用ERT探测异常干扰的正演结果。

4000视电阻率/(?·m)

350030002500200015001000

40AM/m

6080100

图3 电阻率层析成像反演流程图

Fig.3 Inversion process of electrical resistivity tomography

(ERT)

在反演流程中计算量最大的是反演方程的计算和A的求解，提高二者的计算效率是实现快速反演的基础，为此设计了反演效率优化方案：

(1) 偏导数矩阵计算：每计算一次A需要进行多次正演，故采用Cholesky分解法。针对多次正演，Cholesky分解法只需对总体系数矩阵进行一次分解，然后对不同的电源点只需分别进行回代即可，计算速度与高斯类法和迭代法相比具有明显优势。

利用预条件共轭梯度算法求(2) 反演方程求解：

解反演方程，不仅避免了矩阵乘ATA和CTC的直接计算，而且系数矩阵的对角线矩阵作为预处理矩阵，计算效率与高斯类方法和其他预条件共轭梯度法相比具有显著优势[21]。 2.3.2 反演目标区域确定

确定反演区域对于明确反演目标靶区改善反演效果具有重要意义。实际工作中电阻率测量允许4%～5%的相对均方差，只有异常幅度大于3倍均方误差时该异常才可靠，也就是说大于12%的视电阻率异常才可判定为异常体的反映。因此，本文按照下列方式定义反演区域：在某个范围内的含水地质构造可导致观测数据异常幅度超过12%，这个范围即为数据响应敏感区，也就是反演目标区域。通过对不同类型含水构造的系统正演模拟研究，得到了反演目标区域。如图4所示，反演目标区域的范围如下：在z方向上为60 m，在x方向上左右各30 m(以隧道底板中心线为分界线)，在y方向上上

图5 MN电极存在异常体时的视电阻率正演数据 Fig.5 Numerical forward modeling results of anomalous body

nearby surveying line

2.3.4 含水体超前探测三维反演成像技术体系

根据前述内容，提出了含水体超前探测三维成像的技术体系，该体系以最小二乘法反演方法、干扰的识别去除和反演靶区确定为关键技术，其成像流程如图7所示。

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