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原文传递隧道含水构造超前探测激电场--水文场耦合反演与渗透性评价方法

论文题名：	隧道含水构造超前探测激电场--水文场耦合反演与渗透性评价方法
关键词：	施工隧道;超前探测;含水构造;耦合渗透系数;渗透性评价
摘要：	随着我国基础设施建设的蓬勃发展，水利水电工程与铁路公路工程的建设重心向西部山区转移，隧道工程施工往往面临着极端复杂的地质条件，突水突泥等地质灾害频发。开展隧道超前地质预报探明掌子面前方不良地质体的空间分布情况可以为隧道安全施工提供有力支撑。其中，隧道激发极化法以其对水体敏感的优势，已逐渐成为隧道超前预报中的常见探测手段，该方法不仅可以对含水构造定位成像，还能对掌子面前方含水构造静储水量进行定量评价，已成为最为常用的隧道地质探测方法之一。随着我国对隧道施工安全要求的提高，对含水构造定位成像准确性需求以及对涌水量较准确估算的需求日益增加，亟需开展相关研究。　　近年来，随着时间域激发极化测量仪器的发展，时间域激发极化在探测中已能够实现对多个时窗观测数据的采集，在仅利用了充/放电瞬间以及完全充/放电时的观测数据的传统时间域激发极化法中发展出了全时域激发极化探测方法，该方法可以实现对灾害水体的零频电阻率、固有极化率、弛豫时间以及频率相关系数多参数成像，且由全时域激发极化反演得到的弛豫时间与岩土体渗透性存在内在关联，引起了学者们的广泛关注。然而，现有的全时域激发极化反演出的激发极化参数定位不准，难以在现有研究基础上获取隧道掌子面前方岩土体渗透性空间分布情况。因此，亟需研究适用于隧道环境的全时域激发极化反演方法，并提出基于全时域激发极化探测的施工隧道掌子面前方渗透性反演成像方法，进而改善隧道涌水量估算方法，并将其在实际工程中进行推广应用。　　针对施工隧道突水突泥灾害源探测与渗透性估算及成像难题，本文采用理论分析、数值试验和现场试验等方法，以灾害水体多激发极化参数成像以及渗透系数反演方法为核心，分别开展了基于全时域激发极化弛豫时间的隧道渗透系数预测方法、考虑时间效应的隧道全时域激发极化多参数约束反演成像方法、地下渗流-全时域激发极化耦合反演成像方法等研究，最终形成了基于水文-全时域激发极化超前探测的隧道前方含水构造多参数成像与渗透系数预测方法。最后，通过现场试验验证了本文方法的可行性和有效性。　　本文的主要研究工作及成果如下: 　　(1)激发极化弛豫时间与渗透系数内在关联。为了将激发极化信息融入渗透系数反演中，本文以灰岩、白云岩、砂岩、凝灰岩作为试验对象，从时间域激发极化数据中提取其弛豫时间并进行渗透系数测试，提出了基于神经网络的渗透系数预测方法，建立了基于激发极化弛豫时间的渗透系数预测模型。　　(2)隧道全时域激发极化多参数约束反演成像方法。针对激发极化弛豫时间分布获取难题，本文提出了基于时间光滑与激发极化模型约束的等效电阻率正则化反演方法，并提出了滑动时窗反演策略，在此基础上提出了基于交叉梯度的激发极化多参数反演方法，实现了灾害源全时域激发极化零频电阻率、固有极化率、频率相关系数以及弛豫时间多参数成像。　　(3)地下渗流-全时域激发极化耦合渗透系数反演成像方法。针对施工隧道环境水文观测数据难以获取导致渗透系数反演多解性强的问题，本文提出了全时域激发极化-地下渗流结构耦合反演方法，将激发极化参数中与渗透系数相关性最强的弛豫时间的结构形态作为先验信息加入地下渗流反演方程中，提出了地下渗流-全时域激发极化结构耦合反演成像方法。此外，以激发极化参数与渗透系数相关关系为物性基础，提出了地下渗流-全时域激发极化数据耦合反演成像方法。为隧道掌子面前方岩土体渗透性反演成像在实际工程中的应用提供了可行手段。　　基于上述研究，开展了各类复杂工况数值试验以验证本文提出方法的适用性，并在大瑞铁路保山隧道、高黎贡山隧道以及滇中引水香炉山隧道等工程现场开展了超前探测试验，探测结果较准确的揭示了隧道前方高渗透性空间分布，验证了本文方法的可行性和有效性。
作者：	周维
专业：	岩土工程
导师：	李术才;刘斌
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022