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原文传递基于激发极化与地震波联合探测的海底（水下）隧道渗透性综合评价方法

论文题名：	基于激发极化与地震波联合探测的海底（水下）隧道渗透性综合评价方法
关键词：	水下隧道;纵波速度;弛豫时间;渗透性评价;涌水量预测
摘要：	随着我国综合国力的持续提升以及国民经济的快速发展，基础设施工程迎来了建设高峰期。跨区域互联互通、蓝色海洋开发等均对海底（水下）隧道的修建提出了迫切需求。目前，我国海底隧道建设速度居于世界之最，但与此同时其建设安全也面临着严峻的挑战。断裂断层、强风化带等复杂地质条件以及无限水体强补给、高水压荷载的极端赋存环境均有诱发大型突涌水灾害的可能。因此，开展突涌水灾害防控理论研究是保障海底（水下）隧道安全、高效建设的关键前提。　　含水构造是海底隧道突涌水灾害的主控地质诱因，而致灾水体的位置、水量及其渗透特性分布是决定突涌水灾害发生，并评价突涌水灾害量级的重要因素。隧道地震波法、激发极化法分别以其在获取不良地质体构造信息与含水性信息方面的优势，成为不良地质超前预报中的主流方法。然而在应用于海底隧道渗透性评价与涌水量预测时尚存在以下问题:①已有的孔隙度预测方式在面对海底隧道复杂地质条件、孔隙发育围岩时难以普遍使用，导致基于孔隙度的渗透率预测模型适用范围局限、准确性低;②单一的渗透性预测方法受地质环境影响大，难以准确评价掌子面前方渗透性。尚未有适用于海底隧道复杂不良地质条件及高矿化度海水环境的渗透性综合评价方法。　　针对上述难题，本文采用理论分析、物理实验、反演成像、现场试验等方法，提出了激发极化与地震波法联合评价海底（水下）隧道渗透性的解决思路。分别开展了纵波速度与孔渗参数关系模型、弛豫时间与渗透率关系模型的研究，建立了基于弛豫时间与纵波速度的渗透率综合预测模型。提出了以渗透率综合预测模型为核心的渗透率分布评价方法，实现了隧道渗透率较准确评价，并结合经验公式对隧道涌水量进行了预测。最后通过现场试验，验证了本文所提出方法的有效性。　　本文主要研究工作及成果如下: 　　（1）基于波速的孔渗参数预测模型。针对海底隧道复杂地质环境中孔隙度难以直接准确获取的问题，基于海域典型岩性岩样，开展了渗透率-孔隙度-纵波速度测试，系统研究了海域岩样中孔隙度与纵波速度、渗透率与孔隙度、渗透率与纵波速度之间的相关关系。建立了基于波速的孔隙度预测模型，并以孔隙度为媒介，建立了基于波速的渗透率预测模型，为通过地震波评价渗透性奠定了物理模型基础。　　（2）基于弛豫时间的渗透率预测模型。针对现有渗透率预测模型未考虑海底隧道复杂孔隙结构及海水高矿化度的问题，基于海域典型岩性岩样，开展了不同矿化度的激发极化实验，探讨了渗透率、矿化度与弛豫时间之间的关系。建立了基于激发极化弛豫时间的渗透率预测模型，为通过激发极化评价围岩渗透性奠定了物理模型基础。　　（3）渗透性综合评价与涌水量估算方法。针对单一物性参数难以准确预测渗透率的问题，以激发极化参数及弹性波参数与孔隙结构之间的关系为桥梁，建立了基于弛豫时间与纵波速度的渗透率综合预测模型，提高了渗透率预测的准确性。提出了基于弛豫时间分布与波速分布的隧道渗透率分布成像方法，进而形成了适用于海底（水下）隧道环境的渗透性综合评价方法。基于渗透率预测结果，结合涌水量经验公式，对隧道前方探测范围内涌水量进行估算。　　基于上述研究，在云南滇中引水工程香炉山隧洞近水下洞段以及广东汕头湾海底隧道开展了现场试验。试验结果较准确地表征了隧道掌子面前方三维渗透率分布，且预测涌水量与实际开挖涌水量基本一致，验证了基于激发极化和地震波联合探测的海底（水下）隧道渗透性综合评价与涌水量预测方法的可行性和有效性。
作者：	裴文兵
专业：	土木水利
导师：	聂利超
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2023