基于自然电场隧道裂隙水的超前预报方法技术

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。分布情况。分布情况。

【技术实现步骤摘要】
基于自然电场隧道裂隙水的超前预报方法


[0001]本专利技术属于隧道及地下空间工程的地球物理监测、探测
，具体涉 及一种基于自然电场隧道裂隙水的超前预报方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的缺陷，本专利技术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。
[0005]为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]基于自然电场隧道裂隙水的超前预报方法，包括：
[0007]在隧道内布置多条测线，各测线上布置有测点；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]进一步地，本专利技术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。
[0013]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。
[0014]本专利技术中，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；
[0015]NN＝NX
×
NY
×
NZ
[0016]ND＝(NX+1)
×
(NY+1)
×
(NZ+1)
[0017]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
。
[0018]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：
[0019]K
ie
＝K
1e
+K
2e
[0020]式中由以下公式计算：
[0021][0022][0023]其中：
[0024][0025]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。
[0026]本专利技术的数据采集方式有两种，第一种为电位法采集数据，第二种是梯度 法采集数据。无论是哪种数据采集方法，对于采集数据过程中使用的电极均为 不极化电极，其具有稳定性好特性，能够适应隧道内复杂的地质情况。根据掌 子面的所在围岩的级别设计或调整数据采集的频率，根据掌子面的所在围岩级 别不同，Ⅳ级和
Ⅴ
级围岩，掌子面每掘进2m进行一次数据采集；对于Ⅱ和Ⅲ级 围岩，掌子面每掘进4m进行一次数据采集。
[0027]本专利技术中，电位法采集数据，具体包括：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。
[0028]设当前是第i次数据采集，测量电极N先从一条测线一端头的第一个测点 开始，逐个采集该测线上各测点的自然电位数据，然后从另一条测线一端头的 第一个测点开始，逐个采集另一测线上各测点的自然电位数据，得到各测点的 自然电位数据与参考电极的自然电位数据之间的差值，即各测点的绝对自然电 位值，完成当前次数据采集；
[0029]设第一测线上有n个测点，第二测线上有m个测点，则第i次数据采集对 应的观测数据y
i
＝[a
1,i
,a
2,i
,a
3,i
,...,a
n,i
,b
1,i
,b
2,i
,b
3,i
,...,n
m,i
]，其中a
j,i
为第一测线上的第j 个测点在第i次数据采集中对应的绝对自然电位值；b...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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；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，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
×
NZND＝(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
。6.根据权利要求5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，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：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。7.根据权利要求2、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。8.根据权利要求7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，设当前是第i次数据采集，测量电极N先从一条测线一端头的第一个测点开始，逐个采集该测线上各测点的自然电位数据，然后从另一条测线一端头的第一个测点开始，逐个采集另一测线上各测点的自然电位数据，得到各测点的自然电位数据与参考电极的自...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔益安，郭友军，柳建新，陆河顺子，罗议建，官俊峰，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：