瞬变电磁法在隧道超前地质预报中的应用及解译分析

摘要

我国西部山高谷深，修建高速公路时常采用隧道方案穿越山岭。不良地质体，比如断层、裂隙、岩溶等常常成为我国隧道建设当中遇到的最主要也是最难以解决的问题。如果隧道区内地下水丰富，岩溶或者裂隙较发育，就会存在严重涌水或涌泥的可能，严重影响施工进度。所以对隧道岩溶水问题采用迅速有效而且无损的物探方法进行预报十分关键。 瞬变电磁法对低阻体(水体)具有极高的敏感度，所以将其应用于隧道含水不良地质体的超前预报中定会有很好的发展前景。但是目前将瞬变电磁法应用到隧道超前地质预报中仍存在一定的局限性。其中没有较为完善统一的解译方法与解译标志对预报结果的影响最大，大大降低了预报精度。所以研究瞬变电磁法超前地质预报的适用性，总结出较为完善的解译方法，寻找解译图件的规律性，探索解译标志，对加快预报速度，提高预报准确性具有十分重要的意义。 本文在收集前人研究资料，分析国内外针对瞬变电磁法研究成果的基础上，将瞬变电磁法应用于铜锣山隧道、明月山隧道、紫坪铺隧道、华蓥山隧道等国内重要隧道的超前地质预报中。并且结合地质分析、超前钻孔以及实际开挖情况与瞬变电磁法的预报结果进行了对比分析，在此基础上对解译图件进行了归纳总结，取得了良好的应用效果。同时在实际应用中总结经验，并将数值模拟引用到瞬变电磁法隧道超前地质预报的解译分析中，通过对不同含水介质的数值模拟反演分析，得到相应的解译图件，寻找出这些图件中存在的一般规律。最后结合瞬变电磁法在其它隧道中的应用成果以及一般规则，对瞬变电磁法的解译方法进行总结，初步探索出一套解译标志。通过研究获得的主要成果如下： 1.在分析和归纳铜锣山隧道、明月山隧道和其它隧道的工程地质条件，隧址区内可能出现溶洞、岩溶水以及其它含水层的洞段的基础上，将瞬变电磁法应用于这些隧道的施工超前地质预报中。预报结果与地质分析、超前钻孔以及实际开挖情况的对比分析表明，瞬变电磁法在超前探水的地质预报中较其它预报方法凸显出极大的优势，预报较为准确，且成本较低，在隧道内工作时间较短，具有广泛的应用前景。但是其现场探测也受到一些因素的干扰，一定程度上影响了预报的准确性。 2.选取合适的模型和地电参数等，按照不同含水介质的类型、大小以及在预报掌子面前方位置进行数值模拟反演分析，得到各个测点不同时间道的感应电动势值，然后利用相关处理软件进行反演计算，最终得到视电阻率等值线纵深剖面图。对所形成的视电阻率等值线纵深剖面图进行对比分析，探索出了解译图件的一般规律。 3.将数值模拟反演分析的成果与一般规则以及瞬变电磁法在隧道超前地质预报中的应用成果相结合，对瞬变电磁法的解译方法进行总结，并且结合解译图件的规律性，初步探索出瞬变电磁法超前地质预报的解译标志。 4.对瞬变电磁法应用于隧道超前地质预报积累的经验进行了总结，提出了隧道内开展工作的程序、后期数据处理方法以及解译中值得注意的问题。同时指出了若干瞬变电磁法应用到隧道超前地质预报中需要改进的地方以及急需解决的问题。对今后需要进一步开展的工作提出了设想。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1选题依据及研究意义

1.1.1研究意义

1.1.2工程概况与选题依据

1.2国内外研究现状

1.2.1超前地质预报技术研究现状

1.2.2瞬变电磁法超前地质预报的研究及应用现状

1.3主要研究内容、研究思路及技术路线

1.3.1主要研究内容

1.3.2研究思路

1.3.3技术路线

第2章瞬变电磁法的原理与方法

2.1瞬变电磁法的发展概况

2.2瞬变电磁法的工作原理

2.2.1场的传播

2.2.2常用的激发场波形

2.2.3等效导电平面法

2.3瞬变电磁法在隧道超前地质预报中应用的工作方法

2.3.1工作装置

2.3.2发射线圈与接收线圈的组合、排列、源式

2.3.3时窗和叠加次数的选择

2.3.4工作方法

2.4探测数据处理

2.4.1数据质量判别

2.4.2数据处理

2.4.3视电阻率的计算方法

2.5本章小结

第3章瞬变电磁法在隧道超前地质预报中的应用

3.1在铜锣山隧道的应用

3.1.1隧道工程地质条件

3.1.2岩溶地面地质调查

3.1.3瞬变电磁法超前地质预报成果及分析

3.2在明月山隧道的应用

3.2.1隧道工程地质条件

3.2.2隧道水文地质评价

3.2.3瞬变电磁法超前地质预报成果及分析

3.3在其它隧道的应用

3.3.1紫坪铺隧道K16+856～K16+776段小股状涌水预报

3.3.2华蓥山隧道涌水后的瞬变电磁法探测

3.4本章小结

第4章瞬变电磁法隧道超前地质预报的数值模拟反演分析

4.1电磁场的基本理论

4.1.1麦克斯韦方程组

4.1.2几种典型的电磁场方程

4.1.3电磁场中常见边界条件

4.2电磁场三维有限元计算基本原理

4.3模型的建立及地电参数选取

4.3.1实测数据选择

4.3.2实测数据拟合

4.3.3模型的建立

4.3.4地电参数的选取

4.4计算结果分析

4.4.1预报区无断层、破碎带及溶洞的数值模拟

4.4.2预报区掌子面前方中部存在富水溶洞的数值模拟

4.4.3预报区掌子面前方左侧存在富水溶洞的数值模拟

4.4.4预报区掌子面前方存在富水断层的数值模拟

4.4.5预报区掌子面前方横向双富水溶洞的数值模拟

4.4.6预报区掌子面前方存在干溶洞的数值模拟

4.4.7预报区掌子面前方存在未含水断层的数值模拟

4.5本章小结

第5章瞬变电磁法隧道超前地质预报的解译

5.1一般规则

5.1.1瞬变电磁解译图件

5.1.2背景场(正常场)的确定

5.1.3异常的确定及筛选

5.2前人的典型应用成果

5.2.1长凼子隧道

5.2.2锦屏水电枢纽辅助洞

5.2.3宜万线八字岭隧道的应用

5.3数值模拟计算成果及解译图件的规律性

5.4解译方法的总结

5.4.1现场探测的规范化、统一化

5.4.2后期解译方法的规范化、统一化

5.5解译标志的初步建立

结论及建议

致谢

参考文献