基于扫描性聚焦激发极化法的隧道含水构造超前预报三维成像与水量预测理论研究

突水灾害是水电、交通等领域隧道(洞)建设面临的主要挑战，含水构造超前预报的三维成像与水量预测已经成为亟待解决的关键科学技术难题。针对上述问题，引入"电流聚焦"与"层析扫描"思想，提出扫描性聚焦激发极化法隧道超前预报新方法。首先，分析探测电流聚焦效应及其特征，建立激发极化法最佳扫描与聚焦模式。其次，研究三维电阻率非线性反演搜索方向控制理论，研究线性与非线性反演方法相嵌套的联合反演理论及其并行算法，提出已知地质信息的模型构制方法建立三维电阻率并行联合反演成像系统，开展系统的数值反演试验，分析典型含水构造的三维成像规律，建立隧道含水体超前探测识别模型与地质解译方法。然后，开展含水体超前预报模型试验，揭示激发极化衰减特性与水量的定量关系及其微观机理，提出隧道含水体水量预测模型与方法。最后，结合现场试验建立扫描性聚焦激发极化法隧道含水构造超前预报定量识别体系，研究成果对隧道突水灾害防治具有重要意义。

突水灾害是我国隧道建设面临的最主要地质灾害，往往造成严重经济损失和重大人员伤亡。为了规避隧道施工中的突水灾害，掌子面前方含水构造的三维成像和水量估算受到人们重视，为此本项目开展“基于扫描性聚焦激发极化法的隧道含水构造超前预报三维成像与水量预测理论研究”，获得国家自然科学基金委员会青年基金资助。.本项目围绕含水构造超前探测的“三维成像”和“水量估算”两大难题，历经三年较为系统深入的研究，综合采用理论研究、室内试验、数值模拟、物理模拟和工程验证等多种研究方法，已完成项目计划书中的所有内容和目标，重要进展如下：.1) 针对隧道“干扰强烈、空间狭小”的复杂探测环境，揭示了扫描聚焦激发极化的电流聚焦机理和响应特征，提出了隧道激发极化超前探测的聚焦扫描观测模式，建立了“多同性源阵列式”的最佳电极观测模式，具有“前向聚焦、后向屏蔽”的显著优势，探测距离为30m-40m。.2) 针对掌子面前方含水构造的三维成像难题，分别提出了改进蚁群算法非线性反演方法和加权深度约束线性反演方法，建立了二者相互嵌套的混合反演成像方法，并提出了一种新的多重主从并行计算策略及其算法，加速比超过2.5。同时，分别建立了溶洞、暗河、断层、裂隙等典型含水构造的地电模型，开展了系统性的反演成像数值试验，可较好的实现掌子面前方40m范围内含水构造的三维成像和定位。.3) 针对含水构造充填水量定量估算的难题，建立了描述含水构造微观激发极化效应的离子迁移扩散方程，揭示了激发极化衰减特性用于水量估算的微观机理，利用隧道超前预报物理模型试验平台开展了10组系统性试验，发现激发极化半衰时之差与含水构造的充填水量存在线性正相关关系，据此建立了含水构造充填水量的定量估算方法，形成了隧道掌子面前方含水构造的定量超前预报方法和技术。.本项目成果在湖北利万高速公路齐岳山隧道、四川成兰铁路跃龙门隧道等开展了较为成功的工程验证，负责人在Geoshanghai 2014等国际国内学会会议上做3次大会特邀报告，得到了行业内的好评。项目执行过程中，共发表SCI和EI收录论文14篇，其中SCI收录4篇，EI收录10篇，申报国际发明专利1项(待授权)，获批国家发明专利6项，获批国家软件著作权6项，项目负责人于2012年获中国岩石力学与工程学会优秀博士学位论文称号，正在指导硕士生2名，协助培养博士毕业生2名。