全断面隧道掘进机施工聚向全息激电超前探水方法及系统

本发明涉及地球物理超前预报，具体涉及一种全断面隧道掘进机施工聚向全息激电超前探水方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

2、隧道工程中普遍存在涌水灾害问题，它直接影响施工进度、洞室稳定性以及人员安全。提前探明施工隧道掌子面前方的突涌水灾害源，是实现主动防灾的关键和必然需求。

3、激发极化法是一种电法探测技术，基于电荷在地层中的积累与释放现象，通过向地下施加电流并在断电后观测地层内的剩余电位，推断地层的电性差异，从而识别并定位地下水体。该方法对水体具有高度敏感性，对于含水构造探测具有独特优势。

4、然而，tbm施工的隧道相比传统的钻爆法隧道和地面施工环境要更加复杂。这是由于tbm施工通常在封闭、狭窄、深埋的地下进行，空间受限、设备布局复杂，施工过程中面临围岩压力、水文环境以及操作难度等多种不利因素的影响。在全断面隧道掘进机隧道环境的实际应用过程中，尚存在一些问题：

5、（1）通过对激发极化整个充放电曲线的观测数据，通过cole-cole模型的反演拟合，可以确定零频电阻率、固有极化率、弛豫时间和频率相关系数，然而，cole-cole模型的四个参数仅是对充放电信息的参数化描述，缺乏对于岩土体物理特征的描述；

6、（2）全断面隧道掘进机施工隧道与钻爆法隧道和地面相比复杂得多，首先，隧道掘进机占据了绝大部分隧道空间，超前探测可用的观测空间十分有限；其次，隧道掘进机拥有复杂的电气系统和金属结构，电磁干扰极为严重，钻爆法和地面常用的地球物理探测方法无法直接搬到全断面隧道掘进机施工隧道中；

7、（3）现有技术预测渗透率过程，大致分为两类：一是利用水文地质方法预测渗透率，因目前隧道多位于高山峡谷中的深埋隧道，勘探条件极不完备，由水文地质方法得到的信息十分有限，且受到地质构造的影响很大，采用该方法会引入很大的误差；二是通过激发极化参数与渗透率的影响，但目前技术对激发极化参数应用不够充分，多通过单个参数（如弛豫时间）确定渗透率分布，其结果较为粗糙，带来的误差较大。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种全断面隧道掘进机施工聚向全息激电超前探水方法及系统，对采集的全过程数据进行cole-cole反演，得到四个参数（零频电阻率、固有极化率、弛豫时间和频率相关系数），通过引入归一化极化率、体积含水率和阳离子交换容量，获取更为丰富的激发极化全息数据，进而计算得到渗透率，实现了对隧道涌水量的更准确预测，本发明不仅能够快速且有效地评估涌水风险，还能够为施工过程中采取适当的预防措施提供科学依据，有效避免施工过程中因突发涌水而导致的安全事故。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种全断面隧道掘进机施工聚向全息激电超前探水方法，包括以下过程：

4、通过在围岩中供入电流以建立电场，利用电极系的布置，获取掌子面随时间变化的电位数据；

5、对所述电位数据去除干扰后，进行cole-cole反演，根据所述cole-cole反演得到的零频电阻率、固有极化率、弛豫时间和频率相关系数，利用以上信息结合现场采集的孔隙水电导率、岩石颗粒密度以及通过实验得到的经验值，可以得到归一化极化率、体积含水率和阳离子交换容量，从而可以进行全息预测，得到渗透率预测结果；

6、根据渗透率预测的结果进行涌水量预测。

7、作为本发明第一方面进一步的限定，对所述电位数据去除干扰，包括：

8、对包含全断面隧道掘进机的隧道空腔进行正演得到第一正演结果，对不包含全断面隧道掘进机的隧道空腔进行正演得到第二正演结果，以第一正演结果与第二正演结果的差值作为电位干扰，将所有测量得到的电位数据减去所述电位干扰。

9、作为本发明第一方面进一步的限定，渗透率预测的结果为，其中，为拟合系数，为阳离子交换容量，为饱和度，为孔隙率，为第一拟合参数，为第二拟合参数；表示颗粒密度，为权重系数，为弛豫时间。

10、作为本发明第一方面更进一步的限定，通过体积含水率计算得到，其中，，，为归一化极化率，，为零频电导率，为液体电导率，为反离子极化过程的表观迁移率与表面传导过程的表观迁移率之比，为阿尔奇胶结指数。

11、作为本发明第一方面更进一步的限定，归一化极化率，包括：，其中， m为固有极化率；阿尔奇胶结指数m为：，、为采样获取的胶结指数和弛豫时间的数据，为通过多次采样取得的比例系数。

12、作为本发明第一方面更进一步的限定，阳离子交换容量cec，包括：，表示极化过程中反离子的表观迁移率。

13、作为本发明第一方面进一步的限定，预测的涌水量q为：；其中，为围岩渗透系数，为初始地下水位线至隧洞底板的距离，为隧道横剖面等价圆半径，为隧道横剖面等价圆直径，，为流体密度，为动力粘滞性系数，为重力加速度，k为渗透率预测结果。

14、第二方面，本发明提供了一种全断面隧道掘进机施工聚向全息激电超前探水系统，包括：

15、主机、供电电极系和测量电极系，主机与供电电极系的电缆连接，主机与测量电极系的测量电缆连接；

16、主机通过测量电极系的测量电缆测量各测量点随时间变化的电位数据，并根据得到的电位数据采用本发明第一方面所述的全断面隧道掘进机施工聚向全息激电超前探水方法进行涌水量预测。

17、作为本发明第二方面进一步的限定，供电电极系包括两部分，第一部分为布设于侧面边墙的固定供电电缆，第二部分为可移动的延伸电缆，所述固定供电电缆与所述固定供电电缆为并行关系；

18、采用侧面边墙的两条固定供电电缆供电，包括：每条固定供电电缆都包括多个供电a电极和1个供电b电极，多个供电a电极与掌子面的距离逐渐增大，使用时将多个供电a电极与1个供电b电极耦合到对应边墙，两侧同一距离处的供电电极同时供电，以此产生电流向掌子面前方聚向的效果；

19、采用预留的可移动的延伸电缆供电，包括：两侧边墙各包含一条延伸电缆，延伸电缆连接供电a电极，使用时根据标定的各供电点位置，将延伸电缆的供电a电极分别耦合到边墙上标定的各供电点位置，供电b电极在掌子面后方接地或接边墙，不断移动供电a电极的位置并进行数据采集，直到完成所有供电点测量。

20、作为本发明第二方面进一步的限定，测量电极系的测量电极位于刀盘上，在刀盘中心块开多个测量电极布置孔，各测量电极连接线汇集成一根多芯电缆，汇总到刀盘中心位置的快速接线插座内，测量时人工将测量电缆与快速接线插座相连，测量电缆另一端连接主机；

21、刀盘所有液压油缸并联布置，由一组电磁阀块进行控制，刀盘所有油缸油路汇总到中心分流阀块上，总油路上需安装液压快速接头，进行激发极化探测时将液压阀块处的油路通过快速接头连接至刀盘中心分流阀块。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

23、1、本发明在cole-cole模型原有的四个参数基础上进行了扩展，新增了三个参数，从而使模型能够扩充为全息数据，通过这种扩展，全息数据不仅可以对激发极化现象中的相关信息进行精确的参数化描述，还能够用于更全面地描述岩土体的物理特征，这一改进提升了模型对岩土体性质的描述能力，尤其在激发极化过程的理解和应用方面具有重要意义，通过增加的新参数，全息数据为对岩土体复杂电性结构的刻画提供了更丰富的细节和更高的准确性，从而有助于提升勘探与分析的精度。

24、2、本发明针对tbm的特定环境条件进行了优化设计，将测量电极系的测量电极合理地搭载到tbm设备上，从而使得在复杂的tbm工作环境中，数据采集的过程能够更加快速、高效、以及便于操作，这种设计不仅大大提高了在狭窄空间中的操作灵活性，还减少了布置电极时的额外工作量和时间，确保了供电与信号探测的稳定性，从而为tbm施工过程中提供更加可靠的地质信息支持，为安全、高效的隧道掘进作业奠定了坚实的技术基础。

25、3、本发明通过获取全息参数，充分挖掘和利用激发极化参数中的丰富信息，并结合全息数据与实际岩体取样数据，为渗透率的空间分布预测提供了创新的方法，通过全息数据，能够从多个角度对岩体的电性特征进行分析，从而构建出更加准确的渗透率分布模型，相比传统的单一数据源，本发明所用的全息参数能够提供更全面、更细致的岩体物理特性描述，从而显著提高预测的准确性和可靠性，基于渗透率分布预测，本发明进一步利用确定了隧道掘进或地下工程中可能产生的涌水量。

26、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种全断面隧道掘进机施工聚向全息激电超前探水方法，其特征在于，包括以下过程：

2.如权利要求1所述的全断面隧道掘进机施工聚向全息激电超前探水方法，其特征在于，

3.如权利要求1所述的全断面隧道掘进机施工聚向全息激电超前探水方法，其特征在于，

4.如权利要求3所述的全断面隧道掘进机施工聚向全息激电超前探水方法，其特征在于，

5.如权利要求4所述的全断面隧道掘进机施工聚向全息激电超前探水方法，其特征在于，

6.如权利要求4所述的全断面隧道掘进机施工聚向全息激电超前探水方法，其特征在于，

7.如权利要求1所述的全断面隧道掘进机施工聚向全息激电超前探水方法，其特征在于，

8.一种全断面隧道掘进机施工聚向全息激电超前探水系统，其特征在于，包括：

9.如权利要求8所述的全断面隧道掘进机施工聚向全息激电超前探水系统，其特征在于，

10.如权利要求9所述的全断面隧道掘进机施工聚向全息激电超前探水系统，其特征在于，

技术总结
本发明属于地球物理超前预报技术领域。提供了一种全断面隧道掘进机施工聚向全息激电超前探水方法及系统，通过获取全息参数，不仅可以对激发极化现象中的相关信息进行精确的参数化描述，还能够用于更全面地描述岩土体的物理特征；通过充分挖掘和利用激发极化参数中的丰富信息，并结合全息数据与实际岩体取样数据，为渗透率的空间分布预测提供了创新的方法，最终根据渗透率预测的结果进行涌水量预测；针对全断面隧道掘进机的特定环境条件进行了优化设计，将供电电极与探测电极合理地搭载到掘进机设备上；为全断面隧道掘进机施工过程提供更加可靠的地质信息支持，可有效避免施工过程中因突发涌水而导致的安全事故。

技术研发人员：刘斌,聂利超,陈祖煜,刘征宇,杨洋,张庆松,白鹏,李卫浩
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5