第30卷第7期岩石力学与工程学报V ol.30 No.7 2011年7月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July，2011基于激发极化法的隧道含水地质构造超前探测研究李术才，刘斌，李树忱，张庆松，聂利超，李利平，许振浩，钟世航(山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南 250061)摘要：突(涌)水地质灾害是制约隧道等地下工程建设的瓶颈问题之一，隧道施工期含水地质构造的超前探测尤其是水量预测已经成为亟待研究和解决的重要工程科技难题。
针对上述难题，提出以激发极化法等地球物理方法为先导的解决思路，研发隧道含水构造超前探测专用激发极化仪器。
提出从视电阻率数据着手解决含水构造定位难题的思路和基于三维电阻率反演方法的隧道含水构造超前探测三维成像方法及其计算效率优化方案。
解答隧道超前探测的基本问题(如三维全空间点源电场求解、三维测量观测方式、干扰识别与去除方法、反演目标区域等)，利用反演算例验证断层、溶洞等含导水地质构造三维成像的有效性。
针对含水体的水量预测难题，提出基于二电流激发极化半衰时之差法的隧道含水构造水量预测方法，通过物理模型试验发现半衰时之差与水量之间存在线性正相关关系，二者之间的这种单调线性正相关关系为解决实际工程中含水构造的水量预测难题奠定了基础。
最终形成激发极化法隧道含水地质构造超前探测技术体系，并将该技术用于隧道地质预报实践中，预报结果与实际开挖情况基本一致。
实际应用效果表明，激发极化超前预报技术可有效解决隧道施工期含水构造超前探测的定位难题，尤其可实现含水体水量的估算，拓展了超前地质预报工作的功能，具有良好的应用前景和推广价值。
关键词：隧道工程；含水地质构造；超前地质预报；激发极化法；三维成像；水量估算中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2011)07–1297–13 STUDY OF ADV ANCED DETECTION FOR TUNNEL WATER-BEARING GEOLOGICAL STRUCTURES WITH INDUCEDPOLARIZATION METHODLI Shucai，LIU Bin，LI Shuchen，ZHANG Qingsong，NIE Lichao，LI Liping，XU Zhenhao，ZHONG Shihang (Geotechnical and Structural Engineering Research Center，Shandong University，Jinan，Shandong250061，China)Abstract：The water inrush hazards have become one of the bottleneck problems that constrain the construction of underground engineering such as tunnels. The advanced detection of the water-bearing geological structures especially estimation of the water volume in tunnel construction period has become an important scientific and engineering problem to be studied and solved urgently. For the above problems，the solving method with the induced polarization(IP) method as the guide is proposed. The advanced geological prediction with IP method in tunnel faces with a lot of new problems to be studied and solved urgently in contrast with shallow exploration. The special IP instrument for tunnel advanced detection is developed. The thought for solving the problem of water-body location with apparent resistivity is presented；and the three-dimensional(3D) tomography method of收稿日期：2010–05–19；修回日期：2010–09–21基金项目：国家杰出青年科学基金项目(A50625927)；国家重点基础研究发展计划(973)项目(2007CB209407)；国家高技术研究发展计划(863)项目(2007AA11Z131)作者简介：李术才(1965–)，男，博士，1987年毕业于山东矿业学院土木工程系矿井建设专业，现任教授、博士生导师，主要从事裂隙岩体断裂损伤、地质灾害超前预报与防治等方面的教学与研究工作。
复杂地质长大隧道施工超前地质水文预报超前地质水文预报是利用钻探和现代物探等手段，对因地质和水文勘察工作的技术措施、技术手段、现场条件等局限，而隐伏的、难以探查的重大地质和水文隐患和问题予以进一步提前查清楚查准确，并据已经掌握的地质水文灾害前兆和超前预测预报地质灾害，及时改进施工方法，调整施工工艺，确定防灾预案，进而指导工程施工，保证顺利进行。
标签：隧道超前地质预报；地质水文灾害分级；分级预报施工安全1引言在隧道施工过程中，通过超前地质水文预报来预测、判断施工工作面前方水文地质、工程地质等水文地质的现实状况，为隧道施工方案的调整优化提前提供全面有效可靠的地质水文依据。
通过隧道地质水文预测，预报掌子面前方地段可能引发隧道地质和水文灾害的可能性及位置、性质与规模，并根据地質水文预测预报结果，提出相应有针对性的技术措施与对策建议，为设计变更和优化提供可靠的地质水文依据，有效降低和避免隧道施工灾害的发生，确保施工人员和设备安全，为提高工程质量、施工效率及经济效益提供技术支撑。
2隧道地质水文灾害分级及分级预报方式2.1对地质水文灾害大致分为四级，以判断其对隧道施工安全、进度等方面的危害和影响程度。
影响超前地质水文综合预报工作的具体因素详见表1。
A级水平：有较为重大的水文灾害和地质隐患的地段，如富含水体、地层破碎软弱、导水性良好的断层和破碎带，特大型、大型涌泥涌水地段，非可溶岩与可溶岩接触带，在物探方法探测中的重大异常地段，大型岩溶溶洞，大型人为坑洞，高地应力地段，特殊地质地段，可能诱发重大环境问题的地质和水文灾害地段，等。
B级水平：在物探方法探测中有较大物探异常的地段，中小型涌泥涌水地段，断裂破碎带等。
C级水平：发生涌泥涌水可能性小、地质水文条件较好的碳酸盐岩及碎屑岩地段。
D级水平：发生涌泥涌水可能性极小的小型断层破碎带和非可溶岩地段。
2.2分级预报方式A级别预报（地质与水文复杂地段）：采用地震反射波法（TSP、TGP等）、超前水平钻探法、地质雷达法、加深爆破炮孔法、地质素描法法等多种有效、适合的手段进行综合预测。
隧道超前地质预报之超前地质预报的物探理论参考资料⼆超前地质预报的物探理论迄今为⽌，地下⼯程超前地质预报应⽤的主要⼿段是TSP（或TGP）、地质雷达和红外线探⽔仪和直流电法，涉及的主要物探理论有地震波探测理论、雷达与瞬变电磁探测理论，物理场探测理论和直流电法探测理论。
第⼀节地震波探测理论⼀、地震波的传播规律（⼀）费马原理费马原理⼜称最⼩时间原理。
根据费马原理，波总是沿射线传播以保证波到达时所⽤历时最少这个准则。
在均匀介质中，地震波射线是从振源出发的直线，在其他介质中波射线性质便要复杂⼀些。
（⼆）地震波的反射和透射当地震波在传播过程中遇到介质突然变化的界⾯（如岩体的节理、裂隙和断层等）时，地震波将会产⽣反射和透射，如图3-2所⽰。
（三）地震波的绕射地震波传播过程中遇到地层的间断点和不整合接触点以及断层的棱⾓点等，这些不连续的间断点可以看作是新震源，就会产⽣⼀种新的扰动，向弹性空间四周传播，这种扰动称为绕射波。
即地震波的绕射。
（四）地震波的散射地震波在传播过程中振幅和能量随着离震源点距离的增加⽽减少的现象称为球⾯扩散。
即地震波的散射。
⼆、 TSP探测原理TSP探测时，在掌⼦⾯后⽅⼀定距离的隧道⼀侧边墙上布置⼀定数量的钻孔，通过TSP系统的爆破装置在钻孔中施以微型爆破来产⽣射地震波信号，地震波沿隧道⽅向以球⾯波的形式传播，遇到反射界⾯反射回来由接收器接收，同时转换成电信号并放⼤(如图3-4)。
由于反射波的传播速度、延迟时间、波形、强度和⽅向等均与相关界⾯的性质以及产状密切相关，经过TSP系统的数据处理软件分析处理后，结合具体的地质情况，预测不良地质体的位置、宽度和产状等。
瑞⼠按伯格公司开发的TSP数据处理软件能将地震波信息转化到隧道掌⼦⾯前⽅及周围区域的坐标系统上。
由于地震波从起爆、经反射被接收的⽤时与反射界⾯到起爆点和接收器的距离之和成正⽐关系，所以知道了地震波的传播速度和反射⽤时就可以确定反射界⾯的位置和与隧道轴线的夹⾓。
