隧道含水构造电阻率法超前探测正演模拟与应用.pdf

第 4 2 卷 第 1 期 2 0 1 2年 O 1月 吉 林 大 学 学 报 地 球 科 学 版 J o u r n a l o f J i l i n Un i v e r s i t y Ea r t h S c i e n c e Ed i t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 1 J a n ．2 0 1 2 隧道含水构造电阻率法超前探测正演模拟与应用 刘 斌， 李术才， 李树忱 ’ 聂利超， 钟世航， 宋 杰， 刘征宇 山东 大学岩 土与结构 工程研 究中心 ， 济南2 5 0 0 6 1 摘要 针对 直流电阻率法超前探测研 究中理 论研 究落后 于工程 实践 的现状 和探 查效 果较差 的问题 ， 对 隧道 直流电阻率法超前探测进行 了系统的正 演研 究。首先 ， 利 用有限单 元法数 值手段 对含 水 断层 等 多种 典型含水构造的超前探测进行 了正演 ， 得到 了典型含水构造超前探测 的异常响 应特征 ， 提 出了干扰识 别与 去 除这 一关键 技术 ， 形成 了掌子面前方有 用信 息提取 的有效途径 ， 为隧道含 水构造的超 前探测 奠定 了理 论 基础 。其次 ， 研 制 了隧道含水构造超前探 测物理模型试验装置和相似 材料并 开展 了物理 模型试 验 ， 在 实验 室尺度下对 直流 电阻率法超前探 测这一新型 测量 方式进行 了有 益的探 索 ， 验 证 了该方 法用 于含 水 构造探 测的有效性 。最后 ， 结合 实际工程进行 了超 前地质预报 实践 ， 实现 了对含 水构造 的定性判 断。应 用效果表 明 ， 直流电阻率法超前探 测研 究为现场应用提供 了指导和参 考， 并为含 水构造的 三维反 演成像与 定位奠定 了基 础 。 关键词 隧道工程 ； 含 水地质构造 ； 超前地质预报 ； 直流 电阻率 法； 正演模拟 ； 物理模 型试验 ； 工程应用 中图分类号 P 6 3 1 ． 3 2 2 ； U4 5 6 文献标 志码 A 文章编号 1 6 7 1 5 8 8 8 2 0 1 2 0 1 0 2 4 6 0 8 Fo r wa r d M o d e l i ng a n d Ap pl i c a t i o n o f El e c t r i c a l Re s i s t i v i t y M e t h o d f o r De t e c t i ng W a t e r 。 Be a r i ng S t r u c t u r e i n Tu nn e l Bi n， LI S h u - c a i ， LI S h u c h e n， NI E L i - c h a o， ZHONG S h i h a n g， S ONG J i e ， LI U Zh e n g y u R e s e a r c h C e n t e r o f Ge o t e c h n i c a l S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g，S h a n d o n g U n i v e r s i t y，J i n a n 2 5 0 0 6 1 ，C h i n a Ab s t r a c t No w t he a d v a nc e d de t e c t i o n by e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y m e t h od c a n’ t ge t go o d r e s u l t ，a nd t he t he o r e t i c a l r e s e a r c h l a gs ob vi ou s l y be h i nd t he pr a c t i c e ． The r e f o r e ，s y s t e m a t i c s t u dy on f o r wa r d mo de l i ng of a d v a nc e d de t e c t i on i s c a r r i e d ou t ． Fi r s t ， f o r war d mod e l i n g i s t a ke n f or t ypi c a l wa t e r b e a r i n g s t r u c t ur e s s u c h a s f a ul t us i ng FEM ，a nd t he a bn or ma l r e s p ons e c ha r a c t e r i s t i c s a r e o b t a i ne d． The ke y t e c hn ol og y of i nt e r f e r e n c e r e c o gn i t i o n a n d r e mo va l i s p r o p os e d t ha t pr o vi d e s a n e f f e c t i ve m e t ho d f or u s e f u li n f o r ma t i o n e x t r a c t i o n ． S e c o n d ，t h e i n s t r u me n t a n d ma t e r i a l f o r p h y s i c a l mo d e l t e s t i S s t u d i e d， a n d be n e f i e i a l e xp l o r a t i on f o r a dv a nc e d d e t e c t i o n wi t h e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y me t h od i S t a ke n i n l a b or a t or y s c a l e ． Re s u l t s v e r i f y t he e f f e c t i v e n e s s o f t he me t ho d ． Fi n a l l y， a d va n c e d de t e c t i o n wor k i S t a ke n i n p r a c t i c a l p r o j e c t ，a n d q u a l i t a t i v e j u d g me n t o f wa t e r b e a r i n g s t r u c t u r e i s r e a l i z e d ．Th e a p p l i c a t i o n e f f e c t s h ows t h a t t he f or wa r d m o d e l i ng pr o vi de s i mpo r t a nt gu i de f o r e ng i ne e r i ng a p pl i c a t i o n．I t a l s o l a i d a s ol i d f o und a t i on f o r 3 D e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y i n ve r s i o n t o m o g r a p hy a nd l oc a t i on o f wa t e r be a r i ng s t r u c t u r e ． Ke y wo r ds t unn e l s a n d t un ne l i n g； wa t e r be a r i ng s t r u c t u r e； g e o l o gi c a l p r e d i c t i o n； e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y me t h od；f o r wa r d m o d e l i n g；ph ys i c a l mod e l t e s t ；e n gi n e e r i n g a pp l i c a t i o n 收稿 日期 2 0 1 1一 O 4 2 8 基金项 目 国家 自然科学基金 重点项 目 5 1 1 3 9 0 0 4 ； 国家 自然科 学青 年基金 项 目 4 1 1 0 2 1 8 3 ； 山东 省 自然科学 基金 项 目 Z R 2 0 1 1 E E Q 0 1 3 ， Y2 0 0 8 F 2 2 ； 中 国博 士后 科 学基 金 项 目 2 0 1 1 0 4 9 1 5 9 6 ； 山东 大学 自主 创新 基 金 项 目 2 o o 9 J C0 0 5 ， 2 0 1 0 GN0 5 9 作者简 介 刘斌 1 9 8 3-- ， 男 ， 讲 师 ， 博士 ， 主要从事地下工程地质 灾害预报与防治研究 ， E ma i l l i u b i n 0 6 3 5 1 6 3 ． c o m。 第 1 期 刘斌 ， 等 隧道含水构造 电阻率法超前探测 正演模 拟与应 用 2 4 7 0 引言 随着 我 国基 础 设施建 设进 程 的加 快和 能源 战略 的实施 ， 在交通 、 水利水 电、 矿 山等领域将会修建更 多 的长大 隧道 隧洞 工程 。这些工 程施 工 中面 临着 突 涌 水 、 突 涌 泥 、 塌方等诸多高风险地质灾害。 突涌水 灾 害 已经 成 为制 约 隧道等地 下 工程建 设 的瓶 颈 问题 ， 作 为突 涌水 等地 质灾 害 的源头 ， 掌子 面前 方 的含导水地质构造的探测成为亟待研究和解决的重 要 难题 训 。 隧道施 工期 的含导水 地 质构造 超 前预报 是备 受 关 注 而又 未能很 好 解决 的难 题 。含 水 地质构 造 具备 2个基本要素 地质构造和水体 ， 地质构造是水体赋 存的基本场所 ， 而水体则是灾害风险程度 的决定性 因素。 目前常用 的地质预报方法可分为地质分析法 和地球 物理 勘探 法 。其 中 地 质 分 析法 是 一 种 宏 观 预 报方 法 ， 预报 精度 较低 ； 而地 球物 理探 测手 段 中的 地震反射类方法对断层、 溶洞等地质构造有较好的 探测效果， 但是无法探 明其 中是否含水。电磁类方 法 地质 雷达 法 _ 5 ] 、 瞬变 电磁 法 抗 干 扰能 力较 差 ， 导 致 关于 水体 的有 效信 息 很 难 辨 识 。总 之 ， 目前 还 没 有 用 于隧 道 地 质 预 报 的对 水 体 探 查 效 果 较 好 的 手 段 。 围岩 的 电 阻率 参 数 对含 导 水 地 质构 造 的位 置 、 规模、 形态等响应敏感 ， 因此利用电阻率法进行含导 水 地质 构造 的超 前探 测具 有独 特 的优势 。许 多学 者 对隧道中的直流电阻率法超前探测进行了探索和研 究 。岳建华 、 刘树才等 对 矿井直流 电法进行了系 统的研究； 李学军等 对三极电法超前探测 的基本 问题 进行 了研 究 ， 总 结 了具 体 应 用 的 经 验 和 效 果 。 上述工作为直流电阻率法的超前探测研究奠定了重 要基 础 ， 但是 较 为偏重 现场 实践 ， 理 论和试 验 研究 较 为滞 后 。黄 俊革 _ 】 、 刘斌 Ⅲ 】 等 针对 无 限大低 阻板 体 含水 断层 和球体低阻异常 充水溶洞 的超前探测 通过 正演 计算 总结 了异 常 规 律 ， 设 计 了阻 尼 最 小二 乘快速反演方法 ， 提高了解释效率和准确性； 但他们 均假 设掌 子面 前方 只存 在一 个形 状较 为规 则 的含水 体 断层或溶洞 ， 因此有待对多个复杂形状含水体 的超 前探 测 问题进 行研 究 。 强建科等 。 指出， 电阻率法进行超前探测时测 线附近介质的影响干扰复杂 ， 使得直流电阻率法三 极法 超前 探测 前 景 “ 令 人 担 忧 ” 。 因此 ， 对 于 三 极法 直流电阻率法超前探测而言 ， 如何识别和去除旁侧 干扰是三极法超前探测 的关键 问题 。阮百尧等u 提 出 了一 种 聚焦超 前 探 测 方 法 ， 该 法 对 异 常反 应 明 显 ， 但是响应距离较短 ， 尚处于理论探索阶段 。 由上 可见 ， 电 阻率 法超 前 探 测研 究 中存 在着 理 论研究落后于现场实践的问题 ， 同时其正演 、 干扰去 除等关键 问题未能解决。针对上述问题 ， 笔者利用 数值方法和物理模型试验对含水构造的超前探测进 行 了系统 研究 ， 相 关结论 在 工程 中得 到 了验证 ， 为实 现含水构造的三维反演定位奠定了正演基础 。 1 电阻率法隧道超前探测数值正演 1 ． 1 含 导水 地质 构造 地 电模型 对典 型 的含导 水地 质构 造进 行如 下概化 1 对于断层、 破碎岩体含水带、 构造裂隙含水带 以及 宽度 偏 窄 的裂 隙状 溶洞 ， 可概 化 为平板 ， 厚 度为 1 1 “1 “1 左 右 ， 可达 4 m。 2 对 于溶 洞 ， 特别是 近 球形或 椭球 形溶 洞 ， 可概 化 为球体 ， 直径 为 0 ． 5 43 m。 1 ． 2 隧 道超前 探 测装置 形式 选 择 定 点 源 三 极 法 作 为超 前 探 测 的 装 置 形 式 图 1 ， 将测 线 沿隧道 走 向布 置在 底 板 或边 墙 上 ， 将 供电点源 A极固定在掌子 面处不动， B极放置在无 穷远 处 固 定不 动 ， 而测 量 电极 M 极 和 N 极 沿 测 线 移动 以 采 集 数 据 ， 设 M 极 与 N 极 之 间 的 距 离 为 MN ， A 极 与 M 极 之 间 的距 离 为 AM 。在此 基 础 上 设计了多测线立体测量方式， 在隧道底板上或边墙 上布 置多 条平行 测 线 ， 有 利 于 增 加携 带 掌 子 面 前方 地质 情况 的信 息量 。 l I 1电位差测罱 o 。 禽水构造 极 撇Ⅳ极 图 1 电 阻率 法 隧道 超 前 探 测 测 量 方 式 Fi g ．1 M e a s u r e m e nt m o de wi t h e l e c t r i c al r e s i s t i v i t y m e t hod 1 ． 3 电 阻率法 隧道 含水构 造超 前探 测数 值正 演 1 ． 3 ． 1 单个直 立含 导水 断层 超前探 测数 值 正演 将含水断层裂隙、 破碎带或裂隙状溶洞简化为 一 个具有较低电阻率的薄板 ， 假设 围岩的电阻率是 均匀的， 除含导水断层 和隧道空腔之外没有其他异 常体 ； 假设薄板的倾角为 9 o 。 ， 且走向与隧道轴线垂 2 4 8 吉 林 大 学 学 报 地 球 科 学 版 第 4 2卷 直 。 左为立体图 ； 右为平面 图。 图 2 单个直立含导水 断层超前 探测地电模型示意 图 Fi g ．2 S c h e ma t i c di a gr a m o f a dv a nc e d d e t e c t i o n g e o - e l e c t r i c m o d e l o f s i ng l e v e r t i c al wa t e r b e a r i ng - f a ul t 如 图 2所 示 ， 原 点 位 于 底板 中线 与 掌 子 面 的交 点 ， 测 线位 于 隧道 底 板 中 线 ， z ， z ， z 分别 为薄 板 沿 ， Y ， z 轴 的 边长 ， 为 A 极 与薄 板前 沿 的距 离 。 设计 了 2组 地 电模 型 ， 参 数 如 表 1 。设 是 变 化的， 表示不同位置 的断层 ， 令 隧道腔 体 电阻率 J0 。 1 1 0 Q I T I 。 图 3是 正 演 结 果 掌 子 面 前 方 不 存在异常体时 ， 曲线存在极小值 ， 是单纯由隧道腔体 引起 的， 为纯隧道异常； 掌子面前方存 在含水体时 ， 曲线也存在极小值 ， 是 由隧道腔体和含水体共同造 成 的 ， 其 异 常 幅度显 著 提高 。 表 1地 电模 型的参数 Tab l e 1 Pa r a me t e r s o f g e o - e l e c t r i c mo de m 注 P 1 ， P 2分 别 为 围 岩 和 断 层 的 电阻 翠 视 电 阻率 异 常 响 应具 有 如 下 特 征 曲线 形 态受 多个 因素的综合影响， 围岩与断层 电阻率差别越大 ， 断层 厚 度越 大 ， 断 层 距 掌 子 面 越 近 ， 则 数 据 异 常 越 大 ， 反之， 数据异常越小 ； 曲线 的极小值是表征掌子 面前方低阻体存在 的重要特征 ， 对于具有 同样参数 的低 阻断层 ， 极 小值 位 置 L 。 随着 d的增加 而 增 加 ； 在 测线 足 够长 的情 况 下 ， 曲线 的尾 支 数 值 趋 于 围岩 的电 阻率 。 1 ． 3 ． 2 多个含 导 水断层 超 前探 测数 值 正演 设计了 2条断层 的简化地 电模型。其 中 各条 g C； 爵 掣 疑 吕 a 横 口 皋 0 2 0 4 0 6 0 8 0 l O 0 A m o d 2m ～ d 8m * d 2 0m ， 一d 4 m ～d1 0m 一 d 3 0 m 一 d6m dI 5m ．- d 5 0m O 2 O o d 2m c } 一d8 m ． 一 d3 01 “13 ． 8 0 1 0 0 ．- 一 d 6m l 5m a ． 第一组模型视 电阻率正演结 果； b ． 第 二组模 型视 电阻率正演结 果 图 3单个含 导水断层超前探测数值正演 结果 Fi g ． 3 Fo r wa r d m o d e l i ng r e s ul t s o f s i ng l e wa t e r b e a r i ng - f a ul t a dv a nc e d de t e c t i o n 断层 均为 直 立 断 层 ， 且 走 向 均 与 隧 道 轴 线 垂 直 ，2 条断层的中心距离为 d 。假设首个断层 将距掌子 面最近的断层称为首个断层 的位置固定 ， 而其他断 层位置变化 ， 这样便有了多种组合 ； 再假设各条断层 的厚 度 、 电 阻率 均相 同。首个 断层 的参 数 如下 p 一 3 00 0 Q m ， 2 1 0 Q 。m ， d一 8 ． 0 m ， Z 一 2 。0 n l ， MN2 ． 0 m。正 演 结 果 如 图 4所 示 ， 分 析 可 知 与 单个 断层 的超前探测 曲线相 比， 2个断层超前探 测 数据幅值均有所降低 ， 但并没有因首个断层后方其 他断层的存在而导致 曲线出现对 应的极值点 ； 这表 明通过对视 电阻率曲线的直观分析无法判断首个断 层后 方是 否 存在其 他 断层 。 O O O O 0 0 O 咖 ㈣ 4 3 3 2 2 1 1 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 4 2 l 0 9 8 7 n m m ∞ } { 一 第 1 期 刘斌 ， 等 隧道含水构造电阻率法超前探测正演模拟与应用 2 4 9 舍 褂 童 魁 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 AM 1 m 图 4多个 含 导 水 断 层 超 前探 测 数 值 正 演 结 果 Fi g ．4 Fo r wa r d mo d e l i ng r e s u l t s of mul t i p l e wa t e r b e a r i ng - f a ul t s ad v a nc e d d e t e c t i on b C d a ． 倾斜断层立体 图； b ． 倾 斜断层 平面 图 ； C ．倾斜 断层 立面 图 ； d ． 倾斜 断层 正面图。 图 5倾斜含水断层超前探测地 电模 型 Fi g ．5 Adv a n c e d de t e c t i o n g e o - e l e c t r i c mod e l of i n c l i ne d wa t e r be a r i n g - f a u l t s 1 ． 3 ． 3 倾 斜含 导 水断层 的超 前探 测数 值正 演 设计了一组倾斜 断层超前探测的地电模 型 图 5 ， 倾斜断层的展布形态如图所示 ， 网格 的边长为 5 m， 模 型参 数为 fD 1 3 0 0 0 Q m， p 2 1 0 Q m， MN 一 2 m。布置了 4条测线 测线位置如 图 5 d 。 图 6为数值正演结果。可见 测线一 的数据异 常 响应 最为 明显 ， 这 是 因为 测 线 一距 离 含 水 断 层 最 近 ， 所 受到 的 电场 畸变影 响最 为严 重 ； 而测线 四的数 据 异 常响应 最 为微 弱 ， 因 为 其距 离 断 层 最 远 。 由此 可见 ， 视电阻率数据的幅值大小与掌子面前方的含 水体的分布情况有关， 因此 ， 采用多测线立体测量方 式有利于获取关 于含水构造展布形态的更多信息 。 晕 e 瓣 氍 魁 2 0 0 0 L _ ‘ 0 2 0 4 0 6 0 AM ／ r n 图 6倾斜含水 断层裂隙超 前探 测数 值正演结果 Fi g ． 6 For wa r d mo de l i ng r e s ul t s o f i nc l i n e d wa t e r be a r i ng - f a u l t a d v a nc e d d e t e c t i o n 1 ． 3 ． 4含 水溶 洞与 断层超 前探 测数值 正 演 设计 了含 水溶 洞 与断层 组合 超前 探测 的地 电模 型 图 7 。溶 洞 的半 径 为 2 m， 断层 的参 数 为 一 z 2 4 m， Z 一2 m， p 】 3 0 0 0 Q 1T I ， 溶} 同和 断层 的 电阻率 为 p z 一1 0 Q 12 “1 。在底板 布 置 了 2条测 线 。 a ．立体图 b ． 平 面 图 a ． 立体图 ； b ． 平面图。 图 7含水 溶洞 与断层组合超 前探 测地 电模 型示意图 Fi g ．7 Sc he m a t i c d i a g r a m o f a dv a nc e d d e t e c t i o n g e o - e l e c t r i c m o de l o f wa t e r be a r i ng c a v e a nd f a u l t 图 8为正 演 结果 ， 与单 个 溶 } 同或 单 个 断层 超 前 探测 的数 据相 比， 观测 数 据 对 这 两者 组 合 的响 应较 为敏感。测线一要 比测线二的异常明显 ， 前者距溶 洞较 近 ， 该处 电场 畸 变 较 大 ； 而 后者 距 溶 洞 较 远 ， 电 场 畸变较 小 。另外 ， 当断 层 比溶洞 更接 近掌 子面 时 ， 数据对这种地质组合的响应与单个断层的响应基本 一 致 ， 表明断层异 常会 掩盖其后方 轴 负方 向 含 水溶洞异常 ， 这不利于断层后方含水溶洞的发现。 O O O 0 O 如 ∞ 如 ∞ 如 4 4 3 3 2 O O O O O O O O 0 0 O O O 砌∞加∞∞∞ 砌∞洳∞∞砌 2 5 O 吉 林 大 学 学 报 地 球 科 学 版 第 4 2卷 吕 a 模} 丘d 疑 0 0 0 9 9 0 9 8 0 9 7 0 2 9 6 0 一。 0 2 0 4 0 6 0 8 O l O 0 AM ／ m 一 断层测线⋯ - 断层测线二 一 溶洞测 线⋯ J 一 溶洞测线 一 断层加溶洞测线一 o _ 断层加溶洞测线二 图 8 含水 溶洞 与断层组合超前探测数值正演 结果 Fi g ．8 For wa r d m o d e l i ng r e s ul t s o f wa t e r b e a r i ng - ka r s t c a v e a n d f a ui t a dv a nc e d de t e c t i o n 1 ． 4 电 阻率 法超 前探 测的 干扰 识别 与去 除方 法 实 际工程 中， 测量电极 附近 电阻率 的不均一性 会 给 观测 数据 带来 扰 动 ， 这是 电 阻率 法 超 前 探 测 中 最主要 的干扰 。针对该 问题 ， 提出了一套干扰去除 方 案 1 对 于单 个 干 扰 的情 况 ， 视 电 阻率 曲线 往 往 表 现为 单个 突变 性 极值 ， 通 过 数 据 圆 滑技 术 可 去 除 该 干扰 。 2 对于 多个 干 扰 的 情 况 ， 视 电阻 率 曲线 异 常较 为 复杂 ， 提 出 了电 阻率 层 析 成像 法 E R T 的解 决 思 路 ， 沿超 前 探测 测线 布 置 一 条 E RT测 线 ， 通 过 反演 得到测线附近的电阻率分布 ， 利用“ 比值法” 将干扰 剔 除 。 单个异常体干扰的去除方法笔者 已在文献E 1 1 ] 中进行 了研 究 ， 不 再 赘 述 。为 了验 证 多 个 异 常 体 干 扰去除方法的有效 性， 设计了含 有旁侧干扰 的地 电 模型 图 9 ， 底板 以下存在干扰体 。模型参数为 d 一 1 0 m ， P1 1 0 Q ’m ， P 2 3 0 0 0 Q ‘m ， Z 一 1 6 m ， z 一1 6 m， z 一1 m。异 常体 ① 、 ② 、 ③ 距 掌 子 面 的距 离分 别 为 I O m， 1 7 m， 2 4 m， 顶部距 隧 道底 板距 离 为 3 m， 在 z方 向上 的 厚 度 为 1 m， 方 向上 的长 度 为 1 2 m， 方 向上 的长度 为 2 m， 电阻 率为 8 0 0 Q m。 3个异常体同时存在时曲线形态发生 的变化较 为复杂 ， 如 图 l O a所示 。利 用 E R T对 底 板 以下 的异 常 情况 探 测 ， 通 过 三 维 反 演得 到底 板 以下 的 电阻 率 结 构 ， 将异 常 体从 反演 结果 中提 取 出来 图 l o b ， 可 见 反 演结 果 与实 际情 况基本 一 致 。针对 图 l O b中只 存 在 3个 异 常体 的情 况 进 行 超 前 探 测 正 演 ， 得 到 异 常体 引 起 的 视 电 阻 率 异 常 图 l O c 。 利 用 “ 比 值 法” ， 从原数据 中将异 常体 干扰异常去除 ， 发现去除 隧道 含水断层 图 9含有旁侧干扰 的含水 断层 超前探 测地 电模 型 示意 图 Fi g ．9 S c he mat i c di a g r a m o f ad v a nc e d d e t e c t i on g e o - e l e c t r i c mo d e l o f wa t e r b e a r i n g - f a u l t wi t h i n t e r f e r e nc e 之后 的数 据 与不含 干扰 的数 据 基 本 吻 合 ， 可 见 利 用 E RT 反 演 方 法 可 较 好 地 去 除 多 个 异 常 体 的 干 扰 。 比值 法 的公 式如 下 ID 。 去除 一 lD 干扰 巳 塑 。 1 s 纯干扰 式 中 l0 去 除为去除干扰后的视电阻率数据 ； lD 干 扰为含 有 干扰 信息 且掌 子 面前方 含水 体 同时存 在 时 的视 电 阻率数据 ； ．D 。 纯 干 扰为只含有干扰体信息的纯干扰视电 阻率数 据 ； p 。 纯 隧 道是指 单 纯 由于隧 道腔体 引起 的视 电 阻率异 常数 据 。 2 电阻率法 隧道超前探 测物理模型试验 2 ． 1相似 原 理 电阻率法模型试验的相似性需要满足以下两个 方面 1 几何因素 比值统一为 G， 几何因素包括地质 体 的几 何 形状 、 大 小 、 埋深 、 位 置 、 电极 位 置 、 地形 形 状等 ； 2 各电性不均匀体 的比值需 与实际地质条件 一 致 。满足 上述 两 个 条 件 ， 所 测 的 归 一 化视 电 阻率 曲线 与实 际情 况下 的归 一化 电阻 率 曲线形 状一 致 。 2 ． 2试验 装 置 系统 2 ． 2 ． 1 试 验模 型 架 设 计 了隧 道三 维全 空 间超前 探测 物理 模 型试 验 台架 装置 ， 该 台架 由槽 钢做框 架 ， 由小 型钢 板 拼装 而 成 ， 尺寸为宽 2 m高 2 m长 4 ． 5 IT I ， 内里涂绝缘 漆 以模拟 高 阻边界 。该 试 验 中的含 水构 造采 用具 有 代表 性 的含 水 断 层 ， 位 于 掌 子 面 正 前 方 ， 尺 寸 为 高 2 ． 0 m宽 2 ． 0 m厚 0 ． 2 I n ， 产 状 直 立 ， 走 向 与 隧 道轴线垂直 。隧道腔体采用高强度高 电阻率 P VC 材料 ， 断 面 为 半 圆 形 ， 外 径 为 0 ． 1 5 m， 长 度 为 3 ． 2 m。测线 布 置在 隧道 底板 图 l 1 ， 长 度为 2 ． 5 0 m。 第 1 期 刘斌 ， 等 隧道含水构造 电阻率 法超 前探测正演模拟与应用 冒 舀 料 爱 拳 g c} 尉 露 0 0 0 5 0 0 00 0 0 昙5 l 0 0 2 0 40 6 O 8 O l 0 O AM ／ m 8 0 0 1 6 0 0 2 4 0 0 3 20 0 电阻率／ Q m a ． 多个 干扰体存在 时的正演数据 ； b ． 干扰体 探测 的反演 结果 ； C ． 干扰去除之后的正演数据 。 图 1 0 多个异常体 的干扰去 除 Fi g． 1 0 I nt e r f e r e nc e r e m o v al o f m ul t i p l e a n o m al o u s b o di e s 7 ． 5 c m 测线三 ，电极 间距5 c m 7 ． 5 c m 测线 二 ， 电极 间距 5 c m 测线一，电极 问距1 0 c m 图 l l 测 线 布 置 及 电 极 埋 设 Fi g ． 11 Su r v e y l i ne an d e l e c t r o d e s l a y o u t 2 ． 2 ． 2 模 型试验 相似 比与材料 本模型选择几何 因素相似 比值为 4 O 。选定 黏 土作为围岩材料 ， 石英砂作为含水构造的填充材料 。 围岩的电阻率 p l 是一个 固定 值 ， 约 2 0 0 Q m。含 水 构造 的 电阻率 是一 个 变化 值 ， 通 过 改 变 含 水 构 造 中的含水率模拟不同电阻率值的含水构造。 分步骤向断层 中注水 ， 每次注水后采集一次数 据 ， 以便研究不同水量情况下各观测数据的异常特 征 。 吕 a 糌 蛊 ．蛊 皇 a 模 爱 疑 AM／ m 第 次加水 0 ． 0 9 6 m 第三次加水 O ． 1 4 4 m 第四次]J r l T k o ． 3 6 0 m 第五次加水 O ． 5 5 2 m a ．测线一的试验数据 ； b ．测线三的试验数据 。 图 1 2 各 测 线 的视 电 阻 率试 验 数 据 Fi g ． 1 2 Appa r e nt r e s i s t i v i t y t e s t da t a o f e ac h s u r v e y l i n e 2 ． 3 含水 构 造超前 探测 试验 数据 分析 2 ． 3 ． 1试验数 据 分析 试验数 据 如 图 1 2 。结果 表 明 各 测 线数 据 对 含 水构 造具 有 明显 的响应 特征 ， 各 条 曲线 在 0 ． 8 ～1 ． 2 m 范 围 内均存 在极 小 值 ； 每 条 曲线尾 支 的视 电阻 率 值均趋于 2 0 0 Qm， 与本试验 中围岩的电阻率 2 0 0 Q m 相 当， 这个结论 与数值正演研究所得到的结 论一致 ； 视 电阻率数据对于含水构造 电阻率 的变化 响应 敏感 ， 每条 测线 中 的 曲线 幅值 均 随着 电阻 率 的 降低 而降低 。 2 ． 3 ． 2 试 验数 据与 数值 正演 结果 对 比 根据试 验原 型尺 寸 和 电阻率分 布建 立三维 有 限 单 元模 型 ， 进 行 数值 正演 。由于篇 幅所 限 ， 只 给出测 线 一 上第二 次 和第 四次加 水 的数值模 拟结 果 和试验 数据 图 1 3 ， 横 坐标 中括 号 中数字 代表 试验 中的 AM 值 ， 括号外的数字代表对应原型的 AM 值 。经 测定 ， 第二次加水后断层电阻率为 9 1 ． 2 Qm； 第四 次加 水后 断层 电阻率 为 l 1 ． 7 Q m。可 见试 验数 据 与数 值模 拟数 据基 本 一 致 ， 既 验证 了数 值 正 演 的 正 2 5 2 吉 林 大 学 学 报 地 球 科 学 版 第 4 2卷 确 性 ， 又检 验 了定 点 源 三极 法 工 作 方 式 超 前 探 测 的 有 效性 。 3 0 0 25 0 三 2 0 0 5 0 1 O 0 耋 5 0 O O 2 0 0 ． 5 4 0 1 ． 0 6 0 1 ．5 8 0 2 ． 0 1 0 0 2 ． 5 AMf m b ．．． j ． 一 L ． ． ． L． 一j ． i 2 0 0 ． 5 4 0 1 ． 0 6 0 1 ． 5 8 0 2 ． 0 1 0 0 2 ． 5 AM／ m a ． 第 二次加水 ； b ． 第四次加水 。 图 l 3试 验 数 据 与 数 值 正 演 结 果 Fi g ． 1 3 Te s t da t a a nd nume r i c a l f o r wa r d mod e