【正文】 瞬變電磁數(shù)據(jù)精細處理與解釋方法研究； c) 瞬變電磁 法 對 各種 水體 病害 響應的物理與數(shù)值 模擬 實驗研新建鐵路成都至重慶客運專線 CYSG3 標段 隧道超前地質預報施工方案 7 究； d) 瞬變電磁儀器改進及其專 用后處理軟件的優(yōu)化研究； e) 隧道主要干擾因素對瞬變電磁信號響應特征的影響研究； f) 瞬變電磁接收探頭屏蔽效果及抗干擾能力試驗研究 。 ② 復合式激發(fā)極化法 a) 適用于隧道超前預報的三維全空間正演計算方法的研究； b）適用于隧道超前地質預報的電極布置方式的優(yōu)選； c）適用于隧道超前預報的三維全空間的快速有效的反演方法研究； d) 開展二次時差參數(shù)與涌水量關系的模型試驗研究，為含水構造涌水量的預測奠定試驗基礎； e）在隧道施工中的干擾因素及資料解釋時消除方法的研究； f) 復 合式激發(fā)極化法儀器及電極的改進； g）直流電阻率法、時域激電法、頻域激電法等多參數(shù)聯(lián)合解譯軟件的開發(fā)。 2）綜合物探法對探查到的含水構造空間精細定位技術的研究； 3）地質方法與最佳物探方法相結合的巖溶裂隙水預報系統(tǒng)研究； 4）地面補充勘查與隧道內地質預報相配合的方法和原則研究 。 （ 4）高風險巖溶隧道 突水前兆信息演化規(guī)律與破壞機理研究 1）研究巖溶地區(qū)隧道突水前兆信息特征及其演化規(guī)律 ① 研究巖體在水力耦合條件下破裂突水的多場前兆信息特征及其耦合演化規(guī)律，包括聲場、電場、溫度場、 滲流場、應力場和位移場的信息演化特征； ② 研制新型 固 流耦合相似材料和 突水 模型試驗裝置，通過對不同含水構造開展相似模型試驗研究，分析不同突水條件下巖體破裂新建鐵路成都至重慶客運專線 CYSG3 標段 隧道超前地質預報施工方案 8 的前兆信息特征及其破壞模式； ③ 基于相似模型試驗，對突水前兆信息進行系統(tǒng)分析，建立隧道突水信息識別模型 和突水監(jiān)測理論體系，研制突水前兆多元信息采集的監(jiān)測系統(tǒng) 。 2） 突水通道形成機理 的 研究 ① 研究巖溶地區(qū)常見含水構造模式，從地質角度分析其巖溶構造形成機理及其相應的 突水模式； ② 研究裂隙巖體突水通道發(fā)育生長過程，分析含水單裂紋擴展、相鄰裂紋貫通直至最后突水通道的形成機理 。 3）地質缺陷滲透失穩(wěn)突水的災變機理與突變模型研究 ① 對巖溶隧道突水實例進行調研分析，系統(tǒng)歸納典型的突水類型，基于巖土 力學和巖溶學分析其災變機理； ② 以典型含水構造系統(tǒng)勢能為目標函數(shù)，引入輔助函數(shù)建立典型突水模式的突變模型，并分析其災變演化路徑 。 ③ 針對不同充填物類型 ，建立 相應的滲透失穩(wěn)力學模型，并對突水量和涌泥量進行預測 。 （ 5）高風險巖溶隧道災害風險評估及快速預警機制研究 1）建立有效的災害預警機制和臨災快速反應機制； 2）通過對施工中出現(xiàn)的不良地質體前兆的研究，建立正確預測地質災害類型、規(guī)模及風險評估的方法； 3）基于巖溶裂隙發(fā)育的特征和規(guī)律、超前預報成果及巖溶隧道突水機理研究，建立巖溶隧道突水風險評估標準及有效預警方案 。 （ 6）高風險巖溶隧道注漿施工工藝及材料優(yōu)化研究 1）研究不同含水構造潛在突水模式的治理方法，提出相應有效快速的施工工藝和工法； 新建鐵路成都至重慶客運專線 CYSG3 標段 隧道超前地質預報施工方案 9 2）研究巖溶突水治理 漿材的合理選型，開展水泥、特種水泥和化學漿液等注漿材料的優(yōu)化研究； 3）研究化學漿液的加固和封堵性能，對漿液的擴散半徑、加固強度和封堵參數(shù)等技術指標進行量化分析 。 關鍵技術 （ 1） 流域分析理論和技術方法在三峽低臺原區(qū)和西部巖溶隧道建設中的應用 。 （ 2） 巖溶地下水位判別技術與方法及其在依托巖溶隧道工程建設中的應用。 （ 3） 地質方法和物探方法最佳組合的地質缺陷和巖溶裂隙水超前預報系 統(tǒng)， 綜合物探方法探 查 結構的可視化圖象處理軟件與 解譯理論體系 的建立 。 （ 4） 新型固流耦合相似材料 和 突水多 元信息采集系統(tǒng) 的研發(fā)，突水模型架內置含水構造和地質缺陷的實現(xiàn)方法。 （ 5） 巖溶突水、突泥前兆特征及其多場耦合演化規(guī)律與失穩(wěn)突水、突泥機理 的內在聯(lián)系，系統(tǒng)失穩(wěn)災變的演化路徑的力學描述 。 （ 6） 巖溶洞穴、巖溶水的治理措施及巖溶隧道施工工藝和方法 。 （ 7） 合理 的災害預警系統(tǒng)和風險控制措施 ，對大型和特大型突水、突泥災害實現(xiàn)有效控制 。 考核目標 （ 1） 確保依托工程的安全和順利施工。 （ 2）建立峽谷低臺面地質比較成熟的流域分析理論、方法與技術。 新建鐵路成都至重慶客運專線 CYSG3 標段 隧道超前地質預報施工方案 10 （ 3） 為 峽谷低臺面巖溶隧道建設提供一套 可靠的施工期災害超前預報綜合技術及控制 方法， 并 在幾種主要預報方法的理論方面取得突破性進展 。 （ 4） 研制突水前兆信息監(jiān)測系統(tǒng)， 實現(xiàn)突水前兆多元信息的并行采集與綜合處理， 并 建立 隧道 突水信息識別模型和突水前兆實時監(jiān)測理論體系。 （ 5） 提供實用的成套溶穴及巖溶裂隙水封堵與排導技術；發(fā)展和完善 2 種較好探水物探設備。 （ 6） 按課題提交成果報告 ， 發(fā)表學術論文 10 篇，出版專著 1 部，成功申報專利 3 項， 并預計研究成果達國內領先水平，部分達國際先進水平。 技術路線 基本 思路 中生古長江西流 先注入四川盆地，形成巨原侏羅系和百堊湖盆沉積，再向西流至南部亞洲大 陸南緣和西南緣的古特梯斯海洋 。 在至今約 5000 萬年的下第三紀始新世 ，喜馬拉雅山開始抬升，中國大陸形成西高東低的地貌格局，長江開始穿越現(xiàn)今三峽一帶的低山區(qū)，轉向東流。江漢平原底部的始新世陸相沉積見證了這一地貌格局的根本性轉變。在第三紀至第四紀約 5000 萬年的時間里，在喜馬拉雅山運動三個幕次的接連作用下，三峽地區(qū)間歇性地隆起，在現(xiàn)今三峽地區(qū)形成深約 20xxm 的“穿山” 式深切峽谷。三峽兩側以及臺面以下的幾級長江階地發(fā)育的鄂西期、山原期、山盆期三組臺面記錄了這一隆起和“切穿”的全過程。 我國半個世紀的巖溶地質學時間 表明，巖溶流域是巖溶水賦存和新建鐵路成都至重慶客運專線 CYSG3 標段 隧道超前地質預報施工方案 11 巖溶作用進行的基本自然單元，是由 3 個層次的子系統(tǒng) (個體含水形態(tài)或個體巖溶形態(tài)；含水構造或地下巖溶組合形態(tài)；含水層或可溶巖組 )構成的一種復雜原系統(tǒng)。每級子系統(tǒng)又由若干組分構成。巖溶個體形態(tài) (個體含水形態(tài) )和組合形態(tài) (含水構造 )是引發(fā)隧道地質災害的元兇。但要查明其三維空間分布，必須對流域系統(tǒng)全部 4 個層次及其組分的關聯(lián)進行系統(tǒng)分析。對巖溶流域這類巨系統(tǒng)的結構、物質流、能量流和信息流進行系統(tǒng)分析稱為“巖溶流域分析”。我國巖溶地質工作者已在巖溶流域分析的理論、方法和技術方面積累了相當成熟的經(jīng)驗，并逐步成功應用于水資源的開發(fā)和水電、鐵路、公路等工程的建設中。 應用巖溶流域分析技術查明工程區(qū)域巖溶地質規(guī)律，并將分析結果應用于物探方法的實測資料解譯、探測精度以及正、反演等研究中，以此提高物探理論、技術和方法，尤其是在對大型地質缺陷體的準確預測預報方面。同時，結合施工揭露圍巖巖溶特征，開展突水機理的儀器研制、力學模型以及突水判據(jù)等研究，并研制出突水前兆信息監(jiān)測系統(tǒng)。 在施工過程中，跟蹤隧道地質調查、超前預報以及突 (涌 )水治理情況，應施工方要求開展原位注漿試驗，提供 巖溶裂隙水的綜合治理技術和地質災害預警 方向案，為避免大型地質災害的發(fā)生建立 快速 反應體系及有效治理方案。 本項研究的特點是把流域分析法 、綜合預報技術 以及突水實監(jiān)測理論等最新研究方法 應用于山原峽谷型巖溶的低臺面隧道地質災害的預報與控制 ， 其創(chuàng)新之處在于地質和巖土力學的交叉滲透，從解決生產的關鍵技術出發(fā)，經(jīng)理論研究和技術開發(fā)，回到實用技術的 具體實踐中 。 新建鐵路成都至重慶客運專線 CYSG3 標段 隧道超前地質預報施工方案 12 技術路線 以系統(tǒng)科學思想為指導，運 用巖溶發(fā)生學、 巖土 力學、裂隙巖體水力學、地球物理探測及能量突變等 理論 的最新成就 ， 借助 現(xiàn)場試驗、室內試驗、物理模擬試驗和數(shù) 值實驗相配合 手段， 在 分析三峽地區(qū)低臺原面 巖溶流域 的結構、物質流、能量流和信息流的基礎上 ， 建立預測 隧道掌子面前方 災害靶段 (地質缺陷和突水構造 )位置的 綜合物探方法和以瞬變電磁 和激發(fā)激化法 為主的探查巖溶裂隙水的綜合預報方法；從理論上揭示巖溶隧道不同含水構造的突水機理，建立隧道突水信息識別模型及其監(jiān)測方法和巖溶隧道地質缺陷突水的力學模型，基于不同突水模式的試驗研究及其突水前兆信息演化規(guī)律，研制突水前兆多元信息監(jiān)測系統(tǒng)， 從而形成巖溶裂隙水的綜合治理技術體系和地質災害預警系統(tǒng)，制定高風險巖溶區(qū)域地質災害快速 反應體系及有效治理方案，達到解決依托工程實際問題的目 標。 新建鐵路成都至重慶客運專線 CYSG3 標段 隧道超前地質預報施工方案 13 圖 1 技術路線圖 新建鐵路成都至重慶客運專線 CYSG3 標段 隧道超前地質預報施工方案 14 技術路線細化 以已有地質勘察資料及野外地質調查資料、隧道揭露 情況為基礎資料，建立流域分析法在巖溶隧道中的應用理論 ， 分析峽谷低臺原區(qū)卸荷裂隙的形成機理， 建立 巖溶地下水位辨別技術與方法 ，預測 災害靶段，如 潛在涌水點的 位置和 隧洞施工期和運營期涌水量及其動態(tài)變化 等 。 在此基礎上， 開展物探方法對隧道建設過程中地質缺陷探查有效性的理論研究，分析 各種物探方法的優(yōu)缺點及其適用性，并有針 性地與超前鉆、鉆孔電視等輔助設備配合使用 。其中 ，對于 TSP、陸地聲納、探地雷達等在探查裂隙、斷層等方面已證明為有效的方法，以強調加強與地質的結合、加強正反演問題計算方法的研究和采用減小或避免現(xiàn)場電磁場等干擾的工作方式為手段，提高其預報成功率及其準確性； 基于施工方提供的物探資料，以 現(xiàn)場準確測定巖體多層波速為切入口，特別是研究并突破彈性波類方法為基礎的現(xiàn)場實測傾斜各層巖體波速的理論、技術和軟件，提高確定被探測物體空間位置的精度。對探查溶洞等已有實效的陸地聲納、探地雷達等方法，進一步提高其資料 解釋 及處理水平。使它們能更加準確地預測工作面前方地質缺陷的類型 、 大 小和位置。同時進一步研究和重點突破地質缺陷是否含水的物探技術方法。通過對各種方法的理論研究和工程實用中發(fā)現(xiàn)的問題，對反映 地下水靈敏的電磁類方法進行改進和試驗，并開發(fā)相關的應用軟件； 解決 復合式激發(fā)極化法 和瞬變電磁法在隧道中應用的理論和正反演計算方法的問題，以達到瞬變電磁對含水構造的空間位置和新建鐵路成都至重慶客運專線 CYSG3 標段 隧道超前地質預報施工方案 15 復合式激發(fā)極化法 對含水構造水量大小的準確預報的目的，并以求 預報距離超過 60m；從而達到對高風險巖溶隧道含水構造的空間定位和含水體定量的準確預報 。 基于 三峽地區(qū)低臺原面 巖溶發(fā)育規(guī)律研究成果 和施工方超前地質 預報 的探測結果 ，確定 依托工程區(qū)域巖體的結構特征及其地質缺陷和含水構造的位置和大小，以 現(xiàn)場試驗、室內試驗、相似模型試驗和數(shù)值實 驗為 手段， 通過對現(xiàn)場突水、突泥實例宏觀前兆規(guī)律的系統(tǒng)總結， 研究巖溶地區(qū)巖體中含水構造在水力耦合條件下破裂突水 的 前兆信息特征及其演化規(guī)律， 從而 建立隧道突水信息識別模型、巖體突水破裂模式及突水地質災害的實時監(jiān)測理論 體系 ， 研發(fā) 巖溶突水前兆 多元 信息 并行 采集的監(jiān)測系統(tǒng) ； 基于對巖溶隧道大型突水實例的系統(tǒng)分析， 研究巖溶含水構造模式及其突水通道的形成機理及地質缺陷滲透失穩(wěn)突水的災變機理與突變模型， 開展 巖溶管道充填物滲透失 穩(wěn)突水涌泥機理及涌水量的預測 研究 ； 同時，基于層狀灰?guī)r的結構特征， 進行巖溶地區(qū)隧道防突水最小安全厚度影響參數(shù)研究（包括含水構造特征、地下水補給條件、施工開挖等） 。 綜合 三峽地區(qū)低臺原面 巖溶發(fā)育規(guī)律、地質缺陷及隧道區(qū)域含水構造的 分析結果 和隧道中潛在涌水點分布及涌水量大小的預測， 配合施工方開展突水前兆實時監(jiān)測工作，并 考慮適用于該工程區(qū)域的巖溶隧道突水的災變機理與突變模型，對依托工程區(qū)域的隧道分段進行突水等級劃分，從而進行隧道突水風險評估和制定相應的有效 預警方案；針對不同突水等級情況下的隧道巖體結構，并依靠有經(jīng)驗的 專家新建鐵路成都至重慶客運專線 CYSG3 標段 隧道超前地質預報施工方案 16 和施工單位開展對巖溶裂隙水的封堵和排導措施的研究資料， 應施工方需求，可 在隧道內選擇代表性區(qū)域作為試驗段，進行注漿堵水治理現(xiàn)場 原位試驗，同時在室內進行模擬試驗和數(shù)值實驗，研究 臨突信息監(jiān)測與巖 裂隙水的封堵技術，開展與突水等級對應的最佳注漿施工工藝研究和注漿施工材料比選優(yōu)化 工作 。為避免鉆深孔及注漿前建止?jié){墻及混凝土達到有效強