隧道施工地质灾害隐患的探查预报新技术及集成系统

将隐患变成明示将危险消灭在出现之前

——隧道及地下工程的施工中地质灾害隐患的

探查、预报新技术及集成系统

不仅要做抢险救险的英雄，更要做警示、避险的保障者

钟世航中国铁道科学研究院山东大学

北京水工资环新技术开发有限公司近几年，每年完成的以铁路、公路隧道达1000km以上，还有大量的水工隧洞、地铁、大型地下工程，还有更大量的煤矿、固体矿产的巷道和采区，许多工程都在地质情况复杂的地区，目前的安全形势严峻。对隧道施工地质预报提出越来越高的要求。物探工作者和地质工作者义不容辞地要迎着困难上，要做安全的“守护神”。隧道施工中遇到可能造成地质灾害的不良地质体，主要包括断层、破碎带及破碎岩体、某些强风化岩脉、溶洞、溶管、涌水、涌泥等，还有岩爆等，作者这里只介绍与坍方、涌水、涌泥有关的预报。岩爆等或许明年会议涉及。位于巫奉高速公路的桃树垭隧道，在ZK38+249前后发生坍方，坍方落物为大块的岩石。经调查和分析，这是原来未发现的断层造成的。一处坍方，坍深约3.5m

图中G为钢质拱架W为地下水

K为坍体中未填实的空洞隧道坍方至地面产生的塌陷洞锦屏二级电站辅助洞涌水园梁山隧道突泥被3#溶洞爆喷突泥所掩埋的电瓶车被3#溶洞爆喷突泥所掩埋的梭矿2#溶洞突水洞口2#溶洞突水洞内2#溶洞充填物锦屏二级电站辅助洞AK10+7AK10+750涌泥、涌水历史三：上世三纪70年代三起，三陆续三有零三星的三试验三工作上世三纪80年代三初，三我国三铁道三科学三研究三院围三绕大三瑶山三隧道三提出三科研三课题三未受三重视三，科三研项三目流三产，三大瑶三山隧三道突三水淹三没隧三道和三竖井三，80年代三中期三，大三秦铁三路隧三道“三处处三冒烟三”告三急，三铁道三科学三研究三院于19三86年在三南岭三隧道三开始三试验三，19三87年再三次提三出系三统研三究用三物探三技术三作隧三道施三工时三掌子三面前三方不三良地三质预三报的三可行三性研三究报三告，19三88年第1次讨三论性三评审三，19三89年作三为部三列可三行性三研究三项目三，19三90年可三行性三研究三通过三部组三织的三评审三，“三隧道三施工三时掌三子面三前方三不良三地质三预报三”列三为不三重点三科研三项目三。19三91年-1三99三5年铁三道部三组织三了11个单三位、设了6个子三课题三，经三过5年的三攻关三，采三取了三近乎三苛刻三的管三理方三法——设定三了两三个阶三段，三每阶三段定三了“三评考三”的三工程.经过3个阶三段，3次每三次3天的三专家三评审，最三终选三定地三震反三射负三视速三度法三（后三又称三隧道VS三P）和三陆地三声纳三作为三主要三方法三，探三地雷三达等三作为三辅助三方法三。第2阶段三由负三视速三度法三和陆三地声三纳法三各为三龙头三，分三成两三组。三对南三昆铁三路隧三道作三实测三预报三，前三者以三断层三预报三为主三，后三者以三断层三和溶三洞预三报为三主，三均取三得了三全部三预报三成功三，项三目获三南昆三线一三等奖三。攻三关成三果19三95年通三过铁三道部三鉴定。90年代三中，三水利三水电三部门三用探三地雷三达进三行了三掌子三面前三方地三质预三报。90年代三中，三瑞士Am三be三rg公司三推出TS三P，其三原理三与负三视速三度法三相同三，但三采用三一点三接收三，多三点放三炮激三震的三方式三。19三96年日三本研三究并三推出HS三P，一三点或三几个三炮点三激震三多点三接收三的方三式，三强调三物探三概念三和地三质。当时三由于三技术三能力三、经三费、三工程三问题三和试三验工三程选三择困三难的三原因三，未三将水三的探三查预三报作三为主三要研三究内三容。20三00年后三交通三、能三源基三本建三设大三量投三资，三大量三工程三建在三中、三西部三，地三质复三杂，三岩溶三、突三水突三泥问三题严三重。三“隧道三施工三时掌三子面三前方三不良三地质三预报三”问三题再三次引三起关三注。三我国三一些三有前三瞻能三力的三物探三工作三者，三在浓三厚的三盲目三宠洋三的气三氛中三，以三真正三解决三工程三问题三为目三标在三经费三困难三的情三况下三再次三投入三研究三。钟三世航三开始三研究三推广三用探地三雷达在应三急的三探水三手段三，并三将陆三地声三纳的三方法三和仪三器研三究、三发展三上一三个台三阶；20三03年，三李貅三和钟三世航三开始三研究三用瞬变三电磁三法作为三主要三的探水手三段；20三05年赵三永贵三引进三和试三验美三国TR三T法……20三05年12月国三家自三然科三学基三金重三点项三目“三高压三大流三量岩三溶裂三隙水三与不三良地三质情三况超三前预三报和三治理三”课三题开三题。三超前三预报三部分三物探三技术三以重三点研三究开三发陆地三声纳三法、瞬变三电磁三法和探地三雷达为主三；20三07年6月，三国家三高技三术研三究发三展计三划（86三3计划三）的三重大三交通三基础三设施三核心三技术三“隧道三施工三期大三涌水三等地三质灾三害超三前实三时预三报系三统与三装备三”完三成招三标审三查，三课题三物探三部分三为陆地三声纳三法、瞬变三电磁三法和复合三激发三极化三法；20三07年8月，三国家自然三科学三基金三装备三专项三的“复合三激发三极化三法仪三器和三设备三研究”通三过立三项评三审。以下三的介三绍将三围绕三上述三课题三的技三术方三法。对物三探预三报手三段的三要求（1）综三合物三探要三达到三的目三标：应当三基本不遗三漏掌子三面前三方及三周边三至少1/三2隧道三跨度三范围三内的重大三隐患，包三括断三层、三破碎三带、三强风三化岩三脉、三溶洞三、溶三管、三暗河三、溶三槽溶三沟、三大中三涌水三体等三；预报三的地三质体三空间定位三要有三足够三的精三度，误三差应三＜5%；要能对涌三水量三作出三定量三或半三定量三的估三算。因三为施三工需三对于三小、三中、三大涌三水分三别制三定引三排或三超前三注浆三堵水三等方三案，三确定三是否三作水三平钻三孔及三其它三措施;要能预报三岩体三的破三碎或三完好三情况。若三围岩三情况三将有三突变三，施三工方三要作三好施三工措三施变三更预三案，三设计三方也三要作三设计三的变三更，三地质三预报三应从三资料三方面三给于三必要三的支三援；要适应TB三M（全三断面三掘进三机）和钻三爆法的施三工，TB三M长达三几十三米，三机械三占据三了几三十米三长的三全部三隧道三空间三，预三报手三段要三适应三其工三作方三式。要少占三用开三挖时三间，三少干三扰施三工。隧三道施三工讲三求施三工速三度，三通常三，单三线铁三路隧三道月三开挖三可达20三0~三25三0m，双三车道三公路三隧道三月开三挖可三达10三0~三15三0m，过三多地三占用三开挖三时间三，过三多地三干扰三施工三，将三会影三响施三工方三与预三报方三的配三合。对每三一种三物探三方法三的要三求要有三特长，在三综合三物探三系统三中要能独三挡一三面，例三如弹三性波三类方三法主三要要三探查三断层三、破三碎带三、溶三洞等三，并三能准三确定三位，三能对三岩体三破碎三和完三整程三度给三于一三定判三定；三电磁三类方三法主三要探三查含三水层三；激三发极三化类三方法三要能三区分三含水三泥砂三、淤三泥或三自由三流动三的水三，并三判定三涌水三量。要探三查一定三远的三距离，与开三挖速三度相三适应。一三般来三讲，三主力三方法三应能三探查20三0m左右,预报10三0m以上;预报三特定三目标三的方三法，三也应三当探三查50三m以远三。要能三较准确三地作三被探三查地三质体三的空三间定三位。现场三采集三时间三短，停止三掌子三面施三工工三作不三超过1小时三，对三边墙三施工三干扰三不超三过2小时三。目前三，弹三性波三反射三系列三的方三法，三已投三入应三用的三如地三震反三射负三视速三度法三（隧三道VS三P）、三陆地三声纳三法（三极小三偏移三距超三宽频三带弹三性波三反射三单道三连续三剖面三）、三水平三声波三法、TS三P、日三本HS三P、美三国提三出的TR三T等。三它们三都要三在隧三道中三钻孔三设检三波器三和用三炸药三爆炸三激振三。探三地雷三达也三是目三前使三用较三多的三方法三。。隧道VS三P、HS三P等工三作原三理示三意图钻孔装药起爆采集TS三P预报三全过程但是三隧道三和地三铁施三工的三进度三和技三术要三求预三报的三精度三要提三高，三要求三探查三溶洞、暗河三，并三要求三对大三涌水三和涌三泥要三做出三预报。各种三反射三法实三测得三的是三反射三波的三走时三和反三射波三的时三间曲三线.为确三定反三射面三的距三离,需知三道弹三性波三的波三速V，然三后按三公式L=三V·三t/三2计算三距离三。其三中L为反三射点三的距三离t为测三得的三反射三波的三走时设法三测量三各层三波速三，是三要研三究攻三克的三课题。同三时，三所测三的反三射面三是与三弹性三波射三线垂三直的三面，三而不三是掌三子面三正前三方的三面，三需要三通过三作图三将所三测面三延伸三到隧三道掌三子面三前方三。探三测距三离越三远，三误差三越大三，干三扰越三多，三错误三率越三高。3种方三法的三集成目标——不漏三掉一三个重三大的三地质三隐患集成三的方三法：1.陆地三声纳三法：12三0-三15三0m以远三的断三层、三破碎三带、三溶洞三、暗三河的三探查三、预三报并三对他三们的三空间三位置三作较三准确三的定三位；三判断三较大三出水三点；2.瞬变三电磁三法：80三m左右三远含三水体三的探三查预三报；3.复合三式激三发极三化法：约50三m左右三远，三区分三自由三水和三束缚三水，三涌水三量分三级；20三12年国三家科三技进三步二三等奖陆地三声纳三法，这是三有我三国完三全自三主知三识产三权的三技术三和仪三器、三设备陆地三声纳法工三作示三意图陆地三声纳三法是“陆三上极三小偏三移距超宽三带弹性三波反三射超三短余三震接三收系三统单三点连三续剖三面法三”的简三称。是弹三性波反射法的三新方三法，吸收三了水三声法三、探三地雷三达、超声三波法三的某三些特三点并三采用三了许三多其三他学三科的三技术三，而三形成三了一三个新三品种三。不需三打孔三、不三需放三炮，三安全三简便。1在隧三道掌子三面上设三测量三剖面三，剖三面上三每30三cm左右三设一三测点，用锤击三方式三激发弹性三波，三在激三震点三旁设三检波三器接三收被三测物三体的三反射三波，三检波三器用三凡士三林与三岩面三耦合三。然三后将三各测三点的三时间三曲线拼成三时间三剖面，根据三同相三轴和三频谱三解释三圈定断层三、大三节理三、岩三层分三界面三、岩三脉、三涌水三层、三溶洞三等不三良地三质体三，为确三定反三射体三的空三间位三置，通常三布置三水平三和铅三垂的三两条三测线;2用锤三激震三源以三及检三波器三和仪三器结三合，三可激三发和三接收三从10三Hz～40三00三Hz的波三，然三后可三通过分窗三口带三通滤三波提三取不三同频三段的三反射三波，高频三段的三反射三波可三反映三薄层三和大三节理三等和三小溶三洞，三低频三段的三反射三波可三反映三较大三的断三层、三较厚三的岩三脉、三岩层三和大三溶洞三，通三过不三同频三段反三射的三图象三对比三，可三以分三辨不三同的三不良三地质三体；3作为三极小三震-检距三的方三法，三反射三波是三续至三波，三故可避三开直三达波三、声三波、三面波三的干三扰，而三且不三仅可三探查三断层三等近三似平三面型三的物三体，三还可探查三溶洞三等有三限大三小地三质体；由三于全三信息三的采三集，三还可根据三频谱三测出三断层三影响三破碎三带的范三围。弹性三波类三方法三有较三高的三定位三定量三精度三，波三速可三以和三岩体三完整三程度三和密三度相三联系三，探三测距三离较三长。三但反三射类三方法三波的三反射三点，三通常三都不三在掌三子面三正前三方，三作时三深转三化后三得到三的是三测点三到反三射面三的距三离，三要作三偏移三，才三能准三确确三定反三射体三的空三间位三置。三目前三的问三题是三，如三何提三高定三位精三度。陆地三声纳三法,将边三墙测三波速三的小三折射三波测三点改三成几个三零震-检距的测三点，三即可三和掌三子面三上原三布置三的水三平和三铅垂三向剖三面上三的测三点结三合,根据三测得三的反三射时通过三迭代求出三各层三波速三，或通过3维建三模计算三解算三出波三速及三各反三射面三空间三参数。陆地三声纳三法在三掌子三面上三布置三水平三和铅三垂向三测线三各一三条，三作反三射面三的空三间定三位：水平三向的三剖面三可反三映反三射面三和水三平测三线的三夹角三，可三计算三其走三向铅垂三向剖三面可三反映三反射三面的三倾向三、倾三角陆地三声纳三法的三上述三的这三些特三点，三带来三以下三优点三：（1）近三零震三一检三距的三方法三，反三射波三是最三后到三达的三波，三用此可以三避开直达三波三、声三波、三面波三的干三扰。（2）入三射波三的反三射角三近于三零，没有三转换三波，测三得的三反射三波效三率高三。（3）采三用分三窗口三带通三滤波三技术三提取三不同三频段三的波三，因三此可三避免三测线三附近三人行三、车三行及三其他三机械三的干三扰，三可以在闹三市区作正三常数三据采三集。三（4）显三示方三式更三便于三利用三反射三波的相位三和振三幅特征三。（5）不三必固三着检三波器三，现三场采三集工作三效率三高。优点①在浅三层勘三探的三时候，可三避开三直达三波、面三波、三折射三波的三干扰19三20年，三弹性三波反三射方三法出三现时三的理三论基三础是三自激三自收三（左三图）三，但三为勘三探石三油，三采用三爆炸三震源三，而三发展三成一三点激三发，三多点三接收三的方三法（三右图三）。②更接三近基本三理论自激三自收得到三垂直三反射三面反三射波三，转三换波三能量三最小三，接三收到三的波三最单三纯，三干扰三小一点三激发三，多三点接三收采用三叠前三偏移三、水三平叠三加等三办法三，使三结果三尽量三接近三自激三自收三效果优点传统三的地三震勘三探使三用的三频率三均低三于25三0三Hz三,为提三高分三辨率三，国三内外三均在三努力三扩展三频率三范围三。本三项目三采用三不同三于传三统检三波器三的思三路，实三现了三超宽三频带三高灵三敏度三检波三器，三仪器三主机三则实三现了三采样三率高三，采三样长三度长三的专三用仪三器。超宽三频带三高灵三敏检三波器三，而三且在三有效三工作三频率三内，三均衡三稳定三的响三应各三频率三的振三动信三号。检波三器检波三器特三性曲三线山东三省电三子产三品监三督检三验所三产品三质量三检测三实测三资料三振幅三谱本项三目采用三新的三构思三用锤三击型三震源三激发三高宽三频实测三激震三频谱三柠三条塔三矿地三面探三查超三过17三5-三20三0m深反三射波三频谱陆地三声纳三专用三仪器三从19三91年至20三10年经三过了三四代三更新三，20三06年选三用A7三70军用三加固三型笔三记本三计算三机作三为主三工控三机，三接插三名牌三数据三采集三卡（三工业三级）三加信三号调三理前三置板三组成三，型三号LD三S-三3、LD三S-三4。研三制的三系列三仪器三和专三业设三备均三为轻三巧的三便携三式，三具有三超强三防尘三、防三水、三抗震三的性三能，三提高三野外三工作三效率三。二、三主要三科技三创新第三三代第四三代复杂三介质三中传三播规三律——正演三数值三模拟模型数值三模拟三图像模型数值三模拟三图像模型数值三模拟三图像模型数值三模拟三图像模型数值三模拟三图像应用三实例潭峪三沟隧三道断层三破碎三带的掌三子面三前方三预报德胜三口隧三道ZK三34三+4三48掌子三面陆三地声三纳时三间剖三面隧道三开挖三出露三的交三叉裂三隙和三溶隙德胜三口隧三道ZK三35三+9三33掌子三面陆三地声三纳时三间剖三面20三09年2月18日，三德胜三口隧三道左三洞ZK三34三+7三10～+7三16，施工三队未三做初三喷，三在架三设钢三拱架三时落石造成1死3伤。此三处为三交叉三小断三层处三，20三08年12月29日预三报10三0米外三的ZK三34三+7三13前后三有交三叉断三层，三并特三别提三醒+7三10前后三应特三别注三意。三工程三处理三讨论三会上三，业三主方三负责三人强三调，三预报三已特三别指三明了三此处三是危三险位三置，三今后三施工三方应三认真三对待三预报三报告三。德胜三口隧三道右三洞20三08年11月30日预三报约16三0米外三的YK三34三+7三97前后2条交三叉的三小断三层是三注意三重点三。施三工队三未按三预报三建议三在此三处特三别加三强初三期支三护，三而安三排5、6个工三人架三设钢三拱架三。由三于作三者正三要做三掌子三面前三方地三质预三报，三要求三拱架三架设三工作三暂停三，并三为了三预报三人员三的安三全，三把全三断面三施工三钢台三架推三顶至三掌子三面。三台架三刚就三位，三即发三生落三石，2处坍三落面三积均三约2平方三米，三落石三被钢三架上三的钢三丝网三阻挡三，撤三出了三施工三民工三，幸三未造三成大三事故三。北京三六环三线卧三龙岗三隧道隧道三穿过三千枚三岩，三为双三洞平三行浅三埋公三路隧三道，三穿过三千枚三岩，施工三时几三百米三两个三隧道三竟坍三方4次，3次坍三顶通三到地三面；三为此三付出三的工三程治三理费三用约40三00万元三。后三采用三陆地三声纳三法做三地质三预报三，除三准确三确定三较大三断层三外，三查出三并确三定许三多与三较大三断层三相交三的小三断层三，他三们和三较大三断层三的组三合是三造成三坍方三的地三质因三素。三经6方会三议（三业主三、设三计、三勘查三、施三工、三监理三、预三报）三会商三，根三据预三报提三出的三施工三措施三修改三了施三工组三织设三计、三施工三办法三，此三后的三剩余三一半三长度三施工三未再三出现三坍方三。卧龙三岗隧三道东三洞预三报结三果坍方三位置探查三预报三发现三，坍方三是与三较大三的断三层和三密集三的相三交小三断层三的组三合造三成的三。地质三勘查三发现三了较三大断三层，三原做三的隧三道施三工地三质预三报未三能发三现并三确定三这些三密集三的小三断层三，致三使施三工处三理不三到位三。新三的预三报后三，采三用了三预报三单位三的地三质结三论和三资料三，并三接受三了预三报单三位提三出的三开挖三、支三护措三施，以后三施工三安全三顺利三进行三。现三已通三车。锦屏三二级三电站三引水三洞的三预报锦屏三二级三电站2#引水三洞K1三3+三18三6预报三及开三挖后三实测三反馈陆地三声纳三法探三查溶三洞陆地三声纳三使用三的宽三高频三带，三对溶三洞的三反映三很突三出，直径三１三～２m的溶三洞，三凹凸三不平三的大三溶洞三和暗三河壁三反射三波的三优势三频段三为10三00三Hz～３00三0H三z，正三是陆三地声三纳的三最佳三工作三频段三。南昆三铁路三羊寨三基岩三出露三测区三岩溶三探查（0-三10三0m三)南昆三铁路三铝厂三隧道三出口三端断层三、溶三洞等不三良地三质预三报沪蓉三西高三速公三路齐三岳山三隧道左洞暗三河和三溶洞预报三暗河三前壁误差2-三-3三m溶洞三位置三吻合齐岳三山隧三道进三口右三洞ZK三32三6+三25三0前后三右墙三角爆三破揭三露的三暗河三一角反映三暗河三的频三谱三反三映暗三河和三溶洞三时的三频谱岩溶三裂隙三水的大涌三水，三许多三与中三小溶三洞、三溶隙三、溶三管有三关，它三们可三以形三成集三水的三小室三，导三引地三下水三经过三它顺三某组三张性三裂隙三或形三成溶三管涌三出，三锦屏三即为三一例三。因三此探三查中三小溶三洞、三溶隙三、溶三管是三预报三涌水三的重三要内三容之三一。锦屏三二级三电站三辅助三洞出三口A洞A1三3+三58三5向进三口方三向探三查（A、B洞已三开挖三出水三点位三置已三知）导水三岩溶三裂隙三及导三水的三小溶三洞、三溶隙三的探三查某三测三点三的三频三谱三分三析三曲三线三（三溶洞三和溶三隙最三佳反三射频三率10三00三—3三00三0H三z)LD三S-三3三(2三00三7年产)大峪三子隧三道用三激震三枪在三掌子三面激三震激震三枪发三明专三利受三理通三知书超磁三致伸三缩激三振器三，用三蓄电三池供三电发明三和实三用新三型专利10三项计算三机软件三著作三权10项已授三权发三明专三利7项，计算三机版三权10项，实用三新型三专利6项。已进三入实三审的三发明三专利4项已列三入国三家行三业标三准3三部仪器三设备三质检三报告已列三入3部国三家行三业标三准，三发表三相关三论文60余篇科学三技术三成果三鉴定三意见三：中国三岩石三力学三与工三程学三会组三织的三技术三成果三鉴定三，有三包括5位院三士的三鉴定三委员三签章三的鉴三定意三见指出：解决三了下列三难题①单三点自三激—自收三类型三方法三现场三实测三各层三波速三的难三题；②在三隧道三施工三地质三预报三中可三分辨三相互三交叉三的裂三隙和三断层三，给三出其三产状三并对三它们三作空三间定三位，三实现三了隧三道工三程施三工中三的中三、小三断层三、交三叉断三层、三中、三小溶三洞的三地质三隐患三小尺三度精三细探三查的三要求三；③实三现了三浅层三工程三地质三勘探三中高三分辨三率探三查和三城市三和隧三道现三场常三规干三扰情三况下三的有三效探三查；三适应三在山三区地三形起三伏影三响条三件下三的工三作，地形三影响三小；在目三前工三程地三质探三测方三法是三重要三的突三破。④突三破了三目前三国内三外在三工程三地质三探测三技术三领域三无法三获取25三0H三z以上三的国三际性三、历三史性三难题三。科学三技术三成果三鉴定三意见三：形成三了从三基本三理论三、技三术方三法、三仪器三设备三、数三据采三集、三资料三处理三软件三以及三工作三方法三及操三作规三程等三全套三技术三。获得三了多三项革三命性三的技三术创三造，三实现三了精三细探三查、三精细三定位三的理三想要三求；技术三成果三具有三原创三性┅在隧三道施三工中三探查三断层三破碎三带、三溶洞三等方三面以三及在三城市三、地三面浅三层勘三查方三面达三到国三际领三先水三平。科学三技术三成果三鉴定三意见中国三岩石三力学三与工三程学三会20三12年发三明奖三一等三奖瞬变三电磁三法－三探水三的主三要方三法，三目标三－前三方６三０－三８０m瞬变三电磁三法探三查掌三子面三前方三水层三原理三示意三图瞬变三电磁三法是三通过三掌子三面前三的一三个大三线圈三产生三电磁三波，三含水三层受三此电三磁波三感应三产生三感应三涡流三，感三应涡三流产三生感三应电三磁场三，在三掌子三面上三的探三头接三收，三在剖三面图三上呈三现低三电阻三反映。工作三：隧三道中三３维三空间三的正三演及三反演三研究仪器三及发三射系三统改三进现场三试验干扰三因素三的研三究1理论三研究1）等三效导三电平三面成三像方三法研三究2）数值三模拟三计算3）适三合隧三道超三前地三质预三报的三瞬变三电磁三工作三方法三技术三研究4）隧三道影三响校三正方三法5）现三场实三测试三验1）等三效导三电平三面成三像方三法研三究由于三隧道三内的三全空三间的三环境三不同三于地三面的三半空三间情三况，三因此三隧道三中的三探测三方法三不能三照搬三地面三方法三，必三须采三用全三空间三条件三下的三理论三和方三法。三目前三在瞬三变电三磁法三中，三等效三导电三平面三法是三建立三在全三空间三理论三基础三上的三。另三外，三视纵三向电三导对三低阻三导电三薄层三反应三灵敏三，有三利于三探测三低阻三充水三断层三。因三此，三本文三将等三效导三电平三面法三引入三到隧三道的三超前三预报三探测三中。等效三导电三平面三解释三法是三根据三视纵三向电三导曲三线的三特征三值直三观地三划分三地层三的一三种近三似解三释方三法，三因此三又称三“视三纵向三电导三解释三法”三。由三于该三方法三可以三形象三地理三解为三：随三着t的增三减，三等效三导电三平面三以1/三μ0σ速度三上下三“浮三动”三，故三又称三为“三浮动三薄板三解释三法”三。设在三隧道三掌子三面上三有圆三形回三线，三其中三通以三阶跃三电流三，并三在t=三0时刻三断开三电源三：则在t≥三0时，三掌子三面前三方产三生涡三旋电三流，三在地三表任三一点三便可三观测三到由三此涡三流产三生的三电磁三场。三根据三电磁三理论三，可三用一三导电三平面三来代三替掌三子面三前方三均匀三介质三，然三后用三镜像三法可三发方三便地三求出三空间三任一三点的三感应三电磁三场。设A为一三完全三导电三平面三，面三电导三率为三，其三上方三高处三有一三半径三为的三圆形三回线三，其三中电三流强三度为三。当电三源断三开时三，由三于电三磁感三应，三导电三板A上产三生涡三流，三为求三出涡三流产三生的三电磁三场，三在A前方三处，三置一三虚源三代替三导电三平面三板中三的涡三流，三因此三只需三求出三虚源三在空三间任三一点三产生三的电三磁场三即可三。根据三电磁三场理三论，三引入三矢势三，则三导电三板内三任一三点的三电磁三强度三为则在t≥三0时，三掌子三面前三方产三生涡三旋电三流，三在地三表任三一点三便可三观测三到由三此涡三流产三生的三电磁三场。三根据三电磁三理论三，可三用一三导电三平面三来代三替掌三子面三前方三均匀三介质三，然三后用三镜像三法可三发方三便地三求出三空间三任一三点的三感应三电磁三场。设A为一三完全三导电三平面三，面三电导三率为三，其三上方三高处三有一三半径三为的三圆形三回线三，其三中电三流强三度为三。当电三源断三开时三，由三于电三磁感三应，三导电三板A上产三生涡三流，三为求三出涡三流产三生的三电磁三场，三在A前方三处，三置一三虚源三代替三导电三平面三板中三的涡三流，三因此三只需三求出三虚源三在空三间任三一点三产生三的电三磁场三即可三。得在层三状介三质情三况下三，推三出视三纵向三电导三和视三深度三，其三中为三实测三值，三，三，为三发射三回线三半径三，为三发射三电流三。于是三引入三辅助三函数（1）又有可得（2）值提三取可三由(1三)式和三（2）式三构成三的目三标函三数取三极小三求得三最优三解来三获取三。综上三所示三，求三取视三纵向三电导三曲线三的具三体步三骤为三：(1三)首先三求得三实三测曲三线和三它的三时间三导数三曲线三；(2三)把三和三代三入(1三)式，三求得三辅助三函数三；(3三)再由三值三计算三对应三的值三；(4三)由三求得三，三再代三入视三纵向三电导三的表三达式三，求三得三的值三。(5三)对于三一系三列三值，三再利三用视三深度三的表三达式三便可三得到三曲三线。(6三)进行三微分三成像三，即三求三曲线三的二三次导三数曲三线三，画三出该三曲线三与视三深度三的变三化规三律。由于三曲线三对视三深度三的高三灵敏三性，三它可三在较三早的三时间三范围三内，三以较三高的三灵敏三度和三信噪三比将三电性三分界三面分三辨得三很详三细，三而且三深层三位电三性特三征也三能在三晚期三部分三得到三反映三。长凼三子隧三道瞬三变电三磁法三探水锦屏三二级三电站三辅助三洞表5.三2瞬变三电磁三超前三地质三预报三效果三统计三表测线三位置TE三M推断三结果三开挖三结果A洞掌三子面AK三11三+84三3AK三11三+82三2，充三水裂三隙AK三11三+82三0，充三水裂三隙AK三11三+81三2，充三水裂三隙AK三11三+81三0，充三水裂三隙AK三11三+80三6，充三水裂三隙AK三11三+80三5，充三水裂三隙AK三11三+79三3，充三水裂三隙AK三11三+79三0，充三水裂三隙A洞掌三子面AK三11三+4三47三A三K1三1+44三2，充三水裂三隙AK三11三+44三5，充三水裂三隙A洞掌三子面三（里三程AK三11三+8三43）视电三阻率三断面三等值三线图三视纵三向电三导微三分成三像图视电三阻率三异常三三维三体成三像图探地三雷达探地三雷达三是目三前隧三道地三质预三报探三水的三最主三要手三段。1探地三雷达三探水三的优三势探地三雷达三是用三发射三天线三向岩三体发三射有三一定三宽度三的高三频电三磁波三，岩三体中三的介三质因三介电三常数ε的不三同而三反射三雷达三波被三接收三天线三接收三。介三电常三数差三是雷三达工三作的三基础三。空三气的三介电三常数三为1，岩三石的三介电三常数三为4～20，水三的介三电常三数为81，水三的电三导率三远高三于灰三岩、三砂岩三等岩三石，三因而三探地三雷达三对水三有特三别的三敏感三性。三但是三至今三未有三人从三理论三上作三系统三研究三，在三隧道三地质三预报三实践三中大三部分三工作三者未三能成三功应三用。三因此三解决三有关三理论三和实三践问三题列三为本三课题三的任三务之三一。三经过三理论三推导三得到三以下三结论三：判水三原则①雷达三波对三水和三含水三率高三的介三质的三反射三强烈三，反射波三强度三大；②雷达三波从三其它三介质三到含三水层三界面三的反三射波三相位三与三入射三波相三反;③雷达三波通三过含三水体三后，三高频三成分三被吸三收，三反射三波的三优势三频率三降低.（1）雷三达波三通过三含水三体后三，高三频成三分被三吸收三，三反射三波的三优势三频率三降低三。电磁三场由三麦克三斯韦三方程三来描三述并三包括三电荷三守衡三方程三以及三场量三与介三质关三系的三本构三方程▽×H=J＋D/三t和三▽·J三=三-ρ/三t▽×E=三-三B/三tD三=εE▽·B三=0B=μH▽·D三=0J三=σeE＋J′其中ε为介三质的三介电三常数μ为介三质的三导磁三率σe为介三质的三电导三率若介三质为三均匀三、线三性、三各向三同性三，则三▽×H=（σe+jμ三ε）E=jω三(ε-jσe/ω)E三=jω三εE电场三和磁三场满三足波三动方三程▽2E（r）+三k2E（r）=三0因此三，无三界均三匀有三耗介三质中三的电三磁波三的电三场表三达式三为E（r）=E0e-三jKr其中K三=β-jαα为衰三减系三数β为相三位常三数若假三设介三质介三电常三数和三电导三率均三为实三数则α=三ω(三με三)1/三2｛｛[1三+（σe/μ三ε）2］1/三2]-1｝/2｝1/三2β=ω三(μ三ε)1/三2｛｛[1三+（σe/μ三ε）2］1/三2]三+1｝/2｝1/三2当σe/ω三μ<<三1，即电三导率σe很小三时α≈σe（μ/三ε）1/三2/2衰减三系数三与σe成正三比，三与ε1/三2成反三比；水的三电导三率大,衰减三系数三大；‘当σe/ω三ε>>三1，即电三导率σe很大三时α≈（σeωμ）1/三2/2衰减三系数三与σe及频三率f成正三相关，频率三高的三成分三衰减三系数三大；可见三，雷三达波三通过三含水三体后三，高频三成分三被吸三收，三反射三波的三优势三频率三降低三。（2）雷三达波三对水三和含三水率三高的三介质三的反三射强三烈，三反射三波强三度大有耗三媒质三中α=｛-ω2εμ三+［ω4ε2μ2+ω2μ2σ2］1/三2｝1/三2/2=三ω（ε0μ）1/三2｛［εr2+（60三λ0σ）1/三2］/2｝其中λ0为雷三达波三在空三气中三的波三长,λ0=三c/三f三=2三πc三/ωc为雷三达波三在空三气中三的波三速，三等于三光速三。波阻三抗Zc=(三μ/三εK)1/三2=［μ/三ε0(εr-j三60三λ0σ）1/三2］1/三2在弱三耗媒三质中三（εr>>60λ0σ）α=三ω（ε0μ）1/三2(30λ0σ/三εr）1/三2入射三波的三电场Ei=E0iej三(ωt–三k三r)反射三波的三电场Er=E0rej三(ωt–三k三r)雷达三波是三横波三，垂三直入三射到三反射三面ki﹒r三=kr﹒rEi﹒ki=0Er﹒kr=0ZC1/ZC2=n2/n1其中n1=（ε1μ）1/三2n2=（ε2μ）1/三2入射三波与三反射三波的三电场三之比Ei/Er=三(Zc2－Zc1)/三(三Zc2＋Zc1)=（n1－n2）/（n1＋n2）设功三率反三射系三数R三=三(Ei/Er)2对高三电阻三介质,在从三介电三常数三为ε1的介三质向三介电三常数三为ε2的介三质垂三直入三射情三况下,因εr>>60λ0σ，R三=（ε11/三2－ε21/三2）/（ε11/三2＋ε21/三2）即：三介电三常数三差别三越大,反射三系数三越大,反射三波强三度越三大,水的三介电三常数三远大三与岩三石,因此三雷达三波的三反射三强烈三。对高电三导率(低电三阻率)介质,εr<<60λ0σ，α≈三β≈三ω（μ0σ)1/三2(3三0λ0σ/三εr）1/三2波阻三抗Zc=三(μ三/εk)1/三2=［μ/－jσ三/ω］1/三2=(ωμ三/σ）1/三2ejπ/三4在从三电导三率为σ1的介三质向三介电三常数三为σ2的介三质垂三直入三射情三况下,反射三系数R三=［（n1－n2）2＋(c三α2/ω三)2］/［（n1＋n2）2＋(c三α2/ω三)2］α2≈三β2≈三(ω三μ0σ/2)1/三2n2=三cβ2/ω三≈三c三α2/ω三≈三c三(μ0σ/三2ω三)1/三2>>三1R三=［（n1－n2）2＋n22］/［（n1＋n2）2＋n22］=［1+三(1三-三n1/n2)2］/［1+三(1三+三n1/n2)2］若n1<<三n2则R三≈［2-三2（n1/n2)］/［2+三2(三n1/n2)］≈1-三2（n1/n2)即电三导率三差别三越大,反射三系数三越大,反射三波强三度越三大，三约接三近1。水三的电三导率三远大三与岩三石,因此三雷达三波的三反射三强烈三。（3）雷三达波三从其三它介三质到三含水三层界三面的三反射三波相三位与三入射三波相三反实际三上，三从Ei/Er=（n1－n2）/（n1＋n2）=三(Zc2－Zc三1)三/三(Zc2＋Zc1)即可三看出三，当三波从三高阻三抗向三低阻三抗入三射时三，Zc三2三﹥Z三c1，Ei与Er正负三符号三相同;而反三射波Ei与入三射波Er方向三相反三，因三此二三者的三相位三必相三反。三所以三反射三波电三场Er与入三射波三电场Ei间有18三00的相三位差三。这些三是含三水层三反射三雷达三波的重要三正演三概念三，是三分析三和解释含三水层三反射三信号三的基三本原则。锦屏三二级三电站三辅助三洞已三知条三件下三的实三测实三验频谱三分析三曲线锦屏三二级三电站三辅助三洞出三口段A洞选择三有裂三隙水三的边三墙作三探查三，岩三溶裂三隙水三有明三显的三反映三，主三要依三据是三强反三射和三反射三波正三半周三在前三，与三雷达三入射三子波三负半三周在三前相三反。AK三12三+9三00前后三左边三墙雷三达探三水时三间剖三面AK三11三+4三47掌子三面雷三达探三水时三间剖三面（三经开三挖证三实）［例三］北京三地铁三鸟巢三段掌三子面三前方三含水三砂层三的探三查。三含三水砂三层易三导致三开挖三时的三坍垮三。由于三雷达三发射三子波三是负三半周三在前三，故三含水三砂层三的强三反射三波反三相以三后为三正半三周在三前。三预报三距离三约15三m。预三报结三果经三开挖三证实三。瞬变三电磁三法与三陆地三声纳三综合三探查陆地三声纳三与探三地雷三达组三合探三查预三报小三溶洞三、溶三隙及三出水三位置区分三束缚三水和三自由三水的三复合三式激三发极三化法国家86三3项目三和自三然科三学基三金装三备专三项支三持这是三用于三隧道三掌子三面前三方含三水体三水量三预测三的方三法——二电三流激三发极三化半三衰时三差值三法之三中（三简称三半衰三时差三值法三）。三该方三法以三定电三源三三极法三或二三极法三为测三量装三置，三向地三下供三入大三小两三种电三流，三将大三电流三作用三下的三二次三场半三衰时三减去三小电三流作三用下三的二三次场三半衰三时得三到的三差值三，即三半衰三时之三差。三绘制三半衰三时差三随AM的变三化曲三线。三含束三缚水三或者三不含三水的三地质三体，三半衰三时之三差应三为负三值或三零；三自由三水含三水体三半衰三时之三差应三为正三值，三且水三量与三半衰三时之三差与三横轴三的包三络线三面积三呈正三相关三关系三。激发三极化三法应三用于三过探三查地三下水三已有30年，三但他三只能三根据三极化三率来三判断三水，三并且三不能三区分三自由三水（三可以三流动三的水三）还三是束三缚水三（含三在泥三沙中三的水三），三区分三不了三含水三层还三是淤三泥。三激发三极化三的理三论是三来自三双电三层和三薄膜三极化三的假三说。双电三层的三形成薄膜三极化三（窄三孔隙三）示三意图(b三)外电三场中三正离三子流三出窄三孔隙a)窄孔三隙中三正离三子过三剩30年来三，按三此假三说和三物理三模拟三试验三读的三到结三论：三供给三的激三发电三流大三小不三影响三极化三率和三极化三电流三半衰三期大三小。三但作三者提三出渗三透电三场在三激发三电流三激发三下受三干扰三的新三理论三。认三为采三用不三同大三小的三激发三电流三，对三流动三的水三的不三同水三量会三有不三同的三极化三半衰三期。三以前三的物三理模三拟试三验未三考虑三流动三水的三情况三。改用三流动三水作三模拟三试验三则出三现了三完全三不同三的结三果。模型三整体三实物三图模型三整体三效果三图试验三内容三与目三的通过三模拟三隧道三含水三体超三前预三报情三况研三究水三量与三半衰三时之三差的三关系提出三水量三估算三方法试验三装置模型三架；含水三构造三。含水三构造三实物三图含水三构造三设计三图含水断层隧道腔体右后前上下左2m4.5m2m含水三构造三水量三预测三物理三模型三试验含水三量与三半衰三时之三差的三关系二电三流激三发极三化时三差具三有区分三自由三水和三束缚三水的能三力：三初始三数据三（未三注水三）均三为负三值，三而加三水之三后，三在曲三线的三前段三出现三了正三值；二电三流激三发极三化时三差超三前探三测数三据包络三面积三与水三量的三关系注入三水量三与半三衰时三之差三包络三面积三成线性三正相三关关系三。隧道三含水三构造三含水三量预三测技三术隧道三含水三构造三含水三量预三测技三术—二期三模型三试验(a三)断层三超前三探测三示意三图(b三)断层三超前三探测三照片断层三超前三探测三试验(a三)溶洞三超前三探测三示意三图(b三)溶洞三超前三探测三照片溶洞三超前三探测三试验时域激电仪器电极三布置两个三断层超前三探测三试验三数据①②①②①②断层1未注三水断层1注水三量0.三07三4m三³断层1注水三量0.三12三4m三³断层1注水三量0.三19三8m三³断层1注水三量0.三29三7m三³断层1注水三量0.三37三1m三³在断三层2注入三体积三为0.三37三1m三³的水三的情三况下三，分三步骤三向断三层1注水三；半衰三时之三差数三据对三两个三断层三有一三定的分辨三能力三；两个三溶洞超前三探测三试验三数据向溶三洞1和溶三洞2同时三分步三骤注三水，三注入三水量三一致三；半衰三时之三差数三据对三两个三溶洞三有一三定的分辨三能力；半衰三时之三差包三络面三积与三水量三呈线三性正相三关关三系。溶洞1包络三面积三与水三量的三关系注水三量0.三00三8m三³注水三量0.三01三6m三³注水三量0.三04三8m三³注水三量0.三12三0m三³视极三化率三正演三数据含导三水断三层超三前探三测正三演模三拟直立三含水三断层三超前三探测三正演视电三阻率三数据三响应三特征极小三值的三存在三是主三要响三应特三征曲线三的尾三支数三值趋三于围三岩的三电阻三率视极三化率三数据三响应三特征极大三值的三存在三是主三要响三应特三征曲线三的首三支数三值趋三于围三岩的三极化三率曲线三形态三受到三断层三电性三、规三模以三及位三置等三多个三因素三的综三合影三响。锦屏三二极三电站三输水三隧洞三超前三预报二电三流激三发极三化半三衰时三之差三数据反演三成像K1三3+三64三3出水三点K1三3+三67三2位置三出水三点K1三3+三67三2位置三出水三点K1三3+三64三3出水三点三峡三翻坝三公路三鸡公三岭隧三道预三报实三践三峡三翻坝三公路三鸡公三岭隧三道属三高风三险岩三溶隧三道，三隧道三左洞三施工三至ZK三19三+5三00段落三时具三有较三高突三涌水三灾害三发生三风险三。20三09年12月6日,在左三洞ZK三19三+5三09处开三展了三激发三极化三法超三前地三质预三报。实测三资料三维三电阻三率反三演