地下工程突涌水通道精細(xì)探查及其注漿封堵效果評價方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種地下工程突涌水通道精細(xì)探查及其注漿封堵效果評價方法，包括：綜合物探普查，初步確定突涌水通道的空間賦存范圍、規(guī)模及其大致邊界；實施跨孔地質(zhì)雷達(dá)精細(xì)化探測；實施三維電阻率跨孔CT精細(xì)探測；利用基于時間推移反演的全空間三維電阻率跨孔CT方法對注漿封堵的全過程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測評價。本發(fā)明有益效果：將綜合物探普查和跨孔雷達(dá)探測的結(jié)果映射到結(jié)構(gòu)化參考模型中，以三維電阻率跨孔CT反演為載體，使得對突涌水通道的定位精度和界面分辨效果明顯改善；利用基于時間推移反演的全空間三維電阻率跨孔CT探測方法對注漿封堵全過程進(jìn)行監(jiān)測，為及時發(fā)現(xiàn)封堵漏洞、進(jìn)一步指導(dǎo)補(bǔ)漿作業(yè)提供了有益的參考。
【專利說明】地下工程突涌水通道精細(xì)探查及其注漿封堵效果評價方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于地下工程領(lǐng)域，尤其涉及一種地下工程施工中突涌水通道精細(xì)探查及 其注漿封堵效果評價方法，

【背景技術(shù)】
[0002] 突水涌泥等地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)成為影響我國交通、水利水電、礦山領(lǐng)域隧道與地下工 程建設(shè)安全的重大挑戰(zhàn)，表現(xiàn)出"高壓、大流量、強(qiáng)突發(fā)性、強(qiáng)破壞性"等顯著特點，突涌水災(zāi) 害在造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失方面一直居于各類災(zāi)害事故的前列。對于地下工程施工中發(fā) 生的突涌水災(zāi)害，注漿封堵是一種主要的治理手段和方法。在突涌水災(zāi)害注漿封堵工作中， 突涌水通道的探查是一項先導(dǎo)性工作，可提前探明地下工程突涌水通道的空間位置和賦存 形態(tài)，為后期的注漿治理提供可靠準(zhǔn)確的地質(zhì)信息。同時，注漿治理效果的評價也是突涌水 災(zāi)害處置的一項重要工作，可檢查漿液的封堵范圍、膠結(jié)效果和密實程度，從而評價治理效 果和質(zhì)量，為地下工程的長期服役和運(yùn)營安全奠定基礎(chǔ)。然而，由于突水災(zāi)害源等致災(zāi)構(gòu)造 所賦存的地質(zhì)環(huán)境非常復(fù)雜，隱蔽性非常強(qiáng)，突涌水通道的探測及其治理效果的評價工作 都十分困難，使得對地下工程突涌水通道的精細(xì)探查與有效治理成為一直未能很好解決的 難題。
[0003] 具體來說，地下突涌水通道探測及注漿封堵面臨以下兩個難題：
[0004] 其一，受地下工程施工地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、埋深大的制約，地面物探手段難以取得較好 的探測效果；單一的洞內(nèi)物探方法無法融合已知地質(zhì)信息，反演方程病態(tài)程度高、多解性 強(qiáng)，在探查中易出現(xiàn)假異常，定位效果差；異常體過于靠近電極容易導(dǎo)致電極附近局部電場 發(fā)生畸變，使成像結(jié)果出現(xiàn)偏差。導(dǎo)致突涌水通道的三維精細(xì)探測難題未得到解決。
[0005] 其二，對突涌水通道的注漿封堵過程具有較強(qiáng)的隱蔽性，現(xiàn)有技術(shù)如鉆孔檢測法、 數(shù)字鉆孔攝像、物探法等難以全程跟蹤監(jiān)測注漿過程中漿脈的運(yùn)移路徑、覆蓋范圍以及沉 積留核情況，不能及時發(fā)現(xiàn)封堵漏洞，為二次突水事故埋下隱患。
[0006] 綜上所述，為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，發(fā)明了一種地下工程突涌水通道精細(xì)探查及 其注漿封堵效果評價方法，為突涌水通道的三維空間定位和成像及其注漿封堵全過程跟蹤 監(jiān)測評價提供一種可行的方案，以進(jìn)一步保障地下工程的安全施工。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種地下工程突涌水通道精細(xì) 探查及其注漿封堵效果評價方法。通過精細(xì)探測查清地下洞室（隧道）周邊及開挖沿線突 涌水通道的空間位置和形態(tài)并對注漿封堵后的加固效果給出準(zhǔn)確、科學(xué)的評價，以確保地 下工程施工建設(shè)安全高效進(jìn)行。
[0008] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0009] -種地下工程突涌水通道精細(xì)探查及其注漿封堵效果評價方法，包括以下步驟：
[0010] (1)地質(zhì)分析先行，結(jié)合已有地質(zhì)資料及現(xiàn)場勘察，初步推斷突涌水通道可能賦存 的大體范圍；
[0011] (2)布置測線，對地下洞室周邊開展綜合物探普查，初步確定突涌水通道的空間賦 存范圍、規(guī)模及其大致邊界；
[0012] (3)根據(jù)步驟（2)所得的突涌水通道空間分布結(jié)果，沿突涌水通道走向在其邊界 范圍外側(cè)打鉆孔，實施跨孔地質(zhì)雷達(dá)精細(xì)化探測，對整個突涌水通道的邊界進(jìn)一步精確識 別和定位；
[0013] (4)在步驟⑶所述的鉆孔內(nèi)布置電極，開展全空間三維電阻率跨孔CT精細(xì)探測， 構(gòu)造三維電阻率反演目標(biāo)函數(shù)及反演方程，并對反演方程進(jìn)行求解，以獲得突涌水通道三 維精細(xì)化反演成像結(jié)果；
[0014] (5)根據(jù)上述探查結(jié)果，對圍巖進(jìn)行注漿加固；
[0015] (6)利用基于時間推移反演的全空間三維電阻率跨孔CT方法對注漿封堵的全過 程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，根據(jù)精細(xì)化成像結(jié)果及時獲知各個階段漿液的運(yùn)移路徑、沉積留核狀態(tài)、 充填封堵質(zhì)量信息，對注漿封堵的全過程進(jìn)行跟蹤評價。
[0016] 所述步驟（1)包括以下過程：根據(jù)施工地區(qū)現(xiàn)有的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料推斷 洞室圍巖中水體可能賦存的大體范圍；開展洞內(nèi)、洞外現(xiàn)場地質(zhì)勘察并進(jìn)行地質(zhì)分析，劃分 富水地層、突涌水隱患高風(fēng)險段落并進(jìn)行重點標(biāo)注，為開展物探普查提供前期的地質(zhì)指導(dǎo)。
[0017] 所述步驟（2)中對地下洞室周邊開展綜合物探普查包括高密度電法、瞬變電磁 法、地質(zhì)雷達(dá)法三種探測方法，將三種物探方法測得的結(jié)果進(jìn)行對比分析，作出綜合解釋， 初步確定突涌水通道的空間賦存位置、規(guī)模及其大致邊界范圍。
[0018] 所述步驟（3)中沿突涌水通道走向在其邊界范圍外側(cè)打的鉆孔可根據(jù)現(xiàn)場實際 情況沿任意方向打入圍巖，不必嚴(yán)格按照平行方向進(jìn)行打孔；將雷達(dá)發(fā)射天線和雷達(dá)接收 天線分別置于不同鉆孔中進(jìn)行孔間層析透射成像。
[0019] 所述步驟（4)中開展全空間三維電阻率跨孔CT精細(xì)探測，構(gòu)造三維電阻率反演目 標(biāo)函數(shù)及反演方程的方法為：
[0020] 利用不在同一直線上的三個或三個以上鉆孔形成三維立體觀測空間，在孔內(nèi)布置 測線形成點源三維電場，對孔間地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次覆蓋采集和數(shù)據(jù)分析，將步驟（2)、（3) 獲得的已知突涌水通道的空間位置和形態(tài)抽象為一種先驗約束，映射到結(jié)構(gòu)化參考模型 中，以三維電阻率跨孔CT反演為載體進(jìn)行綜合解釋，構(gòu)造攜帶結(jié)構(gòu)化參考模型的三維電阻 率反演目標(biāo)函數(shù)及反演方程，并對反演方程進(jìn)行求解。
[0021] 假設(shè)得到結(jié)構(gòu)化參考模型向量IV構(gòu)造攜帶結(jié)構(gòu)化參考模型的三維電阻率反演目 標(biāo)函數(shù)如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種地下工程突涌水通道精細(xì)探查及其注漿封堵效果評價方法，其特征是，包括以 下步驟： (1) 地質(zhì)分析先行，結(jié)合已有地質(zhì)資料及現(xiàn)場勘察，初步推斷突涌水通道可能賦存的大 體范圍； (2) 布置測線，對地下洞室周邊開展綜合物探普查，初步確定突涌水通道的空間賦存范 圍、規(guī)模及其大致邊界； (3) 根據(jù)步驟（2)所得的突涌水通道空間分布結(jié)果，沿突涌水通道走向在其邊界范圍 外側(cè)打鉆孔，實施跨孔地質(zhì)雷達(dá)精細(xì)化探測，對整個突涌水通道的邊界進(jìn)一步精確識別和 定位； (4) 在步驟（3)所述的鉆孔內(nèi)布置電極，開展全空間三維電阻率跨孔CT精細(xì)探測，構(gòu)造 三維電阻率反演目標(biāo)函數(shù)及反演方程，并對反演方程進(jìn)行求解，以獲得突涌水通道三維精 細(xì)化反演成像結(jié)果； (5) 根據(jù)上述探查結(jié)果，對圍巖進(jìn)行注漿加固； (6) 利用基于時間推移反演的全空間三維電阻率跨孔CT方法對注漿封堵的全過程進(jìn) 行跟蹤監(jiān)測，根據(jù)精細(xì)化成像結(jié)果及時獲知各個階段漿液的運(yùn)移路徑、沉積留核狀態(tài)、充填 封堵質(zhì)量信息，對注漿封堵的全過程進(jìn)行跟蹤評價。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種地下工程突涌水通道精細(xì)探查及其注漿封堵效果評價方 法，其特征是，所述步驟（1)包括以下過程：根據(jù)施工地區(qū)現(xiàn)有的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料 推斷洞室圍巖中水體可能賦存的大體范圍；開展洞內(nèi)、洞外現(xiàn)場地質(zhì)勘察并進(jìn)行地質(zhì)分析， 劃分富水地層、突涌水隱患高風(fēng)險段落并進(jìn)行重點標(biāo)注，為開展物探普查提供前期的地質(zhì) 指導(dǎo)。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種地下工程突涌水通道精細(xì)探查及其注漿封堵效果評價方 法，其特征是，所述步驟（2)中對地下洞室周邊開展綜合物探普查包括高密度電法、瞬變電 磁法、地質(zhì)雷達(dá)法三種探測方法，將三種物探方法測得的結(jié)果進(jìn)行對比分析，作出綜合解 釋，初步確定突涌水通道的空間賦存位置、規(guī)模及其大致邊界范圍。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種地下工程突涌水通道精細(xì)探查及其注漿封堵效果評價方 法，其特征是，所述步驟（3)中沿突涌水通道走向在其邊界范圍外側(cè)打的鉆孔可根據(jù)現(xiàn)場 實際情況沿任意方向打入圍巖，不必嚴(yán)格按照平行方向進(jìn)行打孔；將雷達(dá)發(fā)射天線和雷達(dá) 接收天線分別置于不同鉆孔中進(jìn)行孔間層析透射成像。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種地下工程突涌水通道精細(xì)探查及其注漿封堵效果評價方 法，其特征是，所述步驟（4)中開展全空間三維電阻率跨孔CT精細(xì)探測，構(gòu)造三維電阻率反 演目標(biāo)函數(shù)及反演方程的方法為： 利用不在同一直線上的三個或三個以上鉆孔形成三維立體觀測空間，在孔內(nèi)布置測線 形成點源三維電場，對孔間地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次覆蓋采集和數(shù)據(jù)分析，將步驟（2)、（3)獲得 的已知突涌水通道的空間位置和形態(tài)抽象為一種先驗約束，映射到結(jié)構(gòu)化參考模型中，以 三維電阻率跨孔CT反演為載體進(jìn)行綜合解釋，構(gòu)造攜帶結(jié)構(gòu)化參考模型的三維電阻率反 演目標(biāo)函數(shù)及反演方程，并對反演方程進(jìn)行求解。
6. 如權(quán)利要求5所述的一種地下工程突涌水通道精細(xì)探查及其注漿封堵效果評價方 法，其特征是，假設(shè)得到結(jié)構(gòu)化參考模型向量IV構(gòu)造攜帶結(jié)構(gòu)化參考模型的三維電阻率反 演目標(biāo)函數(shù)如下：
對應(yīng)的反演方程為： (AtA+ 入 CTC) A m = At A d-入 CtC (m_mr) 其中，cU為實際觀測數(shù)據(jù)向量，dm為正演理論觀測數(shù)據(jù)向量，Ad =乜乂為兩者的 差向量，m為模型參數(shù)向量，A為偏導(dǎo)數(shù)矩陣，C為光滑度矩陣，A為拉格朗日算子，控制光 滑約束的權(quán)重。
7. 如權(quán)利要求1所述的一種地下工程突涌水通道精細(xì)探查及其注漿封堵效果評價方 法，其特征是，所述步驟（4)中開展全空間三維電阻率跨孔CT精細(xì)探測，構(gòu)造三維電阻率反 演目標(biāo)函數(shù)及反演方程的方法還允許為： 利用不在同一直線上的三個或三個以上鉆孔形成三維立體觀測空間，在孔內(nèi)布置測線 形成點源三維電場，對孔間地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次覆蓋采集和數(shù)據(jù)分析，以三維電阻率跨孔CT 反演為載體進(jìn)行綜合解釋，構(gòu)造攜帶距離加權(quán)函數(shù)的三維電阻率反演目標(biāo)函數(shù)及反演方 程，并對反演方程進(jìn)行求解； 所述攜帶距離加權(quán)函數(shù)的三維電阻率反演目標(biāo)函數(shù)具體為： O1= ( A d-A Am)T( A d-A Am) + n (W1C Am)1 (W1C Am)； 其中，Ad表示實測數(shù)據(jù)與正演理論數(shù)據(jù)的差向量，Am表示模型參數(shù)增量向量，A表示 敏感度矩陣，C表示光滑度矩陣；n為拉格朗日常數(shù)，用于控制數(shù)據(jù)方差項和模型方差項之 間的權(quán)重W1表示網(wǎng)格模型中網(wǎng)格的距離加權(quán)因子； 攜帶距離加權(quán)函數(shù)的反演方程為： [AtA+ n (WiC)T (W1C) ] A m = At A d 其中，A為偏導(dǎo)數(shù)矩陣，Am為模型參數(shù)增量向量，Ad為觀測數(shù)據(jù)，C表示光滑度矩陣； n為拉格朗日常數(shù)，W1表示網(wǎng)格模型中網(wǎng)格的距離加權(quán)因子。
8. 如權(quán)利要求7所述的一種地下工程突涌水通道精細(xì)探查及其注漿封堵效果評價方 法，其特征是，所述模型中網(wǎng)格的距離加權(quán)因子W1的計算方法為： 建立直角坐標(biāo)系，假設(shè)四個鉆孔PI、P2、P3和P4等間距布置，且距離為a，模型中任一 網(wǎng)格i (X，y，z)中心點到各鉆孔PI、P2、P3、P4的距離ln、li2、li3、I i4可表示如下：
上式中，Wli(Xj)表示模型中第i個網(wǎng)格的距離加權(quán)因子；a為鉆孔間距，P為經(jīng)驗估 計常數(shù)，通過調(diào)節(jié)P值可以控制距離加權(quán)函數(shù)的值域在一定范圍內(nèi)變化；Ig表示以10為 底的常用對數(shù)； 設(shè)模型中網(wǎng)格數(shù)量為M，將距離加權(quán)函數(shù)寫成矩陣形式，即
其中，W11,...，w1M表示第1?M個網(wǎng)格的距離加權(quán)因子。
9. 如權(quán)利要求1所述的一種地下工程突涌水通道精細(xì)探查及其注漿封堵效果評價方 法，其特征是，所述步驟（6)中利用基于時間推移反演的全空間三維電阻率跨孔CT方法對 注漿封堵的全過程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，其實現(xiàn)過程如下： 1) 對注漿過程中漿脈的運(yùn)移過程進(jìn)行全程跟蹤監(jiān)測并將采集到的一系列數(shù)據(jù)定義為 一個集合D= ((11，(12，(13，?，(11^，其中(^(1 = 1，2，"、1〇表示第1次采集過程得到的視電 阻率數(shù)據(jù)集，也稱作第i個時間步Ti得到的視電阻率數(shù)據(jù)集，k表示采集的次數(shù)； 2) 將步驟（4)中由精細(xì)化成像獲得的數(shù)據(jù)作為背景數(shù)據(jù)集士1^ ;對背景數(shù)據(jù)集dini進(jìn) 行歸一化處理，得到歸一化修正系數(shù)Qj ;對后續(xù)時間步所采集到的視電阻率數(shù)據(jù)集進(jìn)行同 比歸一化處理，定義新的歸一化數(shù)據(jù)集合〇 D = (d°，〇 d2, 〇 d3，…，〇 dk)T ; 3) 分別構(gòu)造電阻率時間推移反演目標(biāo)函數(shù)和反演方程； 4) 求解反演方程，到各時間步的電阻率反演結(jié)果R = (nfrf，m'm'…，mkl〇，對反演結(jié)果 進(jìn)一步處理，將第2?k次反演得到的電阻率值分別與初始參考模型比較，以"電導(dǎo)率變化 百分比"的形式表示：
上式中，S 〇 H用于定義電導(dǎo)率變化百分比模型，〇表示電導(dǎo)率，與電阻率成倒數(shù)關(guān) 系.，〇 il：表示第i個時間步Ti的電導(dǎo)率反演結(jié)果，〇 M表示初始參考模型的電導(dǎo)率 m 值，Hlilr表示反演迭代過程中的第i個時間步的模型參數(shù)，HTf表示初始參考模型； 5) 將得到的（k-1)個電導(dǎo)率變化百分比模型進(jìn)行成像處理，獲得所監(jiān)測區(qū)域沿時間軸 分布的電導(dǎo)率動態(tài)變化圖像，作為解釋和推斷注漿過程中漿脈的運(yùn)移過程以及評價各階段 注漿質(zhì)量的基礎(chǔ)。
10. 如權(quán)利要求9所述的一種地下工程突涌水通道精細(xì)探查及其注漿封堵效果評價方 法，其特征是，所述過程4)中構(gòu)造的電阻率時間推移反演目標(biāo)函數(shù)和反演方程分別為： O = ( A 〇 Cli-A A IHi)T ( A 〇 Cli-A A IHi) + 4 (C A m 〇T (C A m 〇 (AtA+ ^ CTC) A m = At A 〇 d- ^ CtC (Hii-Inref) 其中，AW =W表示第i個時間步歸一化后的實際視電阻率向量與理論視電阻 率向量的差值，A表示偏導(dǎo)數(shù)矩陣，C表示光滑度矩陣，Ami表示第i個時間步內(nèi)的模型參 數(shù)增量向量，Am表示模型參數(shù)增量向量，Am 1 = In1-Iifrf表示反演迭代過程中的第i個時 間步的模型參數(shù)與初始參考模型間的差異向量，IiTf是初始參考模型，（為拉格朗日常數(shù)， 控制著模型差異向量在目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重。
【文檔編號】G01V11/00GK104330838SQ201410698372
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】李術(shù)才, 劉斌, 劉征宇, 張慶松, 范克睿, 聶利超, 張霄, 孫懷鳳, 劉人太 申請人:山東大學(xué)