海底隧道含水构造全空间瞬变电磁场响应特征及突水灾害预报研究

海底隧道突水灾害预报是海底隧道修建过程中的重大理论和技术难题之一，现有的技术方法还难以准确预报海底隧道含水构造的位置和规模，也不能有效消除上覆海水体对采集信号的干扰，其主要原因在于海底隧道内超前预报理论还未取得突破。本研究以海底隧道含水构造的地质演化历史及发育规律为基础，以理论分析、数值模拟、室内和现场试验为手段，以海底隧道突水灾害准确预报为目的，分析海底隧道全空间瞬变电磁场的分布规律，揭示含水构造对瞬变电磁场变化的主要影响因素及含水构造的全空间瞬变电磁场响应特征；研究通过瞬变电磁场的变化反演含水构造的理论与方法，改进可用于海底隧道超前预报的信号发射线圈和接收探头装置，开发数据采集与数据处理解译系统，实现利用瞬变电磁场的响应特征预报海底隧道内的含水构造,并对突水灾害进行及时有效的预警,降低发生大型突水灾害的危险性。本研究对于解决海底隧道乃至其他地下工程突水灾害的预报与防治具有重要意义。

海底隧道突水灾害预报是海底隧道修建过程中的重大理论和技术难题之一，海底隧道在施工过程中往往会遇到各种水体病害，这些水体病害会给施工安全和进度造成很大的影响。现有的技术方法还难以准确预报海底隧道含水构造的位置和规模，也不能有效消除上覆海水体对采集信号的干扰，其主要原因在于海底隧道内超前预报理论还未取得突破。瞬变电磁是一种重要的电磁勘探方法，它对含水等低阻体反应灵敏，预报距离远，是目前隧道地质超前预报最有发展前景的一种方法。本项目开展了基于等效导电平法的正演理论进行改进和创新，从麦克斯韦方程出发，由二维到三维递进研究全空间瞬变电磁正演的方法。借鉴du Fort-Frankel有限差分离散方法引入虚拟位移电流项构建显示时域有限差分方程，通过对经典时域算法进行了两点改进——矩形回线源电流密度加入麦克斯韦方程组的安培环路定理方程以及在计算中考虑关断时间，使得正演算法能够适应表层电阻率不均匀时的三维复杂模型，实现隧道全空间瞬变电磁三维正演。开展典型地电模型的数值模拟和物理模拟分析和验证，系统分析这些地电结构的瞬变电磁响应特征，总结出不同水体病害的探测方法和规律。本研究以海底隧道含水构造的地质演化历史及发育规律为基础，以理论分析、数值模拟、室内和现场试验为手段，以海底隧道突水灾害准确预报为目的，分析海底隧道全空间瞬变电磁场的分布规律，揭示含水构造对瞬变电磁场变化的主要影响因素及含水构造的全空间瞬变电磁场响应特征；研究通过瞬变电磁场的变化反演含水构造的理论与方法，改进了可用于海底隧道超前预报的信号发射线圈和接收探头装置，开发了数据采集与数据处理解译系统，实现了利用瞬变电磁场的响应特征预报海底隧道内的含水构造,并对突水灾害进行及时有效的预警,降低发生大型突水灾害的危险性。本研究进一步提高了瞬变电磁在海底隧道中的地质超前预报水平，对于解决海底隧道乃至其他地下工程突水灾害的预报与防治具有重要意义。