水工隧洞突水涌泥灾害源超前预报定量识别方法及灾害发生机理与控制研究

突水涌泥灾害源等不良地质超前预报及灾害治理是水工隧洞施工面临的关键科学难题，尤其在隧洞前方水体三维定位与水量定量预报方面还没有成熟的理论和方法。本项目重点研究了掘进机(TBM)与钻爆法隧洞施工中突水涌泥灾害源等不良地质的超前预报定量识别理论、方法及实施方法，施工隧洞中突水涌泥灾害源的定量预报理论与方法，突破聚焦层析激发极化法水量估算方法、陆地声纳法纵横波分析及含水体识别机制、全空间瞬变电磁法三维偏移成像与干扰校正理论、超前钻探高分辨电阻率 CT 预报方法。针对与隧道复杂环境的超前预报问题，提出了多同性源阵列激发极化超前探测新模式，并建立了基于观测数据加权及深度加权函数的三维反演方法，进一步研究了激发极化半衰时与水量关系的物理模型实验。项目中还研究了陆地声纳方法，通过地震波速度分析与波速重建理论，开展了不同实验探测及现场应用，对陆地声呐法的研究提供了重要的实践依据。在瞬变电磁超前地质预报方法中，项目提出了对于发射与接收回线装置的改进，提出了隧道多点阵列式瞬变电磁探测方法，并通过数值模拟及现场实验验证了该方法的有效性。在超前钻探高分辨电阻率 CT 预报方法，提出了含不等式先验信息约束的电阻率CT反演方程以及偏导数矩阵的并行解析快速求解方法，分析了二维及三维跨孔电阻率CT的探测影响因素，通过物理模型试验验证其有效性。通过结合长距离与短距离探测，结合不同物探方法探测，提出了通过宏观超前地质预报，长距离超前地质预报，中距离超前地质预报，短距离超前地质预报对施工进行建议的“四阶段全过程”的突水突泥灾害源综合超前预报方法与体系。揭示突水灾害发生机理，提出防突最小安全厚度分析方法，研究动水注浆模拟方法及封堵机理，提出突水灾害治理的有效方法。形成大型水工隧洞不良地质超前预报定量识别和灾害治理的有效理论与方法，研究成果对隧洞突水涌泥等地质灾害防治具有重要意义。