基本信息
- 项目名称：
- 地下工程超前预报激化极化时域发射机的研发
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 我国水利水电、交通领域中有大量隧道工程，隧道工程地质灾害是制约隧道施工的关键因素，往往由于隧道前方地质情况不明，经常出现无法预料的地质灾害，如突水、突泥、坍塌、岩爆和有害气体等。灾害一旦发生，轻则冲毁机具，淹没隧道，正常施工被迫中断；重则造成重大的人员伤亡，产生巨大的经济损失，甚至有些地下工程会因此而被迫停建或改线。所以开展超前预报显得尤其重要。 本项目在指导老师的带领下，通过大量调研室内外试验和工程试验，开发了具有自主知识产权的激发极化时域发射机。研发了激发极化时域发射机模块，研究出一种新型电极布置方式。实现了激发极化法在隧道前方探查含水体，并确定相对涌水量，探测距离可达50m左右。通过室内和现场试验，证明其有效性，可有效指导隧道施工，减少或避免隧道突水灾害，对隧道工程建设有重要实际意义和社会意义。
- 详细介绍：
- 近年来，随着基础设施工程大规模建设，交通工程中长大隧道越来越多，如关角隧道、秦岭终南山隧道、龙潭隧道等。地下工程突水突泥等灾害频繁发生，如宜万铁路野三关隧道2007年8月5日发生特大涌水，死亡10人；马鹿箐隧道2006年1月发生涌水，死亡11人。这些灾害的发生，主要是不能提前预知隧道前方含水体及其大小。国内外已有隧道建设过程中在实时探查和估计隧道前方涌水量方面尚是一个待突破的课题，岩溶裂隙水等不良地质的超前实时预报是解决长大隧道施工安全的关键技术问题之一。目前还没有哪种方法能对隧道前方水体预报进行准确定位，更无法进行涌水量的估算；在岩溶裂隙水等不良地质实时预报方面还缺乏先进的科学预报方法和设备。 本项目在指导老师的带领下，通过大量调研室内外试验和工程试验，开发了具有自主知识产权的激发极化时域发射机。研发了激发极化时域发射机模块，研究出一种新型电极布置方式。实现了激发极化法在隧道前方探查含水体，并确定相对涌水量，探测距离可达50m左右。通过室内和现场试验，证明其有效性，可有效指导隧道施工，减少或避免隧道突水灾害，对隧道工程建设有重要实际意义和社会意义。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明的目的：本项目主要是解决地下工程超前地质预报的问题，预报不良地质体的位置和可能涌水量，避免地质灾害的发生，保障工期和施工安全。 基本思路:经过查阅文献，对发射机优化模块升级，辅以数值计算和模型试验，开展激发极化发射机的研制及其用于地下工程超前预报研究工作。 创新点：拓宽激发极化的应用领域首次将激发极化的方法用于地下工程领域，研究新型布极方式，可以对含水构造进行定位和预报可能涌水量。 技术关键和主要技术指标:在地下工程中开展超前地质预报，可以超前探测50m，测试用时较短，且不影响掌子面的施工。
科学性、先进性
- 目前国内外隧道地质灾害超前预报方法主要有以下几种，直接预报法、地质分析法和物探法。目前常用的物探手段有TSP、地质雷达和瞬变电磁方法。这些手段都取得了一定的成果，但是未见对水体和水量预报的报道。 激发极化（IP，Introduced Polarization ）法作为一种重要的电磁勘探方法,以其独特的优点(经济、无损、快速及信息丰富等)广泛应用于资源勘探与工程勘察中。激发极化法是通过接收和分析各种异常体的激发极化效应来达到探测预报的目的。它有对隧道不良水体反映灵敏的特点,可用来预报工作面前方突水异常体及其涌水量情况。在隧道及地下坑道的超前地质预报中，激发极化法对隧道水体不良地质体的预报具有明显的效果。
获奖情况及鉴定结果
- 2008年8月国家大学生创新性试验计划项目立项资助 2009年6月获第十一届“挑战杯”山东省大学生课外学术科技作品竞赛特等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
作品可展示的形式
- 实物、现场演示、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该设备操作简单，在现场探测布置方便。在隧道内沿掌子面后方隧道地板布置布置电极，连线后即可测量。该方法不仅可以定位不良地质体的位置，而且可以预报可能涌水量。激发极化法作为一种重要的电磁勘探方法,以其独特的优点(经济、无损、快速及信息丰富等)广泛应用于资源勘探与工程勘察中。在隧道及地下坑道的超前地质预报中，激发极化法对隧道水体不良地质体的预报具有明显的效果。 在我国有大量的隧道工程，突水、突泥、坍塌、岩爆和有害气体等地质灾害，一旦发生后果严重。超前地质预报已成为施工的必要环节，不良地质体的定位及涌水量的预报，能够避免较大的工程事故的发生，带来较大的经济效益，保证生命财产安全。
同类课题研究水平概述
- 目前，在地下工程超前预报领域中常用的方法有TSP超前预报技术、地震负视速度法、 TRT真地震反射成像技术、地质雷达、红外探水法等，但是还没有哪种方法能对隧道前方水体预报进行准确定位，更无法进行涌水量的估算；在岩溶裂隙水等不良地质实时预报方面还缺乏先进的科学预报方法和设备。 时间域激发极化法直接找水是我国物探工作者于上世纪70年代中期集体发明的具有我国自主知识产权的方法。上世纪80年代中期，谢明魁发明了激发极化二次时差法。该方法是向地下分别供入不同大小的电流作为激发电流，分别测取极化电位的半衰时，测出大电流供电的极化半衰时和小电流供电极化的半衰时之差，含自由水的含水层的差值为正值，且含水量越大，二次时差值越大。通过已知条件的测值相关，可以计算出含水量。经过几十个工地，上百个钻孔均获得成功。激发极化在地面上的应用已经比较成熟，但在地下隧道或坑道上的应用也总的来说只是一个初步尝试，地面探测的基本上是一个半空间的解释问题，这有利于激发极化的处理与解译；而大部分隧道中的探测则相当于一个近全空间解释问题，这就增加了激发极化的多解性，很不利于各种异常的判断，需要做各种各样的处理，但其最终的解释结果会受到很大的影响。 此外，现有隧道中的激发极化发射机基本上都是照搬地面上的，所以，在隧道进行测量时就显得比较笨重，不够便携和灵活。因此，适合于隧道超前预报的激发极化发射机的研制就成了一个关键。本项目主要是对频段激发极化时域发射机的进行研究，它是在现有激发极化发射机的研究基础上对其进行一定的改进，试图提高激发极化发射机的性能，结构设计上使其变得方便，轻巧和灵活，更加适应于隧道中的探测，提高隧道超前地质预报的工作效率。
