基于高分辨直流电法的隧道超前地质预报异常探测研究
超前地质预报
中铁西南科学研究院地质预报中心：
隧道施工地质灾害对施工人员、施工机具造成的安全威胁，一直是隧道及地下工程界期待解决的问题。隧道 施工地质超前预报研究的主要任务就是探测隧道施工掌子面前方不良地质体的分布，预测因不良地质体存在可能 引发的隧道地质灾害。
从上世纪八十年代始，我们结合大瑶山隧道、天马山隧道，首先在我国开展地质声学法隧道地质超前预报技 术研究(图1)，开展“隧道施工掌子面前方不良地质预报技术”-声波反射法研究(1990～1995年)，提出了HSP水 平声波剖面法隧道施工地质预报的理论和技术，该课题于1995年12月通过铁道部科技成果鉴定，并于1997年获铁 道部科技进步三等奖(图2)。
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超前地质预报
对掌子面前方及其周边的围岩与地层情况做出超前预报
目录
01 物探方法
03 高密度电法
02 超前预报
超前地质预报或隧道超前地质预报(Tunnel Geological Prediction/Prospecting)，是在隧道开挖时，对 掌子面前方及其周边（主要是铁路隧道）的围岩与地层情况做出超前预报。
TST地质超前预报技术具有如下优点：
1. TST隧道超前预报技术是国内外唯一的实现了地下三维波场识别与分离的超前预报技术，有效消除侧向波 和面波干扰，保证成像的真实性；
2. TST是唯一的实现了围岩波速精确分析的超前预报技术，保证构造定位的精确性；
3. TST是建立在逆散射成像原理基础上的超前预报技术，与传统的反射地震技术相比具有更高的分辨率。同 时运用了地震波的运动学和动力学信息，不但可精确确定地质构造的位置，同时获得围岩力学性状的空间变化；
所获荣誉2002年至今，结合辽宁大伙房水库引水工程和锦屏电站引水隧洞TBM施工情况，进一步开展掘进机 施工条件下HSP与波反射法预报研究，以及国家自然科学基金项目“高压大流量岩溶裂隙水与不良地质超前预报 与治理”之子项-岩体温度法隧道施工掌子面前方涌水预报研究；其中，“TBM突破不良地质地段的地质超前预报 及施工预案研究”在“利用TBM刀具切割岩石激发的信号作为HSP声波反射法预报的激发信号，以及适合于TBM施 工的水工隧洞围岩分级修正模型等方面取得明显的创新性，对TBM快速通过不良地质地段及安全施工提供了技术 保障，其TBM超前地质预报技术达到国际先进水平”。
电法勘探与超前地质预报在滦平县周台子区采空区的应用
地质勘探G eological prospecting电法勘探与超前地质预报在滦平县周台子区采空区的应用贾会会1，2，郭利召1，薛建志1，2摘要：由于多年矿山开采滦平县张百湾镇周台子村铁矿遗留下大量的浅埋采空区，部分采空区已经塌陷，造成了潜在的安全隐患。
为研究周台子村铁矿采空区的分布并对现有的采空区进行稳定性评价，本文开展滦平县周台子村铁矿采空区勘查工作。
通过工程地质调查与高密度电法、超前地质预报等手段，来对周台子铁矿采空区进行探测，为后期的采空区治理工作提供依据。
研究结果表明，高密度电法与超前地质预报具有较好一致性，华兵选厂院内存在三个疑似采空区，超前地质预报显示大矿采区为松散破碎带，四采区发现9个采空区，三采区发现3个采空区。
关键词：采空区；高密度电法；超前地质预报；瞬变电磁1 研究背景滦平县张百湾镇周台子村铁矿由于多年矿山开采，历史遗留下大量的浅埋采空区，部分采空区形成了潜在的塌陷安全隐患，2017年8月14日，滦平县启星矿业集团启泰采区华兵选厂发生采空塌陷事件，形成深约40m的塌陷坑，致使华兵选厂全部陷入地下，造成巨大的经济损失；2019年4月～5月，距离周台子村约90m的三采区连续发生两次采空区地面塌陷，塌陷坑深度约40m，直径约50m，造成矿路损毁断交。
采空区引起的地面沉降及地面塌陷，对周边活动人员人身财产安全构成极大威胁。
因此，加强对滦平县周台子村铁矿采空区的综合探测及稳定性分析，并开展治理工作是十分必要的。
采用并一种物探方法很难精确确定采空区的空间分布范围、发育特征，特别是在采空区内充满水体、地层磁电条件复杂、地形发育剧烈切割的情况下，使用综合物探方法进行采空区勘查十分必要。
近几年地球物理方法在铁矿采空区探测上的作用越来越大，现如今常用的物探方法包括浅层地震、自动电阻率法（高密度法）、瞬变电磁法、地质雷达、大地电磁测深法、超前地质预报方法。
由于矿山开采地表破坏严重、地形切割剧烈、山体陡峭、植被茂密、实际可用于物探施工的空间相对狭小等因素，常规方法在此无法有效施展，因此本文采用瞬变电磁法、高密度电阻率法、可控源音频大地电磁测深法、超前地质预报等方法相结合、相弥补的方式为铁矿采空区的调查提供较准确的依据。
TSP法隧道超前地质预报技术研究与应用
TSP法隧道超前地质预报技术研究与应用摘要：TSP隧道的地质超前预测，是通过在隧道周围的岩石中，按照一定的排布，产生一种弹性波，当弹性波传播到三维空间时，接触声阻抗分界面，也就是地质岩相变界面、结构断层带、喀斯特及喀斯特发展带等,将发生一种弹性波反射情况，这个反射波由埋设在巷道周围岩石中的探测设备探测到，向仪器输入实施信息源的扩增、信息收集和分析。
关键词：TSP法；隧道；地质预报引言物探技术能极大地影响每天的地质灾害勘查工作。
在科学技术飞速发展的今天，在国内，物探技术已经成为了一项重要的工程，它是保证工程质量和安全的重要手段。
TSP法是利用物探技术对隧道工程进行地质预测的一种先进技术。
所以，在进行TSP探测预报的时候，一定要对隧道的地质状况有一个全面的认识，在数据采集、处理和评估的每一个环节都要有针对性，这样才能保证地质预报的可靠性和准确性。
一、TSP原理及特点（一）原理隧洞超前地质预测检测法是利用TSP进行的，它的观测系统是按空间分布的，而接收和激励系统则分别位于隧洞两侧的岩层中。
地震波的产生是通过小爆炸，电火花，撞击等方式来实现的。
TSP能对两侧及上、下两个层面的回进行甄别、过滤，只留下掌子面前的回波，防止了误报警；并给出了掌子面前的岩石波速度及地层接触面的精确图像。
地震波速度可作为岩体工程等级划分的基础，而界面可作为地质结构解释的基础。
在不同的阻抗界面条件下，地震波将会在不同的阻抗界面上被部分反射，而另一些则会传输到前方介质中。
利用高灵敏的测震仪对反射回波进行探测。
利用地震波软件对数据进行处理，就可以对隧道工作面前方不良地质体的性质、位置和规模进行了解。
（二）特点将TSP方法应用于隧道地质超前预测，能够充分利用TSP方法的高精度、高实时、大范围、易操作、易推广等优点。
首先，利用TSP方法，在隧道沿线构造地质点和地质点间构建关联地图，实现对可能发生的地质灾害的精确预报，为隧道建设提供精确的地质资料。
复杂地质条件下隧道超前地质预报方法研究
复杂地质条件下隧道超前地质预报方法研究曹洪坤【摘要】随着我国基础设施建设深入,隧道施工环境越来越复杂,如何有效预测复杂地质条件下的隧道不良地质体对防范施工安全事故具有重要意义.分别介绍了地质雷达法、高密度电法和地震波法在复杂地质条件下隧道的超前地质预报的应用,并对测试结果进行对比.结果表明:以电磁波传播理论为原理的地质雷达法是一种耗时少的无损检测手段,可有效探测空洞,但测试长度有限;以电性差异为原理的高密度电法测含水体最优,但依赖于半空间和测区横向长度;地震波法可测试空洞和含水体,并可直观读取岩性变化,预测距离长.因此,解决复杂条件下隧道超前地质预报应该以多手段结合最好,可很大程度提高隧道不良地质体预测准确度.【期刊名称】《宜春学院学报》【年(卷),期】2018(040)003【总页数】4页(P34-37)【关键词】隧道;地质雷达法;高密度电法;地震波法【作者】曹洪坤【作者单位】中铁十九局第七工程有限公司,广东珠海519020【正文语种】中文【中图分类】U452随着我国一带一路战略提出，更多的隧道及其它地下工程相应开展建设，这些基础设施的稳定性成为关键问题。
然而，隧道围岩赋存环境变化多端，围岩均质性差，多存在节理、溶洞，含水构造和断层等不良地质体，如若不事先预测，将给现场施工带来不可估量后果。
比如，渝怀铁路圆梁山隧道就在施工过程发生了岩溶涌水突泥灾害[1]，给施工技术人员带来很大麻烦，并延误工程工期。
宜万铁路大支坪隧道多处发现了溶洞及蓄水体，不仅给隧道防排水带来困难，也危及着现场施工人员安危[2]。
沪蓉西高速的齐岳山隧道经过事先预报探测，成功预报出一直径约70 cm的向下孔洞[3]。
可见，隧道在开挖过程不良地质体随时可能碰到，采用科学有效的手段去预测复杂条件下的隧道不良地质构造具有重要意义。
隧道超前地质预报主要分两类，一是测试手段，如地震波法、超前钻探法、高密度电法和地质雷达法等[4，5]，黄小城等[6]对云桂铁路弥勒境内的六郎隧道进行了超前预报，并结合了地质雷达和红外进行多手段结合，提供了可靠的工程经验。
高密度电法在隧道超前地质预报中的应用
高密度电法在隧道超前地质预报中的应用余左清;廖声林【摘要】通过介绍高密度电法的原理,结合具体工程实例,就高密度电法在隧道超前地质预报中应用的基本思路及勘察成果作了探析,结果表明:该方法简单易行,准确率高,其结果与开挖后揭露的地质情况吻合较好.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2010(036)020【总页数】3页(P343-345)【关键词】隧道;高密度电法;超前地质预报【作者】余左清;廖声林【作者单位】湖南省中方县国土资源局,湖南,中方,418007;湖南省辰溪县国土资源局,湖南,辰溪,419500【正文语种】中文【中图分类】U456.33随着我国国民经济的高速发展和西部大开发战略的深入实施,公路等基础设施在西南山区的建设规模日益扩大,公路隧道数量也越来越多。
而我国西南山高谷深,修建公路时常采用隧道方案穿越山岭。
不良地质体,比如断层、裂隙、岩溶等常常成为我国隧道建设当中遇到的最主要也是最难以解决的问题。
若能准确地在隧道掘进中提前了解掌子面前方岩性结构的变化情况,如预报掘进前方是否有断层、破碎带、溶洞等不良地质构造,这些构造的几何形态如何,规模的大小,根据所掌握的这些地质构造情况,可及时合理地安排掘进进度、修正施工方案、安排防护措施、避免险情发生[1]。
它是实现隧道的科学施工和信息化管理的首要前提,本文即是通过高密度电法来实现这一前提的。
1 高密度电阻率法原理简介[2]高密度电阻率法(简称高密度电法)是一种阵列勘探方法,也称自动电阻率系统,是直流电法的发展,其功能相当于四极测深与电剖面法的结合,其工作系统见图1。
通过电极向地下供电形成人工电场,其电场的分布与地下岩土介质的电阻率ρ的分布密切相关,通过对地表不同部位人工电场的测量,了解地下介质视电阻率ρs的分布,根据岩土介质视电阻率的分布推断解释地下地质结构。
该方法对围岩的含水情况特别敏感,围岩破碎含水,其视电阻率明显降低,完整、坚硬岩土的视电阻率明显高于断层带或破碎带和富水带围岩的视电阻率。
物 探 法
物探法
图1-2 地震波反射法的预报原理
物探法
通过计算机软件得到各种围岩构造界 面与隧道轴线相交所呈现的角度及掌子面 的距离，并可初步测定岩石的弹性模量、 密度、泊松比等参数以供参考，进一步分 析隧道前方围岩的性质、节理裂隙密集带 分布、软弱岩层及含水状况等。
物探法
弹性波反射法适用于划分地层界限，查 找地质构造，探测不良地质的厚度和范围。 其要求被探测对象与相邻介质应存在较明显 的波阻抗差异并具有足以被探测的规模；断 层或岩性界面的倾角应大于35°，构造走向与 隧道轴线的夹角应大于45°。
（2）探测目的体具有足以被探测的规模。 （3）不能探测极高电导屏蔽层下的目的体。
物探法
2）探测距离
地质雷达在完整灰岩地段预报 距离宜在30 m以内，在岩溶发育地 段的有效探测长度则应根据雷达波 形判定。连续预报时前后两次重叠 长度应在5 m以上。
物探法
3）地质雷达探测仪表的技术指标
（1）系统增益高。 （2）信噪比大。 （3）采样间隔应根据使用频率和采样定理及仪 器设置选定。 （4）具有可选的信号叠加、实时滤波、点测与连 续测量、手动与自动位置标记等功能。
（10）地质雷达探测质量检查的记录与原探测记录应具有良 好的重复性，波形一致，没有明显的位移。
物探法
5）地质雷达探测的资料与解释
（1）参与解释的雷达剖面应清晰。 （2）解释前宜做编辑、滤波、增益等处理。当情况 较复杂时，还宜进行道分析、FK滤波、正常时差校正、褶 积、速度分析、消除背景干扰等处理。 （3）结合地质情况、电性特征、探测体的性质和几何 特征综合分析。必要时应考虑影响介电常数的各种因素， 制作雷达探测的正演和反演模型。
物探法
6）探测报告
地质雷达法预报应编制探测报告，内容 包括探测工作概况、采集及解释参数、地质 解译结果、测线布置图（表）、探测时间剖 面图等，其中时间剖面图中应标出地层的反 射波位置或探测对象的反射波组。
隧道超前地质预报与监控量测施工作业指导及监控要点
隧道超前地质预报与监控量测施工作业指导及监控要点1. 超前地质预报方法要求①隧道每一循环开挖后应及时进行地质素描，核对设计地质情况，判断围岩稳定性。
②超前水平钻探每循环钻孔长度应不低于30m，连续预报时前后两循环孔应重叠5~8m。
③TSP地震波反射法每次预报的距离宜为100~150m，连续预报时，前后两次应重叠10m以上。
④地质雷达在岩溶不发育地段每次预报距离宜为10~20m；在岩溶发育地段预报长度可根据电磁波波形确定。
连续预报时前后两次重叠不应小于5m。
⑤红外探测法每次预报的距离宜为20~30m。
连续预报前后两次重叠长度应不小于5m。
表9.3 超前地质预报方法及要求超前地质预报作业安全预防措施符合设计和技术规程的要求，作业时预防坍塌、掉快、高空作业、突水突泥及其他危险因素。
2.超前地质预报监理控制要点①按照设计给定的超前地质预报设计说明书的里程进行超前地质预报。
②检查超前地质预报报告。
检查所采用的物探、钻探手段、范围、长度、搭接长度等是否与设计相符③超前地质预报应该反馈至设计院，根据超前地质预报结果修改设计，做到动态设计、动态施工。
④超前地质预报时施工单位、监理单位一定要有人员在现场并做好相应记录。
注意，不管做那种超前地质预报前施工单位必须向现场监理报验，现场监理必须旁站并做好记录。
内容有现场人员、设备、数据采集、工作量等。
超前预报资料需保存并建立台帐。
二、监控量测监理工程师审批监控量测计划,监控量测计划应包括量测项目及方法、量测仪器的选择、测点布置、量测频率、数据处理及量测作业人员的组织等内容。
1. 地表下沉量测控制要点：浅埋隧道洞顶地表下沉量测应在隧道尚未开挖前就开始进行，借以获得开挖过程中全位移曲线。
测点和拱顶下沉量测布置在同一断面上。
测点纵向间距与隧道埋深和开挖宽度有关，横向测点一般布置在4—6倍洞室宽范围，隧道中线附近密些，外侧渐稀，间距为2～5m。
在开挖影响范围以外设置2～3个水平基点。
隧洞地质超前预报专项方案
目录一、编制目的 0二、编制依据 (1)三、工程概况 (1)四、工期打算 (2)五、超前地质预报方案 (2)超前钻孔探测 (2)地质雷达 (3)TSP203地质预报 (3)地质调查 (5)红外线探测 (6)加深炮孔探测 (6)水文地质分析 (7)六、超前地质预报的要紧内容 (8)断层预报 (8)涌水突泥预报 (9)七、超前地质预报组织机构 (10)八、相关仪器配置 (11)九、数据记录与分析 (11)十、平安与环保方法 (14)隧洞超前地质预报专项方案一、编制目的进一步查清隧洞开挖工作眼前方的工程地质和水文地质条件，指导工程施工的顺利进行，降低地质灾害的发生概率和危害程度，随时把握隧洞前方地质转变情形，确保隧洞工程施工顺利开展。
依照本工程地质特点，特编制此专项方案。
二、编制依据一、《工程测量标准》(GBJ50026-2007)二、《水利水电工程施工组织设计标准》(SL303-2004)3、《水工建筑物地下工程开挖施工技术标准》(DL/T 5099-2020)4、《建设工程施工现场供用电平安标准》（GB 50194-1993）五、《建筑工程施工质量验收统一标准》（GB50300-2001）六、《爆破平安规程》（GB6722 -2020)）7、《水利水电建设工程验收规程》（SL223-2020）八、《质量治理条例》（2021）三、工程概况浆水泉水库～孟家水库段:本段工程为新建隧洞，断面形式选用城门洞断面，洞高为3m，洞宽为。
浆水泉水库上游设浆水泉分水口，埋设DN800螺旋钢管54m;洪山溪设分水口，埋设DN800螺旋钢管32m。
隧洞长约，其中Ⅱ类围岩915米，Ⅲ类围岩1058米，Ⅵ级围岩444米，洞身最大埋深约103米。
隧址区属低山区，地形起伏较大，地面相对高差103m左右，隧洞为长期稳固地块，所受地质构造应力阻碍较弱，褶皱、断层不发育，岩层产状近水平，岩体节理、裂隙较发育。
隧洞洞身处未发觉地下水，但洞身存在少量的基岩裂隙水，雨季时水量会增大。
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基于高分辨直流电法的隧道超前地质预报异常探测研究杨庭伟;张力;卢超波;姜洪亮【摘要】采用高分辨直流电法,对隧道不同空间位置的不良地质体探测异常特征进行了数值试验,并结合物理模型试验进行了分析研究.介绍了高分辨直流电法隧道超前探测机制和有限元求解原理;通过建立有限单元模型,对含隧道空腔全空间点源场的电位分布进行了数值试验,分析了不同地电条件下隧道不良地质体的视电阻率曲线形态特征;结合物理模型试验结果,对隧道不同空间位置的不良地质体探测进行了模拟试验.结果表明:在隧道空间内采用高分辨直流电法对围岩进行不良地质体的探测具有空间选择性,仅从GU或视电阻率曲线难以判断隧道掌子面前方的不良地质体,但对位于隧道底板或侧帮的不良地质体探测效果较好.研究成果对利用高分辨直流电法应用于隧道不良地质异常体的超前地质预报选择以及适用性具有一定的参考意义.【期刊名称】《矿产与地质》【年(卷),期】2018(032)001【总页数】7页(P131-137)【关键词】直流电法;隧道超前探测;三极空间交会法;空间适用性;不良地质体【作者】杨庭伟;张力;卢超波;姜洪亮【作者单位】广西交通科学研究院有限公司,广西南宁530007;广西道路结构与材料重点实验室,广西南宁530007;中国有色桂林矿产地质研究院有限公司,广西桂林541004;广西交通科学研究院有限公司,广西南宁530007;广西道路结构与材料重点实验室,广西南宁530007;广西交通科学研究院有限公司,广西南宁530007;广西道路结构与材料重点实验室,广西南宁530007【正文语种】中文【中图分类】P631.30 引言高分辨直流电法[1]是以岩石的电性差异为基础，在全空间条件下建立电场，电流通过布置在隧道内的供电电极在围岩中建立起全空间稳定电场，通过研究电场或电磁场的分布规律预报开挖工作面前方储水、导水构造分布和发育情况的一种直流电法探测技术。
苏联地球物理学家B.A.科马罗夫[1]等人于20世纪60年代提出了固定点源测深法或称单极梯度法(Fixed Point Source Sounding)，并应用于矿床普查，取得了良好的效果。
出于生产的需要，十几年来，国内学者尝试把地面直流电阻率法中较为成熟的三极测深法引入地下用于巷道超前探测。
2002年，李玉宝[3]提出以“点电源”为依据的矿井直流电法应用于巷道超前探测；2006年，黄俊革[4-5]等讨论了直流电法坑道超前探测的正演计算和快速反演问题，指出将三极法用于巷道超前探测理论上可行，但测深能力有限；2007年，闫高翔[6]将高分辨率直流电法应用到隧道超前地质预报中，指出该方法用于探明隧道掌子面前方含、导水构造分布和发育情况效果良好；2008年，原铁道部[7]将该种方法写入了国家行业标准《铁路隧道超前地质预报技术指南》中，命名为“高分辨直流电法”(也称三极空间交汇探测法)；2009年，阮百尧[8]等对直流电阻率三极测深超前探测工作方式进行了研究，根据理论计算和数值模拟结果，指出在巷道中用点源三极电阻率法进行超前探测预报具有较大的局限性，可行性值得商榷。
文中针对高分辨直流电法进行隧道围岩体超前探测存在的问题，采用有限元法及物理实验模拟对隧道不同空间位置的不良地质体探测曲线形态特征进行了分析，为采用高分辨直流电法进行隧道围岩体的不良地质体的探测提供参考。
1 探测机制如图1所示，隧道点源三极法勘探基本等效于全空间电法勘探，电极布置方式采取定点源三极法，其中点源A(供电电极)位于隧道工作面迎头处，B极(无穷远极)引至洞口方向较远处，测线布置于位于隧道底板或侧帮上，测量电极M、N沿测线移动，相对B极，A可看作为点电源，在A作用下，均匀介质中以A为核心，形成一个球状电场。
图1 隧道点源三极法探测示意图Fig.1 Three pole method for detecting tunnel point source根据电位及电场球中心对称的原理，在等半径球面上，任意一点电位均相等，如电流分布的范围内存在电性异常，不管该电性异常位于哪个方位，其电场分布将产生畸变，通过电阻率仪可测得M、N两点间的电位差ΔUMN进而得出MN球环上的视电阻率，故在隧道掌子面后方进行观测亦可探测出待测三维空间周围的异常情况。
由图1可见，在以点源位置A点为中心的等半径范围内任何一处引起的等位面的变化可对视电阻率测量值造成影响，事实上，在隧道掌子面后方观测到的视电阻率异常其实是对整个球壳内部的反映，并不能由此推定异常位于掌子面的前方。
为了实现超前探测的目的，消除顶板、底板和后方的影响，仅反映隧道迎头前方的地质异常，国内学者[3，6-7]对点源法进行了改进，提出通过布置三个发射电极的方法(图2)，进行空间交汇，对不需要的信号进行压制，从而达到探测出隧道工作面迎头前方的地质体异常情况的目的。
2 有限元原理2.1 模拟方法由图1可见，在隧道有限的空间内进行点源直流三极法的布测，测量电极M、N 通常极距较小且距供电电极A相距较近，如采用有限单位总电位法来计算，计算过程为拟合场源附近激烈变化的总电位，结果易带来较大误差，本文为加大供电电极A附近区域的计算精度，采用异常电位法进行模拟(这里不再赘述，详见文献[9-10])。
在均匀介质全空间的情况下，采用异常电位法进行点源正常电位的计算，可由下式进行：图2 几何交汇原理示意图Fig.2 Schematic diagram of geometric convergence principleu0=I/(4πrAσ0)(1)式中rA为观测电极到供电电极之距，σ0为均匀全空间介质电导率。
2.2 网格剖分方法文中对数值模型采用六面体单元进行剖分，并做如下假设：①单元内介质电导率均匀；②单元内电位线性变化。
模型剖分见图3，以隧道为几何中心，相近范围内采用等步长小网格单元，便于模拟形状规则的不良地质体及保证测量极距规则，同时可提高计算精度；距隧道几何中心较远处，网格单元尺寸则呈倍数递增。
图3 区域剖分示意图Fig.3 Schematic diagram of regional dissection3 隧道模型电场分布由于隧道开挖形成空腔，电流分布较连续全空间的情况有所不同。
为进一步演示高分辨直流电法在隧道开挖形成空腔内进行不良地质体进行超前探测的原理，建立了含隧道空腔的全空间模型，并对其电场分布进行计算。
模型参数如下：隧道周边介质电阻率为1000Ω·m，横截面尺寸为8m×8m，电流大小为1A。
点源场含隧道空腔截面电位分布见图4，图中等值线为等电位线，箭头指示方向为电流方向。
如图所示，在掌子面中心采用点源供电，电流主要沿着掌子面掘进方向流出，点源场产生的电流成点源辐射状发散分布。
图4 点源场含隧道空腔截面电位分布图Fig.4 Potential distribution map of the cross section of a tunnel with a point source field4 模拟结果分析根据高分辨直流电法隧道超前探测的原理构建地质模型，隧道纵断面为边长8m的正方形，围岩介质电阻率设为1000Ω·m。
因需考虑隧道空腔产生影响，为了模拟隧道开挖形成的空腔，隧道空腔区域的电阻率取值相对较大，文中均取1×1010 Ω·m，测量电极间距MN=2m。
在全空间情况下，其视电阻率ρs按下式进行计算：(2)式中AM为供电点A到测量电极M的距离，m；AN为供电点A到测量电极N的距离，m；MN为测量电极间距，m；UM为M处电位，V；UM为N处电位，V；以测量电极MN的中点O点作为观测点横坐标位置，电极距为AO，以便于记录和成图。
4.1 隧道空腔影响及存在不良地质体的异常特征对比为模拟含水构造，该模型参数设置如下：设有一低阻不良地质体位于隧道掌子面正前方，其几何中心与隧道几何中心位于同一水平高度，距隧道掌子面5m，长厚宽分别为16m×4m×16m，低阻不良地质体电阻率设为1Ω·m，围岩介质电阻率为1000Ω·m；供电电极A位于隧道底板中轴线上，距掌子面5m，测量电极M和测量电极N也位于隧道底板中轴线上，测量极距MN设为2m。
在仅含隧道空腔影响的情况下，当在隧道中采用三极直流电法进行探测时，其数值计算的视电阻率曲线见图5，图中其视电阻率值采用(2)式进行计算。
由计算结果可见，当电极距AO较小时，观测视电阻率值约为围岩电阻率的两倍，随着电极距增大，其视电阻率值逐渐趋向于围岩介质电阻率值，这与在地表中应用三极直流电法的情况存在较大差异。
在隧道掌子面前方存在低阻的不良地质体同时含隧道空腔影响的情况下，由其视电阻率曲线形态可见，受低阻不良地质异常体的影响，其视电阻率值相比于无不良地质异常体的视电阻率值略有减小，从隧道迎头往后方依次观测，其值均为单调下降，对比两者，其视电阻率曲线形态并无明显差异。
据此可得：采用三极直流电法(也称高分辨直流电法)在隧道空间内进行不良地质异常体的超前探测，仅根据视电阻率曲线形态难以获得隧道掌子面前方不良地质体(含水构造)所引起的视电阻率异常；若要准确判断掌子面前方含水构造所引起的视电阻率异常，对探测仪器的技术灵敏度要求极高。
图5 隧道空腔及前方含不良地质体的视电阻率曲线Fig.5 Apparent resistivity curve of tunnel cavity and front unfavorable geological body4.2 不同尺寸不良地质体异常特征对比为对比隧道掌子面前方不同尺寸的不良地质体进行三极直流电法超前探测的异常特征，该算例为四个其他参数一致，尺寸不同的不良地质体地质模型，各模型中不良地质体均位于隧道掌子面正前方10m处，电阻率均设为1Ω·m，不良地质体长厚宽分别为4m×4m×4m、8m×4m×8m、16m×4m×16m及厚度为4m的无穷大直立式低阻板状体。
围岩电阻率设为1000Ω·m，测量极距MN设为2m。
该算例计算结果见图6，由计算结果可见，不良地质体的尺寸大小不同，其视电阻率曲线的形态仍基本一致，从隧道迎头往后方依次观测，视电阻率值均为单调下降，在其他参数一致的情况下，不良地质体的规模越大，其相对下降的幅度越大。
图6 异常体大小不同时的视电阻率曲线Fig.6 Apparent resistivity curves of abnormal body size4.3 不同位置不良地质体异常特征对比模型示意图见图7a，该算例为两个不良地质体大小及电阻率均一致、但其位置不同的地质模型。