隧道含水构造三维瞬变电磁场响应特征及突水灾害源预报研究

针对隧道含水构造的瞬变电磁场响应特征和隧道突水灾害瞬变电磁探测与预报问题进行了两方面的研究:第一,采用时域有限差分法实现了针对任意复杂模型瞬变电磁探测的三维正演,完成了隧道含水构造瞬变电磁场响应的三维建模,并针对典型含水构造进行了响应特征分析;第二,提出了隧道突水灾害瞬变电磁三维多分量阵列式探测方法,并就其解释技术进行了探索。具体研究内容如下:(1)地面和航空瞬变电磁的三维正反演技术在欧美、澳洲等发达国家已经开始应用于工业生产,然而,隧道内的瞬变电磁探测存在一个复杂的伪均匀全空间环境,现有的正演技术均不适用于隧道内的瞬变电磁探测,其主要原因是采用现有方法对隧道探测施加激励源存在难度。针对这一问题,同时考虑有源和无源区域的Maxwell方程组,引入激励源电流密度项到安培定理中,从而实现回线激励源的注入。理论上,这种施加激励源的方法适用于任意复杂的三维模型,但其缺点是增加了计算成本。为了提高计算效率,采用了CPU+GPU异构并行计算方案。为了验证所给出的新激励源施加方法的正确性,首先采用均匀半空间模型解析解与三维FDTD解进行对比,结果显示衰减曲线误差小于5%,视电阻率误差小于3.5%;然后采用四类三层模型(A,H,K,Q)的线性数字滤波解与三维FDTD计算结果进行对比;之后采用均匀半空间包含低阻块体的模型进行计算并与相关研究中的FDTD解和积分方程解进行对比。以地面验证的理论为基础,针对隧道探测进行了专门改进,提出了隧道超前探测瞬变电磁三维正演建模方法,针对直立断层、倾斜断层、充水溶洞等隧道开挖过程中可能遇到的典型含水构造进行了正演模拟,考察了含水构造与掌子面的距离、含水构造规模、含水构造与背景围岩电阻率差异等参数对瞬变电磁响应的影响,得到了部分典型含水构造的瞬变电磁响应特征。针对TBM开挖的隧道,计算和分析了TBM机对瞬变电磁超前探测的影响规律,为隧道瞬变电磁超前地质预报用于TBM施工的隧道进行了数值的探索。分析数值算例后,新发现隧道超前地质预报中尚未采用的水平感应电动势响应对含水构造具有明显的反应,对于判识大规模含水构造具有重要作用。(2)现有的隧道瞬变电磁超前探测一般采用中心回线的方式并在掌子面布置1条测线,得到电阻率断面的二维分布,对含水构造的空间形态与分布规律反映较差。借鉴地面大回线中心装置的工作方式,提出了隧道突水灾害瞬变电磁三维多分量阵列式探测方法,给出了详细的装置布置形式与观测方法。以一维瞬变电磁基本理论为基础,研究了小回线半径下瞬变电磁回线内带偏移距观测点的水平和垂直磁场频率域响应中双重贝塞尔函数强振荡型积分的计算方法,以中心点频率域响应多项式为基函数,定义多项式形式的带偏移距观测点频率域响应表达式,通过最小二乘拟合获得多项式系数。将得到的频率域响应方程按照反傅里叶变换转换到时间域,得到瞬变电磁回线内带偏移距观测点水平和垂直感应电动势响应的时间域方程,在瞬变电磁场晚期近似条件下,给出了与隧道多点阵列式探测方法配套的水平和垂直感应电动势响应晚期视电阻率公式,从而使隧道多分量阵列式瞬变电磁探测采集的数据能够转换为视电阻率图像进行解释。以层状地层的横向和纵向电阻率合成方法给出了综合利用水平和垂直响应的电阻率矢量合成方法。采用均匀半空间模型和四类三层模型(A,H,K,Q)进行对比验证,并采用现场实测数据进行分析,结果得到了钻孔验证。上述两部分研究工作为瞬变电磁正演理论提供了研究基础,尤其是隧道突水灾害瞬变电磁探测的响应特征研究提供了基础。建立的隧道三维探测方法能够获得三维数据体,连同正演理论为进一步的三维反演提供了研究基础。     

隧道全空间瞬变电磁任意点垂直磁场分量全域视电阻率解释方法研究

 针对目前隧道瞬变电磁超前预报主要利用垂直分量晚期视电阻率断面进行近似解释存在的不足,文中研究了隧道瞬变电磁任意共面垂直磁场全空间全域视电阻率解释方法。首先,从电偶极子的均匀全空间响应公式出发,通过对偶极子响应进行矢量叠加,计算隧道全空间回线源瞬变电磁场垂直分量的响应。然后,根据全空间磁场时域响应推导了隧道瞬变电磁共面垂直磁场的全域视电阻率的定义方法,介绍了利用反函数原理进行电阻率计算的数值迭代方法。最后,计算并分析了隧道腔体和含水体对视电阻率的影响。将文中解释方法与传统解释方法进行对比分析,计算结果表明,文中视电阻率定义方法较其他方法可以避免隧道腔体的影响,能够更好的对含水构造进行探测。     

隧道瞬变电磁任意点垂直分量全域视电阻率解释方法

针对目前隧道瞬变电磁超前预报主要利用垂直分量晚期视电阻率断面进行近似解释存在的不足,研究隧道瞬变电磁任意共面垂直磁场全空间全域视电阻率解释方法。首先,从电偶极子的均匀全空间响应公式出发,通过对偶极子响应进行矢量叠加,计算隧道全空间回线源瞬变电磁场垂直分量的响应;然后,根据全空间磁场时域响应推导隧道瞬变电磁共面垂直磁场的全域视电阻率的定义方法,介绍利用反函数原理进行电阻率计算的数值迭代方法;最后,计算并分析隧道腔体和含水体对视电阻率的影响。将该解释方法与传统解释方法进行对比分析,计算结果表明,该视电阻率定义方法较其他方法可以避免隧道腔体的影响,能够更好地对含水构造进行探测。     

隧道掌子面前方低阻夹层的瞬变电磁探测研究

 实践表明,隧道掌子面前方含水、充泥等不良地质体对隧道施工构成潜在的危险和障碍,严重影响隧道施工速度。由于瞬变电磁法对低阻体反应灵敏,在进行瞬变电磁隧道超前地质预报时,这些含水、充泥等不良地质体通常又可以近似当成一种低阻夹层来处理,因此,利用瞬变电磁法对掌子面前方低阻夹层的探测研究就显得很有意义。采用建立在全空间理论上的瞬变电磁等效导电平面法,利用遗传算法进行计算,并结合视纵向电导及其微分成像对隧道掌子面前方低阻夹层展开相应的正演模拟及应用研究,重点讨论视纵向电导微分成像的电性界面响应特点及其与视电阻率断面等值线联合解释方法,总结出相应的结论和规律,以此来指导瞬变电磁法在隧道内的超前地质预报工作,不断提高瞬变电磁探测的精度及准确度。     

隧道瞬变电磁超前预报平行磁场响应探测方法

 通过三维数值试验和模型试验研究,分析平行磁场的响应特征,发现一些新的现象和规律,提出隧道瞬变电磁超前预报平行磁场响应探测方法。数值试验结果表明：(1) 与掌子面平行的磁场响应对于判识掌子面前方的含水构造具有非常明显的响应特征;(2) 对于垂直磁场响应无法识别的含水构造,平行磁场响应仍然具有很明显的响应特征。(3) 当大规模含水构造距离掌子面较近时,平行磁场响应存在2次电动势反向的现象,可直接用于工程中水体的判识。采用数值方法计算TBM开挖隧道进行瞬变电磁超前预报时的响应特征曲线,提出的新探测方法有望应用于TBM开挖隧道的超前预报工作。     

隧道瞬变电磁超前探测去噪方法试验研究与应用

隧道等地下工程在施工过程中常面临突水突泥等地质灾害,瞬变电磁法能够基于介质间的电阻率差异对掌子面前方的含水构造进行探测和定位。但由于隧道环境存在较多的干扰,实际探测获取的中晚期数据质量相对较差而无法使用。设计均匀半空间模型和三层经典模型研究瞬变电磁法探测的感应电动势转化成视电阻率的适用性,发现在无干扰时晚期数据转化效果良好,在强干扰情况下晚期数据转化效果较差。使用这2种模型,分别对比3种滤波算法改善晚期数据质量,改善瞬变电磁场强干扰环境下晚期衰减曲线的信噪比,提高瞬变电磁探测深度。现场试验发现,采用滤波算法与传统直接截断方法对比后,晚期数据可以使用,有效提高了探测深度,早期数据成像结果与直接截断方式成像结果相同,滤波算法不影响早期数据。     

隧道激发极化法超前探测快速反演研究

突（涌）水地质灾害是制约隧道等地下工程建设的瓶颈问题之一,掌子面前方存在多个含水构造的情况普遍存在,对隧道前方多个含水构造的超前探测是亟待解决的难题,基于激发极化法中极化率参数对水体响应敏感的特点,将其引入到隧道前方含水体超前探测研究工作中,从正演理论、反演解释、物理模拟和现场应用等方面入手对激发极化超前预报技术进行了较为深入的研究。首先,推导了隧道掌子面前方多个含水构造激发极化法超前探测的理论解公式,采用等效电阻率法计算视极化率观测数据,为激发极化法超前探测快速反演奠定了基础。其次,基于隧道前方多个含水构造的理论解,提出了利用两个阻尼系数控制步长和搜索方向的思路,解决了传统马奎特方法仅依靠一个阻尼系数很难有效同时控制两个变化因素的矛盾;提出了一种改进的马奎特快速反演方法,同时对视电阻率和激发极化数据进行反演,使之对初始模型参数依赖较小,收敛速度较快,精度较高,并对隧道前方存在多个含水构造模型进行了较为成功的反演。最后,物理模型试验和现场实际应用表明,激发极化法超前探测快速反演方法是行之有效的, 为解决隧道多个含水构造超前探测这一难题提供了可行的途径。     

基于激发极化法的隧道含水地质构造超前探测研究

 突(涌)水地质灾害是制约隧道等地下工程建设的瓶颈问题之一,隧道施工期含水地质构造的超前探测尤其是水量预测已经成为亟待研究和解决的重要工程科技难题。针对上述难题,提出以激发极化法等地球物理方法为先导的解决思路,研发隧道含水构造超前探测专用激发极化仪器。提出从视电阻率数据着手解决含水构造定位难题的思路和基于三维电阻率反演方法的隧道含水构造超前探测三维成像方法及其计算效率优化方案。解答隧道超前探测的基本问题(如三维全空间点源电场求解、三维测量观测方式、干扰识别与去除方法、反演目标区域等),利用反演算例验证断层、溶洞等含导水地质构造三维成像的有效性。针对含水体的水量预测难题,提出基于二电流激发极化半衰时之差法的隧道含水构造水量预测方法,通过物理模型试验发现半衰时之差与水量之间存在线性正相关关系,二者之间的这种单调线性正相关关系为解决实际工程中含水构造的水量预测难题奠定了基础。最终形成激发极化法隧道含水地质构造超前探测技术体系,并将该技术用于隧道地质预报实践中,预报结果与实际开挖情况基本一致。实际应用效果表明,激发极化超前预报技术可有效解决隧道施工期含水构造超前探测的定位难题,尤其可实现含水体水量的估算,拓展了超前地质预报工作的功能,具有良好的应用前景和推广价值。     

隧道施工含水构造激发极化定量超前地质预报理论及其应用

突涌水灾害源(含水地质构造)的超前探测理论与技术已经成为隧道等地下工程建设亟待解决的关键科学难题。针对以上难题,提出多同性源阵列激发极化超前探测新方法,以含水构造的三维反演成像与水量预测的相关理论、方法为目标内容,并引入约束联合反演思想,以基于约束联合反演的综合超前探测方法为结合点,形成多同性源阵列激发极化法隧道含水构造超前探测综合定量识别方法,具体内容如下:(1)针对传统激发极化探测方法存在旁侧干扰严重,且无法适用于TBM施工隧道的问题,提出了激发极化超前探测的多同性源阵列型新观测模式,揭示了多同性源电极供电的后向屏蔽与前向聚焦作用机制,并对孔中阵列激发极化观测方式进行了探讨,优选出了最佳阵列电极观测方式,揭示了激发极化法对典型含水地质构造的响应特征,提高了抗旁侧干扰能力与超前探测能力,可同时适用于钻爆法与TBM施工环境。(2)针对线性反演方法对初始模型依赖性大、非线性方法搜索效率低的问题,基于观测数据加权函数与模型深度加权函数,提出了基于加权函数的最小二乘反演方法;同时,将电阻率光滑约束与轨迹光滑约束引入到蚁群反演中,提高了蚁群算法的搜索效率,建立了线性反演方法与非线性反演方法相结合的混合反演方法,解决了由于隧道掌子面狭小探测空间而导致反演深度分辨率差的难题,实现了隧道含水构造的三维反演成像。(3)针对多解性这一地球物理探测固有难题,采用已知地质体形态信息作为先验约束的思想,研究已知先验信息约束联合反演模型构制方法与约束反演方法,提出了空间形态约束反演与空间结构约束反演方法,将地震波法、电磁法以及地质分析方法确定地质体形态作为已知先验信息约束,并施加到激发极化约束反演方程中,形成了以激发极化约束联合反演为载体的隧道综合超前探测方法,为实现多元地球物理信息融合与联合反演找到一条可行有效的途径。(4)研制了多路大电流恒流供电与多通道同步采集的激发极化仪器——GEI综合电法仪,实现了6路大电流恒流输出与8通道数据同步采集;研发了兼容多种地球物理探测方法的大型综合超前探测试验装置,尺寸长17 m×宽8.4 m×高6.7 m,满足地震波法、电磁法、电法等多种地球物理方法探测的要求。(5)针对含水构造水量定量探测难题,基于电化学与传质动力学基本理论,建立激发极化电场-浓度场-离子流场耦合关系方程,研究岩石孔隙模型中离子浓度的不同时刻的运移规律,阐明了激发极化二电流半衰时之差探测水量的微观机制;通过开展典型含水构造超前探测物理模型试验,揭示了激发极化衰减特性与含水体水量的相关关系,建立了激发极化隧道含水构造超前探测水量估算模型与方法。(6)综合隧道激发极化法三维反演成像方法与水量估算方法,形成了激发极化法隧道含水构造超前探测综合定量识别方法,研究成果应用于宜巴高速马家坡隧道、石门垭隧道、利万高速齐岳山隧道等工程实践中,验证了激发极化隧道含水构造超前探测综合定量识别方法与技术的有效性与实用性。     

隧道地质预报中的瞬变电磁视纵向电导解释方法研究

瞬变电磁隧道超前地质预报最常用到的成果解释图为视电阻率等值线图,但由于视纵向电导相对于视电阻率等值线图具有更好的电性界面识别特征,因此,研究隧道超前地质预报中的瞬变电磁视纵向电导解释方法就显得很有意义。通过建立在全空间条件下的等效导电平面法来计算视纵向电导参数,并且详细阐述了视纵向电导曲线及其一次、二次微分曲线之间的关系。然后,通过建立隧道正演夹层模型和实际应用实例对视纵向电导的解释特点和效果进行较为全面的分析研究,并深入讨论了视电阻率等值线图与视纵向电导二次微分成像联合解释方法。最后,总结和归纳出视纵向电导在瞬变电磁超前地质预报解释中的一些方法特点和规律,以此指导瞬变电磁法在隧道内的超前地质预报工作,不断提高瞬变电磁隧道超前地质预报的精度及准确度。     

基于场路耦合的隧道瞬变电磁超前探测正演与工程应用

 瞬变电磁正演计算几乎全部采用均匀半空间的解析解作为初始条件加入,这对于存在解析解的情况下是可行的,然而,进行隧道超前探测时,由于处在全空间中并且存在已开挖洞体的影响,使用均匀全空间的解析解作为初始条件并不适用。从麦克斯韦方程组出发,在三维瞬态涡流场方程和电路方程的基础上,建立基于A法(矢量磁位法)的瞬变电磁场路耦合模型。通过节点法进行时间离散,建立迦辽金格式的时间离散方程,实现独立电压源激励下的瞬变电磁三维正演,使瞬变电磁法的三维正演更接近实际的观测过程。应用场路耦合方法进行瞬变电磁“烟圈效应”的数值计算,其结果与解析值对比表明正演结果与实际相符。以青岛胶州湾海底隧道为例分别建立考虑海水影响和不考虑海水影响的瞬变电磁超前探测模型,应用场路耦合的方法进行三维正演模拟,得到隧道上方海水体对瞬变电磁探测的影响。     

应对深地资源勘查电磁新方法的讨论

本文对深地资源勘查5种电磁新方法进行了讨论.它们分别是极低频电磁法(WEM)、多通道瞬变电磁法(MTEM)、电性源短偏移瞬变电磁法(SOTEM)、广域电磁法和相关检测电磁法.前3种电磁法的作者认为,可实现10km深度范围内金属矿和油气资源的有效探测.由于资源与勘查方法缺乏应有的针对性,笔者不能苟同.广域电磁法有创意,笔...     

综合电磁法在隧道采空区勘察中的应用

大地电磁法（GDP32）与瞬变电磁法是比较常用的两种地球物理电磁法勘探手段,在铁路隧道、公路隧道和输油气管道的勘察中,应用尤其广泛。本文主要论述了大地电磁法（GDP32）和瞬变电磁法的工作原理、野外工作方法及数据采集过程中参数的选择。通过在铁路隧道采空区勘查中的实际应用,对采集结果进行详细分析得知,以大地电磁法（GDP32）为主、辅以瞬变电磁法能有效查明深埋隧道的地质构造,尤其是能查明采空区的分布情况,为地质钻孔布置及隧道设计、施工提供了可靠的地球物理依据。     

公路隧道衬砌缺陷几何形态及填充物FDTD正演分析

 公路隧道衬砌的缺陷直接关系到衬砌运营寿命。以公路隧道衬砌检测为研究背景,建立隧道工程中常见的衬砌结构缺陷的几何形态模型。首先,研究电磁波的不同子波主频的探测性能以及分辨率;其次,根据缺陷的几何形态建立其地电模型,以脱空厚度、圆形缺陷、矩形缺陷以及不同填充物如砂土、水、空气为主要研究内容,通过时域有限差分(FDTD)法模拟分析其成像特征及差异。研究结果表明：衬砌脱空厚度的增加引起深部目标体成像位置更接近扫描面;缺陷的几何形态对成像特征影响小于填充体的影响;含水填充体的电磁波成像特征比气体及砂土填充体更加明显,且对电磁波的吸收作用导致对深部目标体的产生多次波等干扰因素。     

瞬变电磁法运用GDP-32~Ⅱ探测煤层采空区的效果

瞬变电磁法(TEM)是应用较广的一种电法勘探技术,GDP-32Ⅱ多功能电法仪是近几年来发展较快的电法勘探仪器。利用GDP-32Ⅱ多功能电法仪的瞬变电磁法(TEM)的探测功能探测煤层采空区发展尚不成熟,本文综合地面物探瞬变电磁法的应用发展技术,根据探测区的地球物理特征,运用GDP-32Ⅱ多功能电法仪,以探测斜沟煤矿采空区为例,通过对实测资料的处理和计算机绘图等综合分析,准确地探测出了采空区的位置,说明瞬变电磁法应用GDP-32Ⅱ多功能电法仪探测煤矿采空区能够取得较好的效果。     

瞬变电磁法运用V8探测深部采空区的效果

根据测区的地球物理特征,选用瞬变电磁法,运用V8Symtem2000.net多功能网络电法仪,以探测山西长治王庄煤矿采空区为例,通过对实测资料的采集、处理和计算机绘图等综合分析,准确查明了其采空区的位置,说明瞬变电磁法应用V8Symtem2000.net多功能电法仪探测深部采空区有较好的探测效果。     

大回线源瞬变电磁法最小探测深度的分析与估算

由于线圈的自感耦合作用 ,使瞬变电磁早期时间道信号严重失真。为研究瞬变电磁早期信号的特性 ,分析了瞬变电磁线圈等效回路的暂态过程 ,得出线圈自感信号振幅的理论表达式 ,计算了不同大小线圈的自感信号的幅值和衰减时间范围 ,得出了瞬变电磁测深法对地探测时存在一个不可分辨的“盲深度”。作者提出了不同线框大小和不同介质电阻率情况下 ,估算瞬变电磁能探测的最小深度的方法并给出了估算结果。所研究成果对进一步研究瞬变电磁早期场的附加效应打下了基础。同时得出的瞬变电磁最小探测深度的结论对野外生产工作具有指导意义     

坑道掘进瞬变电磁超前探水解释方法的改进研究

瞬变电磁方法已在坑道超前探水中发挥重要作用。因实际测试时存在电流关断时间,激励场不再满足阶跃关断条件。以水平电偶极子瞬变场响应为基础,给出坑道瞬变电磁多匝小回线中心阶跃瞬变场表达式。通过对3种非阶跃关断瞬变场的响应计算,确定了关断时间的影响范围,指出关断时间的影响对于坑道掘进前方浅部含水体的探测不可忽略。推导了全空间线性关断条件下全程视电阻率算法,从而改进坑道超前探水解释方法。物理模型实验和实例应用结果表明,该方法对于坑道掘进前方浅部含水体的空间划分更好,增强了瞬变电磁法对岩层富水特性的判定能力。