隧道瞬变电磁多点阵列式探测方法研究

 针对传统的隧道瞬变电磁探测与解释仅主要依靠二维视电阻率断面图的不足,借鉴地面大回线中心装置瞬变电磁的观测方式,提出隧道瞬变电磁多点阵列式探测方法。研究瞬变电磁非中心点垂直分量频率域响应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,定义多项式形式的非中心点频率域响应表达式,通过最小二乘拟合的方法得到多项式系数。推导瞬变电磁非中心点时间域响应公式,在瞬变电磁场晚期近似条件下,给出非中心点垂直分量晚期视电阻率公式,实现隧道瞬变电磁探测时观测回线内非中心点垂直分量响应能够转换为视电阻率图像进行解释,为隧道瞬变电磁多点阵列式探测提供理论基础,提出利用隧道瞬变电磁阵列式探测响应数据进行三维视电阻率综合解释的方法。在理论研究的基础上,结合现场试验,开展隧道瞬变电磁多点阵列式实际探测研究,对隧道底板下方含水构造进行多点阵列式探测,对探测结果进行对比和解释,形成三维视电阻率图,分析得到含水构造的三维空间展布规律。     

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。     

城市浅层地下空间结构小回线瞬变电磁RDI-SA高分辨反演成像方法

小回线瞬变电磁探测系统关断时间短、发射线圈面积小,有对地探测盲区小、横向分辨率高等优点。城市浅层地下空间结构相对于自然资源勘探对象具有尺度小、形状多变、物性参数与背景参数差异大等特点,反演计算时求解空间范围大,多解性和收敛性问题突出。提出一种视电阻率深度成像(resistivity depth imaging, RDI)-模拟退火(simulated annealing, SA)联合反演方法,利用瞬变电磁数据进行视电阻率深度成像,根据成像结果限定待求解模型参数的范围,指导模拟退火算法初始状态的确定,并构成参数更新过程的上下边界,对SA反演过程进行改进与优化。选取浅埋市政交通隧道和人防洞室2种典型的城市地下空间结构,利用自研小回线瞬变电磁探测系统开展实例探测分析,结果表明：上述RDI-SA反演成像方法能够准确还原地下结构空间特征。     

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。     

瞬变电磁法在采空区探测中的数据处理与解释——以大同鹊山煤矿为例

煤矿的采空区与断层探测中,瞬变电磁探测的数据经常会受到干扰。文章首先运用自动强干扰剔除,再进行横纵方向的滤波处理,并通过测井资料对比和计算机分析,对数据进行一维经验反演,查明该区域内采空区和断层的富水性,保证煤矿的安全建设与生产。     

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     

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。     

浅层岩溶瞬变电磁响应规律试验研究

针对浅层岩溶塌陷产生的工程与环境问题,研究瞬变电磁对浅层岩溶的响应规律。通过分析将浅层岩溶概化为充填与半充填两类地电模型,采用时域有限差分法进行三维正演计算,对比分析电性差异、规模差异以及埋深差异情况下的瞬变电磁衰减曲线特征和视电阻率曲线变化规律。通过数值试验发现:浅层岩溶充填物的电阻率越低、规模越大,瞬变电磁衰减曲线中的异常响应幅值越大;浅层岩溶的瞬变电磁异常响应主要集中在早期;瞬变电磁对具有一定规模的充填模型与半充填模型均有较好的识别能力。选择某已知区域进行现场试验,瞬变电磁能够圈定岩溶异常,并发现未揭露的潜在岩溶发育区。数值试验和现场试验表明,瞬变电磁探测浅层岩溶需要更早的观测时间和更小的关段时间。     

瞬变电磁法数据滤波方法对比研究

瞬变电磁法在煤矿地质调查中应用广泛,它是利用二次场来探测地质体的一种方法。在各种噪声的影响下,地质目标的瞬变电磁响应(二次场信号)被淹没在噪声之中,直接影响了瞬变电磁信号的质量以及后期的数据处理和视电阻率的计算等。本文在实例研究的基础上,分析对比了瞬变电磁数据处理中常用的多项式滤波、三点滤波、无相移滤波和卡尔曼滤波方法对所探测地质体的数据处理效果,研究结果表明,多项式滤波、三点滤波和无相移滤波具有相似的数据处理效果,均能够很好地反映地层的产状特征,而三点滤波和无相移滤波能较好地反映较小地质体和断层,表现出了良好的空间分辨效果。     

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。     

浅层瞬变电磁法在地铁工程隐伏断层勘探中的应用

在地铁前期勘察中查明地铁路线上隐伏断层的分布情况对于地铁建设及后期运行具有重大的安全意义。基于城市地铁隧道埋深浅和勘探工作中外界干扰强的特点,本文将一种新型的浅层瞬变电磁法——等值反磁通瞬变电磁法应用于深圳市地铁13号线隐伏断层的探测工作中。依据测线反演电阻率断面图和对应测线上已知的地质资料进行综合分析解释,推断出线路上两处隐伏断层的分布范围。最后通过与钻探成果的对比分析,验证了该方法对地铁工程中隐伏断层的勘察具有一定的指导意义。     

全空间瞬变电磁法在隧道超前预报预测中的意义

应用瞬变电磁法的基本探测原理,结合隧道超前预报预测上的实际需要,探索研究两者结合对安全生产的意义。着重论述全空间瞬变电磁技术在预报预测隧道掘进前方构造赋水的可行性,探索全空间瞬变电磁技术在公路或铁路隧道这种特殊环境应用中需注意的若干问题,并简单阐述瞬变电磁法在应用当中需要注意探测结论要与地质现实相结合。通过剖析实际案例,确定瞬变电磁法可以在隧道超前预测、预报中起到巨大的安全和经济效益。     

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。     

隧道三维电阻率E-SCAN超前探测反演与优化方法研究

超前地质预报是隧道施工中必不可少的环节,将地面三维电阻率E-SCAN观测模式引入到隧道超前预报中,其中供电与采集电极都布置在隧道掌子面,可有效降低旁侧干扰因素的影响,提出了基于三维电阻率E-SCAN的隧道超前探测新型观测模式。建立了隧道三维电阻率E-SCAN超前探测地电模型,获得了敏感度矩阵分布特征:矩阵元素数值较小且相差悬殊;元素绝对值随深度衰减迅速;靠近供电与采集电极位置元素绝对值较高。为改善反演的深度定位问题,对敏感度矩阵中元素施加不同大小的增益因子,对原有敏感度矩阵中高值元素进行抑制,对低值元素进行增益,形成了基于敏感度增益因子的隧道三维电阻率E-SCAN超前探测反演优化方法,在理论上可以提高异常体的深度定位精度。开展数值算例与物理模型试验研究,结果表明在隧道三维电阻率E-SCAN超前探测中,相较于常规光滑约束反演,反演优化方法在异常体的深度定位精度方面具有明显优势。     

基于自适应加权光滑约束与PCG算法的三维电阻率探测反演成像

三维电阻率探测在实际工程中日益受到重视，但存在着深部分辨率低、反演效率低等关键问题，严重制约了三维电阻率探测技术的应用和推广。针对深部分辨率低的问题，提出了一种随三维模型网格尺寸自适应调整的加权光滑约束，改善了深部网格的电阻率差异容许程度，实现了对不同深度网格约束的差异化加权处理，有效的提高了深部反演的分辨率和成像效果。针对反演计算耗时长、效率低的问题，基于预条件共轭梯度法求解快速稳定的优势，提出了三维电阻率快速稳定反演成像算法。在该算法中，将雅可比迭代中的对角阵作为预条件矩阵，其具有求逆方便、无需内存空间的特点，显著加快了收敛速度。最后，利用合成算例和隧道导水裂隙探测的工程实例验证了上述反演方法的可行性与有效性，表明借助于自适应调整加权光滑约束和预条件共轭梯度算法，有效的提高了深部分辨率和计算效率，显著改善了反演效果。     

等值反磁通瞬变电磁法在成都市地下空间资源地质调查中的应用

成都市钙芒硝、富水砂砾卵石层等不良岩土体以及隐伏断裂构造对地下空间的利用形成严重制约。据现有钻孔资料显示钙芒硝层多分布在30～150m深度、砂砾卵石层多分布在10～100m深度,属于等值反磁通瞬变电磁法的有效探测范围。首先对城区电磁干扰源进行了调查,总结了提高数据采集质量的具体措施;然后布置了过已知钻孔的等值反磁通瞬变电磁法试验剖面,过井剖面反演视电阻率值与不同深度的测井视电阻率值吻合较好,说明反演初始模型参数选取正确,定量反演精度较高;最后布置了三条等值反磁通瞬变电磁法试验剖面,试验结果表明等值反磁通瞬变电磁法结合钻探和其它物探手段,能有效划分出不良地质体的分布范围和对隐伏断裂进行识别。     

瞬变电磁法及高密度电阻率法综合物探在长大隧道岩土工程勘察中的应用

隧道跨越煤系地层分布区,准确探测隧道围岩影响范围内是否存在煤层采空区及其规模、位置是勘察的重大技术问题,直接影响隧道的投资规模、施工工期及选线。通过对满足工程区地球物理勘探前提的技术方法进行试验研究,最终采用瞬变电磁法及高密度电阻率综合物探探测,成功地在复杂地形地质条件下对隧道岩性构造进行了解译,特别是对隧址围岩影响范围内不存在采空区的探测论断,与开挖实际情况完全吻合,说明了物探技术在城市长大隧道探测中发挥的重要作用。     

井下瞬变电磁法超前探测中锚杆干扰定量评价

矿井巷道掘进过程中,利用瞬变电磁法超前探水因易受电磁干扰而使测试效果变差,尤以金属干扰最突出。因此,研究金属干扰特征对于井下水害超前探查技术的提高具有重要意义。针对超前探测情况,以锚杆作为主要干扰源,按现场实际干扰情况,设计井下实体模型试验。分析测试数据认为：锚杆对瞬变电磁探测的干扰程度及特征主要受其自身空间状态(x,y,L)决定;初步确定锚杆的最大干扰距离d为3 m,其中,1.5 m内具有强干扰,1.5～3.0 m区域干扰较弱;划定锚杆外露长度L在0.5 m内为干扰程度变化敏感区,0.5～1.7 m以上基本持水平状态。通过2根锚杆测试数据的对比,近似认为组合干扰信号为2根锚杆单独响应信号的垂直叠加,该结果为金属干扰的校正技术研究提供可循规律。最后,指出受金属干扰的数据需研究其有效性。     

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。