本發(fā)明涉及隧道超前地質(zhì)預(yù)報電磁類勘探領(lǐng)域，尤其是一種固源瞬變電磁三維隧道超前預(yù)報方法。

背景技術(shù)：

隨著中國交通網(wǎng)的快速發(fā)展，隧道修建工程越來越多。為了保證隧道施工的安全，隧道超前地質(zhì)預(yù)報是隧道施工過程中尤為重要的一環(huán)。瞬變電磁法是目前被廣泛采用的一種地球物理電磁類勘探方法，其基本原理為：利用不接地回線向地下或前方發(fā)射階躍脈沖磁場，接收回線或探頭在脈沖間隙期間采集由異常地質(zhì)體渦流產(chǎn)生的二次感生電磁場的衰減數(shù)據(jù)信號，并通過分析解釋這些數(shù)據(jù)探測出大地中的各種目標(biāo)體。

目前，瞬變電磁法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報流域多采用中心回線動源類裝置，即在數(shù)據(jù)采集過程中保持發(fā)射回線和接收回線的相對位置不變，沿測線方向逐點(diǎn)同步移動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這種采集方法存在較多的缺陷。首先，由于發(fā)射回線必須是正方形且要做多點(diǎn)測量，其探測效果會嚴(yán)重受制于掌子面的大小和形狀，其勘探深度往往較小，數(shù)據(jù)量少，探測精度低；其次，中心回線動源類瞬變電磁裝置的接收點(diǎn)的位置距發(fā)射回線較近，使得發(fā)射回線和接收回線之間的互感效應(yīng)明顯，數(shù)據(jù)質(zhì)量相對較差；最后，動源類瞬變電磁裝置需要不斷移動發(fā)射回線和接收回線，工作效率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種固源瞬變電磁三維隧道超前預(yù)報方法，本發(fā)明有助于擴(kuò)大隧道超前地質(zhì)預(yù)報的深度范圍。與動源類中心回線裝置相比，吻合于隧道掌子面的不規(guī)則發(fā)射回線，相對增加了發(fā)射回線的面積，從而能夠增加隧道超前地質(zhì)預(yù)報的深度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種固源瞬變電磁三維隧道超前預(yù)報方法，包括以下步驟：

(1)沿著隧道掌子面整個輪廓邊緣布置發(fā)射線圈；

(2)在掌子面上安置多個接收點(diǎn)，在發(fā)射回線內(nèi)，布置多條相互平行的接收測線，使接收點(diǎn)基本布滿整個掌子面；

(3)獲取各個接收點(diǎn)的感應(yīng)電動勢值，對其進(jìn)行歸一化和校正處理，計算得到等效動源類瞬變電磁方法測得的感應(yīng)電動勢值，并計算視電阻率；

(4)得到的所有視電阻率-深度曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行反演和三維成像，實(shí)現(xiàn)固源瞬變電磁三維隧道超前地質(zhì)預(yù)報。

所述步驟(3)中，校正的退步驟包括：

(3-1)采用數(shù)值模擬三維正演方法，構(gòu)造一個均勻介質(zhì)的半空間模型，并在該模型表面布置發(fā)射線圈；

(3-2)在所構(gòu)造模型的發(fā)射線圈內(nèi)，由上至下布置多條相互平行的接收測線，每條側(cè)線上的接收點(diǎn)間距固定；

(3-3)利用數(shù)值模擬計算獲得發(fā)射回線內(nèi)各接收點(diǎn)的感應(yīng)電動勢值，對感應(yīng)電動勢值進(jìn)行電流、接收面積歸一化處理，得到歸一化后的感應(yīng)電動勢值；

(3-4)將構(gòu)造雜模型上的線圈的面積等效為規(guī)則線圈，分別以每個接收點(diǎn)為中心，等效規(guī)則線圈為發(fā)射線圈，發(fā)射電流大小不變，采用中心回線瞬變電磁裝置進(jìn)行測量，計算等效動源類瞬變電磁方法感應(yīng)電動勢值，并對其進(jìn)行歸一化處理；

(3-5)根據(jù)歸一化后的感應(yīng)電動勢值和歸一化的等效動源類瞬變電磁方法感應(yīng)電動勢值，確定固源瞬變電磁三維隧道超前預(yù)報方法相對于動源類瞬變電磁方法的校正函數(shù)。

所述步驟(3-1)中，發(fā)射線圈形狀采用圓形。

所述步驟(3-2)中，每條測線上的起止接收點(diǎn)基本接近于發(fā)射回線輪廓上，使得接收點(diǎn)基本充滿整個發(fā)射線圈。

所述步驟(3-3)中，以位于發(fā)射回線內(nèi)中心的接收點(diǎn)為原點(diǎn)，以該原點(diǎn)為圓心，距離該原點(diǎn)半徑為r₁上的任一點(diǎn)記為1號點(diǎn)，距離該原點(diǎn)半徑為r₂的點(diǎn)為2號點(diǎn)，以此類推，共設(shè)包括原點(diǎn)在內(nèi)的n+1個點(diǎn)，每個接收點(diǎn)均可得到感應(yīng)電動勢，假設(shè)由n+1個接收點(diǎn)得到的原始感應(yīng)電動勢值為U_R,T，對U_R,T進(jìn)行電流、接收面積歸一化處理，得到V_R,T。

所述步驟(3-3)中，半徑相同的任一點(diǎn)的感應(yīng)電動勢值均相等。

所述步驟(3-4)中，將在構(gòu)造模型上布置的線圈的面積等效為方形規(guī)則線圈，不改變n+1個接收點(diǎn)在均勻介質(zhì)模型上的位置，并分別以每個接收點(diǎn)為中心，等效方形線圈為發(fā)射線圈，發(fā)射電流大小不變，采用中心回線瞬變電磁裝置進(jìn)行測量，獲得另一組原始感應(yīng)電動勢值U′_R,T，同樣對U′_R,T進(jìn)行電流、接收面積歸一化處理，得到V′_R,T。

所述步驟(3-5)中，利用等效動源類瞬變電磁裝置測得的感應(yīng)電動勢值V′_R,T和固源瞬變電磁三維隧道超前預(yù)報方法測得的感應(yīng)電動勢值V_R,T比值，計算校正系數(shù)，通過對不同距離和時間的校正系數(shù)，采用數(shù)值擬合方法，確定只與距離和時間有關(guān)的校正函數(shù)。

所述步驟(4)中，利用動源類瞬變電磁中心回線裝置視電阻率公式計算視電阻率。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)擴(kuò)大隧道超前地質(zhì)預(yù)報的深度范圍。與動源類中心回線裝置相比，吻合于隧道掌子面的不規(guī)則發(fā)射回線，相對增加了發(fā)射回線的面積，從而能夠增加隧道超前地質(zhì)預(yù)報的深度。

(2)固源類瞬變電磁裝置中接收線圈與發(fā)射回線的間距較大，有利于減小發(fā)射回線和接收回線之間的互感效應(yīng)，提高信噪比，進(jìn)一步優(yōu)化了采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

(3)有利于瞬變電磁數(shù)據(jù)的快速三維成像。與動源類中心回線裝置相比，固源類裝置采集到的數(shù)據(jù)更加豐富，可快速實(shí)現(xiàn)隧道掌子面前方地質(zhì)體的三維成像，也可制成三維切片成像，甚至可得到單獨(dú)異常體的三維成像，從而更加全面和精細(xì)地反應(yīng)了掌子面前方的地址情況。

(4)整個固源類瞬變電磁裝置只需要鋪設(shè)一次發(fā)射回線，就可以迅速采集回線內(nèi)多個觀測點(diǎn)的電磁響應(yīng)。在回線鋪設(shè)好之后，還可以使用多臺接收機(jī)同時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。不僅可以大大提高工作效率，還很大程度上降低了生產(chǎn)成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一個實(shí)施例中固源瞬變電磁三維隧道超前預(yù)報方法的流程圖。

圖2是本發(fā)明均勻介質(zhì)半空間模型正面示意圖

圖3是本發(fā)明一個實(shí)施例中固源瞬變電磁三維隧道超前預(yù)報方法在隧道內(nèi)安置的正面示意圖。

圖4是本發(fā)明一個實(shí)施例中固源瞬變電磁三維隧道超前預(yù)報方法接收點(diǎn)測得的感應(yīng)電動勢示意圖。

圖5是本發(fā)明一個實(shí)施例中固源瞬變電磁三維隧道超前預(yù)報方法接收點(diǎn)計算得到的視電阻率-深度示意圖。

其中：1、發(fā)射線圈，2、接收點(diǎn)，3、掌子面，4、原點(diǎn)，5、1號接收點(diǎn)所在圓，6、2號接收點(diǎn)所在圓，7、3號接收點(diǎn)所在圓，8、n號接收點(diǎn)所在圓，9、等效動源類發(fā)射線圈，10、均勻介質(zhì)半空間模型。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明具體在隧道內(nèi)進(jìn)行固源瞬變電磁三維隧道超前預(yù)報的應(yīng)用步驟如下：

(1)發(fā)射線圈的布置。為了充分利用掌子面的空間，沿著隧道掌子面整個輪廓邊緣布置發(fā)射線圈。

(2)接收點(diǎn)的布置。與前面所述的均勻介質(zhì)半空間模型表面布置接收點(diǎn)的方式類似，在掌子面上安置多個接收點(diǎn)，在發(fā)射回線內(nèi)，布置多條相互平行的接收測線，使接收點(diǎn)基本布滿整個掌子面。

(3)通過固源瞬變電磁裝置得到U_R,T，并對初步得到的U_R,T進(jìn)行歸一化處理，利用校正函數(shù)f(R,T)，得到等效動源類瞬變電磁方法測得的感應(yīng)電動勢值V′_R,T，計算公式為

V′_R,T＝f(R,T)×V_R,T＝K_R,T×V_R,T(R＝r₀,r₁,r₂...r_n，T＝t₁,t₂,t₃...t_i)

(4)計算視電阻率。利用的是動源類瞬變電磁中心回線裝置視電阻率公式：

其中，μ₀為磁導(dǎo)率。

(5)對步驟(4)得到的所有視電阻率-深度曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行反演和三維成像，實(shí)現(xiàn)固源瞬變電磁三維隧道超前地質(zhì)預(yù)報。

一種固源瞬變電磁三維隧道超前預(yù)報方法其核心技術(shù)問題是要解決圓形發(fā)射回線各個接收點(diǎn)的數(shù)據(jù)校正。本發(fā)明通過數(shù)值模擬和理論計算方法，建立固源瞬變電磁三維隧道超前預(yù)報方法接收數(shù)據(jù)的校正函數(shù)，利用該函數(shù)即可對固源瞬變電磁三維隧道超前預(yù)報方法圓形發(fā)射回線各個接收點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，具體方案如下：

(1)首先采用數(shù)值模擬三維正演方法，構(gòu)造一個均勻介質(zhì)的半空間模型，并在該模型表面布置發(fā)射線圈，該發(fā)射線圈形狀采用圓形，發(fā)射線圈面積為S_f；

(2)在所構(gòu)造模型的發(fā)射線圈內(nèi)，由上至下布置多條相互平行的接收測線，每條側(cè)線上的接收點(diǎn)(測量點(diǎn))間距固定，每條測線上的起止接收點(diǎn)基本接近于發(fā)射回線輪廓上，最終使得接收點(diǎn)基本充滿整個發(fā)射線圈。

(3)利用數(shù)值模擬計算獲得圓形發(fā)射回線內(nèi)各接收點(diǎn)的感應(yīng)電動勢值。以位于發(fā)射回線內(nèi)中心(圓形發(fā)射線圈圓心)的接收點(diǎn)為原點(diǎn)，以該原點(diǎn)為圓心，距離該原點(diǎn)半徑為r₁上的任一點(diǎn)記為1號點(diǎn)(半徑為r₁上任意一點(diǎn)的感應(yīng)電動勢值均相等)，距離該原點(diǎn)半徑為r₂的點(diǎn)為2號點(diǎn)，以此類推，共設(shè)包括原點(diǎn)在內(nèi)的n+1個點(diǎn)。發(fā)射電流為I，每個接收點(diǎn)均可得到感應(yīng)電動勢，假設(shè)由n+1個接收點(diǎn)得到的原始感應(yīng)電動勢值為U_R,T，其中R＝r₀,r₁,r₂…r_n，表示均勻半空間模型發(fā)射線圈內(nèi)接收點(diǎn)距原點(diǎn)的距離(r₀＝0)；T＝t₁,t₂,t₃...t_i，表示時間。對U_R,T進(jìn)行電流、接收面積S_j歸一化處理，得到V_R,T:

(4)進(jìn)行等效動源類瞬變電磁方法感應(yīng)電動勢值的計算。將在構(gòu)造模型上布置的圓形線圈(面積為S_f)等效為的方形規(guī)則線圈，不改變n+1個接收點(diǎn)在均勻介質(zhì)模型上的位置，并分別以每個接收點(diǎn)為中心，等效方形線圈為發(fā)射線圈，發(fā)射電流大小不變，仍為I，采用中心回線瞬變電磁裝置進(jìn)行測量，這樣可以獲得另一組原始感應(yīng)電動勢值U′_R,T，其中R＝r₀,r₁,r₂…r_n，表示均勻半空間模型發(fā)射線圈內(nèi)接收點(diǎn)距原點(diǎn)的距離(r₀＝0)；T＝t₁,t₂,t₃…t_i，表示時間。同樣對U′_R,T進(jìn)行電流、接收面積S_j歸一化處理，得到V′_R,T:

(5)確定固源瞬變電磁三維隧道超前預(yù)報方法相對于動源類瞬變電磁方法的校正函數(shù)。由于步驟(3)得到的固源瞬變電磁三維隧道超前預(yù)報方法測得的感應(yīng)電動勢值V_R,T，與步驟(4)得到的等效動源類瞬變電磁裝置測得的感應(yīng)電動勢值V′_R,T是不相等的,V_R,T與V′_R,T之間存在有一個校正系數(shù)K_R,T,其中R＝r₀,r₁,r₂...r_n，表示均勻半空間模型發(fā)射線圈內(nèi)接收點(diǎn)距原點(diǎn)的距離(r₀＝0)；T＝t₁,t₂,t₃...t_i，表示時間，即

通過對不同距離和時間的校正系數(shù)，采用數(shù)值擬合方法，確定一個只與距離和時間有關(guān)的校正函數(shù)f(R,T)，利用該函數(shù)即可獲得實(shí)際不同點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的校正系數(shù)，即

此校正系數(shù)K_R,T只與接收點(diǎn)與原點(diǎn)間距以及同一接收點(diǎn)不同瞬變電磁衰減時間有關(guān)，適用于正常條件下所有固源瞬變電磁三維隧道超前預(yù)報。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。