一種隧道超前地質預報瞬變電磁響應的金屬幹擾消除方法與流程
2023-06-06 14:08:36 2
本發明涉及隧道空間瞬變電磁法探測領域，尤其涉及一種隧道超前地質預報瞬變電磁響應的金屬幹擾消除方法。
背景技術：
隧道開挖時掌子面前方經常會遇見富水斷層、充水溶洞等低阻不良地質體，它們是隧道施工過程中重要安全隱患。成功預測掌子面前方低阻不良地質體成為保障隧道安全施工的重要措施，為此人們將瞬變電磁法引入到隧道超前地質預報中。然而隧道空間探測環境複雜，往往存在大量金屬幹擾體，已有研究表明這些金屬體對探測數據及解譯結果有較大的影響，有時甚至會導致誤判。
目前，已有部分學者針對礦井瞬變電磁法金屬幹擾體進行了研究，但已有方法現場應用時仍存在局限性，如：對於給定的金屬體和探測裝置，金屬體的瞬變電磁響應時間譜還取決於其與線圈的耦合情況；當有多個低阻體時，各個低阻體之間存在互感作用，瞬變電磁響應值並非單個低阻體的簡單加減；屏蔽探頭只適合中心回線，對地質異常響應較強的重疊回線不適合，且由於磁場線為閉合曲線，接收磁探頭對後方信號的屏蔽效果還有待進一步驗證。故需要一套有效的金屬幹擾消除方法，分離出低阻異常體的響應信號，準確反演低阻地質異常體位置及大小，對提高瞬變電磁法隧道超前地質預報精度具有十分重要的意義。
技術實現要素：
本發明針對上述現有技術的不足，利用不同導體電阻極限值可簡單加減的特點，提供了一種隧道超前地質預報瞬變電磁響應的金屬幹擾消除方法，從而有效剔除金屬體對瞬變電磁法探測結果的幹擾，減少誤判、提高隧道地質預報精度。
為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種隧道超前地質預報瞬變電磁響應的金屬幹擾消除方法，包括以下步驟：
(1)通過現場試驗獲取隧道背景場以及金屬體與探測線圈不同耦合情況下的瞬變電磁響應值；
(2)分別計算步驟(1)中兩種瞬變電磁響應的電阻極限值，並進一步求取金屬體與探測線圈不同耦合情況下的電阻極限函數；
瞬變電磁響應的電阻極限值計算方法，包括：
首先按式(1)對瞬變電磁響應值進行擬合，計算各展開指數項的振幅係數aj與時間常數τj，然後按式(2)計算各測點電阻極限值。
式中ti為不同採樣時刻，vi為不同時刻所採集的感應電壓值；
式中，rl表示電阻極限值，j為所展開的項數；
所述展開指數項項數取10項，即可滿足擬合精度要求；
所述電阻極限函數採用指數函數形式擬合求取；
(3)求取各測點低阻地質異常體瞬變電磁響應的電阻極限值；
(4)以低阻地質異常體電阻極限值為特徵值建立反演目標函數，求解計算低阻地質異常體的埋深及大小，
所述反演目標函數是根據低阻地質異常體瞬變電磁響應的電阻極限解析式建立，其形式如下：
式中fk(r)為實際各測點低阻地質異常體的電阻極限值，mk(r,qi)為根據電阻極限解析式計算所得的電阻極限值，r為測點編號，n為測點數；qi為反演參數，包括低阻地質異常體埋深、大小，
所述的反演目標函數求解採用通用全局優化算法ugo求解。
所述步驟(3)中各測點低阻地質異常體瞬變電磁響應的電阻極限值是通過將各測點總電阻極限值減去金屬幹擾體及隧道地質背景場電阻極限值獲得。
本發明的突出優點在於：
利用電阻極限的以下特點：①是在頻率趨於零時定義；②導體之間不存在互感；③不同導體的電阻極限值可簡單加減，實現金屬體幹擾信號分離。並將電阻極限值作為特徵值進一步實現了低阻地質異常體埋深及大小的快速反演計算。對提高瞬變電磁法隧道超前地質預報精度具有十分重要的意義。
附圖說明
圖1為本發明所述的隧道超前地質預報瞬變電磁響應的金屬幹擾消除方法的總流程圖。
圖2為本發明所述的應用實施例中感應電動勢多測道剖面圖。
圖3為本發明所述的應用實施例中低阻地質異常體電阻極限值曲線。
圖4為本發明所述的應用實施例中低阻地質異常體埋深及大小的反演結果。
具體實施方式
下面結合附圖和應用實施例對本發明做進一步說明。
如圖1所示，本發明所述的隧道超前地質預報瞬變電磁響應的金屬幹擾消除方法，具體操作步驟如下：
(1)通過現場試驗獲取隧道背景場以及金屬體與探測線圈不同耦合情況下的瞬變電磁響應值；其中隧道背景場是指無金屬體及低阻地質異常體時的瞬變電磁響應值，不同耦合情況具體指金屬體與探測線圈平面不同距離、不同角度。
(2)分別計算步驟(1)中兩種瞬變電磁響應的電阻極限值，並進一步求取金屬體與探測線圈不同耦合情況下的電阻極限函數；
瞬變電磁響應的電阻極限值計算方法，包括：
首先按式(1)對瞬變電磁響應值進行擬合，計算各展開指數項的振幅係數aj與時間常數τj，然後按式(2)計算各測點電阻極限值。
式中ti為不同採樣時刻，vi為不同時刻所採集的感應電壓值；
式中，rl表示電阻極限值，j為所展開的項數；
所述展開指數項項數取10項，即可滿足擬合精度要求；
所述電阻極限函數採用指數函數形式擬合求取；
(3)求取各測點低阻地質異常體瞬變電磁響應的電阻極限值；
(4)以低阻地質異常體電阻極限值為特徵值建立反演目標函數，求解計算低阻地質異常體的埋深及大小，
所述反演目標函數是根據低阻地質異常體瞬變電磁響應的電阻極限解析式建立，其形式如下：
式中fk(r)為實際各測點低阻地質異常體的電阻極限值，mk(r,qi)為根據電阻極限解析式計算所得的電阻極限值，r為測點編號，n為測點數；qi為反演參數，包括低阻地質異常體埋深、大小，
所述的反演目標函數求解採用通用全局優化算法ugo求解。
所述的電阻極限定義為：
在瞬變電磁響應晚期階段，二次感應電流完全擴散到了導體內部，渦流分布趨於穩定，磁場按指數規律衰減。此時，任意局部導體的瞬變電磁響應可展開為多個按指數規律衰減的響應項總和，其頻率域表達式分別為：
式中，j為所展開的項數；τj為時間常數，取決於導體自身的形狀、大小與電導率；aj為振幅係數，與導體的埋深、傾角、觀測點位置有關。
從而引入參數電阻極限概念，在頻率域，電阻極限定義為頻率趨於零時瞬變電磁響應對頻率的導數。其表達式為：
所述的實測數據電阻極限值計算過程為：
瞬變電磁儀測量數據，即瞬變電磁響應，常為感應電動勢與時間的關係曲線，根據已知的一系列v和t值，按(6)式對瞬變電磁數據進行擬合，以計算各展開指數項的振幅係數aj與時間常數τj，從而進一步按(5)計算各測點瞬變電磁響應的電阻極限值。
式中ti為不同採樣時刻，vi為不同時刻所採集的感應電壓值。顯然，展開項數越多，擬合精度就越高，實際擬合時一般展開10項，即可滿足精度要求。為減少一次場及晚期電磁場波動對擬合結果的影響，擬合計算前，需根據曲線衰減特徵選擇合適的時間段。
所述的各測點低阻地質異常體瞬變電磁響應的電阻極限值是通過將各測點總電阻極限值減去金屬幹擾體及隧道地質背景場電阻極限值獲得。
圖2為本發明所述的應用實施例中感應電動勢多測道剖面圖，數據來源於廣西岑溪市嶺腳隧道左洞掌子面fk18+218處。測點間距為0.5m，線圈距隧道邊牆大於1m，金屬臺車距掌子面20m。
在本實例中採用高阻圍巖中非磁性導電球體模型建立反演目標函數，其電阻極限解析表達式為：
其中a(l)為無量綱的振幅，表達式為：
f(x0,l)為幾何坐標函數，表達式為：
其中：
式中，x0為球心在線圈平面投影到回線中心的距離，x0＝x0/h；l＝l/h；r＝r/h；l為回線半邊長，r為球體半徑，h為球體埋深。
圖3為採用本發明所述的方法，剔除金屬幹擾與背景場後，計算所得各測點低阻地質異常體電阻極限值。
圖4為低阻地質異常體埋深及大小的反演結果，反演計算所得低阻異常體半徑為5.7米、埋深11.7米，低阻體中心靠近隧道右邊牆。實際開挖至掌子面fk18+212.5處時遭遇泥漿充填型空腔，空腔為橢圓狀，長半徑約6.1米，採用管棚支護得以順利通過，反演結果與實際開挖情況較為吻合。