一种固源瞬变电磁三维隧道超前预报方法与流程

本发明涉及隧道超前地质预报电磁类勘探领域，尤其是一种固源瞬变电磁三维隧道超前预报方法。

背景技术：

随着中国交通网的快速发展，隧道修建工程越来越多。为了保证隧道施工的安全，隧道超前地质预报是隧道施工过程中尤为重要的一环。瞬变电磁法是目前被广泛采用的一种地球物理电磁类勘探方法，其基本原理为：利用不接地回线向地下或前方发射阶跃脉冲磁场，接收回线或探头在脉冲间隙期间采集由异常地质体涡流产生的二次感生电磁场的衰减数据信号，并通过分析解释这些数据探测出大地中的各种目标体。

目前，瞬变电磁法在隧道超前地质预报流域多采用中心回线动源类装置，即在数据采集过程中保持发射回线和接收回线的相对位置不变，沿测线方向逐点同步移动进行数据采集。这种采集方法存在较多的缺陷。首先，由于发射回线必须是正方形且要做多点测量，其探测效果会严重受制于掌子面的大小和形状，其勘探深度往往较小，数据量少，探测精度低；其次，中心回线动源类瞬变电磁装置的接收点的位置距发射回线较近，使得发射回线和接收回线之间的互感效应明显，数据质量相对较差；最后，动源类瞬变电磁装置需要不断移动发射回线和接收回线，工作效率低。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种固源瞬变电磁三维隧道超前预报方法，本发明有助于扩大隧道超前地质预报的深度范围。与动源类中心回线装置相比，吻合于隧道掌子面的不规则发射回线，相对增加了发射回线的面积，从而能够增加隧道超前地质预报的深度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种固源瞬变电磁三维隧道超前预报方法，包括以下步骤：

(1)沿着隧道掌子面整个轮廓边缘布置发射线圈；

(2)在掌子面上安置多个接收点，在发射回线内，布置多条相互平行的接收测线，使接收点基本布满整个掌子面；

(3)获取各个接收点的感应电动势值，对其进行归一化和校正处理，计算得到等效动源类瞬变电磁方法测得的感应电动势值，并计算视电阻率；

(4)得到的所有视电阻率-深度曲线数据进行反演和三维成像，实现固源瞬变电磁三维隧道超前地质预报。

所述步骤(3)中，校正的退步骤包括：

(3-1)采用数值模拟三维正演方法，构造一个均匀介质的半空间模型，并在该模型表面布置发射线圈；

(3-2)在所构造模型的发射线圈内，由上至下布置多条相互平行的接收测线，每条侧线上的接收点间距固定；

(3-3)利用数值模拟计算获得发射回线内各接收点的感应电动势值，对感应电动势值进行电流、接收面积归一化处理，得到归一化后的感应电动势值；

(3-4)将构造杂模型上的线圈的面积等效为规则线圈，分别以每个接收点为中心，等效规则线圈为发射线圈，发射电流大小不变，采用中心回线瞬变电磁装置进行测量，计算等效动源类瞬变电磁方法感应电动势值，并对其进行归一化处理；

(3-5)根据归一化后的感应电动势值和归一化的等效动源类瞬变电磁方法感应电动势值，确定固源瞬变电磁三维隧道超前预报方法相对于动源类瞬变电磁方法的校正函数。

所述步骤(3-1)中，发射线圈形状采用圆形。

所述步骤(3-2)中，每条测线上的起止接收点基本接近于发射回线轮廓上，使得接收点基本充满整个发射线圈。

所述步骤(3-3)中，以位于发射回线内中心的接收点为原点，以该原点为圆心，距离该原点半径为r₁上的任一点记为1号点，距离该原点半径为r₂的点为2号点，以此类推，共设包括原点在内的n+1个点，每个接收点均可得到感应电动势，假设由n+1个接收点得到的原始感应电动势值为U_R,T，对U_R,T进行电流、接收面积归一化处理，得到V_R,T。

所述步骤(3-3)中，半径相同的任一点的感应电动势值均相等。

所述步骤(3-4)中，将在构造模型上布置的线圈的面积等效为方形规则线圈，不改变n+1个接收点在均匀介质模型上的位置，并分别以每个接收点为中心，等效方形线圈为发射线圈，发射电流大小不变，采用中心回线瞬变电磁装置进行测量，获得另一组原始感应电动势值U′_R,T，同样对U′_R,T进行电流、接收面积归一化处理，得到V′_R,T。

所述步骤(3-5)中，利用等效动源类瞬变电磁装置测得的感应电动势值V′_R,T和固源瞬变电磁三维隧道超前预报方法测得的感应电动势值V_R,T比值，计算校正系数，通过对不同距离和时间的校正系数，采用数值拟合方法，确定只与距离和时间有关的校正函数。

所述步骤(4)中，利用动源类瞬变电磁中心回线装置视电阻率公式计算视电阻率。

本发明的有益效果为：

(1)扩大隧道超前地质预报的深度范围。与动源类中心回线装置相比，吻合于隧道掌子面的不规则发射回线，相对增加了发射回线的面积，从而能够增加隧道超前地质预报的深度。

(2)固源类瞬变电磁装置中接收线圈与发射回线的间距较大，有利于减小发射回线和接收回线之间的互感效应，提高信噪比，进一步优化了采集到的数据质量。

(3)有利于瞬变电磁数据的快速三维成像。与动源类中心回线装置相比，固源类装置采集到的数据更加丰富，可快速实现隧道掌子面前方地质体的三维成像，也可制成三维切片成像，甚至可得到单独异常体的三维成像，从而更加全面和精细地反应了掌子面前方的地址情况。

(4)整个固源类瞬变电磁装置只需要铺设一次发射回线，就可以迅速采集回线内多个观测点的电磁响应。在回线铺设好之后，还可以使用多台接收机同时进行数据采集。不仅可以大大提高工作效率，还很大程度上降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明一个实施例中固源瞬变电磁三维隧道超前预报方法的流程图。

图2是本发明均匀介质半空间模型正面示意图

图3是本发明一个实施例中固源瞬变电磁三维隧道超前预报方法在隧道内安置的正面示意图。

图4是本发明一个实施例中固源瞬变电磁三维隧道超前预报方法接收点测得的感应电动势示意图。

图5是本发明一个实施例中固源瞬变电磁三维隧道超前预报方法接收点计算得到的视电阻率-深度示意图。

其中：1、发射线圈，2、接收点，3、掌子面，4、原点，5、1号接收点所在圆，6、2号接收点所在圆，7、3号接收点所在圆，8、n号接收点所在圆，9、等效动源类发射线圈，10、均匀介质半空间模型。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明具体在隧道内进行固源瞬变电磁三维隧道超前预报的应用步骤如下：

(1)发射线圈的布置。为了充分利用掌子面的空间，沿着隧道掌子面整个轮廓边缘布置发射线圈。

(2)接收点的布置。与前面所述的均匀介质半空间模型表面布置接收点的方式类似，在掌子面上安置多个接收点，在发射回线内，布置多条相互平行的接收测线，使接收点基本布满整个掌子面。

(3)通过固源瞬变电磁装置得到U_R,T，并对初步得到的U_R,T进行归一化处理，利用校正函数f(R,T)，得到等效动源类瞬变电磁方法测得的感应电动势值V′_R,T，计算公式为

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)计算视电阻率。利用的是动源类瞬变电磁中心回线装置视电阻率公式：

其中，μ₀为磁导率。

(5)对步骤(4)得到的所有视电阻率-深度曲线数据进行反演和三维成像，实现固源瞬变电磁三维隧道超前地质预报。

一种固源瞬变电磁三维隧道超前预报方法其核心技术问题是要解决圆形发射回线各个接收点的数据校正。本发明通过数值模拟和理论计算方法，建立固源瞬变电磁三维隧道超前预报方法接收数据的校正函数，利用该函数即可对固源瞬变电磁三维隧道超前预报方法圆形发射回线各个接收点的数据进行校正，具体方案如下：

(1)首先采用数值模拟三维正演方法，构造一个均匀介质的半空间模型，并在该模型表面布置发射线圈，该发射线圈形状采用圆形，发射线圈面积为S_f；

(2)在所构造模型的发射线圈内，由上至下布置多条相互平行的接收测线，每条侧线上的接收点(测量点)间距固定，每条测线上的起止接收点基本接近于发射回线轮廓上，最终使得接收点基本充满整个发射线圈。

(3)利用数值模拟计算获得圆形发射回线内各接收点的感应电动势值。以位于发射回线内中心(圆形发射线圈圆心)的接收点为原点，以该原点为圆心，距离该原点半径为r₁上的任一点记为1号点(半径为r₁上任意一点的感应电动势值均相等)，距离该原点半径为r₂的点为2号点，以此类推，共设包括原点在内的n+1个点。发射电流为I，每个接收点均可得到感应电动势，假设由n+1个接收点得到的原始感应电动势值为U_R,T，其中R＝r₀,r₁,r₂…r_n，表示均匀半空间模型发射线圈内接收点距原点的距离(r₀＝0)；T＝t₁,t₂,t₃...t_i，表示时间。对U_R,T进行电流、接收面积S_j归一化处理，得到V_R,T:

(4)进行等效动源类瞬变电磁方法感应电动势值的计算。将在构造模型上布置的圆形线圈(面积为S_f)等效为的方形规则线圈，不改变n+1个接收点在均匀介质模型上的位置，并分别以每个接收点为中心，等效方形线圈为发射线圈，发射电流大小不变，仍为I，采用中心回线瞬变电磁装置进行测量，这样可以获得另一组原始感应电动势值U′_R,T，其中R＝r₀,r₁,r₂…r_n，表示均匀半空间模型发射线圈内接收点距原点的距离(r₀＝0)；T＝t₁,t₂,t₃…t_i，表示时间。同样对U′_R,T进行电流、接收面积S_j归一化处理，得到V′_R,T:

(5)确定固源瞬变电磁三维隧道超前预报方法相对于动源类瞬变电磁方法的校正函数。由于步骤(3)得到的固源瞬变电磁三维隧道超前预报方法测得的感应电动势值V_R,T，与步骤(4)得到的等效动源类瞬变电磁装置测得的感应电动势值V′_R,T是不相等的,V_R,T与V′_R,T之间存在有一个校正系数K_R,T,其中R＝r₀,r₁,r₂...r_n，表示均匀半空间模型发射线圈内接收点距原点的距离(r₀＝0)；T＝t₁,t₂,t₃...t_i，表示时间，即

通过对不同距离和时间的校正系数，采用数值拟合方法，确定一个只与距离和时间有关的校正函数f(R,T)，利用该函数即可获得实际不同点接收数据的校正系数，即

此校正系数K_R,T只与接收点与原点间距以及同一接收点不同瞬变电磁衰减时间有关，适用于正常条件下所有固源瞬变电磁三维隧道超前预报。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。