基于电阻率跨孔ct的地铁盾构区间孤石精细化探测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于电阻率跨孔CT的地铁盾构区间孤石精细化探测方法，包括：在掘进面前方未开挖段设计科学合理的钻孔平面布置方案；铺设电阻率跨孔CT测线网，采用二维探测普查、三维探测详查相结合的探测方案；数据采集利用新型组合式观测模式，获取更多关于孤石异常体的有效信息；通过构造携带距离加权函数的三维电阻率反演目标函数及反演方程，采用偏导数矩阵的并行解析快速求解算法；形成测区范围内孤石异常体探测的电阻率成像结果图，并结合已有地质分析推断孤石体的大小、空间分布等情况。本发明可实现孤石体异常体的三维高分辨率精确成像，为地铁盾构掘进机施工隧道安全快速掘进提供了有力的技术支持。
【专利说明】基于电阻率跨孔CT的地铁盾构区间孤石精细化探测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种地铁盾构区间孤石精细化探测方法，尤其涉及一种基于电阻率跨 孔CT的、在地铁盾构掘进机施工隧道条件下对隧道掘进面前方孤石体或孤石群进行精细 化探测的方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，我国城市地铁工程建设迎来了宝贵的机遇期和建设高潮。在地铁施工过 程中，盾构掘进机施工方法逐渐成为我国地铁工程建设的重要趋势。盾构掘进机施工具有 "掘进速度快、施工扰动小、成洞质量高、综合经济社会效益高、施工安全文明"的优点，但其 对地层的适应性较差。地铁工程勘察中发现，盾构掘进机在长距离掘进过程中经常遇到"孤 石群地层"，特别是在我国广州、深圳、长沙地铁施工中较为常见。未探明的孤石群会给地铁 盾构施工带来重大安全隐患，不仅导致盾构刀盘频繁被卡甚至严重变形，延误工期造成巨 大经济损失，严重时还会导致工作面喷涌、塌方，引起突发地质灾害。因此，在盾构掘进前， 尽可能准确地探查清楚掘进区域地铁隧洞洞身范围内孤石群的赋存状态，是地铁盾构工程 施工过程中迫切需要解决的难题。
[0003] 钻探和物探方法是探测孤石的重要手段。钻探可以直观地揭露地铁盾构区间局部 点位的地下球状风化体的坚向大小、赋存位置、表现形式等信息，但对于连续区域的探查则 具有"一孔之见"的局限性，通过钻探能揭露到的孤石是十分有限的，即使通过加密钻孔提 高揭露孤石的机率，但受成本、场地条件等限制，是不现实的。
[0004] 目前，用于孤石探查的物探方法主要有：地质雷达法、地震反射波法、跨孔电阻率 CT法等，由于盾构施工方法和装备所限，在洞内实施超前探测很难具备可用的工作空间和 有效的观测条件，因此目前主要以地表探测手段为主。采用地面物探方法探测孤石，不同方 法的探测结果存在较大差异，均达不到理想效果。对于有一定深度的目标体，孔间/孔中物 探方法具有相对较好的探测效果，其分辨率远高于地面装置型式。电阻率跨孔CT方法可以 采集丰富的数据量，具有高分辨率精细探查的显著优势，在孤石定位方面取得了一定的探 测效果。
[0005] 对于利用电阻率CT法探测地铁孤石而言，分辨率、定位精度和可靠性是衡量其探 测效果的关键指标。由于在电阻率CT探测孤石的多解性压制方法、有效观测方式及探测效 果影响因素等方面缺乏系统深入的研究，导致缺乏一套电阻率CT探测孤石的合理科学的 探测方案和工作标准，时常出现"探不到"（即难以识别小尺寸孤石）、"探不准"（即对孤石 难以准确定位）等问题，使得孤石探测的可靠性难以保证，无法满足工程实际需要。具体而 言，应用电阻率CT探测孤石存在以下几个关键性问题：
[0006] ①同其他地球物理方法一样，电阻率CT探测方法的反演与解译存在着多解性难 题，严重时会导致反演结果与实际情况差别较大，对孤石难以准确定位，因此亟需改善跨孔 电阻率CT反演问题的多解性和反演效果；
[0007] ②采集的数据量大是电阻率跨孔CT探测方法的一个重大优势，可以获得关于异 常体更多的有效信息，但对大量数据的反演解译处理将非常耗时，亟待提出一种提高反演 解译效率的算法；
[0008] ③不合理的观测方式、不恰当的电极间距和钻孔间距将严重影响电阻率CT方法 对孤石目标体的探测和识别能力，导致孤石探测结果存在较大误差甚至探不到孤石的情况 发生，因此，亟待提出一种提高孤石探测分辨率和定位精度的科学合理的观测方式；
[0009] ④在工程实际勘察过程中，既要考虑不同电极间距和孔间距内电阻率CT对孤石 的勘探效果，又要考虑用于钻探的较高成本，亟需提出一种较为科学合理同时又较为经济 的钻孔平面布置方案，以提高电阻率CT反演成像方法探测孤石的效率。
[0010] ⑤对于靠近某一钻孔的地质异常体，其反演成像结果中对应的形态会发生较大的 畸变，同时会影响临近区域的成像质量，出现"多余构造"或假异常，容易影响或误导地质解 释和推断工作。该问题长期困扰三维电阻率跨孔CT探测，目前人们除了依靠经验进行识别 和校正之外，没有更有效的方法。影响钻孔附近成像质量的原因主要有以下两点：
[0011] 1、反演方程对电极近处的异常体的敏感度较高，从而使得电极附近的异常体在反 演过程中处于"优势地位"，导致对应的成像结果的形态发生较大畸变；
[0012] 2、异常体过于靠近电极容易导致电极附近局部电场发生畸变，使成像结果出现偏 差。
[0013] 为此，需要研究并提出一种基于电阻率跨孔CT的地铁盾构区间孤石精细化探测 方法，在现有水平和基础上对钻孔中探测电极附近的成像效果进行改进，进一步提高三维 电阻率CT的探测和定位精度，为实现地铁盾构掘进机施工隧道条件下隧道掘进面前方孤 石体、孤石群的精细化探测提供一条可行的途径。
【发明内容】
[0014] 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种在地铁盾构掘进机施工条 件下实现隧道掘进面前方孤石三维空间定位和形态识别、基于电阻率跨孔CT技术的精细 化探测方法。该方法采用电阻率跨孔CT方法采集数据，对探测结果进行高精度快速反演解 译，实现对孤石体、孤石群的三维空间定位和形态识别。
[0015] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0016] 一种基于电阻率跨孔CT的地铁盾构区间孤石精细化探测方法，它包括以下步骤：
[0017] (1)根据现场环境特点和工程造价在掘进面前方未开挖段布置钻孔平面；
[0018] (2)铺设电阻率跨孔CT测线网，采用二维电阻率跨孔CT探测普查、三维电阻率跨 孔CT探测详查的探测方案对地铁隧道盾构掘进前方未开挖段的孤石体进行三维空间定位 和形态识别；
[0019] (3)将探测电极安装到钻孔中，利用组合式观测模式获取孔间介质的地电结构信 息，将采集到的数据提取出来形成一个新的序列，所述组合式观测模式包括四极法电极阵 列、三极法电极阵列和二极法电极阵列方法；
[0020] (4)对该序列进行综合反演解译，构造携带距离加权函数的三维电阻率反演目标 函数及反演方程，并对反演方程进行求解；
[0021] (5)形成测区范围内孤石异常体探测的电阻率成像结果图，并结合已有地质分析 推断孤石体的大小、空间分布情况。
[0022] 所述步骤（1)中布置钻孔平面的具体方法为：
[0023] 沿隧道开挖轴线的两侧布置两排钻孔，钻孔垂直地面打入，将钻孔布置在隧道边 界之外，相邻两钻孔间距控制在设定距离以内。
[0024] 所述步骤（2)的具体方法为：
[0025] 首先采用二维电阻率跨孔CT探测方法对地铁隧道盾构掘进前方未开挖段的孤石 体赋存情况进行普查，圈定疑似单个大直径孤石、孤石群地层或存在安全隐患的重点探查 区域，然后在重点探查区域进一步开展三维电阻率跨孔CT探测方法详查，实现孤石体的三 维空间定位和形态识别。
[0026] 所述二维电阻率跨孔CT探测方法为在一对钻孔内布置测线进行数据采集和分 析，钻孔连线与隧道轴线垂直或相交，形成孔间二维地电断面成像结果图，能够反映探测剖 面内部及外部一定范围内的地质异常；
[0027] 所述三维电阻率跨孔CT探测方法为在沿隧道轴线两侧各2个相邻钻孔内布置测 线进行数据采集和分析，形成孔间三维全空间电阻率成像结果图，能够对钻孔所围成区域 内部的地质异常进行精确的三维空间定位和形态识别。
[0028] 所述步骤（4)中构造的目标函数具体为：
[0029] <!> 丄=(A d_A A m)T ( A d_A A m) + 入（W1C A m)T (W1C A m);
[0030] 其中，Ad表示实测数据与正演理论数据的差向量，Am表示模型参数增量向量，A 表示敏感度矩阵，C表示光滑度矩阵八为拉格朗日常数，用于控制数据方差项和模型方差 项之间的权重W1表示网格模型中网格的距离加权因子。
[0031] 所述模型中网格的距离加权因子W1的计算方法为：
[0032] 建立直角坐标系，假设四个钻孔PI、P2、P3和P4等间距布置，且距离为a，模型中 任一网格i (X，y，z)中心点到各钻孔PI、P2、P3、P4的距离ln、li2、li3、I i4可表示如下：
【权利要求】
1. 一种基于电阻率跨孔CT的地铁盾构区间孤石精细化探测方法，其特征在于，它包括 以下步骤： (1) 根据现场环境特点和工程造价在掘进面前方未开挖段布置钻孔平面； (2) 铺设电阻率跨孔CT测线网，采用二维电阻率跨孔CT探测普查、三维电阻率跨孔CT 探测详查的探测方案对地铁隧道盾构掘进前方未开挖段的孤石体进行三维空间定位和形 态识别； (3) 将探测电极安装到钻孔中，利用组合式观测模式获取孔间介质的地电结构信息，将 采集到的数据提取出来形成一个新的序列，所述组合式观测模式包括四极法电极阵列、三 极法电极阵列和二极法电极阵列方法； (4) 对该序列进行综合反演解译，构造携带距离加权函数的三维电阻率反演目标函数 及反演方程，并对反演方程进行求解； (5) 形成测区范围内孤石异常体探测的电阻率成像结果图，并结合已有地质分析推断 孤石体的大小、空间分布情况。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1)中布置钻孔平面的具体方法 为： 沿隧道开挖轴线的两侧布置两排钻孔，钻孔垂直地面打入，将钻孔布置在隧道边界之 夕卜，相邻两钻孔间距控制在设定距离以内。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（2)的具体方法为： 首先采用二维电阻率跨孔CT探测方法对地铁隧道盾构掘进前方未开挖段的孤石体赋 存情况进行普查，圈定疑似单个大直径孤石、孤石群地层或存在安全隐患的重点探查区域， 然后在重点探查区域进一步开展三维电阻率跨孔CT探测方法详查，实现孤石体的三维空 间定位和形态识别。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述二维电阻率跨孔CT探测方法为在一 对钻孔内布置测线进行数据采集和分析，钻孔连线与隧道轴线垂直或相交，形成孔间二维 地电断面成像结果图，能够反映探测剖面内部及外部一定范围内的地质异常； 所述三维电阻率跨孔CT探测方法为在沿隧道轴线两侧各2个相邻钻孔内布置测线进 行数据采集和分析，形成孔间三维全空间电阻率成像结果图，能够对钻孔所围成区域内部 的地质异常进行精确的三维空间定位和形态识别。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（4)中构造的目标函数具体为： Ox = (Ad-AAm)T (Ad-AAm) +A(ff^Am)T (ff^Am)； 其中，Ad表示实测数据与正演理论数据的差向量，Am表示模型参数增量向量，A表示 敏感度矩阵，C表示光滑度矩阵八为拉格朗日常数，用于控制数据方差项和模型方差项之 间的权重表示网格模型中网格的距离加权因子。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述模型中网格的距离加权因子Wl的计 算方法为： 建立直角坐标系，假设四个钻孔PI、P2、P3和P4等间距布置，且距离为a，模型中任一 网格i(X，y，z)中心点到各钻孔PI、P2、P3、P4的距离ln、li2、li3、li4可表示如下：
上式中，WiiO^y)表示模型中第i个网格的距离加权因子；a为钻孔间距，P为经验估 计常数，通过调节0值可以控制距离加权函数的值域在一定范围内变化；lg表示以10为 底的常用对数； 设模型中网格数量为M，将距离加权函数写成矩阵形式，即
其中，wu，...，w1M表示第1?M个网格的距离加权因子。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（4)中构造携带距离加权函数的 反演方程为： [AtA+A(ff^)T (WiC) ]Am=ATAd 其中，A为偏导数矩阵，Am为模型参数增量向量，Ad为观测数据，C表示光滑度矩阵； 入为拉格朗日常数，Wl表示网格模型中网格的距离加权因子。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述偏导数矩阵A为：
其中，Au为偏导数矩阵A中第i行第j列个元素，psi为第i个视电阻率值，pj为第j个模型网格的电阻率值，令AP』=P」-〇? 99P」，Apsi =psn-psi2，其中psil，psi2分 别为模型网格电阻率值改变前后的视电阻率值。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对数据进行反演解译分析时采用主从 并行模式对偏导数矩阵进行并行解析求解；所述主从并行模式是指在求解偏导数矩阵时采 用并行计算，而反演的其他部分依然采用串行计算的算法；主从式并行改造之后，采用分块 并行策略，将计算任务平均分配给计算机线程，提高反演计算精度和计算效率。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述采用主从并行模式对偏导数矩阵进 行并行解析求解的具体方法为： 1)将电阻率有限元模型作为参数化模型，模型参数数目为m，设定模型参数初值； 2) 在电阻率CT反演中每迭代一次均需要针对每个模型即模型网格电阻率值Pj进行 正演计算，求取对应模型的地球物理响应； 3) 收敛判断：收敛的判据为rus<einv，所述rus表达式如下：
其中rus为观测数据cLs与正演理论值dm之差与观测数据cLs比值的均方差，cLsi为 第i个实际观测视电阻率数据，dmi为第i个正演理论观测数据，N为观测数据的个数，einv 为反演收敛的容许值； 若rus不满足收敛判据，则转至步骤4);若rus满足收敛判据，将此时得到的模型参数 作为反演的结果输出； 4) 偏导数矩阵的并行计算：应用基于共享内存的多处理器多线程并行系统，采用分块 并行策略，将每个模型的正演计算任务平均分配给计算机线程； 5) 求解反演方程得到新的模型参数，重复步骤2)-步骤3)。
【文档编号】G01V5/00GK104407394SQ201410704377
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】刘斌, 刘征宇, 李术才, 王世睿, 聂利超, 宋杰, 李尧 申请人:山东大学