一种隧道超前地质预报瞬变电磁响应的金属干扰消除方法与流程
本发明涉及隧道空间瞬变电磁法探测领域，尤其涉及一种隧道超前地质预报瞬变电磁响应的金属干扰消除方法。
背景技术：
隧道开挖时掌子面前方经常会遇见富水断层、充水溶洞等低阻不良地质体，它们是隧道施工过程中重要安全隐患。成功预测掌子面前方低阻不良地质体成为保障隧道安全施工的重要措施，为此人们将瞬变电磁法引入到隧道超前地质预报中。然而隧道空间探测环境复杂，往往存在大量金属干扰体，已有研究表明这些金属体对探测数据及解译结果有较大的影响，有时甚至会导致误判。
目前，已有部分学者针对矿井瞬变电磁法金属干扰体进行了研究，但已有方法现场应用时仍存在局限性，如：对于给定的金属体和探测装置，金属体的瞬变电磁响应时间谱还取决于其与线圈的耦合情况；当有多个低阻体时，各个低阻体之间存在互感作用，瞬变电磁响应值并非单个低阻体的简单加减；屏蔽探头只适合中心回线，对地质异常响应较强的重叠回线不适合，且由于磁场线为闭合曲线，接收磁探头对后方信号的屏蔽效果还有待进一步验证。故需要一套有效的金属干扰消除方法，分离出低阻异常体的响应信号，准确反演低阻地质异常体位置及大小，对提高瞬变电磁法隧道超前地质预报精度具有十分重要的意义。
技术实现要素：
本发明针对上述现有技术的不足，利用不同导体电阻极限值可简单加减的特点，提供了一种隧道超前地质预报瞬变电磁响应的金属干扰消除方法，从而有效剔除金属体对瞬变电磁法探测结果的干扰，减少误判、提高隧道地质预报精度。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种隧道超前地质预报瞬变电磁响应的金属干扰消除方法，包括以下步骤：
(1)通过现场试验获取隧道背景场以及金属体与探测线圈不同耦合情况下的瞬变电磁响应值；
(2)分别计算步骤(1)中两种瞬变电磁响应的电阻极限值，并进一步求取金属体与探测线圈不同耦合情况下的电阻极限函数；
瞬变电磁响应的电阻极限值计算方法，包括：
首先按式(1)对瞬变电磁响应值进行拟合，计算各展开指数项的振幅系数aj与时间常数τj，然后按式(2)计算各测点电阻极限值。
式中ti为不同采样时刻，vi为不同时刻所采集的感应电压值；
式中，rl表示电阻极限值，j为所展开的项数；
所述展开指数项项数取10项，即可满足拟合精度要求；
所述电阻极限函数采用指数函数形式拟合求取；
(3)求取各测点低阻地质异常体瞬变电磁响应的电阻极限值；
(4)以低阻地质异常体电阻极限值为特征值建立反演目标函数，求解计算低阻地质异常体的埋深及大小，
所述反演目标函数是根据低阻地质异常体瞬变电磁响应的电阻极限解析式建立，其形式如下：
式中fk(r)为实际各测点低阻地质异常体的电阻极限值，mk(r,qi)为根据电阻极限解析式计算所得的电阻极限值，r为测点编号，n为测点数；qi为反演参数，包括低阻地质异常体埋深、大小，
所述的反演目标函数求解采用通用全局优化算法ugo求解。
所述步骤(3)中各测点低阻地质异常体瞬变电磁响应的电阻极限值是通过将各测点总电阻极限值减去金属干扰体及隧道地质背景场电阻极限值获得。
本发明的突出优点在于：
利用电阻极限的以下特点：①是在频率趋于零时定义；②导体之间不存在互感；③不同导体的电阻极限值可简单加减，实现金属体干扰信号分离。并将电阻极限值作为特征值进一步实现了低阻地质异常体埋深及大小的快速反演计算。对提高瞬变电磁法隧道超前地质预报精度具有十分重要的意义。
附图说明
图1为本发明所述的隧道超前地质预报瞬变电磁响应的金属干扰消除方法的总流程图。
图2为本发明所述的应用实施例中感应电动势多测道剖面图。
图3为本发明所述的应用实施例中低阻地质异常体电阻极限值曲线。
图4为本发明所述的应用实施例中低阻地质异常体埋深及大小的反演结果。
具体实施方式
下面结合附图和应用实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明所述的隧道超前地质预报瞬变电磁响应的金属干扰消除方法，具体操作步骤如下：
(1)通过现场试验获取隧道背景场以及金属体与探测线圈不同耦合情况下的瞬变电磁响应值；其中隧道背景场是指无金属体及低阻地质异常体时的瞬变电磁响应值，不同耦合情况具体指金属体与探测线圈平面不同距离、不同角度。
(2)分别计算步骤(1)中两种瞬变电磁响应的电阻极限值，并进一步求取金属体与探测线圈不同耦合情况下的电阻极限函数；
瞬变电磁响应的电阻极限值计算方法，包括：
首先按式(1)对瞬变电磁响应值进行拟合，计算各展开指数项的振幅系数aj与时间常数τj，然后按式(2)计算各测点电阻极限值。
式中ti为不同采样时刻，vi为不同时刻所采集的感应电压值；
式中，rl表示电阻极限值，j为所展开的项数；
所述展开指数项项数取10项，即可满足拟合精度要求；
所述电阻极限函数采用指数函数形式拟合求取；
(3)求取各测点低阻地质异常体瞬变电磁响应的电阻极限值；
(4)以低阻地质异常体电阻极限值为特征值建立反演目标函数，求解计算低阻地质异常体的埋深及大小，
所述反演目标函数是根据低阻地质异常体瞬变电磁响应的电阻极限解析式建立，其形式如下：
式中fk(r)为实际各测点低阻地质异常体的电阻极限值，mk(r,qi)为根据电阻极限解析式计算所得的电阻极限值，r为测点编号，n为测点数；qi为反演参数，包括低阻地质异常体埋深、大小，
所述的反演目标函数求解采用通用全局优化算法ugo求解。
所述的电阻极限定义为：
在瞬变电磁响应晚期阶段，二次感应电流完全扩散到了导体内部，涡流分布趋于稳定，磁场按指数规律衰减。此时，任意局部导体的瞬变电磁响应可展开为多个按指数规律衰减的响应项总和，其频率域表达式分别为：
式中，
从而引入参数电阻极限概念，在频率域，电阻极限定义为频率趋于零时瞬变电磁响应对频率的导数。其表达式为：
所述的实测数据电阻极限值计算过程为：
瞬变电磁仪测量数据，即瞬变电磁响应，常为感应电动势与时间的关系曲线，根据已知的一系列v和t值，按(6)式对瞬变电磁数据进行拟合，以计算各展开指数项的振幅系数aj与时间常数τj，从而进一步按(5)计算各测点瞬变电磁响应的电阻极限值。
式中ti为不同采样时刻，vi为不同时刻所采集的感应电压值。显然，展开项数越多，拟合精度就越高，实际拟合时一般展开10项，即可满足精度要求。为减少一次场及晚期电磁场波动对拟合结果的影响，拟合计算前，需根据曲线衰减特征选择合适的时间段。
所述的各测点低阻地质异常体瞬变电磁响应的电阻极限值是通过将各测点总电阻极限值减去金属干扰体及隧道地质背景场电阻极限值获得。
图2为本发明所述的应用实施例中感应电动势多测道剖面图，数据来源于广西岑溪市岭脚隧道左洞掌子面fk18+218处。测点间距为0.5m，线圈距隧道边墙大于1m，金属台车距掌子面20m。
在本实例中采用高阻围岩中非磁性导电球体模型建立反演目标函数，其电阻极限解析表达式为：
其中a(l)为无量纲的振幅，表达式为：
f(x0,l)为几何坐标函数，表达式为：
其中：
式中，x0为球心在线圈平面投影到回线中心的距离，x0＝x0/h；l＝l/h；r＝r/h；l为回线半边长，r为球体半径，h为球体埋深。
图3为采用本发明所述的方法，剔除金属干扰与背景场后，计算所得各测点低阻地质异常体电阻极限值。
图4为低阻地质异常体埋深及大小的反演结果，反演计算所得低阻异常体半径为5.7米、埋深11.7米，低阻体中心靠近隧道右边墙。实际开挖至掌子面fk18+212.5处时遭遇泥浆充填型空腔，空腔为椭圆状，长半径约6.1米，采用管棚支护得以顺利通过，反演结果与实际开挖情况较为吻合。
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