专利名称：一种隧道瞬变电磁多点阵列式探测方法
技术领域：
本发明涉及一种隧道探测方法，尤其是一种隧道瞬变电磁多点阵列式探测方法。
背景技术：
随着国家十二五战略规划的提出，我国在公路、铁路、水电等领域将会修建更多的深埋长大隧道。隧道施工过程中可能遇到的突水、突泥等地质灾害给施工安全带来了重大灾难和巨大的经济损失。因此，为隧道施工安全，尤其是保证高风险岩溶地区隧道施工的安全，减轻突水突泥等灾害的损失，对隧道含水构造超前预报进行深入研究，提高预报精度， 具有重要的理论意义和重大的工程应用价值。瞬变电磁法是一种电磁感应探测方法，具有对低阻体反应敏感、能够同时进行测深和剖面测量、工作效率高等特点。在隧道、矿山超前地质预报和含水构造探查中得到了广泛应用，并取得了一定的效果。2008年，薛国强，李貅提出了基于等效导电平面法以二次电导微分参数为特征的瞬变电磁隧道探测成像新方法，改变了原有解释仅依靠视电阻率断面的情况，提高了解释精度。然而，前人的研究都是基于隧道内单条测线的数据采集，依据感应电动势剖面和二维视电阻率断面来进行解释，无法对不良地质体进行空间定位。随着许多深埋长大隧道的修建，更加复杂的地质情况对探测精度和不良地质体的定位提出了更高的要求，因此需要研究隧道瞬变多点阵列式探测技术，对隧道含水构造进行三维空间定位。在矿产资源瞬变电磁勘探中，为了获得较高的分辨率并提高生产效率，通常在大回线中间1/3的范围内进行观测，在资料处理时，认为在这个区域内场是近似均勻的，由此派生出既不同于常规意义下的中心回线方式，也不同于大定源回线方式的大回线中心装置。在隧道含水构造瞬变电磁探测中借鉴大回线中心装置的观测方式，在同一发射回线内布置多点进行阵列式接收，采集不同偏移距下的瞬变电磁垂直分量响应并形成三维数据体，形成了隧道瞬变电磁的阵列式观测方式(见图1)。但是，隧道小回线情况下不能像大回线中心装置一样以中心点视电阻率公式计算非中心点的视电阻率，在没有非中心点视电阻率定义的情况下，隧道探测即使采集了非中心点的数据，也无法进行电阻率成图。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种隧道瞬变电磁多点阵列式探测方法，该方法实现了隧道含水构造的阵列式瞬变电磁探查，通过三维插值视电阻率图和切片图，分析得到了隧道含水构造的空间展布规律。隧道瞬变电磁多点阵列式探测能够得到更丰富的地质信息，并能够对观察含水构造进行多方位多角度的观察。采用该方法对隧道底板进行了瞬变电磁多点阵列式探测和数据解释，分析得到了含水构造的空间展布规律。该方法同样适用于隧道超前地质预报，采用多点阵列式瞬变电磁方法进行隧道超前地质预报能够较准确的识别隧道掌子面前方含水构造的形态和空间分布。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案一种隧道瞬变电磁多点阵列式探测方法，包括以下步骤
1)在隧道掌子面布置瞬变电磁发射天线，发射天线采用:3mX;3m的矩形线框；2)进行瞬变电磁发射天线与发射机、接收探头与接收机的连接；3)按照隧道中预先设定的若干测点和顺序采集垂直分量。4)移动发射天线，重复第幻步进行测量直到完成整条测线的数据采集；5)将采集的数据传输到计算机进行数据分析和处理，并分别进行视电阻率深度计算和二维等值线成图；6)将第幻步得到的视电阻率深度数据按照其采集位置与测点点距进行处理，形成离散的三维视电阻率数据体；7)将第6)步得到的三维离散数据体进行三维空间插值形成三维插值视电阻率图，由该图即可确定隧道中含水构造的形态和空间分布。所述步骤5)中数据分析处理时，对中心点数据采用瞬变电磁中心回线视电阻率
n = M0 /2^VVoJ 公式厂&、严z(0 ；进行处理，其中P τ为视电阻率，μ C1为真空磁导率，B为磁感应 ‘ dt
强度，I0为回线中的电流，a为回线半径，Φ (u)为概率积分，t为时间，、为实际采集的感应电动势。
Cz^I0U0 4t-dBz(t)/dt
进行处理，其中Cz=If -孟J czl、cz2、cz3为非中心磁场垂直分量对应项的系数，P τ
为视电阻率，μ ^为真空磁导率，B为磁感应强度，I0为回线中的电流，a为回线半径，Φ (u)为概率积分，Itl为回线中的电流，a为回线半径，Φ (u)为概率积分，t为时间，、为实际采集的感应电动势。处理后得到各观测点的视电阻率等值线断面，并能够通过三维插值技术得到三维视电阻率图。本发明的有益效果是(1)实现了隧道含水构造的多点阵列式瞬变电磁探查。(2)采用多项式拟合的方式给出了隧道瞬变电磁回线内非中心点垂直分量视电阻率。使隧道瞬变电磁多点阵列式探测时接收非中心点垂直分量响应能够转换为视电阻率断面进行解释。(3)通过三维插值视电阻率图和三维插值视电阻率切片图，分析得到了隧道含水构造的空间展布规律。试验表明隧道瞬变电磁非多点阵列式探测能够得到更丰富的地质信息，并能够对观察含水构造进行多方位多角度的观察。(4)本发明对隧道超前地质预报及含水构造探查具有一定的借鉴和指导意义。
图1是隧道瞬变电磁多点阵列式探测装置示意图；图2 (a)为瞬变电磁均勻半空间垂直分量磁场响应积分核函数曲线、图2 (b)分别 其余测点采用非中心点垂直分量视电阻率公式= 1
dt π-t为进行变换后的积分核函数曲线；图3是由于变换产生的附加积分的积分核函数曲线；图4(a)是瞬变电磁中心点垂直分量磁场响应频率域响应曲线、图4(b)、图4(c)、 图4(d)、图4(e)是通过数字滤波计算积分得到的不同偏移距下的垂直分量频率域响应曲线.
一入 ，图5是掌子面前方不良地质体内平行涡流及其产生的磁力线示意图；图6是隧道底板非中心点垂直分量瞬变电磁探测测线布置示意图；图7(a)-图7(i)表示进行试验时不同偏移距下的实测的感应电动势剖面(a_i分别对应图6中a-i的观测位置)；图8(a) -图8 (i)表示进行试验时不同偏移距下的视电阻率等值线断面图(a_i分别对应图7中a-i的感应电动势剖面)；图9(a)表示通过插值得到的三维视电阻率图；图9(b)表示三维视电阻率切片图； (X表示隧道宽度方向，Y表示隧道轴线方向，Z表示底板下方的探测深度)。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。一种隧道瞬变电磁多点阵列式探测方法，包括以下步骤1)在隧道掌子面布置瞬变电磁发射天线，发射天线采用:3mX;3m的矩形线框；2)进行瞬变电磁发射天线与发射机、接收探头与接收机的连接；3)采用图(1)所示的测点位置和顺序进行9个数据点垂直分量的采集；4)移动发射天线，重复第幻步进行测量直到完成整条测线的数据采集；5)将第幻步采集的数据传输到计算机进行数据分析处理，并分别进行二维视电阻率深度等值线成图；6)将第5)步得到的视电阻率等值线数据按照图(1)中的位置与测点点距进行处理，形成离散的三维视电阻率数据体；7)将第6)步得到的三维离散数据体进行三维空间插值形成三维插值视电阻率图，由该图即可确定隧道中含水构造的形态和空间分布。所述步骤5)中数据分析处理时，对中心点数据采用瞬变电磁中心回线视电阻率
权利要求
1.一种隧道瞬变电磁多点阵列式探测方法，其特征是，包括以下步骤1)在隧道掌子面布置瞬变电磁发射天线，发射天线采用anX^i的矩形线框；2)进行瞬变电磁发射天线与发射机、接收探头与接收机的连接；3)按照隧道中预先设定的若干测点和顺序采集垂直分量；4)移动发射天线，重复第幻步进行测量直到完成整条测线的数据采集；5)将采集的数据传输到计算机进行数据分析和处理，并分别进行视电阻率深度计算和 二维等值线成图；6)将第5)步得到的视电阻率深度数据按照其采集位置与测点点距进行处理，形成离 散的三维视电阻率数据体；7)将第6)步得到的三维离散数据体进行三维空间插值形成三维插值视电阻率图，由 该图即可确定隧道中含水构造的形态和空间分布。
2.如权利要求1所述的隧道瞬变电磁多点阵列式探测方法，其特征是，所述 步骤5)中数据分析处理时，对中心点数据采用瞬变电磁中心回线视电阻率公式 n
全文摘要
本发明公开了一种隧道瞬变电磁多点阵列式探测方法，包括以下步骤1)在隧道掌子面布置瞬变电磁发射天线；2)连接瞬变电磁设备；3)对隧道内预先设定的测点采集垂直分量；4)移动发射天线，重复第3)步直到完成整条测线的数据采集；5)将数据传输到计算机进行处理，计算二维视电阻率深度；6)将第5)步得到的视电阻率深度数据按照测点空间位置布置形成离散三维视电阻率数据体；7)将第6)步的离散数据体进行三维空间插值形成三维插值视电阻率图。由该图即可确定隧道中含水构造的形态和空间分布。该方法通过三维插值视电阻率图和切片图，分析得到了隧道含水构造的空间展布规律，并能够对观察含水构造进行多方位多角度的观察。
文档编号G01V3/12GK102508308SQ201110343660
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者孙怀凤, 张文俊, 戚志鹏, 李术才, 李貅, 苏茂鑫, 薛翊国 申请人:山东大学