一种TBM施工隧道三维激发极化超前预报干扰去除方法与流程

本发明涉及一种TBM施工隧道三维激发极化超前探测中干扰的去除方法。具体的说是一种涉及在TBM施工隧道中进行三维激发极化超前地质探测，利用数值模拟统计原理去除TBM干扰激发极化探测的方法。

背景技术：

在水利水电、交通等领域的隧道建设中，尤其是在我国西部地区的隧道工程施工中，隧道施工时经常遭遇断层破碎带、软弱地层、溶洞、暗河等不良地质，往往面临极端复杂的地质条件。TBM(全断面隧道掘进机)施工具有掘进速度快、安全高效等诸多优势，我国的隧道建设中越来越多的采用TBM施工。TBM掘进穿越导水断层、充水溶洞等不良地质发育段落时，极易诱发突水突泥等突发性地质灾害，造成施工机械被淹，工期延误，甚至导致TBM整机报废，人员伤亡。因此在TBM隧道施工期开展断层、溶洞等致灾构造的超前预报工作，对保证隧道安全施工具有重要意义。

激发极化法是一种常用的地球物理探测手段，具有操作简便、经济高效、对含水体响应敏感等特点，被引入到隧道超前地质预报中。由于隧道掌子面空间狭小，同时受隧道支护衬砌、施工机械等复杂环境影响，常规的直流激发极化法观测方式不能满足隧道超前探测要求。现有技术提出了多同性源阵列三维激发极化观测方式，可提高探测的超前指向性，同时可压制后方的旁侧干扰，同时提出适用于TBM的便携式电阻率法超前预报系统和方法可满足TBM施工隧道超前探测的要求。

但是在进行三维激发极化超前探测时，TBM作为一个巨大的金属良导体，会严重影响探测过程中的信号采集等，从而对三维激发极化超前预报造成干扰。因此需要一种干扰去除方法，在TBM施工隧道中进行三维激发极化超前探测时去除TBM的干扰。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种TBM施工隧道三维激发极化超前预报的干扰去除方法，该方法能够有效去除三维激发极化探测中TBM的干扰，保证三维激发极化超前探测的有效信息不受损失。

为实现上述目的，本发明采用如下方法：

一种TBM施工隧道三维激发极化超前预报干扰去除方法，包括：

(1)建立TBM施工隧道三维激发极化超前探测的地电模型；

(2)在建立的三维激发极化超前探测模型的掌子面前方，设置可用于模拟导水断层以及充水溶洞不良地质条件的激发极化异常体；

(3)分别设定激发极化异常体的N个不同的位置，分别编号1,2,…N；进行没有TBM模型情况的模拟正演计算，得到N组不同的观测数据

(4)以TBM施工机械设备为原型，在步骤(3)原有计算模型中增加TBM计算模型，分别设定N个与步骤(3)中位置相同的异常体，进行带有TBM模型情况的模拟正演计算，得到N组不同的观测数据其中i＝1,2…M，M为观测数据个数，j＝1,2…N；

(5)根据异常体位置相同时的同一组观测数据d_for和d_tbm，计算每一个观测数据的异常比率，即TBM干扰系数；

(6)根据每一个观测数据的TBM干扰系数，计算每一个观测数据的TBM干扰修正系数；

(7)根据得到的TBM干扰修正系数，将现场得到的探测数据变为去除TBM干扰的观测数据。

进一步地，所述步骤(1)中，TBM施工隧道三维激发极化超前探测的地电模型中，隧道埋深，隧道断面形式、尺寸，隧道围岩电阻率以及隧道腔体电阻率参数与根据实际TBM施工隧道的相关参数选取。

进一步地，所述步骤(1)中，BM施工隧道三维激发极化超前探测的地电模型的观测模式为多同性源阵列观测方式或者仅在隧道掌子面的ESCAN观测模式。

进一步地，所述步骤(1)中，TBM施工隧道三维激发极化超前探测的地电模型的数据采集方法为：布设在隧道掌子面的K个电极分别作为供电电极A、测量电极M；进行数据采集时，选取掌子面某一个电极作为供电电极A供电，其余电极作为测量电极M依次采集；采集完成后更换另一个电极作为供电电极A供电，其余电极作为测量电极M依次采集；直到掌子面的K个电极都已经作为供电电极A供电，数据采集结束。

进一步地，所述步骤(3)中，激发极化异常体的N个不同的位置包括：异常体与掌子面的距离不同或者是异常体沿隧道轴线方向在隧道掌子面上投影位置不同。

进一步地，所述步骤(5)中，TBM干扰系数的计算方法为：

对于第i个观测数据，第j组的TBM干扰系数为：带有TBM模型情况下得到的观测数据与没有TBM模型情况下得到的观测数据的比值。

进一步地，所述步骤(6)中，每一个观测数据的TBM干扰修正系数的计算方法为：每一个观测数据的N个不同的TBM干扰系数的累加和的平均值。

进一步地，所述步骤(7)中，将现场得到的探测数据变为去除TBM干扰的观测数据的方法具体为：去除TBM干扰的观测数据为现场得到的探测数据与该数据的TBM干扰修正系数的比值。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提出的基于数值模拟统计的TBM干扰去除方法，能有效去除TBM施工隧道中TBM对三维激发极化超前探测的干扰，同时压制探测得到的探测区域有效异常信息受到的其它干扰，解决了三维激发极化探测应用于TBM施工隧道超前地质预报中的关键问题。

(2)本发明不涉及复杂的数学算法，数学原理简单，计算量小，耗时少，TBM干扰修正系数可提前算出，使得一般技术人员易于掌握。修正后的现场观测数据可直接用于反演计算，使三维激发极化探测数据处理满足TBM施工隧道超前地质工作的时效性要求。

(3)本发明对三维激发极化超前探测的实际观测数据进行修正后，可有效剔除观测数据受到的干扰，在超前探测数据处理的后续步骤中，可有效压制反演计算结果的多解性，使探测结果易于解译，有利于作出接近真实地质条件的探测结论。

附图说明

图1是本发明TBM干扰去除方法流程图与超前探测地电模型示意图；

图2-1是异常体与掌子面距离d＝4m时观测数据图；

图2-2是异常体与掌子面距离d＝14m时观测数据图；

图3是得到的TBM干扰修正系数图；

图4是TBM干扰修正前与修正后现场观测数据图；

图5-1是修正前现场观测数据的反演计算结果图；

图5-2是修正后现场观测数据的反演计算结果图；

图中：1隧道围岩，2地质异常体，3掌子面电极系统，4隧道腔体，5TBM计算模型。

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。应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

本发明的流程图如图1所示，在进行相关正演计算的基础上，计算得到TBM干扰修正系数η，从而对现场实测数据进行修正，得到去除TBM干扰的修正观测数据。

具体的实施步骤如下：

A.根据TBM施工隧道现场施工情况，建立三维激发极化超前探测的地电模型，图1为地电模型示意图。包括：设置在隧道围岩1内的隧道腔体4，隧道腔体掌子面上设置掌子面电极系统3，在掌子面前方设置地质异常体2；

其中隧道掌子面为圆形，直径8m，隧道围岩电阻率为3000Ω·m，隧道腔体电阻率为10e9Ω·m。

三维激发极化超前探测的数据采集使用ESCAN装置形式，即布设在隧道掌子面的9个电极可作为供电电极A、测量电极M，N极与B极布设在隧道掌子面后方相对无穷远处。进行数据采集时，选取掌子面某一个电极作为供电电极A供电，其它8个电极作为测量电极M依次采集；采集完成后更换另一个电极作为供电电极A供电，其它8个电极作为测量电极M依次采集；……直到掌子面的9个电极都已经作为供电电极A供电，其它电极采集完成，数据采集结束。观测数据个数M＝72。

除此之外，三维激发极化超前探测的数据采集还可以采用多同性源阵列观测方式或者其他观测方式。

B.在三维激发极化超前探测模型的掌子面前方，设置低阻异常体用于模拟充水溶洞，异常体位于隧道掌子面正前方，直径为8m，厚度2m，电阻率为10Ω·m。

C.不断改变低阻异常体与掌子面的距离d，分别设d＝4m，6m，10m，14m，20m，30m，即低阻异常体共有6个不同的位置。对于6个不同位置的异常体，进行没有TBM模型情况的模拟正演计算，得到6组不同的观测数据其中i＝1,2…72，j＝1,2…6。

D.以TBM施工机械的刀盘、护盾、主梁、撑靴、后配套等设备为原型，利用数值模拟ANSYS软件，建立TBM计算模型，增加到原有计算模型中，从而使计算带有TBM模型，此时可以得到受TBM干扰的观测数据。对应于低阻体位置为d＝4m，6m，10m，14m，20m，30m，进行带有TBM模型情况的模拟正演计算，得到6组不同的观测数据其中i＝1,2…72，j＝1,2…6。图2-1，2-2分别为d＝4m，14m时的观测数据图。

E.选取异常体位置相同时，即同一组的的观测数据d_for和d_tbm，计算每一个观测数据的异常比率，即TBM干扰系数α。对于第i个观测数据，第j组的TBM干扰系数α^ij，计算方法如下：

F.对于每一个观测数据，可以得到6个不同的干扰系数α^ij，j＝1,2…6。对于每一个观测数据，TBM干扰修正系数η，计算方法如下：

图3为得到的TBM干扰修正系数图。

G.现场得到的探测数据为d_obs，根据TBM干扰修正系数η，计算得到去除TBM干扰的观测数据d_mod，计算方法如下：

实施例：

本例中在某TBM施工隧道进行三维激发极化超前探测，得到现场观测数据。应用本发明中提出的TBM干扰去除方法对现场实测数据进行修正，图4为TBM干扰修正前与修正后现场观测数据图。分别应用修正前后的观测数据进行反演计算，得到计算结果见图5-1和图5-2。图5-1中显示在近掌子面附近存在低阻异常，掌子面向前无异常。这与探测时已经揭露的掌子面附近围岩情况不符。图5-2中显示在掌子面附近无异常出现，但是在掌子面前方13m～28m范围内，出现明显的低阻异常体。按照图5-2的计算结果进行地质解译，判断掌子面前方13m处存在异常区域，疑似充水溶洞的可能性大。开挖结果中在掌子面前方13m处开始出现体积为6m×6m×6m的溶洞，这与图5-2解译结果相近。可见本发明提出的TBM干扰去除方法不仅去除了现场观测数据中TBM的干扰，同时保留了超前探测掌子面前方地质异常体的有效信息，修正后的现场观测数据可直接用于反演计算，保证TBM施工隧道三维激发极化超前探测的正常实施。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。