孔-隧激发极化探水结构的施工方法及反演探水方法

本发明属于地球物理勘探，具体涉及一种孔-隧激发极化探水结构的施工方法及反演探水方法。

背景技术：

1、目前，我国隧道建设中艰险山区深埋隧道和跨江越海隧道大量涌现，其具有洞线长、埋深大等特点。各类含导水不良地质赋存更隐蔽、致灾性更高，要求分辨率更高、目标更难探，在隧道施工中极易诱发突涌水灾害，这对于隧道超前探测精度提出了更高的要求和挑战。激发极化方法是一种电法探测方法，其利用含水地质体的激发极化效应开展探测，对水体响应敏感，目前国内外已有诸如beam、tip等基于激发极化的隧道超前探水方法在隧道含水构造超前预报中得到应用，其中tip方法可以实现大型含水构造的定位定量预报。

2、然而上述方法利用隧道边墙和掌子面开展探测，

3、(1)受限于隧道的狭小环境，其探测分辨率通常在米级，难以实现小型含导水构造的精细探测。其次，上述方法产生的激发极化场分布于隧道附近，致使其对较远处含水构造响应较差，进而导致上述方法探测距离相对较近，不能满足较远处含水构造探查的需求。

4、(2)同时，在激发极化数据处理成像方面，传统极化率反演以电阻率反演结果为基础，成像中带入了较多电阻率反演的多解性因素，使得极化率反演难以收敛，而极化率本身存在值位于(0,1]区间内的自然边界条件，传统反演方法往往忽略此条件，致使极化率数值超限，无法得到可靠的反演结果。同时激发极化属于位场探测，本身受体积效应影响难以感知异常体边界信息，进而导致无法对异常体边界进行精细反演成像，导致无法进行准确的地质解译。

5、此外，激发极化探测需要较高的数据精度，因此需要重点考虑由电极极化和多芯电缆耦合产生的初始观测数据误差，前者是由于金属电极连续进行供电与测量而产生，后者是由于单根多芯电缆中有多个电极同步进行供电与测量而产生。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种孔-隧激发极化探水结构的施工方法及反演探水方法，提高了激发极化场对探测目标的探测距离，通过孔内激发，掌子面接收，可获取前方含导水构造的三维有效信息，避免了单一金属电极连续供电、测量的问题以及同一电缆存在多个电极同时供电测量这两个问题，从根本上自然消除了电极极化与多芯电缆耦合的系统干扰，适用于激发极化精细探测。

2、本发明提供一种孔-隧激发极化探水结构的施工方法，包括如下步骤：

3、在隧道掌子面外边缘区域间隔布设多个前向钻孔；

4、在各所述前向钻孔内分别设置孔内探测电缆，各所述孔内探测电缆分别具有多个探测电极，且每根所述孔内探测电缆中的各探测电极被分别配置为供电电极a、供电电极b；

5、在隧道掌子面各所述前向钻孔所占据区域外的区域上阵列设置多个孔外探测电极，各所述孔外探测电极被配置为测量电极m及测量电极n；

6、所述供电电极a、供电电极b形成供电闭合回路，所述测量电极m及测量电极n形成测量闭合回路。

7、本发明还提供一种基于上述的孔-隧激发极化探水结构的施工方法所形成的孔-隧激发极化探水结构的反演探水方法，包括：

8、初始观测数据获取步骤，用于获取所述孔-隧激发极化探水结构的激发极化数据，采用如下方式：

9、定义多个所述前向钻孔中的任一个为第一孔，并选择第一孔内的所述孔内探测电缆中的探测电极中的一个为供电电极a、另一个为供电电极b，并供电使得供电电极a与供电电极b形成供电闭合回路，其中供电电极a处于所述隧道掌子面与所述供电电极b之间；

10、选择多个所述孔外探测电极中的一个作为测量电极m、另一个作为测量电极n，并供电使得测量电极m与测量电极n形成测量闭合回路，从而获取该状态下的初始观测数据；

11、依据前述方式，遍历观测所述第一孔内的所有孔内探测电缆中的各个探测电极以及所述孔外探测电极，从而获取基于第一孔的初始观测数据；

12、依据基于第一孔的初始观测数据的观测方法，依次获取剩余各孔的对应的初始观测数据。

13、在一些实施方式中，所述反演探水方法，还包括：

14、初始观测数据筛选步骤，用于将初始观测数据获取步骤中获取的基于各孔的初始观测数据依据以下几何因子g的计算公式进行计算，并在所述g超过预设值时剔除相应的初始观测数据形成探测观测数据：

15、

16、其中，am、an、bm至bn分别代表各供电电极与测量电极之间的距离；am’、an’、bm’至bn’分别代表各供电电极关于隧道掌子面对称的虚拟电极点位与测量电极之间的距离。

17、在一些实施方式中，

18、所述预设值为3000。

19、在一些实施方式中，所述反演探水方法还包括：

20、根据所述探测观测数据建立对应的电阻率初始模型和极化率初始模型，并基于所述电阻率初始模型进行常规电法反演获得电阻率反演模型；

21、建立隧道电阻率极化率聚类联合反演目标函数；

22、基于所述隧道电阻率极化率聚类联合反演目标函数对所述隧道电阻率极化率聚类联合反演目标函数求最小值，构造基于隧道电阻率极化率聚类联合反演目标函数的反演方程，更新模型参数增量，迭代反演后得到最终反演结果。

23、在一些实施方式中，

24、所述隧道电阻率极化率聚类联合反演目标函数为：

25、φ＝φσ+μφη+λ1φfcm+λ2φlog，φσ＝φdσ+βσφmσ，φη＝φdη+βηφmη

26、其中，φσ为常规反演的电阻率数据项与模型项之和，φη为常规反演的极化率数据项与模型项之和，μ为平衡电阻率极化率两组模型的权重参数，φfcm为聚类项，λ1是确定所施加的聚类项权重的参数；φlog为边界约束项，λ2为边界约束参数；βσ与βη为正则化参数；φdσ是电阻率数据项，φmσ是电阻率模型项，φdη是极化率数据项，φmη是极化率模型项。

27、在一些实施方式中，

28、

29、其中，mσ为模型的电阻率向量，mη为模型的极化率向量，vk1为第k类的第一个聚类中心(电阻率值)，vk2为第k类的第二个聚类中心(极化率值)，二者依据权重ξ相加；表示第j个单元相对于第k类的隶属度；tk为已知先验岩石物理信息提供的目标聚类中心，向量ω＝(ω1,ω2,...ωk)t中，每个元素参数ωk的大小根据第k个先验聚类中心的可靠性而定；q为模糊化因子，为常数。

30、在一些实施方式中，

31、u为约束的上边界，m为模型参量数量；和/或，

32、和/或，

33、

34、在一些实施方式中，

35、电阻率模型增量δmσ的反演方程为：

36、

37、其中，jσ是电阻率的敏感度矩阵，βσ为电阻率模型约束项的阻尼因子(常数，凭经验设定)，c为类簇数，uk为网格属于第k个类簇的隶属度矩阵，δdσ为电阻率的数据差向量，是实测数据与预测数据的差值，mσ为电阻率，为电阻率参考模型，vk1为第k个类簇的电阻率聚类中心；和/或，

38、极化率边界约束参数λ2的迭代更新方程为：

39、

40、其中，ζ-和ζ+分别为两个中间变量，最终计算的ζ同样为一个中间系数，用来更新λ2，γ为常数。

41、在一些实施方式中，

42、极化率模型增量δmη的反演方程为：

43、式中，x＝diag(m1,m2,...mm)，y＝ui-x，

44、其中，jη为极化率的敏感度矩阵，δdη为极化率观测数据差向量，为极化率观测数据与预测数据的差值，vk2为第k个类簇的极化率聚类中心，e是一个m维度的列向量；

45、

46、其中，wd为数据加权矩阵，为极化率观测数据，dη为极化率模拟数据，βη为极化率模型约束项的阻尼因子，wm为光滑约束矩阵，mη为极化率，为极化率的参考模型，u为极化率上限。

47、本发明提供的一种孔-隧激发极化探水结构的施工方法及反演探水方法，具有以下有益效果：

48、通过在隧道掌子面上设置多个前向钻孔并在各前向钻孔内设置探测电极，突破了传统探测手段受限于隧道有限空间的限制，将探测元件(也即探测电极)布置于隧道前向钻孔中实现了抵近探测，有效提升了激发极化场对探测目标的响应，提高了探测距离，解决了以往隧道前方小型含导水构造探不到，探不清的难题；本发明中孔-隧激发极化为四极观测方式，使用四极观测阵列，通过孔内激发，掌子面接收，可获取前方含导水构造的三维有效信息，通过将供电电极对与测量电极对分散到前向钻孔和掌子面，从避免了单一金属电极连续供电、测量的问题以及同一电缆存在多个电极同时供电测量这两个问题，从根本上自然消除了电极极化与多芯电缆耦合的系统干扰，适用于激发极化精细探测；

49、本发明建立了反演的聚类约束项，对电阻率极化率进行聚类分析并加入正则化反演过程，发挥了聚类分析对边界刻画的优势，实现隧道前方水体边界的精细刻画；建立了电阻率极化率联合反演框架，在一个反演目标函数中实现电阻率极化率同步反演，减小极化率反演对电阻率反演结果的依赖，保证反演过程的收敛；针对三维极化率模型的反演附加了边界约束条件，将边界约束融入联合反演框架，使得极化率满足其自然边界的限制，从而避免了极化率反演模型数值过小、数据偏离实际模型的缺陷。