一种用于钻爆施工隧道井地电磁地质预报方法与流程

本发明涉及隧道勘探领域，具体为一种用于钻爆施工隧道井地电磁地质预报方法。

背景技术：

1、随着国内交通干线的规划建设，隧道工程的建造越来越多，我国西部地区隧道工程多偏向于长大深埋隧道，地质条件复杂，构造发育，施工期突水、突泥等事故常有发生，给隧道工程带来安全风险的同时严重制约施工进度；对于长大深隧道工程，由于前期勘察阶段受地形限制，无法在地表布设钻孔，地勘资料仅依据航空电磁等大尺度物探勘测手段，探测深度小、精度低，局限性大，因此，地质情况只能依靠施工期掌子面的超前探测，因此，开展超前地质预报工作，尤其是对掌子面前方地下水的探测工作尤为重要。

2、电磁法勘探适用于地下水探测，主要用于隧道工程前期勘察阶段，有人工源的csamt和天然场源的mt法，电磁法勘探优势：探测深度大，对低阻体敏感，尤其是探水方面；电磁法勘探缺陷：天然场源信噪比低，低频电磁波易受外加电磁场及金属干扰。

3、隧道内电磁法勘探中应用广泛的是瞬变电磁法，依据矩形小回线框进行发射和同步接收，在国内外大量隧道进行了工程应用。瞬变电磁法地质预报技术优点：设备便携性好，现场实施方便，对施工干扰小，在干扰低时探测精度有一定保障，分辨率较高；瞬变电磁法地质预报技术缺点：低频感应类电磁场，极易受干扰，尤其是隧道环境中的金属干扰；频谱信息单一(频率段2.5-20hz)，多为固定频率发射和接收电磁波，局限性大；信噪比较低，不能完全屏蔽周围干扰；计算的电阻率并非真实电阻率，不能反应地层真实电阻率。

4、所以，为了解决克服上述问题，提出了一种新的勘探方法，该方法将人工源电磁法勘探技术、隧道地质预报技术与隧道施工环境相结合，通过地表激发、隧道接收的工作方式，对掌子面前方地电信息进行三维成像，达到对隧道掌子面前方不良地质超前探测的目的。

技术实现思路

1、为了克服现有电磁法隧道超前探测技术中的局限性，本发明提供一种设计新颖、结构简单、测试便捷的用于隧道掌子面前方不良地质探测的地质预报方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种用于钻爆施工隧道井地电磁地质预报方法，包括如下步骤：

4、(s1)发射系统基于三极矢量系统进行发射电极布设，选址需满足电磁场远区工作条件，供电电源采用电偶源，通过向地下激发高频交变电流作为一次场，可实现标量源与张量源的激发；

5、(s2)观测系统布设在掌子面，由四道电极和一道磁探头组成正交观测系统，磁探头采用单向屏蔽磁探头，可实现两道电场分量和一道磁场分量的测量；

6、(s3)数据采集选择磁探头定点转角式测量模式，沿掌子面布设网状测线，每条测线内依据不同转角角度布设若干测点，形成阵列式观测系统，实现三维空间电磁场数据采集；

7、(s4)数据处理基于井地模型建模，通过开发的井地三维电磁法反演算法实现超前探测数据处理，成果为前方地层不同剖面的电阻率断面图；

8、(s5)通过对获取的地层电阻率剖面进行分析，达到对隧道掌子面前方地下水的探测目的。

9、进一步地，所述步骤(s1)中实现三极矢量系统布设的具体步骤为：

10、(s11)发射系统设计：结合探测目标，进行电磁场的频率段、频率个数、供电电流、激发时长等参数设计；

11、频率段选择可参考电磁波趋肤深度进行计算：

12、

13、式中为δ电磁波趋肤深度，f为电磁波频率，μ为磁导率，σ为电导率。电磁波趋肤深度表征电磁波有效探测深度，依据探测深度、地层电导率、磁导率等已知参数，即可进行电磁波频率段选择。

14、(s12)发射系统选址：通过最低发射频率计算电磁波远区工作条件的最小收发距，结合工区地理位置及地形地貌，进行供电系统选址；对于长大深埋隧道，竖向满足最小收发距的，可考虑布设在线路山顶，不满足收发距的，在线路横向左侧或右侧，结合地形地貌，选择受地形影响小、便于布设的地点进行布设；

15、(s13)发射系统布设：发射系统采用铜电极，提高发射质量的两种措施：(1)减小接地电阻：加盐水、多电极并联等(2)增大激发功率：采用大功率发电机进行供电，保证激发信号的能量；

16、(s14)参数设置：结合发射系统设计参数、三电极空间坐标，进行交流电的合成计算，确定每个电极的电流大小、极性(正负)等参数。

17、进一步地，所述步骤(s2)中观测系统布设的具体步骤为：

18、(s21)观测系统设计：依据隧道断面形状、大小等参数，确定测量电极极距、电极布设位置等参数，磁探头位于电极正交点处。

19、(s22)观测系统布设：当测量电极设计点位位于隧道开挖断面内时，采用不极化电极进行布设，当测量电极设计点位位于开挖轮廓线外时，需进行钻孔作业，再依据孔内专用测量电极进行布设。

20、具体地，所述步骤(s22)中测量电极位于开挖轮廓线外时，钻孔作业需在边墙临近掌子面位置施作，钻孔孔径不低于50mm，钻孔外插角90°，钻孔深度需满足极距设计要求。

21、具体地，所述步骤(s22)中孔内专用测量电极采用套杆探头一体化电极，由若干段钢套管和铜电极机械连接，套管可分段拆卸、叠放，保证套管刚度的同时兼顾便携性，铜电极与围岩间采用铜丝球耦合，增大电极与围岩接触面积的同时减小接地电阻；

22、(s23)磁探头布设于电极正交点处，且需远离金属源，磁探头采用单向屏蔽磁探头，可有效减小已开挖段电磁干扰，提升观测数据的质量。

23、进一步地，所述步骤(s3)中阵列式观测系统实现的具体步骤为：

24、(s31)测线设计：依据掌子面断面大小布设网状测线，测线间距(角度15°～30°)，单条测线以固定旋转角度(15°)布设若干测点，形成阵列式观测系统，实现三维空间电磁场数据采集；

25、(s32)现场实施时，电极位置固定，磁探头采用定点转角测量方式，通过水平尺和罗盘进行精度控制，保障观测系统布设质量。

26、进一步地，所述步骤(s4)中井地三维电磁法反演算法实现核心内容：

27、(s41)反演数据：井地电磁法超前探测数据包含ey、ez、h三个电磁场分量，可参与反演计算的数据有场强分量(ey、ez、h)、阻抗数据(zyx和zzx)、视电阻率数据(ρyx和ρzx)，其定义如下：

28、

29、

30、

31、

32、式中ey表示y方向的电场场强、ez表示z方向的电场场强、hx表示x方向的磁场场强，zyx和zzx分别代表y方向和z方向上的电磁波阻抗，μ为磁导率，ω为电磁波角频率，(ρyx和ρzx)分别代表y方向和z方向上的视电阻率；

33、(s42)井地电磁法反演方法采用lbfgs法；

34、(s43)外边界条件：当网格足够大时，可以设边界处的电磁场值为零，即边界条件取零；内边界条件：计算过程中自动满足；

35、(s44)反演目标函数：

36、

37、式中表示反演目标函数，m表示迭代模型，m0表示初始模型，表示模型协方差矩阵，δd为观测数据与模型正演响应数据之差，wd为数据协方差矩阵。

38、依据反演目标函数，通过反演模型参数与真实地电信息的不断迭代逼近，使目标函数拟合差减小到容许的范围，以达到电磁波数据的反演计算目的，得到掌子面前方地层真实地电信息。

39、该方法与现有技术相比，具有以下技术特点：

40、(1)该方法通过地表发射隧道内接收的井地工作模式(传导类电磁法)，相对于隧道瞬变电磁法(感应类电磁法)，具有以下优势：地表人工源激发，信号能量有保障，频谱更丰富；发射和接收特定频率电磁波信号，信号信噪比高，受干扰影响小。

41、(2)该方法增加了隧道超前探测地电信息的广度和纬度，传统隧道工程电磁法探测方案只观测磁场分量，且多为二维观测系统；该方法在观测磁场分量的基础上，增加两道电场分量的观测，从数据量和数据纬度上进行创新，获得的地电信息更为丰富。

42、(3)该方法增加了电磁法测试的便捷性，通过三级矢量布极系统，减小地形地貌对发射系统布设的影响，布置快捷、简便、高效；且每个发射系统可用于一段距离的超前预报，在符合远区工作条件和信噪比要求的前提下，可共用一个发射系统，既增加了测试的便捷性，又减小了因不同源导致的干扰性和多解性。