本發(fā)明涉及隧道空間瞬變電磁法探測領(lǐng)域，尤其涉及一種隧道超前地質(zhì)預(yù)報瞬變電磁響應(yīng)的金屬干擾消除方法。

背景技術(shù)：

隧道開挖時掌子面前方經(jīng)常會遇見富水?dāng)鄬?、充水溶洞等低阻不良地質(zhì)體，它們是隧道施工過程中重要安全隱患。成功預(yù)測掌子面前方低阻不良地質(zhì)體成為保障隧道安全施工的重要措施，為此人們將瞬變電磁法引入到隧道超前地質(zhì)預(yù)報中。然而隧道空間探測環(huán)境復(fù)雜，往往存在大量金屬干擾體，已有研究表明這些金屬體對探測數(shù)據(jù)及解譯結(jié)果有較大的影響，有時甚至?xí)?dǎo)致誤判。

目前，已有部分學(xué)者針對礦井瞬變電磁法金屬干擾體進行了研究，但已有方法現(xiàn)場應(yīng)用時仍存在局限性，如：對于給定的金屬體和探測裝置，金屬體的瞬變電磁響應(yīng)時間譜還取決于其與線圈的耦合情況；當(dāng)有多個低阻體時，各個低阻體之間存在互感作用，瞬變電磁響應(yīng)值并非單個低阻體的簡單加減；屏蔽探頭只適合中心回線，對地質(zhì)異常響應(yīng)較強的重疊回線不適合，且由于磁場線為閉合曲線，接收磁探頭對后方信號的屏蔽效果還有待進一步驗證。故需要一套有效的金屬干擾消除方法，分離出低阻異常體的響應(yīng)信號，準(zhǔn)確反演低阻地質(zhì)異常體位置及大小，對提高瞬變電磁法隧道超前地質(zhì)預(yù)報精度具有十分重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，利用不同導(dǎo)體電阻極限值可簡單加減的特點，提供了一種隧道超前地質(zhì)預(yù)報瞬變電磁響應(yīng)的金屬干擾消除方法，從而有效剔除金屬體對瞬變電磁法探測結(jié)果的干擾，減少誤判、提高隧道地質(zhì)預(yù)報精度。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種隧道超前地質(zhì)預(yù)報瞬變電磁響應(yīng)的金屬干擾消除方法，包括以下步驟：

(1)通過現(xiàn)場試驗獲取隧道背景場以及金屬體與探測線圈不同耦合情況下的瞬變電磁響應(yīng)值；

(2)分別計算步驟(1)中兩種瞬變電磁響應(yīng)的電阻極限值，并進一步求取金屬體與探測線圈不同耦合情況下的電阻極限函數(shù)；

瞬變電磁響應(yīng)的電阻極限值計算方法，包括：

首先按式(1)對瞬變電磁響應(yīng)值進行擬合，計算各展開指數(shù)項的振幅系數(shù)aj與時間常數(shù)τj，然后按式(2)計算各測點電阻極限值。

式中ti為不同采樣時刻，vi為不同時刻所采集的感應(yīng)電壓值；

式中，rl表示電阻極限值，j為所展開的項數(shù)；

所述展開指數(shù)項項數(shù)取10項，即可滿足擬合精度要求；

所述電阻極限函數(shù)采用指數(shù)函數(shù)形式擬合求取；

(3)求取各測點低阻地質(zhì)異常體瞬變電磁響應(yīng)的電阻極限值；

(4)以低阻地質(zhì)異常體電阻極限值為特征值建立反演目標(biāo)函數(shù)，求解計算低阻地質(zhì)異常體的埋深及大小，

所述反演目標(biāo)函數(shù)是根據(jù)低阻地質(zhì)異常體瞬變電磁響應(yīng)的電阻極限解析式建立，其形式如下：

式中fk(r)為實際各測點低阻地質(zhì)異常體的電阻極限值，mk(r,qi)為根據(jù)電阻極限解析式計算所得的電阻極限值，r為測點編號，n為測點數(shù)；qi為反演參數(shù)，包括低阻地質(zhì)異常體埋深、大小，

所述的反演目標(biāo)函數(shù)求解采用通用全局優(yōu)化算法ugo求解。

所述步驟(3)中各測點低阻地質(zhì)異常體瞬變電磁響應(yīng)的電阻極限值是通過將各測點總電阻極限值減去金屬干擾體及隧道地質(zhì)背景場電阻極限值獲得。

本發(fā)明的突出優(yōu)點在于：

利用電阻極限的以下特點：①是在頻率趨于零時定義；②導(dǎo)體之間不存在互感；③不同導(dǎo)體的電阻極限值可簡單加減，實現(xiàn)金屬體干擾信號分離。并將電阻極限值作為特征值進一步實現(xiàn)了低阻地質(zhì)異常體埋深及大小的快速反演計算。對提高瞬變電磁法隧道超前地質(zhì)預(yù)報精度具有十分重要的意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的隧道超前地質(zhì)預(yù)報瞬變電磁響應(yīng)的金屬干擾消除方法的總流程圖。

圖2為本發(fā)明所述的應(yīng)用實施例中感應(yīng)電動勢多測道剖面圖。

圖3為本發(fā)明所述的應(yīng)用實施例中低阻地質(zhì)異常體電阻極限值曲線。

圖4為本發(fā)明所述的應(yīng)用實施例中低阻地質(zhì)異常體埋深及大小的反演結(jié)果。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和應(yīng)用實施例對本發(fā)明做進一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明所述的隧道超前地質(zhì)預(yù)報瞬變電磁響應(yīng)的金屬干擾消除方法，具體操作步驟如下：

(1)通過現(xiàn)場試驗獲取隧道背景場以及金屬體與探測線圈不同耦合情況下的瞬變電磁響應(yīng)值；其中隧道背景場是指無金屬體及低阻地質(zhì)異常體時的瞬變電磁響應(yīng)值，不同耦合情況具體指金屬體與探測線圈平面不同距離、不同角度。

(2)分別計算步驟(1)中兩種瞬變電磁響應(yīng)的電阻極限值，并進一步求取金屬體與探測線圈不同耦合情況下的電阻極限函數(shù)；

瞬變電磁響應(yīng)的電阻極限值計算方法，包括：

首先按式(1)對瞬變電磁響應(yīng)值進行擬合，計算各展開指數(shù)項的振幅系數(shù)aj與時間常數(shù)τj，然后按式(2)計算各測點電阻極限值。

式中ti為不同采樣時刻，vi為不同時刻所采集的感應(yīng)電壓值；

式中，rl表示電阻極限值，j為所展開的項數(shù)；

所述展開指數(shù)項項數(shù)取10項，即可滿足擬合精度要求；

所述電阻極限函數(shù)采用指數(shù)函數(shù)形式擬合求?。?/p>

(3)求取各測點低阻地質(zhì)異常體瞬變電磁響應(yīng)的電阻極限值；

(4)以低阻地質(zhì)異常體電阻極限值為特征值建立反演目標(biāo)函數(shù)，求解計算低阻地質(zhì)異常體的埋深及大小，

所述反演目標(biāo)函數(shù)是根據(jù)低阻地質(zhì)異常體瞬變電磁響應(yīng)的電阻極限解析式建立，其形式如下：

式中fk(r)為實際各測點低阻地質(zhì)異常體的電阻極限值，mk(r,qi)為根據(jù)電阻極限解析式計算所得的電阻極限值，r為測點編號，n為測點數(shù)；qi為反演參數(shù)，包括低阻地質(zhì)異常體埋深、大小，

所述的反演目標(biāo)函數(shù)求解采用通用全局優(yōu)化算法ugo求解。

所述的電阻極限定義為：

在瞬變電磁響應(yīng)晚期階段，二次感應(yīng)電流完全擴散到了導(dǎo)體內(nèi)部，渦流分布趨于穩(wěn)定，磁場按指數(shù)規(guī)律衰減。此時，任意局部導(dǎo)體的瞬變電磁響應(yīng)可展開為多個按指數(shù)規(guī)律衰減的響應(yīng)項總和，其頻率域表達式分別為：

式中，j為所展開的項數(shù)；τj為時間常數(shù)，取決于導(dǎo)體自身的形狀、大小與電導(dǎo)率；aj為振幅系數(shù)，與導(dǎo)體的埋深、傾角、觀測點位置有關(guān)。

從而引入?yún)?shù)電阻極限概念，在頻率域，電阻極限定義為頻率趨于零時瞬變電磁響應(yīng)對頻率的導(dǎo)數(shù)。其表達式為：

所述的實測數(shù)據(jù)電阻極限值計算過程為：

瞬變電磁儀測量數(shù)據(jù)，即瞬變電磁響應(yīng)，常為感應(yīng)電動勢與時間的關(guān)系曲線，根據(jù)已知的一系列v和t值，按(6)式對瞬變電磁數(shù)據(jù)進行擬合，以計算各展開指數(shù)項的振幅系數(shù)aj與時間常數(shù)τj，從而進一步按(5)計算各測點瞬變電磁響應(yīng)的電阻極限值。

式中ti為不同采樣時刻，vi為不同時刻所采集的感應(yīng)電壓值。顯然，展開項數(shù)越多，擬合精度就越高，實際擬合時一般展開10項，即可滿足精度要求。為減少一次場及晚期電磁場波動對擬合結(jié)果的影響，擬合計算前，需根據(jù)曲線衰減特征選擇合適的時間段。

所述的各測點低阻地質(zhì)異常體瞬變電磁響應(yīng)的電阻極限值是通過將各測點總電阻極限值減去金屬干擾體及隧道地質(zhì)背景場電阻極限值獲得。

圖2為本發(fā)明所述的應(yīng)用實施例中感應(yīng)電動勢多測道剖面圖，數(shù)據(jù)來源于廣西岑溪市嶺腳隧道左洞掌子面fk18+218處。測點間距為0.5m，線圈距隧道邊墻大于1m，金屬臺車距掌子面20m。

在本實例中采用高阻圍巖中非磁性導(dǎo)電球體模型建立反演目標(biāo)函數(shù)，其電阻極限解析表達式為：

其中a(l)為無量綱的振幅，表達式為：

f(x0,l)為幾何坐標(biāo)函數(shù)，表達式為：

其中：

式中，x0為球心在線圈平面投影到回線中心的距離，x0＝x0/h；l＝l/h；r＝r/h；l為回線半邊長，r為球體半徑，h為球體埋深。

圖3為采用本發(fā)明所述的方法，剔除金屬干擾與背景場后，計算所得各測點低阻地質(zhì)異常體電阻極限值。

圖4為低阻地質(zhì)異常體埋深及大小的反演結(jié)果，反演計算所得低阻異常體半徑為5.7米、埋深11.7米，低阻體中心靠近隧道右邊墻。實際開挖至掌子面fk18+212.5處時遭遇泥漿充填型空腔，空腔為橢圓狀，長半徑約6.1米，采用管棚支護得以順利通過，反演結(jié)果與實際開挖情況較為吻合。