隧道地質預報全空間瞬變電磁反演方法及評價體系研究

隨著大量隧道工程的修建，能否準確的探測及辨別開挖前方的不良富水地質體將極大的影響隧道工程的施工安全及施工速度。瞬變電磁法從原理上對地下水敏感，但已有的瞬變電磁法探水技術及設備對隧道工程的適用性仍然有待提高。本研究通過數(shù)值模擬計算及物理相似模型試驗確定了隧道開挖過程中各影響因素對瞬變電磁法探測技術的影響。通過大量的理論分析及模擬計算確定了在三維全空間場中瞬變電磁效應與半空間中瞬變電磁效應的聯(lián)系與區(qū)別，并根據(jù)這種聯(lián)系與區(qū)別進一步展開隧道三維全空間瞬變電磁探水反演的研究，找出了全空間三維瞬變電磁反演與半空間瞬變電磁反演的聯(lián)系與區(qū)別。根據(jù)大量的模擬計算結果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)建立了隧道瞬變電磁探水的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并根據(jù)此數(shù)據(jù)庫建立了數(shù)據(jù)庫專家反演系統(tǒng)；同時研發(fā)了瞬變電磁法神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)及瞬變電磁法LSSVM專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過自主學習隨著使用不斷的提高其反演計算的精確度。 2100433B

當前，隧道地質預報的主要難點之一是隧道前方地下水的探測問題，斷層、巖性變化等問題在隧道地質預報中已經(jīng)得到較好地解決。為此，本研究針對隧道超前探水問題，考慮隧道全空間瞬變電磁效應的影響，對其反演方法及評價體系開展研究，主要解決以下關鍵問題：.(1) 確定影響隧道全空間瞬變電磁效應的主要因素和權重排序，找出全空間與半空間瞬變電磁效應間的關系及其規(guī)律。.(2) 引入全空間瞬變電磁效應關系式，對一維半空間瞬變電磁反演式進行修改，建立三維全空間瞬變電磁反演數(shù)值模型，編程求解隧道超前地質體的多解不確定問題。.(3) 應用多種數(shù)學分析方法，以原始和結果數(shù)據(jù)為樣本，建立具有學習和推測功能的智能數(shù)據(jù)庫，形成多手段智能反演及其評價體系。.本研究提高了隧道超前探水的準確率，為隧道施工安全提供了技術保障。

我國有大量隧道工程，隧道在施工過程中往往會遇到各種水體病害，這些水體病害會給施工安全和進度造成很大的影響。瞬變電磁是一種重要的電磁勘探方法，它對含水等低阻體反應靈敏，預報距離遠，是目前隧道地質超前預報最有發(fā)展前景的一種方法。在目前全空間瞬變電磁反演解釋水平還不是很高的前提下，對隧道下全空間瞬變電磁法的正演研究有利于提高瞬變電磁解釋的精度和準確度。針對隧道超前預報中的全空間瞬變電磁正演研究，本項目通過對基于等效導電平法的正演理論進行改進和創(chuàng)新，從麥克斯韋方程出發(fā)，由二維到三維遞進研究全空間瞬變電磁正演的方法。借鑒du Fort-Frankel有限差分離散方法引入虛擬位移電流項構建顯示時域有限差分方程，通過對經(jīng)典時域算法進行了兩點改進——矩形回線源電流密度加入麥克斯韋方程組的安培環(huán)路定理方程以及在計算中考慮關斷時間，使得正演算法能夠適應表層電阻率不均勻時的三維復雜模型，實現(xiàn)隧道全空間瞬變電磁三維正演。開展典型地電模型的數(shù)值模擬和物理模擬分析和驗證，系統(tǒng)分析這些地電結構的瞬變電磁響應特征，總結出不同水體病害的探測方法和規(guī)律，進一步地提高瞬變電磁在隧道中的地質超前預報水平。 2100433B

我國有大量隧道工程，隧道在施工過程中往往會遇到各種水體病害，這些水體病害會給施工安全和進度造成很大的影響。瞬變電磁是一種重要的電磁勘探方法，它對含水等低阻體反應靈敏，預報距離遠，是目前隧道地質超前預報最有發(fā)展前景的一種方法。在目前全空間瞬變電磁反演解釋水平還不是很高的前提下，對隧道下全空間瞬變電磁法的正演研究有利于提高瞬變電磁解釋的精度和準確度。本文擬通過對基于等效導電平法的正演理論進行改進和創(chuàng)新，建立數(shù)種典型的隧道地電結構模型及物理模型并開展相應的數(shù)值模擬和物理模型實驗研究，系統(tǒng)分析這些地電結構的瞬變電磁響應特征，總結出不同水體病害的探測方法和規(guī)律，最后提出一種適合于隧道下應用的瞬變電磁正演理論和方法體系，有效地提高瞬變電磁在隧道中的地質超前預報水平。

盡管隧道結構表面病害的快速探測方法已經(jīng)趨于成熟，但是隧道結構內部病害的快速探測方法還是一個尚未得到很好解決的難題。為此，本研究提出應用列車瞬變電磁法，考慮隧道全空間瞬變電磁近場效應特征，對隧道結構內部病害快速探測方法開展研究，主要對以下問題開展研究： (1) 天線形式、布置及最佳參數(shù)； (2) 列車探測速度、天線發(fā)接頻率和近場盲區(qū)干擾源影響探測精度的規(guī)律； (3) 快速分塊采集、定位和合并方法； (4) 數(shù)學濾波和快速反演方法； (5) 建立智能數(shù)據(jù)庫，形成反演結果的智能評價體系。 本研究首次提出了一種新型的隧道結構內部病害快速探測方法，為隧道結構維護提供了新的技術手段和保障。