等值反磁通瞬变电磁在隧道超前地质预报中的解释方法研究与应用.pdf
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1、第 卷第期 年月物探化探计算技术 收稿日期:基金项目:中国中铁股份有限公司 年度科研开发课题();陕西省自然科学基金();中国国家铁路集团有限公司 年度科研开发课题()第一作者:赵晓亮(),男,硕士,工程师,主要从事铁路工程物探与隧道超前探测研究工作,:。通信作者:冉军(),男,本科,工程师,主要从事工程建设管理与岩土工程勘察,:。文章编号:()等值反磁通瞬变电磁在隧道超前地质预报中的解释方法研究与应用赵晓亮,冉军,雷凯,刘黎东,裴世建,张继锋,张吉振(中铁第六勘察设计院集团有限公司,天津 ;贵阳市城市轨道交通集团有限公司,贵阳 ;长安大学地质工程与测绘学院,西安 ;中国铁路设计集团有限公司,
2、天津 )摘要:瞬变电磁法具有对低阻体反应灵敏的特点,在探测隧道掌子面前方含水或充泥断层、破碎带等低阻不良地质体上具有独特的优势。这里首先简单介绍了等值反磁通瞬变电磁法的原理及特点,然后通过对隧道全空间域高低阻模型一维正演曲线响应特征、视电阻率及视纵向电导曲线的解释特点和效果进行较为全面地分析研究,提出并分析了视电阻率等值线图与视纵向电导断面图联合解释方法。最后通过两个应用案例,总结出等值反磁通瞬变电磁在隧道超前地质预报成果解释中的一些特点和规律。结论表明,等值反磁通瞬变电磁方法适用于隧道超前质预报工作,能够有效提高预报成果的精度及准确度。关键词:等值反磁通瞬变电磁;视电阻率;视纵向电导;超前地
3、质预报中图分类号:文献标志码:犇 犗 犐:引言在隧道超前地质预报中,瞬变电磁法()因其对低阻体反应灵敏的特征,在含水或充泥断层、破碎带等探测中有着独特的优势。近年来,众多学者将瞬变电磁法引入到隧道超前地质预报工作中来,起到了对含水构造和地下水较好的预报效果。)在仪器方面,目前大部分常规仪器由于无法真正解决一次场自感和关断效应产生的影响,导致接收线圈接收到的信号在早期实际上是包含一次场和二次场的叠加,因而常规瞬变电磁法在浅部会存在浅层盲区。等值反磁通法通过线圈装置的改进,采用上下平行共轴的两个相同但电流相反的发射线圈,且在双线圈合成的一次场零磁通面上,将接收线圈置于一个零磁通面上进行数据采集,可
4、避免一次场干扰早期二次场的采集,实现基本消除瞬变电磁法的浅层盲区,提高了瞬变电磁法浅层探测的能力。)在数据处理与解释方面,目前视电阻率曲线及剖面成果是解释不良地质体的主要判别依据。由于瞬变电磁场和地质条件的复杂性,单一的视电阻率断面解译异常会出现较大难度,而视纵向电导曲线解释有很多优点,相比于视电阻率法,反演成像更直观,分层效果更好,尤其对高低阻薄层等层状介质能够有较好的成像效果。因此将视电阻率等值线图和视纵向电导断面图联合解释,有效提高了超前地质预报成果的精度和可靠性,。等值反磁通原理简述等值反磁通瞬变电磁法(),是测量等值反磁通瞬态电磁场衰减扩散的一种新的瞬变电磁法,由中南大学席振铢教授提
5、出。该方法主要以相同组线圈通以反向电流时产生等值反向磁通的电磁场时空分布规律,采用上下平行共轴的两组相同线圈为发射源,且在该双线圈源合成的一次场零磁通平面上,测量对地中心耦合的纯二次场,装置示意见图。实现了基本消除瞬变电磁法的浅层盲区、提高浅层探测能力的目的。双线圈在地面发射瞬态脉冲电磁场信号,其中一组线圈置于近地表面,在瞬态脉冲断电瞬间,近地表叠加磁场最大,因此,在相同的变化时间下,感应涡流的极大值面集中在近地表,感应涡流产生的磁场最强。随着关断间歇的延时,地表感应涡流逐渐衰减又产生新的涡流极大值面,并逐渐向远离发射线圈的深部、边部方向扩散,即为 形象描述的瞬变电磁法的“烟圈效应”。涡流极大
6、值面的扩散速度和感应涡流场值的衰减速度与大地电性参数有关,一般在非磁性大地中,主要与电导率有关:大地电导率越大,扩散速度越小,衰减得越慢。根据地表接收到的涡流场信号随时间的衰减规律,即可获得地下电导率信息。视纵向电导解释方法原理与数值模拟 等效薄板理论等效导电平面,是根据视纵向电导曲线的特征直观地划分地层的一种近似解释方法。由于该方法可以形象理解为随着时间狋的增减,假想等效导电平面以的速度上下“浮动”,因此也称为“浮动薄板理论”。对于层状介质而言,等效电导平面的浮动速度分别与各层的导电率有关,不是恒定值。因此引入效来表示等效导电平面的深度,它等于组成断面的单位薄层的平均厚度:犺效犎(狕)狕犵狕
7、犎(狕)熿燀燄燅狕犵犎(狕)狕犵狕熿燀燄燅犛犵()式中:(狕)为介质导电率;犎为研究深度,即某一时刻对异常作实质贡献的深度;犛为研究深度对应的图等值反磁通瞬变电磁装置示意图 总纵向电导;犵为确定上地层、下地层相对的权参数,犵。一般的经验值取犵;犺效等于等效导电板的中心深度,犺效犎。视纵向电导计算引入视纵向电导定义 犛犓 犉(犿)犅犣(狋)狋()其中:犓犐犪为辅助参数;犪为发射回线半径;犐为发射电流;犿是研究深度有关参数;犉(犿)为犿函数,可理解为断面函数 ;犅犣(狋)狋为实测感应电动势,在层状介质表面可近似表达为式()。犅犣(狋)狋 犐犛 犪犎犪犪 犎犐 犪犛犪 犎()式中:犎(犎犺)犺。同时
8、在犵 时,得到时间狋的表达式为式()。狋犎犺效犺效狌犛()因此由式()、式()推导可知,犅犣狋是关于犎的函数,再根据犎与狋的关系可求得犅犣狋与时间狋的关系曲线犅犣(狋)狋。物探化探计算技术 卷 解释方法为更直观地确定隧道地层电性参数,首先可确定犛(狋)犎(狋)曲线。其中犎(狋)(犿狋犛)(犿狋犛)()犎(狋)是时间狋的函数。以犛为纵坐标,犎为横坐标,即构成犛(狋)犎(狋)曲线。该曲线特征如下:)如果围岩介质均匀,则犛(犎)曲线为倾角为的直线。)层状介质中,犛(犎)曲线具有不同电阻率分界面引起的一系列折线,每一直线段的斜率即为相应地层段的电导率值。根据曲线的转折点的位置可确定地层的顶底界面、层厚
9、和视纵向电导。由于犎犛,故可以根据每一直线段的斜率求取视电阻率。)良导层的犛(犎)曲线上升较快,对应的视纵向电导曲线斜率大,高阻层的斜率比良导体(低阻层)小,各线段斜率值下相对应该层的纵向电导值相近。)对比一条测线上的曲线形态,可以连续追踪同一地层界限,形成地面断面。然而由于犛(狋)犎(狋)曲线只能大概读出曲线拐点的深度位置,要得到更具体的关于地下目标体的参数信息,可以对犛(狋)犎(狋)曲线求取二阶导数曲线。二阶导数曲线的极值点对应犛曲线斜率突变点位置,由高阻变成低阻的犛曲线突变点对应二阶导数的正极值,而由低阻过渡为高阻的犛曲图低阻模型衰减电压曲线 线突变点位置对应负极值位置,可见将视纵向电导
10、求取二阶导数后,电性界面位置在二阶导数曲线上更加明显。故笔者在视纵向电导曲线上主要应用其二阶导数进行解释。全空间时域数值模拟根据隧道内的实际情况,选择三层地电模型进行正演计算,充水断层或破碎带等低阻层的数值模拟;不含水断层或破碎带的数值模拟(高阻层)。低阻层模拟设计一个型模型,掌子面前方第一层电阻率 ,层厚犎 ;第二层电阻率为,厚度犎分别为、;第三层电阻率 ,收发装置布置于掌子面上,发射线圈等效面积为 ,接收线圈等效面积为 。图低阻模型成像结果 期赵晓亮,等:等值反磁通瞬变电磁在隧道超前地质预报中的解释方法研究与应用图高阻模型衰减电压曲线 高阻层模拟设计一个型模型,掌子面前方第一层电阻率 ,层
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