基于角度旋转控制平台的隧道瞬变电磁三维自动探测装备研发与应用.pdf

收稿日期:2022-12-06;修回日期:2023-06-01第一作者简介:陈钰(1979),男,云南昭通人,2010 毕业于西南科技大学,土木工程专业,本科,高级工程师,主要从事公路工程安全、质量管理及相关方法研究工作。E-mail:406297972 。通信作者:刘明伟,E-mail:277409748 。引用格式:陈钰,刘明伟,曾知法,等.基于角度旋转控制平台的隧道瞬变电磁三维自动探测装备研发与应用J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):289.CHEN Yu,LIU Mingwei,ZENG Zhifa,et al.Development and application of a three-dimensional automatic detection equipment for tunnel transient electromagnetic based on angle rotation control platformJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):289.基于角度旋转控制平台的隧道瞬变电磁三维自动探测装备研发与应用陈 钰1,刘明伟2,3,曾知法2,陈敦理2(1.昭通市交通建设工程质量安全监督局,云南 昭通 657000;2.招商局重庆公路工程检测中心有限公司,重庆 400067;3.重庆大学资源与安全学院,重庆 400044)摘要:为了实现隧道开挖前方及周边部位地下水情况的探测预报,提高瞬变电磁现场数据采集时角度控制精度、降低现场数据采集的安全风险,提高瞬变电磁探测结果出图的时效性,开展隧道瞬变电磁三维智能预报设备和系统的研发。该装备以瞬变电磁定点转角度三维探测技术为基础,通过无线 WIFI 或者蓝牙通讯,实现远程控制数据的自动采集、自动出图等,提高了瞬变电磁探测成果资料提交的时效性,降低了探测过程中的安全隐患。通过在渝黔某高铁隧道现场探测应用,揭露结果与实际对应较好,验证该装备具有较好的实用价值。关键词:隧道;地质预报;三维瞬变电磁;定点转角度;设备研发;自动角度控制;智能出图DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.033中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0289-09D De ev ve el lo op pm me en nt t a an nd d A Ap pp pl li ic ca at ti io on n o of f a a T Th hr re ee e-D Di im me en ns si io on na al l A Au ut to om ma at ti ic c D De et te ec ct ti io on n E Eq qu ui ip pm me en nt t f fo or r T Tu un nn ne el l T Tr ra an ns si ie en nt t E El le ec ct tr ro om ma ag gn ne et ti ic c B Ba as se ed d o on n A An ng gl le e R Ro ot ta at ti io on n C Co on nt tr ro ol l P Pl la at tf fo or rm mCHEN Yu1,LIU Mingwei2,3,*,ZENG Zhifa2,CHEN Dunli2(1.Zhaotong Traffic Construction Engineering Quality and Safety Supervision Bureau,Zhaotong 657000,Yunnan,China;2.China Merchants Chongqing Highway Engineering Testing Center Co.,Ltd.,Chongqing 400067,China;3.School of Resources and Safety Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To detect and predict the groundwater conditions in front of and surround the tunnel face,improve the angle control accuracy of transient electromagnetic field data collection,reduce the safety risks of field data collection,and improve the timeliness of transient electromagnetic detection results,the development of tunnel transient electromagnetic three-dimensional(3D)intelligent prediction equipment and system is conducted.Based on the 3D detection technology of fixpoint rotation angle in the tunnel,the equipment can realize remote control data automatic collection and automatic plotting through wireless WIFI or Bluetooth communication,improving the timeliness of submitting transient electromagnetic detection results and reducing the safety risks during detection.The application results of the equipment in a high-speed railway tunnel in Chongqing-Guizhou railway are good,validating its good practicability.K Ke ey yw wo or rd ds s:tunnel;geological prediction;three-dimensional transient electromagnetic;fixpoint rotation angle;equipment development;automatic angle control;intelligent plotting0 引言进入 21 世纪以来,随着经济的持续发展、综合国力的不断提升及高新技术的不断应用,我国隧道及地下工程得到了前所未有的迅速发展,我国已是世界上隧道建设(中英文)第 43 卷隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家1。为了确保隧道施工安全,超前地质预报工作已成为施工过程中的重要环节,目前隧道常用预报方法有地震波法、地质雷达法和瞬变电磁法2-4。瞬变电磁法是由地表瞬变电磁勘探方法演而来的一种超前地质预报方法,其对低阻体介质具有较高的敏感度,可以将其应用于对掌子面开挖前方含水不良地质体的预测预报5-6。李貅等7将瞬变电磁法应用于隧道超前地质预报。薛国强等研究了以二次电导微分参数为特征量建立瞬变电磁隧道超前预报成像系统,结果表明对隧道掌子面前方水体病害预报效果明显。苏茂鑫等研究了隧道地质预报中瞬变电磁视纵向电导解释方法和三维曲面延拓成像方法。孙怀凤等通过三维数值模拟研究了隧道含水构造三维瞬变电磁场响应特征,为三维探测提供了研究基础。刘明伟8通过在隧道超前探测中台车干扰进行研究,计算出了不同位置台车的校正剔除技术研究。范涛等9对矿井瞬变电磁多匝回线电感影响消除及曲线偏移研究,为小相框的自感、互感影响剔除了方法。孙胜利10对小线圈瞬变电磁法(TEM)探测深度正反演与应用,解决了小线框的探测深度问题。在实际应用方面,余东俊等在广陕高速公路明月峡隧道应用瞬变电磁法进行了超前地质预报。段铮等利用瞬变电磁法在垫邻高速公路铜锣山隧道开展了超前地质预报,并总结了瞬变电磁法超前地质预报的优缺点。赵文轲等11通过对三维瞬变电磁转角超前地质预报探测技术应用研究,对瞬变电磁的理论研究、三维角度控制、装备探索进行了分析,为本文的研究的自动探测,自动出图及成套装备研发提供的基础。近 10 年,瞬变电磁超前地质预报方法法已被广泛应用,截至目前,瞬变电磁超前地质预报多点阵列式探测方式在理论研究方面也取得了较大的进展,但用于实际工程的主要以单测线、单方位探测方式为主,少见多测线、多方位探测方式。随着分析三维空间下地下水的水力联系和过水通道的需要,开展三维瞬变电磁探测预报成为一项重要的工作。由传统二维测线方式发展的多测线的阵列式三维探测方式,通过在掌子面进行线框平移实现探测,再通过多测线组合获取掌子面正前方的地质信息,该种三维探测方法虽然能获取掌子面正前方的三维地下水信息,但对掌子面前方隧道开挖轮廓线周边的地质和地下水信息获取有限,且当线圈靠近隧道周边的金属的钢架时会产生较大影响,同时现场探测需要人员靠近掌子面采集,现场作业人员安全风险较高。因此研究一种更大探测范围,能对隧道前方及周边地下水信息探测的三维技术;并开发一种能实现远程控制自动采集的瞬变电磁智能预报设备和系统非常必要。本文将系统的介绍定点转角度瞬变电磁三维探测技术,以及以此技术为基础开发的隧道瞬变电磁三维智能预报设备和系统。并将该系统运用于重庆某高铁隧道的地下水探测中,通过实际的运用和现场验证,证明了该设备和系统的技术优势和实用价值。1 瞬变电磁探水基本原理瞬变电磁(简称 TEM)是一种时间域的电磁探测方法,其数学物理基础都是基于导电介质在阶跃变化的激励磁场激发下引起的涡流场的问题。假设在导电率为、导磁率为 的均匀各向同性大地表面敷设面积为 S 的矩形发射回线装置,同时在回线中供以阶跃脉冲电流。I(t)=I,t0;0,t0。(1)在脉冲电流断开前,发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的一次磁场。然后突然关闭回路电流,此时发射电流所引发的磁场立即消失,如果前方遇到地下良导体,将在良导体内部激发产生感应电流(涡流),其感应电流将随时间缓慢衰减,因此感应电流周围就会产电磁场,此即二次场。二次场的衰减特性与产生二次场的目标体的电阻率特性存在明显关系,表现为电导率越低、接收到的电磁感应强度就越小、涡流能量衰减越快、瞬变响应延迟时间就越短;电导率越高的地质体,瞬变电磁场的强度就越大、涡流衰减越慢、瞬变响应延迟时间就越长。瞬变电磁就是通过对二次场的分析处理来实现对前方富水岩溶、含水断层的低阻异常体的探测预报。2 定点转角度瞬变电磁三维探测技术传统的阵列式探测是通过在掌子面进行线框平移实现探测,获取掌子面正前方的地质信息,如图 1 所示。该种探测方式只能获取到掌子面正前方的二维信息,但是对隧道周围的探测信息获取有限。图 1 瞬变电磁二维探测测线布置示意图Fig.1 Schematic of 2D detection line layout of transient electromagnetic method实际的地质体是三维形态,在隧道水害探测及处治过程需要获取隧道前方的三维空间信息。随着隧道预报需求的不断提高和技术的持续进步,隧道瞬变电磁三维探测研究应用也逐步深入。传统三维探测技术是在探测线框中加密小线框,形成三维数据体获取掌子面正前方的三维地质信息,如图 2 所示。092增刊 1陈 钰,等:基于角度旋转控制平台的隧道瞬变电磁三维自动探测装备研发与应用图 2 传统瞬变电磁三维探测测线布置示意图Fig.2 Schematic of 3D detection line layout of transient electromagnetic method传统三维技术虽然获得了前方的三维信息,但是无法对前方隧道开挖轮廓线周边的情况进行探测分析。因此为了探测前方及其周边的地质和富水等相关信息,有学者提出了转角度方式进行三维探测2,12-14,有定点转角度、多点转角度平移混合方式。考虑现场的实际操作性和探测目的,本次隧道瞬变电磁三维智能预报系统研发采用定点转角度的方式实现三维探测。该方法以调整探测线框的水平、竖向角度为基础进行三维数据探测,其探测方式如图 3 所示,最终获得视电阻率切面和三维空间显示成果如图4 所示。(a)(b)图 3 瞬变电磁定点转角度三维探测技术示意图Fig.3Schematic of fixpoint rotation angle prospecting of 3D transient electromagnetic method(a)(b)图 4 瞬变电磁定点转角度三维探测技术成果图Fig.4 Results of fixpoint rotation angle prospecting of 3D transient electromagnetic method瞬变电磁隧道超前预报采用定点转角度三维技术能最大范围的探测隧道前方和周边的地下水情况。但是该种方法也存在一定的技术难点,比如现场采集时候的角度准确控制、三维成果快速显示等;现场探测时人员需要靠近掌子面操作设备,也存在一定的人员安全问题。因此,研制一种能自动准确控制采集角度,并能实现远程控制、快速成果输出的设备和系统具有十分重要的研究意义和使用价值。3 瞬变电磁三维智能预报系统研发3.1 角度旋转控制平台瞬变电磁定点转角度三维探测技术要实现准确的三维空间定位,就需要准确知道现场探测时每道信号探测的水平角度和竖向角度。通常的方式是通过人工手动调节,但是现场人工手动调节角度很难准确控制。探测时候需要多次调整角度采集数据,现场数据采集时间会加长,一定程度上增加了现场探测人员的掌子面作业安全风险。为了准确、快速地按照设定的角度完成现场数据采集,也为了降低现场数据采集的安全风险,自主研制了角度旋转控制平台,其能实现角度自动调整、数据自动采集,该平台通过无线信号与操控端192隧道建设(中英文)第 43 卷连接,现场操作人员可以在较远的距离进行操作,降低现场操作人员的安全风险(角度旋转控制平台的操作流程图如图 5 所示,平台的模型及实物如图 6 所示);另外,该平台采用的是碳纤维管和赛钢等较轻材质,既降低了平台重量,又保证了整个旋转机构的牢固性和稳定性,各个部件均采用卡扣链接,便于拆卸、组装和携带,提高了现场适用性。图 5 角度旋转控制平台操控流程图Fig.5 Control flowchart of angle rotation control platform(a)角度旋转控制平台模型(b)角度旋转控制平台实物图 6 角度旋转控制平台模型图及实物照片Fig.6Model diagram and photograph of angle rotation control platform3.2 集成智能主机系统为了实现了探测装备轻巧化、集中化,提高设备的适用性,研发建成了集三维数据自动采集、自动数据处理、探测成果图自动生成等功能的集成主机系统。该主体采用防爆平板电脑,通过 WIFI 或蓝牙与采集主机连接。整个系统主要部件包括:平板电脑、采集控制主机系统和角度旋转控制平台,其中采集控制主机系统又包括电机、电源管(用于内置发射电源)、发射管(内置发射电路板)、采集站(内置接收电路板)及电源等,系统的工作原理如图 7 所示。图 7 集成智能主机系统工作原理图Fig.7Working principle diagram of integrated intelligent host system在系统工作过程中,平板电脑通过 WIFI 或蓝牙控制电机、发射管、采集站及电源,天线固定在天线支架上,支架根据设置的角度自动旋转完成角度控制,电机上安装有编码器,实时测量天线当前角度。采集主机根据平板通过 WIFI 或者蓝牙发送的指令控制一体机的仰俯角、方位角的自动转换完成数据采集,再将数据回传到平板电脑,实现数据的自动采集;最后由平板电脑内安装的自动处理模块,自动实现视电阻率计算及时深反演,对感应电位衰减曲线、感应电位剖面图及视电阻率拟断面图自动绘制,通过三维数据提前,后期实现三维可视化出图。其采集显示界面如图 8 所示。图 8 集成智能系统平板控制界面Fig.8 Panel control interface of integrated intelligent system3.3 视电阻率计算瞬变电磁三维探测的一项核心工作就是三维数据处理。瞬变电磁三维视电阻率计算主要有 4 类方法:体积分方程法、有限单元法、时域有限差分法和有限体积法,不同测角的视电阻率计算公式如下:(t)=04t20M5tdB(t)dt()。(2)292增刊 1陈 钰,等:基于角度旋转控制平台的隧道瞬变电磁三维自动探测装备研发与应用dB(t)dt=VII103SNR。(3)式中:t 为传播时间;0为真空中的磁导率;dB(t)/dt为磁场变化;V/I 为归一化感应电位;I 为发射电流;SN为发射线框等效面积;R 为接收线框等效面积。3.4 三维坐标转换瞬变电磁定点转角度三维技术探测得到的各道视电阻率数据是按照球面坐标进行编排的。设 P(r,)为空间内一点,则 P 点也可用 3 个有次序的数 r,来确定。其中,r 为原点 O 与点 P 间的距离;为有向线段与 Z 轴正向间的夹角;为从 Z 轴正向看,自X 轴按逆时针方向转到有向线段的角度;这里 M 为点P 在 XOY 平面上的投影。这样的 3 个数 r、叫作点P 的球面坐标。这里 r、的变化范围各为 r0,+,0,0,r=常数,即以原点为中心的球面;=常数,即以原点为顶点,以 Z 轴为轴的圆锥面;=常数,即过 Z 轴的半平面,转换关系如图 9所示。(a)三维坐标(b)二维坐标图 9 球面坐标与直角坐标转换图Fig.9 Conversion diagram of spherical coordinates and rectangular coordinates根据以上原理和图 9(b)可知,软件生成的二维深度数据组成为 x=rsin,y=rsin(其中 r 为深度,为方位角)。定点转角度三维探测方式在二维的基础上增加了 1 个仰俯角,同样根据上述原理,可得到三维空间中的数据组成:x=rsin cos,y=rsin sin,z=rcos。运算过程中视电阻率选取(x,y,z)=P(r,),探测深度 h=r,即可实现三维数据提取,定点转角度探测测线测点分布示意如图 10 所示。(a)(b)图 10 定点转角度测线测点分布示意图Fig.10 Schematic of measuring point distribution of point to angle measuring line三维瞬变电磁的数据处理基本步骤:文件编辑数据平滑、滤波计算视电阻率时深转换计算二维视电阻率剖面数据(纵向或横向)按照空间三维坐标转换实现二维组合成三维数据得到三维数据体。三维数据体可通过图像处理技术完成三维视电阻率图形绘制和三维显示。4 工程应用4.1 工程概况为了验证该智能检测系统的稳定性、智能程度和现场适用性,也为进一步验证瞬变电磁定点转角度三维探测技术的准确性,将研发的隧道瞬变电磁三维智能预报系统在重庆至黔江铁路站前 12 标某高铁隧道进行实际运用和验证。隧址区覆盖层为第四系全新统坡洪积黏性土,残破积黏性土,下伏基岩为奥陶系中下统南津关灰岩、页岩地层,寒武系上统毛田组,耿家店组灰岩、白云岩地层,寒武系中统光竹岭组灰岩、白云岩夹页岩地层。预报时掌子面为中风化炭质白云岩、炭质页岩、泥质砂岩;围岩强度低,节理裂隙发育,薄层状,裂隙块状结构,围岩完整性较差;掌子面多处雨淋状出水,如图 11 所示。图 11 预报掌子面围岩照片Fig.11 Photograph of surrounding rock of tunnel working face4.2 现场探测及成果分析采用瞬变电磁三维智能预报系统对隧道掌子面前方富水情况进行转角度探测预报,仪器参数见表 1。现场探测设置的角度参数如下:竖向仰 40 俯 40;水平左40右40;每测线探测角度间隔20,共计采集 5 条不同仰俯角的测线。392隧道建设(中英文)第 43 卷表 1 仪器设备参数表Table 1 Parameters of equipment仪器参数设置采样方式间歇期采样发射频率/Hz5叠加次数128采样频率/MHz1.25装置参数设置发射边长/m2.0发射匝数/匝10接收边长/m2.0接收匝数/匝67利用本系统的数据处理系统,进行相应的数据提取、数据处理和视电阻率计算,二维视电阻率剖面图(5 条测线)、三维视电阻率切片和三维等值线图(取值为 25 m)生成,如图 12图 14 所示。(a)仰角 40时(b)仰角 20时(c)水平角时(d)俯角 20时(e)俯角 40时 X 表示面向掌子面左右方向;Y 表示掌子面前方深度方向;Z 表示面向掌子面上下方向。图 12 二维视电阻率剖面图Fig.12 2D apparent resistivity profile492增刊 1陈 钰,等:基于角度旋转控制平台的隧道瞬变电磁三维自动探测装备研发与应用(a)三维 X、Y、Z 方向视电阻率切片图(b)横竖向切片图(c)纵竖向切片图图 13 三维视电阻率切片图(单位:m)Fig.13 Contours of 3D slice of electrical resistivity(unit:m)图 14 三维异常体等值面显示图(单位:m)Fig.14 Contour display of 3D abnormal body(unit:m)通过各类探测成果图件和隧道目前的地质、水文情况综合分析,本次探测主要存在 2 个低阻异常区。1)低阻异常区 1。掌子面前方约 15 m 附近,主要分布在掌子面上部,电阻率低,且分布不规律,有管道水特点。推测该段为地下水通道或者局部破碎带岩体富水。该低阻区地下水连通性较好,开挖可能出现明显的管道出水,且水量大。2)低阻异常区 2。距离掌子面前方 3065 m 段,位于掌子面前方中部略偏右侧,该区域视电阻率低阻异常明显且范围较大,推断为明显水害富集区,可能为岩溶构造、断层破碎带等富水区域,该含水区域范围较大,延伸至探测边界外,开挖可能出现明显涌突水,且水量大。4.3 成果验证为了验证预报的准确性,对预报异常区进行持续跟踪和钻孔验证,验证结果如下:1)掌子面向前掘进 13 m 时,在掌子面拱顶部位出现明显地下水,水头压力较大,出水量大约 27 500 m3/d,水质清澈,如图 15 所示。隧道开挖过该出水点后,仍然保持在拱顶出水,且涌水量未明显降低,与低阻异常区 1 的位置和地质解释结果一致。图 15 掌子面前方 13 m 附近拱顶出水照片Fig.15 Photograph of arch crown water coming out near 13 m in front of tunnel working face592隧道建设(中英文)第 43 卷2)开挖至掌子面前方 18 m 后,为验证前方地下水情况,在掌子面靠近拱顶部位的中线附近以向右上侧 15的角度实施超前水平钻,钻进 2040 m(即预报掌子面前方 3858 m)范围出现明显涌水,满孔带压出水,水压较大,如图 16 所示。钻孔验证结果与预报异常区 2 的位置和地质解释结果基本一致。图 16 隧道掌子面前方 18 m 处超前钻孔涌突水照片Fig.16 Photograph of water inrush from advance borehole 18 m in front of working face5 结论与体会本文系统介绍了基于角度选择平台的隧道瞬变电磁三维智能预报设备和系统,并在实际隧道进行工程应用。获得了以下结论和认识。1)瞬变电磁的三维自动化数据采集,通过人工远程操作,实现了数据的自动采集、角度的自动调整、现场自动出图,提高了探测成果指导的时效性,同时也避免了采集过程中的掉块伤人等安全隐患。2)通过案例验证了隧道瞬变电磁智能预报系统对隧道施工前方三维锥体范围低阻含水体有较好的预报效果,图件直观、定位准确,对隧道安全生产有较好的指导作用。3)国内瞬变电磁三维探测已逐渐推广,在智慧交通、智慧建造的大背景下,瞬变电磁的智能化、智慧化探测势必成为行业发展的趋势。4)瞬变电磁在隧道地下水探测方面还存在进一步研究的地方:采用转角度方法的瞬变电磁三维探测技术随着探测距离增大其空间横向分辨率降低;隧道内部各种干扰物质(大型金属体、洞内积水等)对探测数据的影响。参考文献(R Re ef fe er re en nc ce es s):1 洪开荣.我国隧道及地下工程近两年的发展与展望J.隧道建设(中英文),2017,37(2):123.HONG Kairong.Development and prospects of tunnels and underground works in China in recent two yearsJ.Tunnel Construction,2017,37(2):123.2 赵文轲,刘明伟.三维转角瞬变电磁超前地质预报探测技术在隧道中的应用J.公路交通技术,2022,38(3):118.ZHAO Wenke,LIU Mingwei.Application of 3D corner transient electromagnetic advanced geological prediction and detection technology in tunnelsJ.Technology of Highway and Transport,2022,38(3):118.3 李辉,韩自强,陈棚.瞬变电磁法在公路隧道地下水预报中的应用J.隧道建设(中英文),2019,39(增刊1):355.LI Hui,HAN Ziqiang,CHEN Peng.Application of transient electromagnetic method in 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