本发明涉及一种基于多同性源电极阵列电阻率的地下工程超前探测方法,适用于隧道或坑道等地下工程钻爆法或TBM施工过程中的不良地质探测:(1)在工作面上构建阵列式测量电极系;(2)在边墙上组成供电电极系;同时,将另一个供电电极B与测量电极N都置于工作面后远方;(3)利用位于工作面的供电电极A以及远方的供电电极B提供正负电流,利用阵列式测量电极系中的每个测量电极M分别测量电势,并获取工作面及各断面中各测量电极M与测量电极N间的电势差;不断重复本步骤,直至供电电极系移动到预定位置,探测结束;(4)采用基于光滑约束的最小二乘线性反演迭代处理,将测得的电势差数据进行反演,得到工作面前方地质体的三维电阻率图像。
1.一种多同性源电极阵列电阻率的地下工程超前探测方法,其特征是,它包括以下步骤:(1)在地下工程工作面上布置多条平行的测线,在各测线上设置数量相同、间距为d的测量电极M,构成阵列式测量电极系;(2)沿地下工程工作面轮廓线、在阵列式测量电极系的外围均匀布多个供电电极A,然后以这些供电电极A为出发点在边墙上布置供电测线,并在每条供电测线上再布置若干间隔相同的位于同一工作断面上的供电电极A,从而组成供电电极系;同时,将另一个供电电极B与测量电极N都置于工作面后方,距离工作面100-150米处;(3)利用位于工作面的供电电极A以及远方的供电电极B提供正负电流,利用阵列式测量电极系中的每个测量电极M分别测量电势,并获取各测量电极M与测量电极N间的电势差;然后依次选择工作面后方下一工作断面上的供电电极A提供相同大小的正电流,并继续测量阵列式测量电极系的电势,上位机计算相应电势差;不断重复本步骤,直至供电电极系移动到预定位置,探测结束;(4)上位机采用基于光滑约束的最小二乘线性反演迭代处理,将步骤(3)中测得的阵列式测量电极系的电势差数据进行反演,得到工作面前方地质体的三维电阻率图像。
2.一种多同性源电极阵列电阻率的地下工程超前探测系统,其特征是,它包括布置在地下工程工作面上的多条平行测线,在各测线上设置数量相同、间距为d的测量电极M,构成阵列式测量电极系;在地下工程工作面轮廓线以及阵列式测量电极系的外围均匀布多个供电电极A,以这些供电电极A为出发点在边墙上布置供电测线,并在每条供电测线上再布置若干间隔相同的位于同一工作断面上的供电电极A,从而组成供电电极系;同时,将另一个供电电极B与测量电极N都置于工作面后方,距离工作面100-150米处;所述供电电极A和供电电极B均与电源连接,所述测量电极M和测量电极N则与上位机连接。
3.如权利要求2所述的基于多同性源电极阵列电阻率的地下工程超前探测系统,其特征是,所述平行测线有3条,分别为L₁、L₂和L₃,它们布置在距离底部ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="163"/>和ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="57"/>的高度上,其中H为拱顶距离底部的高度。技术领域
本发明涉及隧道或者坑道等地下工程钻爆法或TBM施工过程中不良地质的探测方法,尤其涉及一种基于多同性源电极阵列电阻率的地下工程超前探测方法及系统。
背景技术
随着水利水电工程和交通工程的建设重点逐步向地形地质条件极端复杂的西部山区和岩溶地区转移,所遇到的工程地质条件异常复杂,施工中面临着突水、突泥等诸多高风险地质灾害。突涌水灾害给施工安全带来了重大灾难和生命财产损失,而预先探明隧道掌子面前方的地质灾害赋存源是规避和防治重大灾害事故的有效途径,因此开展隧道超前预报工作研究显得尤为迫切和重要。作为一种重要的工程地球物理探测技术,直流电阻率法以其适应性强、方便快捷、成本低等诸多优点被广泛应用于岩土工程勘察、滑坡地质灾害监测、环境岩土工程评价等领域中。与地面直流电阻率法相比,由于隧道掌子面空间狭小,导致地面的很多探测方法无法应用于隧道突涌水灾害源超前预报。目前直流电阻率法在隧道(巷道)超前预报中大都采用三极法的探测模式,即将供电点A置于掌子面,供电点B置于隧道后方“无穷远”处,测量电极M、N沿着隧道轴向移动测量。这一方法主要面临以下问题:1由于测量电极MN在掌子面后方移动测量,易受到掌子面后方异常体的干扰;2由于隧道的特殊环境,隧道三极法的探测模式测线垂直于异常体,导致对掌子面近处的异常体响应敏感,对远处的异常体响应相对不敏感,且供电与接收属于一维的探测模式,分辨率不高。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足,提出了一种动电源点供电、阵列电极接收的基于多同性源电极阵列电阻率的地下工程超前探测方法,适用于隧道或坑道等地下工程钻爆法或TBM施工过程中的不良地质探测。利用多同性源供电的方式来有效压制地下工程工作面后方异常体的干扰,并抑制工作面近处异常体的敏感性,从而相对提高了工作面远处异常体的敏感性,阵列式测量电极的接收模式提高了对异常体的空间分辨率。本发明采用的技术方案为:一种多同性源电极阵列电阻率的地下工程超前探测方法,它包括以下步骤:(1)在地下工程工作面上布置多条平行的测线,在各测线上设置数量相同、间距为d的测量电极M,构成阵列式测量电极系;(2)沿地下工程工作面轮廓线、在阵列式测量电极系的外围均匀布多个供电电极A,然后以这些供电电极A为出发点在边墙上布置供电测线,并在每条供电测线上再布置若干间隔相同的位于同一工作断面上的供电电极A,从而组成供电电极系;同时,将另一个供电电极B与测量电极N都置于工作面后远方;(3)利用位于工作面的供电电极A以及远方的供电电极B提供正负电流,利用阵列式测量电极系中的每个测量电极M分别测量电势,并获取各测量电极M与测量电极N间的电势差;然后依次选择工作面后方下一工作断面上的供电电极A提供相同大小的正电流,并继续测量阵列式测量电极系的电势,上位机计算相应电势差;不断重复本步骤,直至供电电极系移动到预定位置,探测结束;(4)上位机采用基于光滑约束的最小二乘线性反演迭代处理,将步骤(3)中测得的阵列式测量电极系的电势差数据进行反演,得到工作面前方地质体的三维电阻率图像。所述步骤(4)中,反演目标函数如下:Φ=(Δd-AΔm)^T(Δd-AΔm)+λ(CΔm)^T(CΔm)xa0xa0xa0xa0(1)式中,Φ为反演目标函数,Δd为观测数据的差值,A为偏导数矩阵,Δm为模型参数修正量,C为光滑度矩阵,λ为拉格朗日常数,决定了光滑约束的权重;对公式(1)进行变分之后得到具有光滑约束的三维电阻率反演方程:(A^TA+λC^TC)Δm=A^TΔdxa0xa0xa0xa0(2)m^(k+1)=m^(k)+Δmxa0xa0xa0xa0(3)式中,m^(k)为第k次迭代中的模型参数向量,m^(k+1)为下一次反演迭代中的模型参数向量。进行反演成像时,首先给模型参数赋初值并进行正演计算,将正演得到的理论观测数据与实际测量数据进行比较,如果方差小于用户的设定值,则输出模型参数;否则,计算偏导数矩阵A、光滑度矩阵C、以及理论观测数据与实际测量数据的差值Δd,代入方程(2)求得每次反演迭代中的模型参数修正量Δm,再代入方程(3)得到下一次迭代中的模型参数m^(k+1),直至正演的理论观测数据与测量数据的方差小于设定值,则输出模型参数,从而通过反演得到工作面前方地质体的三维电阻率图像。一种多同性源电极阵列电阻率的地下工程超前探测系统,它包括布置在地下工程工作面上的多条平行测线,在各测线上设置数量相同、间距为d的测量电极M,构成阵列式测量电极系;在地下工程工作面轮廓线以及阵列式测量电极系的外围均匀布多个供电电极A,以这些供电电极A为出发点在边墙上布置供电测线,并在每条供电测线上再布置若干间隔相同的位于同一工作断面上的供电电极A,从而组成供电电极系;同时,将另一个供电电极B与测量电极N都置于工作面后远方;所述各供电电极均与电源连接,所述各测量电极则与上位机连接。所述平行测线有3条,分别为L₁、L₂和L₃,它们布置在距离底部ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="249"/>和ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="98"/>的高度上,其中H为拱顶距离底部的高度。所述供电电极B与测量电极N置于工作面后方距离工作面无穷远处,例如100-150m处,此处的100-150m,是无穷远位置,大于5倍的AM即可,100m和150m都是大于的,一般认为结果是没有差异的。本发明具有以下有益效果:(1)利用多同性源供电可以有效地压制地下工程工作面后方异常体的干扰,并能够降低掌子面近处异常体的敏感性,从而使得工作面远处异常体的敏感性相对提高;(2)采用阵列式测量电极的接收模式,有效地提高了对异常体的空间分辨率,增大了探测距离。(3)采用多个同性源供电电极,与传统三极法相比,降低了掌子面近处异常比,提高了掌子面原处的异常,如表1所示。对于掌子面近处的异常体(4m),同性源异常比13.1%小于传统定点源异常比16.1%,降低了掌子面近处异常体的敏感性;对于掌子面远处的异常体同性源异常比均大于传统定点源异常,从而提高了对远处异常体的探测能力。表1不同探测距离异常对比ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>
附图说明
图1是本发明的探测方法流程图。图2是本发明的探测示意图。图3是本发明的三维电阻率反演流程。图4是本发明的三维电阻率反演成像图。图5是本发明实施例3的三维成像结果图。图中,1是地下工程工作面,2是阵列式测量电极系,3是供电电极系。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。本发明探测方法如图1中,流程包括阵列式测量电极系和供电电极系的布设、数据采集、三维电阻率反演等流程,可以通过反演得到工作面前方地质体的三维电阻率图像。实施例1:以某隧道为例,隧道断面为拱形,跨度12m高8m,里程ZK97+853附近出现涌水,前方可能存在含水构造,为探明前方不良地质情况,为施工的顺利进行提供保障,采用基于多同性源电极阵列的电阻率方法进行超前探测。具体工作方式如图2所示:(1)在隧道掌子面上布置3条平行测线L₁、L₂和L₃,分别布置在距离底板3m、6m和9m的高度上,每条测线上的测量电极M的数目为13个,组成阵列式测量电极系;(2)沿掌子面轮廓线、在阵列式测量电极系的外围均匀布置4个供电电极A,然后从这4个供电电极A出发在边墙上分别布置4条测线,每条测线上的供电电极A的数目为5个,距离工作面的距离依次为0m、2m、6m、14m和30m,,组成供电电极系;(3)另一个供电电极B置于掌子面后方150m的底板上,另一个测量电极N置于掌子面后方120m的底板上;(4)探测时,首先掌子面上的4个供电电极A供入相同大小的正电流0.1A,供电电极B为负极,阵列式测量电极系中的每个测量电极M分别测量电势,并记录下来每个测量电极M与测量电极N间的电势差U_MN,然后依次选择工作面后方下一断面上的4个供电电极A供入相同大小的正电流0.1A,并继续测量阵列式测量电极系的电势,不断重复该步骤,直至供电电极系移动到预定位置,探测结束;(5)采用常规的基于光滑约束的最小二乘线性方法对采集到的电势差数据U_MN进行反演,基本流程如图3所示,首先设定模型参数初值,本次初始电阻率值设为1000Ω·m,进行正演计算,将正演得到的理论观测数据与实际测量数据进行比较,如果方差小于用户的设定值(本实例相对值为3%),则输出模型参数。否则,计算偏导数矩阵A、光滑度矩阵C、以及理论观测数据与实际测量数据的差值Δd,代入方程(2)求得每次反演迭代中的模型参数修正量Δm,再代入方程(3)得到下一次迭代中的模型参数m^(k+1),直至正演的理论观测数据与测量数据的方差小于设定值3%,则输出模型参数,从而通过反演得到掌子面前方地质体的三维电阻率图像。本次探测的三维成像结果如图3所示,在ZK97+879~ZK97+883段落处围岩富水性较强。实施例2:以某隧道为例,隧道断面为拱形,跨度12m高8m,里程ZK97+853附近出现涌水,重复试例步骤(1)~(5),本次探测三维成像结果如图4所示,在ZK97+871~ZK97+875段落处围岩富水性较强。实施例3:以某隧道为例,隧道断面为拱形,跨度12m高8m,里程ZK97+853附近出现涌水,重复试例步骤(1)~(5),本次探测三维成像结果如图5所示,在ZK97+874~ZK97+875段落处围岩富水性较强。