隧道超前探水全空間瞬變電磁理論及其應用研究.pdf

1、隨著我國高速鐵路、高速公路、海底隧道工程的建設，地質(zhì)災害一直都是威脅隧道與地下工程施工安全的主要災害。在這些地質(zhì)災害中，地下水是影響隧道修建速度和威脅工程施工安全最主要因素之一，如：巖溶溶洞、暗河、巖溶陷落柱、巖溶淤泥帶和富水斷層破碎帶等不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)體，都會給隧道與地下工程的修建和運營帶來困難和危害。顯然，要避免這些地質(zhì)災害的發(fā)生，隧道地質(zhì)災害超前預報就顯得尤為重要。目前，超前地質(zhì)預報的方法不少，這些方法在應用中各有所長。但是在施工中，

2、探測掌子面前方的水體病害方面，尚是一個待攻克的難題。 瞬變電磁法是對充水充泥的不良地質(zhì)體進行超前地質(zhì)預報的新方法。瞬變電磁法對低阻充水斷層、充泥充水溶洞、充水充泥破碎帶等不良地質(zhì)體反應靈敏。但是瞬變電磁解釋技術(shù)的相對滯后，復雜的數(shù)值算法，正、反演計算需要大量的機時和內(nèi)存等因素，嚴重制約著瞬變電磁法的發(fā)展。因此，研究二、三維模型的瞬變電磁響應具有重要的理論和現(xiàn)實意義。目前電磁法勘探中常用的數(shù)值模擬方法主要有：有限差分法、有限單元法

3、、邊界單元法和積分方程法等。有限差分法和有限單元法在時間域里更為方便。本文應用有限元軟件ANSYS和時域有限差分編程方法對瞬變電磁場進行數(shù)值模擬，比較了兩種計算方法的優(yōu)劣。采用數(shù)值模擬的方法對瞬變電磁法超前地質(zhì)預報進行了數(shù)值模擬分析，比較了地面半空間和地下全空間瞬變電磁傳播特性。通過改變低阻異常體埋深、半徑和電阻率及高阻圍巖的電阻率，得到了各參數(shù)的變化對結(jié)果的敏感程度。分析研究了影響地質(zhì)體響應異常的影響因素及響應異常隨影響因素的變化規(guī)律

4、。 通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)，將數(shù)值模擬結(jié)果作為樣本集存儲到數(shù)據(jù)庫中。利用開發(fā)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理平臺將數(shù)值模擬計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為隧道瞬變電磁法標準樣本庫。通過管理系統(tǒng)實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)庫的管理和維護，同時可將實際工程應用結(jié)果直接轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)中的標準樣本庫。在數(shù)據(jù)比較中對同一模型下不同時間門所對于的數(shù)據(jù)賦予不同的權(quán)值，得到與實測數(shù)據(jù)最接近的模擬結(jié)果，從而形成數(shù)據(jù)庫反演專家系統(tǒng)。利用MATLAB軟件，設計和開發(fā)了一個改進的BP神經(jīng)網(wǎng)絡反演系統(tǒng)。該系統(tǒng)

5、避免了復雜的電磁場計算，只需經(jīng)過學習訓練就能夠解決復雜的實際問題，而且具有記憶功能，從而使瞬變電磁法的反演工作具有延續(xù)性和可繼承性。針對常規(guī)線性反演方法所存在的缺陷，提出了基于最小二乘支持向量機網(wǎng)絡非線性反演方法。以數(shù)值模擬所得到的對應20個時間點結(jié)果值作為輸入數(shù)據(jù)，該結(jié)果值所對應模型的地電參數(shù)作為輸出數(shù)據(jù)。通過在MATLAB中加載LSSVM函數(shù)，形成LSSVM瞬變電磁反演專家系統(tǒng)。 根據(jù)物理模擬相似準則，選擇鹽水和石墨作為實驗

6、材料模擬高阻圍巖和低阻水體。研究了接收和發(fā)射線圈的電性參數(shù)對瞬變電磁信號的影響規(guī)律，根據(jù)這種影響規(guī)律，利用漆包線并采用間繞的方法繞制了實驗中的接收和發(fā)射線圈，將野外使用的PROTEM47型瞬變電磁儀系統(tǒng)中的發(fā)射機和接收機應用于實驗中，將石墨塊、接收和發(fā)射線圈置于鹽水槽中，通過改變石墨塊大小、位置以及電阻率，來觀察瞬變電磁信號受各參數(shù)的影響規(guī)律。 將三種反演專家系統(tǒng)應用于實際工程中，同時根據(jù)全空間視電阻率公式，采用VC編程的方法，