隧道等地下工程先驗形態信息約束的聯合超前預報方法
【專利摘要】本發明涉及一種隧道等地下工程先驗形態信息約束的聯合超前預報方法，其主要步驟為：首先對探測區域收集地質資料、鉆探資料分析，對于重點高風險突涌水區域，實施陸地聲納法、瞬變電磁法、地質雷達法、激發極化法超前預報數據采集，選取確定性探測結果異常作為已知先驗信息；根據獲取的異常體區域，構造該區域的方向向量及其權重，組裝成先驗信息約束對角陣，對激發極化反演進行約束，形成了先驗形態信息約束的聯合超前預報方法。該方法實現了聯合預報數據約束，顯著壓制了多解性，提高了綜合超前預報的準確性與可靠性。實現了掌子面前方突涌水災害源的三維空間形態預報，尤其可以實現對突涌水災害源邊界的識別。
【專利說明】隧道等地下工程先驗形態信息約束的聯合超前預報方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種隧道或者坑道等地下工程中基于先驗形態信息約束的聯合超前地質預報方法，具體地說是一種涉及在隧道或坑道中采用電磁類方法(瞬變電磁法、地質雷達法)、彈性波類方法(陸地聲納法、TSP方法)與激發極化法等進行聯合超前預報，將電磁類方法與彈性波類方法的探測結果作為確定性的已知先驗信息，并施加到激發極化反演目標函數中，從而形成一種隧道等地下工程先驗形態信息約束的聯合超前預報方法，以實現對隧道前方的不良地質體進行空間定位。
【背景技術】
[0002]隧道施工期突涌水災害是地下工程施工面臨的巨大挑戰，隧道超前地質預報對隧道安全施工，避免重大事故發生提供了重要的保障，近年來發揮著越來越重要的作用。目前隧道超前預報方法主要采用地球物理勘探方法，由于地球物理勘探存在多解性的固有難題，單一的預報方法往往導致預報結果的偏差，甚至錯誤。反射類地震波方法(TSP等)，均對巖性界面、斷層、巖溶空洞等有較好的反映；電磁類預報方法(如地質雷達法、瞬變電磁法等)對水體較為敏感，可以用來預報工作面前方的含水體；激發極化對突涌水含水構造響應敏感，且能估算含水構造的涌水量。為此結合不同方法的特點，很多學者，采用彈性波類方法、電磁類方法與電法等地球物理探測方法，提出了隧道聯合超前預報方法。
[0003]但目前的綜合超前預報仍面臨以下問題:①目前的綜合地球物理探測大多是在數據解釋階段對多種探測方法的結果進行人為的比對分析，探測可靠性依靠個人經驗，未實現多種探測方法數據的相互約束，沒有發揮不同探測方法的優勢，多解性仍嚴重。②目前綜合超前預報探測突涌水災害源水體普遍采用電磁法，但由于隧道狹小復雜環境，往往不能對水體三維形態、位置進行準確預報，更無法反映含水體的邊界等重要特征信息。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是為了克服上述現有技術的不足，提供一種隧道等地下工程先驗形態信息約束的聯合超前預報方法，它采用多種超前預報結果信息作為先驗約束，實現了以激發極化法為載體的先驗形態約束聯合超前預報方法，顯著壓制了解譯的多解性，可以反映突涌水災害源的三維形態與邊界，提高了聯合超前預報的準確性與可靠性。
[0005]為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0006]一種隧道等地下工程先驗形態信息約束的聯合超前預報方法，包括如下步驟:
[0007]A.首先收集探測區域的地質資料、鉆探資料；
[0008]B.對于重點高風險突涌水區域，實施陸地聲納法、瞬變電磁法、地質雷達法、激發極化法進行超前預報數據采集；
[0009]C.選取陸地聲納法、瞬變電磁法與地質雷達法探測結果中的異常信息作為已知先驗信息；
[0010]D.建立激發極化法的三維反演坐標系統，并將步驟C中各異常信息對應到激發極化法的三維反演坐標系統中，從而獲取陸地聲納、瞬變電磁與地質雷達探測的異常體區域
信息；
[0011]E.利用空間形態先驗約束方法，根據獲取的異常體區域，構造該區域的方向向量及其權重，組裝成先驗信息約束對角陣，將已知先驗形態信息施加到激發極化法反演方程中；
[0012]F.用先驗形態信息約束反演方程，進行反演迭代，得到掌子面前方突涌水災害源的三維空間形態與邊界信息，實現突涌水災害源的聯合超前預報。
[0013]所述步驟C中，對陸地聲納法、瞬變電磁法與地質雷達法進行解釋，選取確定性探測結果異常作為已知先驗信息，陸地聲納法對斷層、溶洞等界面探測效果較好，將陸地聲納探測的異常界面區域作為已知先驗信息，瞬變電磁與地質雷達對低電阻區域探測效果好，將瞬變電磁與地質雷達探測的異常區域作為已知先驗信息。
[0014]所述步驟D中，建立激發極化法的三維反演坐標系統，沿著掌子面寬度方向為X軸、高度方向為Y軸、隧道前方為Z軸，將陸地聲納探測結果的波速異常區域的坐標按隧道實際坐標一一對應到激發極化坐標系統，將瞬變電磁探測結果的低電阻率異常區域的坐標亦按照隧道實際坐標一一對應到激發極化坐標系統，同理，將地質雷達探測的異常區域仍按照隧道實際坐標一一對應到激發極化坐標系統，從而獲取陸地聲納、瞬變電磁與地質雷達探測的異常體區域信息。
[0015]所述步驟E中，根據獲取陸地聲納、瞬變電磁與地質雷達探測的異常體區域，采用三個正交方向向量即法向量及兩個切向量及各向異性的權重系數表征已知先驗形態信息獲取的異常體邊界，具體做法是，選坐標軸XYZ方向單位向量為三個方向向量，沿著異常區域邊界電阻率變化比較緩慢，該方向的方向向量權重較大，一般取1.0-2.0 ;跨過異常區域邊界的方向電阻率變化較大，該方向的方向向量權重較小，一般取0.01-0.2，從而控制激發極化反演中異常體邊界區域的法方向及切方向電阻率差異程度，組裝成先驗信息約束對角陣，將已知先驗形態信息施加到激發極化法反演方程中。
[0016]具體做法是，公式(I)為目標函數，對公式(I)進行變分得到反演方程(2)
[0017]
【權利要求】
1.一種隧道等地下工程先驗形態信息約束的聯合超前預報方法，其特征是，包括如下步驟: A.首先收集探測區域的地質資料、鉆探資料； B.對于重點高風險突涌水區域，實施陸地聲納法、瞬變電磁法、地質雷達法、激發極化法進行超前預報數據采集； C.選取陸地聲納法、瞬變電磁法與地質雷達法探測結果中的異常信息作為已知先驗信息； D.建立激發極化法的三維反演坐標系統，并將步驟C中各異常信息對應到激發極化法的三維反演坐標系統中，從而獲取陸地聲納、瞬變電磁與地質雷達探測的異常體區域信息； E.利用空間形態先驗約束方法，根據獲取的異常體區域，構造該區域的方向向量及其權重，組裝成先驗信息約束對角陣，將已知先驗形態信息施加到激發極化法反演方程中； F.用先驗形態信息約束反演方程，進行反演迭代，得到掌子面前方突涌水災害源的三維空間形態與邊界信息，實現突涌水災害源的聯合超前預報。
2.如權利要求1所述的隧道等地下工程先驗形態信息約束的聯合超前預報方法，其特征是，所述步驟C中，對陸地聲納法、瞬變電磁法與地質雷達法進行解釋，選取確定性探測結果異常作為已知先驗信息，陸地聲納法對斷層、溶洞等界面探測效果較好，將陸地聲納探測的異常界面區域作為已知先驗信息，瞬變電磁與地質雷達對低電阻區域探測效果好，將瞬變電磁與地質雷達探測的異常區域作為已知先驗信息。
3.如權利要求1所述的隧道等地下工程先驗形態信息約束的聯合超前預報方法，其特征是，所述步驟D中，建立激發極化法的三維反演坐標系統，沿著掌子面寬度方向為X軸、高度方向為Y軸、隧道前方為Z軸，將陸地聲納探測結果的波速異常區域的坐標按隧道實際坐標一一對應到激發極化坐標系統，將瞬變電磁探測結果的低電阻率異常區域的坐標亦按照隧道實際坐標一一對應到激發極化坐標系統，同理，將地質雷達探測的異常區域仍按照隧道實際坐標一一對應到激發極化坐標系統，從而獲取陸地聲納、瞬變電磁與地質雷達探測的異常體區域信息。
4.如權利要求1所述的隧道等地下工程先驗形態信息約束的聯合超前預報方法，其特征是，所述步驟E中，根據獲取陸地聲納、瞬變電磁與地質雷達探測的異常體區域，采用三個正交方向向量即法向量及兩個切向量及各向異性的權重系數表征已知先驗形態信息獲取的異常體邊界，具體做法是，選坐標軸XYZ方向單位向量為三個方向向量，沿著異常區域邊界電阻率變化比較緩慢，該方向的方向向量權重較大，一般取1.0-2.0 ;跨過異常區域邊界的方向電阻率變化較大，該方向的方向向量權重較小，一般取0.01-0.2，從而控制激發極化反演中異常體邊界區域的法方向及切方向電阻率差異程度，組裝成先驗信息約束對角陣，將已知先驗形態信息施加到激發極化法反演方程中。
5.如權利要求4所述的隧道等地下工程先驗形態信息約束的聯合超前預報方法，其特征是，具體做法是，公式(I)為目標函數，對公式(I)進行變分得到反演方程(2);Φ = (Μ-AAmf (M-AAm)+ Am1 AxCxAm+ Am7 C^, AyCyAm+ Am1 ClA7CzAm + AmT AxyCy Am+ Am7 Ax7C7 Am+ Am7 C J Ay7C7 Am.⑴
【文檔編號】G01V11/00GK103592697SQ201310533243
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月31日 優先權日:2013年10月31日
【發明者】聶利超, 李術才, 王傳武, 劉斌, 宋杰, 徐磊, 劉征宇, 田明禛, 許新驥, 陳磊, 王世睿 申請人:山東大學