一種TBM施工隧道三維激發極化超前預報干擾去除方法與流程
本發明涉及一種TBM施工隧道三維激發極化超前探測中干擾的去除方法。具體的說是一種涉及在TBM施工隧道中進行三維激發極化超前地質探測，利用數值模擬統計原理去除TBM干擾激發極化探測的方法。
背景技術：
在水利水電、交通等領域的隧道建設中，尤其是在我國西部地區的隧道工程施工中，隧道施工時經常遭遇斷層破碎帶、軟弱地層、溶洞、暗河等不良地質，往往面臨極端復雜的地質條件。TBM(全斷面隧道掘進機)施工具有掘進速度快、安全高效等諸多優勢，我國的隧道建設中越來越多的采用TBM施工。TBM掘進穿越導水斷層、充水溶洞等不良地質發育段落時，極易誘發突水突泥等突發性地質災害，造成施工機械被淹，工期延誤，甚至導致TBM整機報廢，人員傷亡。因此在TBM隧道施工期開展斷層、溶洞等致災構造的超前預報工作，對保證隧道安全施工具有重要意義。
激發極化法是一種常用的地球物理探測手段，具有操作簡便、經濟高效、對含水體響應敏感等特點，被引入到隧道超前地質預報中。由于隧道掌子面空間狹小，同時受隧道支護襯砌、施工機械等復雜環境影響，常規的直流激發極化法觀測方式不能滿足隧道超前探測要求。現有技術提出了多同性源陣列三維激發極化觀測方式，可提高探測的超前指向性，同時可壓制后方的旁側干擾，同時提出適用于TBM的便攜式電阻率法超前預報系統和方法可滿足TBM施工隧道超前探測的要求。
但是在進行三維激發極化超前探測時，TBM作為一個巨大的金屬良導體，會嚴重影響探測過程中的信號采集等，從而對三維激發極化超前預報造成干擾。因此需要一種干擾去除方法，在TBM施工隧道中進行三維激發極化超前探測時去除TBM的干擾。
技術實現要素：
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種TBM施工隧道三維激發極化超前預報的干擾去除方法，該方法能夠有效去除三維激發極化探測中TBM的干擾，保證三維激發極化超前探測的有效信息不受損失。
為實現上述目的，本發明采用如下方法：
一種TBM施工隧道三維激發極化超前預報干擾去除方法，包括：
(1)建立TBM施工隧道三維激發極化超前探測的地電模型；
(2)在建立的三維激發極化超前探測模型的掌子面前方，設置可用于模擬導水斷層以及充水溶洞不良地質條件的激發極化異常體；
(3)分別設定激發極化異常體的N個不同的位置，分別編號1,2,…N；進行沒有TBM模型情況的模擬正演計算，得到N組不同的觀測數據
(4)以TBM施工機械設備為原型，在步驟(3)原有計算模型中增加TBM計算模型，分別設定N個與步驟(3)中位置相同的異常體，進行帶有TBM模型情況的模擬正演計算，得到N組不同的觀測數據其中i＝1,2…M，M為觀測數據個數，j＝1,2…N；
(5)根據異常體位置相同時的同一組觀測數據dfor和dtbm，計算每一個觀測數據的異常比率，即TBM干擾系數；
(6)根據每一個觀測數據的TBM干擾系數，計算每一個觀測數據的TBM干擾修正系數；
(7)根據得到的TBM干擾修正系數，將現場得到的探測數據變為去除TBM干擾的觀測數據。
進一步地，所述步驟(1)中，TBM施工隧道三維激發極化超前探測的地電模型中，隧道埋深，隧道斷面形式、尺寸，隧道圍巖電阻率以及隧道腔體電阻率參數與根據實際TBM施工隧道的相關參數選取。
進一步地，所述步驟(1)中，BM施工隧道三維激發極化超前探測的地電模型的觀測模式為多同性源陣列觀測方式或者僅在隧道掌子面的ESCAN觀測模式。
進一步地，所述步驟(1)中，TBM施工隧道三維激發極化超前探測的地電模型的數據采集方法為：布設在隧道掌子面的K個電極分別作為供電電極A、測量電極M；進行數據采集時，選取掌子面某一個電極作為供電電極A供電，其余電極作為測量電極M依次采集；采集完成后更換另一個電極作為供電電極A供電，其余電極作為測量電極M依次采集；直到掌子面的K個電極都已經作為供電電極A供電，數據采集結束。
進一步地，所述步驟(3)中，激發極化異常體的N個不同的位置包括：異常體與掌子面的距離不同或者是異常體沿隧道軸線方向在隧道掌子面上投影位置不同。
進一步地，所述步驟(5)中，TBM干擾系數的計算方法為：
對于第i個觀測數據，第j組的TBM干擾系數為：帶有TBM模型情況下得到的觀測數據與沒有TBM模型情況下得到的觀測數據的比值。
進一步地，所述步驟(6)中，每一個觀測數據的TBM干擾修正系數的計算方法為：每一個觀測數據的N個不同的TBM干擾系數的累加和的平均值。
進一步地，所述步驟(7)中，將現場得到的探測數據變為去除TBM干擾的觀測數據的方法具體為：去除TBM干擾的觀測數據為現場得到的探測數據與該數據的TBM干擾修正系數的比值。
本發明的有益效果是：
(1)本發明提出的基于數值模擬統計的TBM干擾去除方法，能有效去除TBM施工隧道中TBM對三維激發極化超前探測的干擾，同時壓制探測得到的探測區域有效異常信息受到的其它干擾，解決了三維激發極化探測應用于TBM施工隧道超前地質預報中的關鍵問題。
(2)本發明不涉及復雜的數學算法，數學原理簡單，計算量小，耗時少，TBM干擾修正系數可提前算出，使得一般技術人員易于掌握。修正后的現場觀測數據可直接用于反演計算，使三維激發極化探測數據處理滿足TBM施工隧道超前地質工作的時效性要求。
(3)本發明對三維激發極化超前探測的實際觀測數據進行修正后，可有效剔除觀測數據受到的干擾，在超前探測數據處理的后續步驟中，可有效壓制反演計算結果的多解性，使探測結果易于解譯，有利于作出接近真實地質條件的探測結論。
附圖說明
圖1是本發明TBM干擾去除方法流程圖與超前探測地電模型示意圖；
圖2-1是異常體與掌子面距離d＝4m時觀測數據圖；
圖2-2是異常體與掌子面距離d＝14m時觀測數據圖；
圖3是得到的TBM干擾修正系數圖；
圖4是TBM干擾修正前與修正后現場觀測數據圖；
圖5-1是修正前現場觀測數據的反演計算結果圖；
圖5-2是修正后現場觀測數據的反演計算結果圖；
圖中：1隧道圍巖，2地質異常體，3掌子面電極系統，4隧道腔體，5TBM計算模型。
具體實施方式
下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。應該說明的是，下述說明僅是為了解釋本發明，并不對其內容進行限定。
本發明的流程圖如圖1所示，在進行相關正演計算的基礎上，計算得到TBM干擾修正系數η，從而對現場實測數據進行修正，得到去除TBM干擾的修正觀測數據。
具體的實施步驟如下：
A.根據TBM施工隧道現場施工情況，建立三維激發極化超前探測的地電模型，圖1為地電模型示意圖。包括：設置在隧道圍巖1內的隧道腔體4，隧道腔體掌子面上設置掌子面電極系統3，在掌子面前方設置地質異常體2；
其中隧道掌子面為圓形，直徑8m，隧道圍巖電阻率為3000Ω·m，隧道腔體電阻率為10e9Ω·m。
三維激發極化超前探測的數據采集使用ESCAN裝置形式，即布設在隧道掌子面的9個電極可作為供電電極A、測量電極M，N極與B極布設在隧道掌子面后方相對無窮遠處。進行數據采集時，選取掌子面某一個電極作為供電電極A供電，其它8個電極作為測量電極M依次采集；采集完成后更換另一個電極作為供電電極A供電，其它8個電極作為測量電極M依次采集；……直到掌子面的9個電極都已經作為供電電極A供電，其它電極采集完成，數據采集結束。觀測數據個數M＝72。
除此之外，三維激發極化超前探測的數據采集還可以采用多同性源陣列觀測方式或者其他觀測方式。
B.在三維激發極化超前探測模型的掌子面前方，設置低阻異常體用于模擬充水溶洞，異常體位于隧道掌子面正前方，直徑為8m，厚度2m，電阻率為10Ω·m。
C.不斷改變低阻異常體與掌子面的距離d，分別設d＝4m，6m，10m，14m，20m，30m，即低阻異常體共有6個不同的位置。對于6個不同位置的異常體，進行沒有TBM模型情況的模擬正演計算，得到6組不同的觀測數據其中i＝1,2…72，j＝1,2…6。
D.以TBM施工機械的刀盤、護盾、主梁、撐靴、后配套等設備為原型，利用數值模擬ANSYS軟件，建立TBM計算模型，增加到原有計算模型中，從而使計算帶有TBM模型，此時可以得到受TBM干擾的觀測數據。對應于低阻體位置為d＝4m，6m，10m，14m，20m，30m，進行帶有TBM模型情況的模擬正演計算，得到6組不同的觀測數據其中i＝1,2…72，j＝1,2…6。圖2-1，2-2分別為d＝4m，14m時的觀測數據圖。
E.選取異常體位置相同時，即同一組的的觀測數據dfor和dtbm，計算每一個觀測數據的異常比率，即TBM干擾系數α。對于第i個觀測數據，第j組的TBM干擾系數αij，計算方法如下：
F.對于每一個觀測數據，可以得到6個不同的干擾系數αij，j＝1,2…6。對于每一個觀測數據，TBM干擾修正系數η，計算方法如下：
圖3為得到的TBM干擾修正系數圖。
G.現場得到的探測數據為dobs，根據TBM干擾修正系數η，計算得到去除TBM干擾的觀測數據dmod，計算方法如下：
實施例：
本例中在某TBM施工隧道進行三維激發極化超前探測，得到現場觀測數據。應用本發明中提出的TBM干擾去除方法對現場實測數據進行修正，圖4為TBM干擾修正前與修正后現場觀測數據圖。分別應用修正前后的觀測數據進行反演計算，得到計算結果見圖5-1和圖5-2。圖5-1中顯示在近掌子面附近存在低阻異常，掌子面向前無異常。這與探測時已經揭露的掌子面附近圍巖情況不符。圖5-2中顯示在掌子面附近無異常出現，但是在掌子面前方13m～28m范圍內，出現明顯的低阻異常體。按照圖5-2的計算結果進行地質解譯，判斷掌子面前方13m處存在異常區域，疑似充水溶洞的可能性大。開挖結果中在掌子面前方13m處開始出現體積為6m×6m×6m的溶洞，這與圖5-2解譯結果相近。可見本發明提出的TBM干擾去除方法不僅去除了現場觀測數據中TBM的干擾，同時保留了超前探測掌子面前方地質異常體的有效信息，修正后的現場觀測數據可直接用于反演計算，保證TBM施工隧道三維激發極化超前探測的正常實施。
對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現，未予以詳細說明的部分，為現有技術，在此不進行贅述。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和特點相一致的最寬的范圍。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！