隧道瞬變電磁法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程

2隧道瞬變電磁法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程本規(guī)程規(guī)定了隧道瞬變電磁法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的術(shù)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是指對(duì)隧道開(kāi)挖掌子面前方的地質(zhì)情況及不良地質(zhì)體的工程性質(zhì)3.1.2超前鉆探法（Geologicalpredictionintunnelby3.1.3掌子面地質(zhì)編錄（GeologicalCataloguingofExcavatin3在隧道掌子面開(kāi)展不同裝置的瞬變電磁法超前探測(cè)，分析圍巖電阻率與含水率的關(guān)在收到同步觸發(fā)信號(hào)后，通過(guò)接收天線、濾波器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器質(zhì)被激勵(lì)場(chǎng)激發(fā)的二次場(chǎng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，它是3.1.8重疊回線裝置（Overlapping3.1.10偶極裝置（Dipole-Di發(fā)射回線和接收線圈或探頭在同一測(cè)線上保持一定等間隔同步移動(dòng)或以相同角度同3.1.13視電阻率（ApparentRes43.1.15正演（Geophysicald3.1.16反演（Geophysica3.1.19不良地質(zhì)體（Unfavorable不良地質(zhì)體是指對(duì)隧道工程建設(shè)不利或有不）；pτ-視電阻率，Ω.m（歐姆.米hτ-（1）進(jìn)一步查清隧道開(kāi)挖工作面前方的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，預(yù)報(bào)掌子面前方54.3.6存在多種干擾因素的隧道，應(yīng)根據(jù)被探測(cè)對(duì)象的物性條件與其它探測(cè)方法相配67（2）包括對(duì)接收機(jī)采樣參數(shù)（采樣率、道數(shù)、延時(shí)、疊加次數(shù)、信號(hào)增益）的設(shè)置（3）在現(xiàn)場(chǎng)已知地電參數(shù)較少時(shí)，瞬變電磁儀器深度的確定，可以用儀器配備軟件計(jì)算深度。也可以采用已知目標(biāo)體的埋深和采樣點(diǎn)時(shí)間反算電磁波傳播速度，然后通過(guò)（1）對(duì)已處理數(shù)據(jù)可顯示衰減曲線、感應(yīng)電壓多測(cè)道剖面圖、視電阻率剖面圖、線（3）能實(shí)現(xiàn)在視電阻率剖面圖上顯示隧道前方斷層、巖溶等不良地質(zhì)體的位置、根據(jù)衰減規(guī)律分析圍巖的富水情況及富水異常區(qū)分布，并8（3）使用時(shí)要注意保護(hù)儀器連接接口，用完后及時(shí)將接口帽套上，以免進(jìn)入灰塵，（8）儀器設(shè)備應(yīng)存放在陰涼、通風(fēng)、干燥、無(wú)腐蝕性氣體、無(wú)強(qiáng)磁場(chǎng)等的地方，使（1）隧道地質(zhì)勘查資料，著重說(shuō)明不良地質(zhì)與特殊巖土、可能存在的主要工程地質(zhì)9（3）依據(jù)收集的地質(zhì)勘察資料，設(shè)計(jì)合適的地電模型，通過(guò)正演方法分析不良地質(zhì)（1）探測(cè)斷層、巖溶、裂隙水發(fā)育帶等復(fù)雜條件下隧道不良地質(zhì)體，方法有效性尚（3）探測(cè)不良地質(zhì)體與圍巖之間電性差異較小，或探測(cè)地質(zhì)目標(biāo)體的規(guī)模相對(duì)于預(yù)（1）原則上應(yīng)保證能夠清晰完整地反映異常細(xì)節(jié)，同時(shí)還要保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的效率。（2）測(cè)網(wǎng)密度、天線間距和天線移動(dòng)速度應(yīng)適應(yīng)探測(cè)對(duì)象的異常反映；掌子面宜布（1）工作精度可根據(jù)工作地區(qū)、工作任務(wù)及工作裝置的特點(diǎn)，以取得較好的地質(zhì)效（2）應(yīng)根據(jù)儀器的技術(shù)性能和測(cè)區(qū)人文干擾情況合理設(shè)計(jì)，其總精度不應(yīng)超過(guò)現(xiàn)有（3）應(yīng)以能夠觀測(cè)與分辨勘査對(duì)象所產(chǎn)生的最弱異常為原則，應(yīng)使最大誤差的絕對(duì)7.1.3瞬變電磁法應(yīng)按搜集資料、踏勘、編制方案、探測(cè)、初步解釋、最終解釋、成（1）測(cè)線布設(shè)應(yīng)完整、連續(xù)、并應(yīng)盡量避開(kāi)電磁干擾源；采取措施盡量減小金屬支護(hù)結(jié)構(gòu)等低阻體、發(fā)射線圈和接收線圈的互（2）組裝線圈支撐框架，將發(fā)射線框和接收探頭（線框）固定在線圈支撐框架上；1）按照位置偏移法，一般情況下布置一條測(cè)線，掌子面要盡可能平整，確?？蚣芘c2）按照角度偏移法，分別按不同角度朝多個(gè)方向進(jìn)行探測(cè)并準(zhǔn)確控制探測(cè)方位，在（3）如遇圍巖級(jí)別較低、鋼架緊跟掌子面施做的情況，可將左右邊界測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離邊墻7.3.4數(shù)據(jù)采集應(yīng)滿足任務(wù)要求，并符合（1）探測(cè)范圍應(yīng)盡可能達(dá)到隧道直徑3（7）支撐天線的器材應(yīng)選用絕緣材料，天線操作人員應(yīng)與工作天線保持相對(duì)固定的（9）數(shù)據(jù)采集時(shí)，金屬物品（包括接收機(jī)（10）避免回線縱橫邊的接點(diǎn)線頭接地，尤其是（4）現(xiàn)場(chǎng)記錄應(yīng)標(biāo)明觀測(cè)到掌子面不良地質(zhì)體的位置與規(guī)模以及可能的干擾源信息（3）探測(cè)參數(shù)設(shè)定應(yīng)在探測(cè)準(zhǔn)備階段進(jìn)行，根據(jù)設(shè)備性能、探測(cè)環(huán)境和技術(shù)要求，（2）質(zhì)量檢查的記錄與原探測(cè)記錄應(yīng)具有良好的重復(fù)性，波形一致，異常沒(méi)有明顯（3）數(shù)據(jù)處理應(yīng)符合信號(hào)保真性原則，有效信號(hào)預(yù)報(bào)距離應(yīng)符合技術(shù)要求，預(yù)處理7.4.1數(shù)據(jù)處理前，原始數(shù)據(jù)應(yīng)完整、可靠、有效，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題7.5.2通過(guò)視電阻率異常追蹤或利用異常形狀、采樣時(shí)間計(jì)算異常體的平面范圍和深對(duì)于掌子面前方存在單一富水溶洞的情況，對(duì)于掌子面前方存在多處含水裂隙的情況，（1）根據(jù)已知的地質(zhì)資料，分析測(cè)區(qū)電性相對(duì)變化規(guī)律，初步了解測(cè)區(qū)剖面地質(zhì)地（1）在分析各項(xiàng)物性的基礎(chǔ)上，按照從已知到未知、先易后難、點(diǎn)面結(jié)合、反復(fù)認(rèn)（3）解釋結(jié)果應(yīng)說(shuō)明探測(cè)對(duì)象的形態(tài)、產(chǎn)狀、延伸等要素；對(duì)于已知資料不足，暫（4）解釋?xiě)?yīng)充分利用各種探測(cè)方法的成果。有鉆孔驗(yàn)證的隧道，應(yīng)充分利用鉆探資（1）數(shù)據(jù)質(zhì)量的定性評(píng)價(jià)：對(duì)相鄰延時(shí)道的衰減曲線進(jìn)行分析，一般來(lái)說(shuō)，衰減曲（2）測(cè)區(qū)噪聲干擾水平分析：測(cè)區(qū)的噪聲干擾水平對(duì)晚期道的數(shù)據(jù)質(zhì)量影響大，晚（3）測(cè)區(qū)工作參數(shù)選擇的分析：應(yīng)對(duì)工作參數(shù)（發(fā)射電流、發(fā)射線框邊長(zhǎng)、時(shí)窗范（5）超前水平鉆探應(yīng)詳細(xì)描述巖性、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、鉆進(jìn)速度、含水情況、鉆進(jìn)扭矩等m=I1.SF=U0.NF.πr=U0S0rFPFNF.2πrF/S02PF（A-1）FF從式（A-1）可以看出，增加有效磁矩的方法有：提高發(fā)射機(jī)供電電壓，增加導(dǎo)線截接收線圈內(nèi)阻根據(jù)電阻計(jì)算公式R=PJ.lJ/SJ可方便算出。μ'L=0N2dμ'4π（A-2）4π（A-2）864β23296（A-3）η=RmNp1—上覆地層綜合電阻率，歐姆.米(Ω.mt=H2784根p(p(t）—延時(shí)t時(shí)刻視電阻率，歐姆.米(Ω.m2/3M=IL2p(t)—延時(shí)t時(shí)刻視電阻率，歐姆.米(Ω.mμ0-7亨利/米（H/mdB(t)/dt—磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度B關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；（2）對(duì)于高阻或空氣介質(zhì)中的球體而言,amax~1/σminμ0amin7(Hmin/pmax)，也可粗略求得對(duì)目的層可分辨的Smin值。v(t)e?nt/τ（A-9）（3）信號(hào)衰減快，在早期，信號(hào)幅值高且衰減速度很快；而晚期的信號(hào)很弱，已達(dá)（1）數(shù)據(jù)量太小，無(wú)法采用先進(jìn)的數(shù)字濾波技術(shù)，導(dǎo)致處理后的數(shù)據(jù)丟失了大量的（2）單點(diǎn)數(shù)據(jù)覆蓋的觀測(cè)區(qū)域比較大，使得分辨率較小，從而導(dǎo)致對(duì)細(xì)節(jié)的記錄不?當(dāng)i<j時(shí)，若?log(Vi)?log(Vi)?C1?d0??=Vj+10e?若log(Vi)?log(Vi)?C1?d<0，則有：?e=[(log(Vi)?log(Vi))]?C3?=Vj10e?e=[(log(Vi)?log(Vi))]?C3?=Vj10e?jVj原始資料的驗(yàn)收以及工程質(zhì)量的評(píng)價(jià)，嚴(yán)格依據(jù)《地面瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程》大多數(shù)西方物探界的做法。將兩種方法結(jié)合起來(lái)進(jìn)行數(shù)（5）測(cè)點(diǎn)早期道數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不衰減，且數(shù)值較大（毫（6）晚期道數(shù)據(jù)可能上下跳動(dòng)，不圓滑；或者是以點(diǎn)的形式表示而不是曲線，這是（7）較好的探測(cè)質(zhì)量是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)值多數(shù)維持在微伏級(jí)，且衰減曲線呈類似拋物A.3.5誤差計(jì)算2εεi1εδ=δj/N①同一測(cè)區(qū)或同一剖面參與計(jì)算的同一采樣道的數(shù)據(jù)總數(shù)，得到各道的平均相對(duì)誤Δj?εj2NΔΣj=1NΔ'Vj(ti)，Vj(ti)—第j觀測(cè)點(diǎn)第i'Vj(ti)—Vj(ti)及Vj(ti)的平均值。ji 2/2MNji地面瞬變電磁法工作的總精度以均方誤差來(lái)衡量采集信號(hào)的采樣率、采樣方式與采樣結(jié)束時(shí)間等。儀器1）由于發(fā)射電流大、收發(fā)線圈距離近、發(fā)射機(jī)電磁兼容與電磁屏蔽、發(fā)射機(jī)發(fā)射電（2）外部電磁噪聲的干擾，影響較大的是天然電磁噪聲及人類文化設(shè)施的噪聲（人噪聲來(lái)源于天電及工業(yè)用電的干擾，平均值為03）人文噪聲。是指與人類文化設(shè)施有關(guān)的電磁噪聲，主要包括電力電網(wǎng)、礦山或工發(fā)生火花放電時(shí)還會(huì)產(chǎn)生高值脈沖干擾。動(dòng)力用電的轉(zhuǎn)信號(hào)的累加是瞬變電磁系統(tǒng)抑制隨機(jī)噪聲、提高信一般采用周期性脈沖序列連續(xù)激發(fā)二次場(chǎng)。從而使得在一==22f(t)=fk(t)+N(t)f(tk+(i?1)T)=fk[tk+(i?1)T]+N[tk+(i?1)T]fk(tk+iT)=fk(tk)f[tk+(i?1)T]=nfk(tk)+N[tk+(i?1)T]N[tk+(i?1)T]= 假設(shè)每次采樣時(shí)噪聲電平的有效平均值為N(tk)，則經(jīng)過(guò)n次采樣后有：N[tk+(i?1)T]==(tk)SNR=()out==()in(S/N)out=(S/N)in分析可知，經(jīng)過(guò)n次疊加采樣后，信號(hào)的信噪比改善為原來(lái)的倍。因此，這種采 瞬變電磁數(shù)據(jù)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中隨時(shí)間增加而不斷衰減，若采集的數(shù)據(jù)不符合衰減趨勢(shì)，一般不宜先采取圓滑處理（因?yàn)閳A滑處理僅會(huì)將此強(qiáng)干擾分配到其它測(cè)道中而應(yīng)e=log(Vi?1)+[log(ti)?log(ti?1)]?kejr=1/[log(ti)?log(ti?1)]2r2=1/[log(ti+1)?log(tie=(1?Cj)?log(Vj)+Cj?[r1?log(Vj?1)+r2?log(Vj+1)]rrejti為第i道的采樣延時(shí)；Vj為求得e=(1?C)?log(V)+C?[r12?log(V)+rjjjr12+r22j?1r12+r22j+1（A-34）ejr2為j與j+l測(cè)點(diǎn)的距離。'(ti)=[(ti?1)+2(ti)+(ti+1)]/4(ti)為濾波后ti延時(shí)的電動(dòng)勢(shì)。(ti?1)+c2(ti)+c3(ti+1)]x(t)=s(t)+n(t)((t),其衡量標(biāo)準(zhǔn)為滿足均方差E[(t)?s(t)]2最小。k(t)=k?1(t)+bk(xk(t)?k?1(t))ek=E(ε2)=E[sk(t)?s(t)]2= 1δ2k+bb=δ2/s為噪聲信號(hào)比bk=ek/δ2=1k+bln(εi/εi+1)ti+1?tiε'(x/2)=(?1)n[εi+εi+k?εi+2k?εi+3k]/Nn(t)σ=W(ti)[F(ti)一Y(ti)]ak2k(ti)躍響應(yīng)等式迭代計(jì)算出全程視電阻率。用第一種方法。'2）中心回線。早期(τ2）中心回線。早期(τ0<0.01）漸進(jìn)式，a3za33Iδt（用磁場(chǎng)變化率計(jì)算]3 |]3 |2μ02μI)]3P0(30Bz)3）分離回線。早期( dTR DdTR5U9mT DdTR5U9mTAR；晚期()漸進(jìn)式，PLPL或2/3.5/3PL或1/2。4）大定源回線。目前還沒(méi)有計(jì)算大定源回線視電阻率的早晚期漸近式，接收線框在由以上早晚期漸近計(jì)算式可知，當(dāng)瞬變過(guò)程處于0.011）中心回線和分離回線，在理想場(chǎng)源激發(fā)下，均勻大地（均勻半空間）地表處的感Ui(t)=[3erf(u)u(3+2u2)eu2]Ud(t)=[9erf(u)?(9+6u2+4u4)e?u2](t) μ0a2μ0a2μ0dμ0dR4pt記f(u)=g(t)?gm(t)=0 e e?tdt（A-49）即可計(jì)算出中心回線和分離回線在任意延時(shí)時(shí)刻的視電阻率值，pi(t)=，μ0dTR2pd(t)=24tu。激發(fā)場(chǎng)源為斜階躍場(chǎng)源時(shí)，將分離回線的視電阻率帶入式（A-46）進(jìn)行Uc(t)=2aμ0S0S0=tUc(t)2aμ0πI。記中間參數(shù)y=S02/3，帶入下式求X：X=y(a0+a1y+a2y2+…+a9y9)2,pc(t)=μ0a2U(t)=[F(y1,x1)?F(y1,x2)+F(x2,y2)?F(x2,y1)+F(y2,x2)?F(y2,x1)+F(x1,y1)?F(x1,y2)F(x,y)=[2(u+u)un?2un+2?(2n+3)uun]，x1=xR+Lx/2x2=xR+Lx/2y1=yR+Ly/2y2=yR+Ly/2up=ux=uy=dxy=記f(u)=g(t)?gm(t)=0，其中g(shù)（t）為（4-54）中的感應(yīng)電壓e（tgm(t)為工程測(cè)量數(shù)據(jù)，由4pt，l=量數(shù)據(jù)，由4pt，l=可得視電阻率p(t)=4tu2。源非理想時(shí)，需要校正。白登海對(duì)中心回線以及A.P.Raiche對(duì)重疊回線和分離回線全程pτ(t)曲線與回線尺寸是非線性關(guān)系，使用不同尺寸回線觀測(cè)數(shù)據(jù)所計(jì)算出的pτ（2）由于晚期道觀測(cè)的精度差，尤其是在導(dǎo)電層覆蓋區(qū)使用重疊回線裝置時(shí)（它與地表處于強(qiáng)耦合狀態(tài)，地表巖石的激發(fā)極化效應(yīng)及磁性效應(yīng)的干擾比起其他裝置要大后支pτ(t)曲線會(huì)出現(xiàn)畸變，造成無(wú)法利用。pτ(t)曲線對(duì)野外觀測(cè)的V（t）值利用較差，在pτ(t)起始發(fā)生變化時(shí)，并表現(xiàn)τA.5.2視時(shí)間常數(shù)sτ有限規(guī)模的導(dǎo)體響應(yīng)ε(t)，在晚期按簡(jiǎn)單的指數(shù)規(guī)律衰減：ε(t)=Ke?t/ττ（A-53）表示。這里介紹一種常用的τs計(jì)算方法。τs=tj?tiln(εi/εj)一般τshS(h)=∫σ(h)dh=S1+S2+S3+……0瞬變電磁觀測(cè)數(shù)據(jù)求解時(shí)是把不同時(shí)刻的地電構(gòu)造響應(yīng)當(dāng)成不同縱向電導(dǎo)薄板來(lái)處I(t)=〈由（A-57）式引入視縱向電導(dǎo)Sτ -6I/a2m5/2利用hτ計(jì)算公式hτ(t)=(m-t/μ0Sτ)1/3(9/8m-t/(μ0Sτ))2/3以Sτhττhττ、式，求hτ用公式（hτpτ用全期的pτ計(jì)算方法計(jì)算。σ-介質(zhì)電導(dǎo)率； π t/σμ0?7h2/p1t=μ(MH=0.554）在較大的測(cè)區(qū)內(nèi)，正常場(chǎng)不一定就是一個(gè)。地質(zhì)復(fù)雜的地段，相對(duì)不同的地質(zhì)對(duì)1）在分析確定正常場(chǎng)的同時(shí)，對(duì)比分析剖面圖、剖面平面圖及視電阻率等值線平面3）對(duì)異常帶做深入的分析，區(qū)分出圍巖不均勻性引起的異常、斷層異常和裂隙水發(fā)4）計(jì)算與不良地質(zhì)體有關(guān)異常的視時(shí)間常率值來(lái)進(jìn)行解釋。有時(shí)候也用多測(cè)道剖面圖、時(shí)間τ、hτ、pτ、as、τs等。Sτττs2.5維人工源時(shí)間域電磁場(chǎng)數(shù)值模擬問(wèn)題是目前國(guó)際上尚未妥善解決的地球物理疑難V(n)=dBn)=-inμ0I0J1(λa)dλZj=Z(n)=ZnZ(1)=ZZ(j+1)Zj=Z(n)=ZnjZj+Z(j+1)th(μjHj),-inμ0μjμj=, kj2=-inσjμ0σj—電導(dǎo)率；根據(jù)頻譜分析理論，由上式可得瞬變（時(shí)間域）電磁響應(yīng)=Re[Hz(b)]cos(bT)dλHz(b)=IaJ1(λa)dλ,且b=σμ0na2/2T=2t/σ1μ0a2,分別為歸一化2|2(|2μ0|2πIaμ0|4πt|5t?Bz(t)|Z(1)-1λ||「Z(1)-1λ||(1)λ增加表現(xiàn)為有限寬度的單峰曲線，故計(jì)算時(shí)只需在積分核不算出足夠數(shù)量的Hz(b)，然后利用三次樣條插值函數(shù)法求出所需的核函數(shù)值，以此來(lái)代替線性數(shù)學(xué)濾波法直接計(jì)算核函數(shù)Hz(b)，這就大大加快了計(jì)算速度。然后將正演計(jì)算結(jié)果用改進(jìn)的阻尼最小二乘法與實(shí)場(chǎng)可近似地用一系列與發(fā)送回線同形狀的圓形電流環(huán)表示D=4,R=r+2.0912 π,p0μ0tV=dD~Di+1?Di=4tjpsj?tipsidtti+1?tiπμ0tj?ti