CN104965230A - 一种基于复频电导的隧道超前探水方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于复频电导的隧道超前探水方法及系统，所述方法包括在隧道两侧洞壁上各打预定数量的孔位，离掌子面最远的一对孔位记为发射孔位，其余的孔位称为接收孔位；在发射孔位布置发射电极，在接收孔位布置接收电极，通过发射电极发射电磁波；记录发射电极中的电流数据I及接收电极中的电压数据V；根据电流数据I和电压数据V计算归一化频谱数据，结合相干法原理，对隧道掌子面前方的含水体情况进行预报。本发明利用电磁波在岩体传播的复频电导特性，采用的电磁波法对含水岩体的检测更敏感，且基于电磁波入射波和反射波相干的原理，采用合成孔径法进行成像，实现了对含水界面的准确定位，探测距离可达到100m及以上。
Description
技术领域
本发明涉及隧道探水技术领域，尤其涉及一种基于复频电导的隧道超前探水方法及系统。
背景技术
地质超前预报在保障隧道施工安全和工程质量方面发挥着重要作用。岩溶、暗河、断裂等含水构造，常常会导致突发性灾难事故，危及隧道施工安全与质量，因此围岩含水构造的预报一直是关注的焦点。目前国内外的地质超前预报技术主要以地震方法为主，电磁方法应用很少。地震方法主要是探测围岩力学性质的差异，对于预报岩性界面、软弱带和断裂构造等地质要素效果很好。围岩含水主要导致导电性与电容率的变化，对介质的力学形状改变较小，因而地震方法对含水性不敏感，电磁方法对围岩的含水性更敏感。
国内外用于探水的电磁方法有核磁共振(MRS)、高密度电法、音频电磁测深(CSAMT)、瞬变电磁(TEM)等方法。这些方法主要用于地表，一般需要在地表布置一条或若干条几十米或几百米长测线，所探测范围是测线所覆盖范围的几十至上百米深度。在隧道地质超前预报中，因探测目标是掌子面前方，因而只能在掌子面上布置测线。但掌子面宽度最多十几米，测线长度严重不足，导致传统的核磁共振、高密度电法、音频电磁测深和瞬变电磁方法无法在超前地质预报中使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于复频电导的隧道超前探水方法及系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于复频电导的隧道超前探水方法，包括如下步骤：
在隧道掌子面后方的两侧洞壁上等间距各打预定数量的孔位，其中，离掌子面最远的一对孔位记为发射孔位，其余的孔位称为接收孔位；
在发射孔位布置发射电极，一侧为正极，一侧为负极；
在接收孔位布置接收电极，一侧为正极，一侧为负极；
发射机通过发射电极发射电磁波；
通过测量设备记录发射电极中的电流随时间变化的电流数据I，记录各接收孔位处的接收电极中的电压随时间变化的电压数据V；
根据采集的电流数据I和电压数据V计算归一化频谱数据，利用归一化频谱数据，结合相干法原理，对隧道掌子面前方的含水体情况进行预报。
本发明的有益效果是：本发明利用电磁波在岩体传播的复频电导特性，采用的电磁波法对含水岩体的检测更敏感，且基于电磁波入射波和反射波相干的原理，采用合成孔径法进行成像，实现了对含水界面的准确定位，且采用本发明所述探测方法的隧道超前探水探测距离可达到100m及以上。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述发射机通过发射电极发射电磁波为以1MHz为中心频率、200KHz至3MHz的频段的电磁波。
在上述进一步方案的有益效果：本发明采用采用200KHz～3MHz频段的电磁波作为激励源，其阻抗比近似7，趋肤深度达200m，适宜隧道探水工作的需要，探测距离适合隧道超前预报。
进一步，根据采集的电流数据I和电压数据V计算归一化频谱数据的具体实现为：根据发射电极中的电流随时间变化的数据I计算发射电极电流数据的频谱，还用于根据接收电极中的电压随时间变化的数据V计算每个接收孔位对应位置的接收电极的电压数据的频谱，计算电压频谱和电流频谱的比值，得到归一化频谱数据，利用归一化频率数据，结合相干法原理，对每个像点的位置计算1/4波长所对应的频率，并将该频率对应的归一化频谱中的数据进行叠加，得到合成孔位径图像。
采用上述进一步方案的有益效果：合成孔径图像反映了含水体的位置、含水量相对大小的信息，采用电磁波的相干频率法进行合成孔径成像，大大提高了含水界面定位的准确性。
进一步，在隧道掌子面后方的两侧洞壁上等间距各打预定数量的孔位，每侧洞壁上预定数量为大于等于4个，所述孔位的深度大于等于1.5米。
采用上述进一步方案的有益效果：提供了足够多的叠加数据，且实现了电极和围岩的良好耦合，为超前探水提供的准确的基础数据。
进一步，接收电极接收电磁波采用一个电极分别放在不同的接收孔位中接收电磁波或者采用多个电极放在不同的接收孔位中同时接收电磁波。
采用上述进一步方案的有益效果：可以适应各种测量设备，有的测量设备的采集通道不能同时接收多于两个孔位的数据，这样采用分别采集的方式，将一个接收电极分别放在不同的接收孔位中，分别进行测量；当测量设备可以同时接收多个孔位的数据时，采用将多个电极放在不同的接收孔位中同时接收电磁波，同时进行测量。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于复频电导的隧道超前探水系统，包括发射机、一个发射电极、一个或多个接收电极、测量设备和计算设备；
在隧道掌子面后方的两侧洞壁上等间距各打预定数量的孔位，其中，离掌子面最远的一对孔位记为发射孔位，其余的孔位称为接收孔位；
在发射孔位布置发射电极，一侧为正极，一侧为负极；
在接收孔位布置接收电极，一侧为正极，一侧为负极；
所述发射机与发射电极连接，发射机通过发射电极发射电磁波；
所述接收电极，用于接收电磁波；
所述测量设备，用于记录发射电极中的电流随时间变化的数据I，还用于记录各接收孔位处的接收电极中的电压随时间变化的数据V，并将测得的数据发送给计算设备；
所述计算设备，用于根据采集的电流数据I和电压数据V计算归一化频谱数据，利用归一化频谱数据，结合相干法原理，对隧道掌子面前方的含水体情况进行预报。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述发射机通过发射电极发射电磁波为以1MHz为中心频率、200KHz至3MHz的频段的电磁波。
进一步，所述计算设备根据发射电极中的电流随时间变化的数据I计算发射电极电流数据的频谱，还用于根据接收电极中的电压随时间变化的数据V计算每个接收孔位对应位置的接收电极的电压数据的频谱，计算电压频谱和电流频谱的比值，得到归一化频谱数据，利用归一化频率数据，结合相干法原理，对每个像点的位置计算1/4波长所对应的频率，并将该频率对应的归一化频谱中的数据进行叠加，得到合成孔位径图像。
进一步，在隧道掌子面后方的两侧洞壁上等间距各打预定数量的孔位，每侧洞壁上预定数量为大于等于4个，所述孔位的深度大于等于1.5米。
进一步，接收电极接收电磁波采用一个电极分别放在不同的接收孔位中接收电磁波或者采用多个电极放在不同的接收孔位中同时接收电磁波。
附图说明
图1为本发明实施例1所述基于复频电导的隧道超前探水方法流程图；
图2为本发明实施例2所述基于复频电导的隧道超前探水系统框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种基于复频电导的隧道超前探水方法(简称：CFC)，包括如下步骤：
1.在隧道掌子面后方的两侧洞壁上等间距各打预定数量的孔位，每侧大于等于4个，深度1.5m以上其中，离掌子面最远的一对孔位记为发射孔位，其余的孔位称为接收孔位；
2.在发射孔位布置发射电极，一侧为正极，一侧为负极；
3.在接收孔位布置接收电极，一侧为正极，一侧为负极；
4.发射机通过发射电极发射200KHz～3MHz电磁波；
5.通过测量设备记录发射电极中的电流随时间变化的电流数据I，记录各接收孔位处的接收电极中的电压随时间变化的电压数据V；所述测量设备直接从发射电极和接收电极中引线，利用高采样率数据采集器记录。
6.根据采集的电流数据I和电压数据V计算归一化频谱数据，利用归一化频谱数据，结合相干法原理，对隧道掌子面前方的含水体情况进行预报。
7.上述3-5过程，可以通过一次布置多对接收电极并同时采集多个接收电极数据实现，也可以一次布置一对接收电极，激发并接收,之后将接收电极移动至下个孔位，重新发射接收，如此反复，直到所有的接收孔位均被测量；
8.得到上述数据后，首先计算发射电极电流数据的频谱，然后计算每次接收电极电压数据的频谱，并计算电压频率和电流频谱的比值，得到归一化的频谱；
9.按相干法原理，对每个像点位置计算1/4波长所对应的频率，并将该频率对应的归一化频谱中的数据进行叠加，得到合成孔径图像。
1)本发明基于电磁波在岩体传播的复频电导特性。
电磁波在岩体中传播的过程是通过传导电流和位移电流与磁场间的相互作用实现的。电导率决定传导电流，引起能量耗损，电容率决定位移电流，是电磁感应的主体。电导与电容构成复频电导。传导电流与位移电流的比值p，表征电磁波传播中能量损耗的比率。它不但与岩体的电导率、电容率有关，还与使用的频率有关，它是衡量岩体电磁波特性的重要指标。依据p值的大小，岩体的电磁波特性可以分为如下三类。
P>>1时，岩体的性状为良导体，衰减大，电磁波不易传播；
P≈1时，岩体的性状为复频介质，衰减稍大，电磁波可以传播；
P<<1时，岩体的性状为理想电介质，即绝缘体，衰减很小，电磁波适宜传播；
在实际应用中将p＝10、p＝0.1作为划分良导体、复频介质与绝缘体的界限。
损耗比p与频率成反比，随频率增大损耗比减小。一种岩体在低频下的性状可能表现为良导体，不利于电磁波传播，但是在高频下又可能表现为绝缘体，有利于电磁波传播。
2)本发明采用200KHz～3MHz频段的电磁波作为激励源。
虽然小于100KHz低频段干/湿岩体波的阻抗比最大,但是由于损耗比太大,电磁波不能传播；高于10MHz的频段虽然损耗比小，但是干/湿岩体的阻抗比较小,不利于用反射法探测含水体。以1MHz为中心频率、200KHz-3MHz的频段的电磁波，其阻抗比近似7，趋肤深度达200m，最适宜隧道探水工作的需要。
本发明实施例中，所述发射机通过发射电极发射电磁波为以1MHz为中心频率、200KHz至3MHz的频段的电磁波。本发明采用采用200KHz～3MHz频段的电磁波作为激励源，其阻抗比近似7，趋肤深度达200m，适宜隧道探水工作的需要，探测距离适合隧道超前预报。其他电磁方法(如雷达)或因采用的频率较高，探测距离较近，或因采用的频率较低(如瞬变电磁)，探测距离过大。
3)本发明基于电磁波的相干频率法进行合成孔径成像。
在使用中心频率为1MHz的电磁波探测时，干燥岩体表现为复频介质，含水体表现为低阻抗的良导体，二者界面的反射系数为-0.9，即反射波的幅值是入射波的90％，但是电场强度的方向有180度的改变。同时，在此频率下，电磁波的入射波与反射波发生相干，在发射点与反射面之间形成驻波。驻波波腹点的能量最强，其到含水界面的距离为1/4波长的奇数倍。不同频率的波腹点的位置是不同的。针对此特点，本专利采用合成孔径法进行成像计算。包含三个核心步骤。
(1)根据各接收点的相干频率，依据1/4波长原理计算反射面到接收点的距离；
(2)按反射面距离向掌子面前方投影，如果反射面确实在掌子面前方，相干幅值会得到加强；如果实际位置是在侧面，则成像中相干幅值被分散和削弱；
(3)将相干频率的幅值R(ω)作为成像的物理量，作为含水量大小的指标；合成孔径图像的物理量是相干幅值。
本发明实施例中，根据采集的电流数据I和电压数据V计算归一化频谱数据的具体实现为：根据发射电极中的电流随时间变化的数据I计算发射电极电流数据的频谱，还用于根据接收电极中的电压随时间变化的数据V计算每个接收孔位对应位置的接收电极的电压数据的频谱，计算电压频谱和电流频谱的比值，得到归一化频谱数据，利用归一化频率数据，结合相干法原理，对每个像点的位置计算1/4波长所对应的频率，并将该频率对应的归一化频谱中的数据进行叠加，得到合成孔位径图像。电磁波的相干频率法进行合成孔径成像，大大提高了含水界面定位的准确性。
在隧道掌子面后方的两侧洞壁上等间距各打预定数量的孔位，每侧洞壁上预定数量为大于等于4个，所述孔位的深度大于等于1.5米。
接收电极接收电磁波采用一个电极分别放在不同的接收孔位中接收电磁波或者采用多个电极放在不同的接收孔位中同时接收电磁波。
如图2所示，一种基于复频电导的隧道超前探水系统，包括发射机、一个发射电极、一个或多个接收电极、测量设备和计算设备；
在隧道掌子面后方的两侧洞壁上等间距各打预定数量的孔位，其中，离掌子面最远的一对孔位记为发射孔位，其余的孔位称为接收孔位；
在发射孔位布置发射电极，一侧为正极，一侧为负极；
在接收孔位布置接收电极，一侧为正极，一侧为负极；
所述发射机与发射电极连接，发射机通过发射电极发射电磁波；
所述接收电极，用于接收电磁波；
所述测量设备，用于记录发射电极中的电流随时间变化的数据I，还用于记录各接收孔位处的接收电极中的电压随时间变化的数据V，并将测得的数据发送给计算设备；
所述计算设备，用于根据采集的电流数据I和电压数据V计算归一化频谱数据，利用归一化频谱数据，结合相干法原理，对隧道掌子面前方的含水体情况进行预报。所述计算设备可采用台式机、笔记本电脑等Wi ndows平台。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于复频电导的隧道超前探水方法，其特征在于，包括如下步骤：
在隧道掌子面后方的两侧洞壁上等间距各打预定数量的孔位，其中，离掌子面最远的一对孔位记为发射孔位，其余的孔位称为接收孔位；
在发射孔位布置发射电极，一侧为正极，一侧为负极；
在接收孔位布置接收电极，一侧为正极，一侧为负极；
发射机通过发射电极发射电磁波；
通过测量设备记录发射电极中的电流随时间变化的电流数据I，记录各接收孔位处的接收电极中的电压随时间变化的电压数据V；
根据采集的电流数据I和电压数据V计算归一化频谱数据，利用归一化频谱数据，结合相干法原理，对隧道掌子面前方的含水体情况进行预报。
2.根据权利要求1所述一种基于复频电导的隧道超前探水方法，其特征在于，所述发射机通过发射电极发射为以1MHz为中心频率、200KHz至3MHz频段的电磁波。
3.根据权利要求1所述一种基于复频电导的隧道超前探水方法，其特征在于，根据采集的电流数据I和电压数据V计算归一化频谱数据的具体实现为：根据发射电极中的电流随时间变化的数据I计算发射电极电流数据的频谱，根据接收电极中的电压随时间变化的数据V计算每个接收孔位对应位置的接收电极的电压数据的频谱，计算电压频谱和电流频谱的比值，得到归一化频谱数据，利用归一化频率数据，结合相干法原理，对每个像点的位置计算1/4波长所对应的频率，并将该频率对应的归一化频谱中的数据进行叠加，得到合成孔位径图像。
4.根据权利要求1所述一种基于复频电导的隧道超前探水方法，其特征在于，在隧道掌子面后方的两侧洞壁上等间距各打预定数量的孔位，每侧洞壁上预定数量为大于等于4个，所述孔位的深度大于等于1.5米。
5.根据权利要求1所述一种基于复频电导的隧道超前探水方法，其特征在于，接收电极接收电磁波采用一个电极分别放在不同的接收孔位中接收电磁波或者采用多个电极放在不同的接收孔位中同时接收电磁波。
6.一种基于复频电导的隧道超前探水系统，其特征在于,包括发射机、一个发射电极、一个或多个接收电极、测量设备和计算设备；
在隧道掌子面后方的两侧洞壁上等间距各打预定数量的孔位，其中，离掌子面最远的一对孔位记为发射孔位，其余的孔位称为接收孔位；
在发射孔位布置发射电极，一侧为正极，一侧为负极；
在接收孔位布置接收电极，一侧为正极，一侧为负极；
所述发射机与发射电极连接，发射机通过发射电极发射电磁波；
所述接收电极，用于接收电磁波；
所述测量设备，用于记录发射电极中的电流随时间变化的数据I，还用于记录各接收孔位处的接收电极中的电压随时间变化的数据V，并将测得的数据发送给计算设备；
所述计算设备，用于根据采集的电流数据I和电压数据V计算归一化频谱数据，利用归一化频谱数据，结合相干法原理，对隧道掌子面前方的含水体情况进行预报。
7.根据权利要求6所述一种基于复频电导的隧道超前探水系统，其特征在于，所述发射机通过发射电极发射电磁波为以1MHz为中心频率、200KHz至3MHz的频段的电磁波。
8.根据权利要求6所述一种基于复频电导的隧道超前探水系统，其特征在于，所述计算设备根据发射电极中的电流随时间变化的数据I计算发射电极电流数据的频谱，还用于根据接收电极中的电压随时间变化的数据V计算每个接收孔位对应位置的接收电极的电压数据的频谱，计算电压频谱和电流频谱的比值，得到归一化频谱数据，利用归一化频率数据，结合相干法原理，对每个像点的位置计算1/4波长所对应的频率，并将该频率对应的归一化频谱中的数据进行叠加，得到合成孔位径图像。
9.根据权利要求6所述一种基于复频电导的隧道超前探水系统，其特征在于，在隧道掌子面后方的两侧洞壁上等间距各打预定数量的孔位，每侧洞壁上预定数量为大于等于4个，所述孔位的深度大于等于1.5米。
10.根据权利要求6所述一种基于复频电导的隧道超前探水系统，其特征在于，接收电极接收电磁波采用一个电极分别放在不同的接收孔位中接收电磁波或者采用多个电极放在不同的接收孔位中同时接收电磁波。
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