CN106054268B - 一种针对瞬变电磁法隧道超前探测的阵列天线源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对隧道瞬变电磁法超前预报的阵列天线源，包括若干发射单元，每个发射单元后面有一个外接电源，所述的发射单元由发射天线、螺旋线和底座组成，其中：螺旋线缠绕在发射天线四周，螺旋线和发射天线中间有一层隔离层，以防止电流接触，起消除互感作用；底座中心的凹陷处一侧为外接电源的接入口，凹陷处另一侧上有插针阵列，用于插接发射天线，底座的四周有对应的突出和凹陷，用于将若干个发射单元拼接成一体。该发射源可以通过改变源的参数和发射电流强度增大发射场源强度，提高勘探深度，改变发射源脉宽提高高频谐波成分，提高勘探精度，进行高分辨率、远距离勘探，实现对掌子面前方的导水通道进行精细探测。
Description
技术领域
本发明属于地球物理探测领域，特别涉及一种针对隧道瞬变电磁法超前预报的阵列天线源。
背景技术
随着国家“西部大开发”战略、“一带一路”战略的实施，铁路公路交通工程、水利水电工程等重大基础工程建设得到了快速发展并且逐年向西部山区转移，我国目前已经成为世界上修建隧道数量最多和难度最大的国家。随着修建的隧道工程越来越多，面临的地质条件也越来越复杂，在隧道开挖施工过程中，容易出现无法预料的工程地质灾害，如突水、突泥、坍塌等。突水突泥灾害不仅会在各类隧道等地下工程中造成人员伤亡和经济损失，更严重的还会对环境造成不可逆性的破坏。引发突水突泥的主要灾害源有断层性、溶洞溶腔型、暗河型以及裂隙型，裂隙型灾害源因规模较小而不宜探测等原因而常被忽略，但是裂隙型灾害源经受岩层高压常常形成高承压水，一旦涌水就会造成严重的经济损失和重大的人员伤亡；另外，一些灾害源之间、灾害源与地面径流或湖泊经常以导水通道的形式互相连同，含导水构造发展和演化是影响隧道地质灾害的关键环节，隧道掘进至断裂带，开挖扰动破坏了充填介质内部构造，导水通道逐渐萌生和发展，最终导致断层内部隐伏承压水区或者与之有补给关系的地表水体、岩溶水体等与开挖临空区贯通，当发生突水突泥灾害时常会形成一连串的次生灾害发成，比如地表塌陷、房屋倒塌，甚至是水资源枯竭、水循环紊乱等生态问题。造成上述现象的主要原因正是导水通道认识不清。目前，国内外关于隧道超前探测主要集中在一些大的地质灾害目标体上，探测裂隙型灾害源和导水通道由于勘探分辨率和探测深度的矛盾关系一直未能得到有效的解决。但是理论和事实证明，精确的探测到导水通道的准确位置，提前进行注浆封堵，不仅能够有效的防止突水突泥灾害的发生，还能够防止灾害对环境和生态系统的破坏，做到“安全施工绿色施工”。未来的超前地质预报将以定量化探测技术为核心和引领，实现“四化探测”，即：定量化、智能化、精细化、可视化。因此对于当前的隧道超前预报工作，能够实现精确的探测裂隙型灾害源和导水通道就显得至关重要。
但是目前的隧道超前探测技术都未能突破分辨率和探测深度这一矛盾，无法做到高分辨率、远距离勘探，精确探测导水通道的具体位置也一直是业界未能解决的难题。近年来，瞬变电磁法作为一种有效的水体探查方法在隧道超前探测中获得了重要的应用，并取得了显著的效果和一定发展。但是常规的瞬变电磁方法和其它地球物理勘探方法对于精细的探测裂隙型灾害源和导水通道还存在一定的困难。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种针对隧道瞬变电磁法超前预报的阵列天线源。可以通过改变阵列天线源的参数和发射电流强度以此增大发射场源强度，提高勘探深度；改变发射源脉宽提高高频谐波成分，提高勘探精度，进行高分辨率、远距离勘探，实现对掌子面前方的导水通道进行精细探测。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种针对隧道瞬变电磁法超前预报的阵列天线源，其特征在于，包括若干发射单元，每个发射单元后面有一个外接电源，所述的发射单元由发射天线、螺旋线和底座组成，其中：
螺旋线缠绕在发射天线四周，螺旋线和发射天线中间有一层隔离层，以防止电流接触，螺旋线主要起消除互感作用；底座中心的凹陷处一侧为外接电源的接入口，凹陷处另一侧上有插针阵列，用于插接发射天线，底座的四周有对应的突出和凹陷，用于将若干个发射单元拼接成一体。
根据本发明，所述发射天线长度20cm，直径2cm。所述螺旋线直径为2mm，螺旋线之间的螺间距为5mm。所述底座大小为10×10×3cm，采用绝缘材料制成。
所述插针阵列是从上到下第一排为5个插针，第二排和第三排均为7插针个，第四排为9个插针，第五排和第六排均为7个插针，第七排为5个插针。
根据本发明，所述外接电源在进行探测时对若干发射单元进行同时供电，在供电时一定保证供电和断电时间相等。
上述针对隧道瞬变电磁法超前预报的阵列天线源的使用方法，其特征在于，将若干发射单元有规则的排列在掌子面前方，组成阵列天线源，在进行勘测时，发射单元经外接电源同时供电，在供电时一定保证供电和断电时间相等，使得发射单元同时进行发射，利用电磁波的相干特性，使能量最大化的集中在掌子面前方；
根据隧道瞬变电磁法超前探测的任务和环境的变化，改变阵列天线源和电源电流：
当探测目标体规模比较大并且距离掌子面较近时，采用规模较小的阵列天线源和小电流以达到探测目的；
当探测目标体距掌子面较远并且规模较小时，采用大的阵列天线源，适当缩短发射源脉宽并提高发射电源电流，以增加发射天线的功率和分辨率，从而提高数据的信噪比，达到远距离、高分辨率勘探。
本发明的针对隧道瞬变电磁法超前预报的阵列天线源，与现有的技术相比，带来的技术效果在于，可以通过改变源的参数和发射电流强度增大发射场源强度，提高勘探深度，改变发射源脉宽提高高频谐波成分，提高勘探精度，进行高分辨率、远距离勘探，实现对掌子面前方的导水通道进行精细探测。
附图说明
图1是本发明的针对隧道瞬变电磁法超前预报的阵列天线源的应用示意图；
图2是发射单元结构示意图；
图3是发射单元的底部接入电源结构示意图；
图4是4个发射单元组合后的阵列天线源；
图5是组合后的阵列天线源接入电源示意图；
图6是均匀全空间中电偶极子及阵列源系统示意图，其中，图6(a)是电偶极子，图6(b)是掌子面前方阵列天线源的放置情况；
图7是观测点在xy剖面示意图；
图8是隧道掌子面前方阵列天线源和回线源中心点处瞬变电磁响应特征对比图，其中图8(a)是模型示意图，图8(b)是回线源图8(c)是3×3阵列天线源图8(d)是3×3阵列源图8(e)是3×3阵列天线源
图9是改变阵列天线源的规模情况下的磁感应强度随着隧道模型改变，其中，图9(a)是模型示意图，图9(b1)是纯隧道情况下的不同规模阵列天线源的图9(b2)是纯隧道情况下的不同规模阵列天线源的图9(b3)是纯隧道情况下的不同规模阵列天线源的图9(c1)是断层距掌子面50m情况下的不同规模阵列天线源的图9(c2)是断层距掌子面50m情况下的不同规模阵列天线源的图9(c3)是断层距掌子面50m情况下的不同规模阵列天线源的
图10是改变阵列天线源的源长度情况下的磁感应强度随着隧道模型改变，其中，图10(a)是模型示意图，图10(b1)是纯隧道情况下的不同源长度阵列天线源的图10(b2)是纯隧道情况下的不同源长度阵列天线源的图10(b3)是纯隧道情况下的不同源长度阵列天线源的图10(c1)是断层距掌子面50m情况下的不同源长度阵列天线源的图10(c2)是断层距掌子面50m情况下的不同源长度阵列天线源的图10(c3)是断层距掌子面50m情况下的不同源长度阵列天线源的
图11是改变阵列天线源的源间距情况下的磁感应强度随着隧道模型改变，其中，图11(a)是模型示意图，图11(b1)是纯隧道情况下的不同源间距阵列天线源的图11(b2)是纯隧道情况下的不同源间距阵列天线源的图11(b3)是纯隧道情况下的不同源间距阵列天线源的图11(c1)是断层距掌子面50m情况下的不同源间距阵列天线源的图11(c2)是断层距掌子面50m情况下的不同源间距阵列天线源的图11(c3)是断层距掌子面50m情况下的不同源间距阵列天线源的
图12是以规模为3×3为例的阵列天线源改变断层距掌子面距离的响应特征对比，其中，图12(a)是模型示意图，图12(b1)是改变断层距掌子面距离的图12(b2)是改变断层距掌子面距离的图12(b3)是改变断层距掌子面距离的
图13是以规模为3×3为例的阵列天线源改变断层厚度的响应特征对比，其中，图13(a)是模型示意图，图13(b1)是改变断层厚度的图13(b2)是改变断层厚度的图13(b3)是改变断层厚度的
图14是以规模为3×3为例的阵列天线源改变断层电阻率的响应特征对比，其中，图14(a)是模型示意图，图14(b1)是改变断层电阻率的图14(b2)是改变断层电阻率的图14(b3)是改变断层电阻率的
图15是以规模为3×3为例的阵列天线源不同偏移距的y响,应z)特征对比，其中，图15(a1)是模型示意图，图15(a2)是不同偏移距接收点示意图，图15(b1)是不同偏移距的图15(b2)是不同偏移距的图15(b3)是不同偏移距的
下面结合具体附图和实施对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
参见图2～图5，本实施例给出一种针对隧道瞬变电磁法超前预报的阵列天线源，包括若干发射单元，每个发射单元后面有一个外接电源，所述的发射单元由发射天线、螺旋线和底座组成，其中：
螺旋线缠绕在发射天线四周，螺旋线和发射天线中间有一层隔离层，以防止电流接触，螺旋线起消除互感作用；底座中心的凹陷处一侧为外接电源的接入口，凹陷处另一侧上有插针阵列，用于插接发射天线，底座的四周有对应的突出和凹陷，用于将若干个发射单元拼接成一体。
因为每个发射单元距离较近，所以需要在每个发射单元上采取措施来消除发射单元彼此之间的互感，发明人所采取的措施是在每个发射单元的外面套上一层螺旋环以达到消除互感的目的。
上述针对隧道瞬变电磁法超前预报的阵列天线源的使用方法，将若干发射单元有规则的排列在掌子面前方，组成阵列天线源，在进行勘测时，发射单元外接电源同时供电，在供电时一定保证供电和断电时间相等，使得发射天线同时进行发射，利用电磁波的相干特性，使能量最大化的集中在掌子面前方。
根据隧道瞬变电磁法超前探测的任务和环境的变化，可以改变发射单元的数目和发射电流以方便快捷的完成探测目标。当探测目标体规模比较大并且距离掌子面较近时，采用规模较小的阵列天线源和小发射电流就可以达到探测目的，当探测目标体距掌子面较远并且规模较小时，就需要进行远距离、高分辨率勘探。当探测规模较小时，需要较为丰富的高频谐波成分，随着时间的推迟和地层的吸收滤波作用，高频成分会被很快吸收衰减，因此需要采用较长的发射单元、扩大阵列天线规模、大发射电流提高发射功率，提高数据的信噪比。通过这种方式达到远距离、高分辨率勘探。
一、理论与分析
1、阵列天线源
图1是应用阵列天线源进行隧道瞬变电磁超前探测示意图。从示意图中可以看到，将若干发射单元有规则的放置于掌子面前方(图中展现的是3×3阵列)，每个发射单元后面有一个外接电源，在进行探测时对若干发射单元进行同时供电，在供电时一定保证供电和断电时间相等，以此保证后续数据处理时的数据可靠性。
图2为单个发射单元正面图。单个发射单元由发射天线1，螺旋线2和底座3组成，探测时主要对发射天线1进行供电，起到辐射电磁场的作用，其长度20cm，直径2cm；螺旋线2之间的螺间距为5mm，螺旋线2直径为2mm，缠绕在发射天线1四周，和发射天线1中间有一层隔离层，防止电流接触，主要起到消除互感的作用；底座3大小为10×10×3cm，采用绝缘材料制成，主要是固定发射天线1和螺旋线2，同时在底座3的四周有对应的突出和凹陷，可以将多个发射单元拼接成一体。
图3为发射单元的底座示意图，底座3底部中心有凹陷处，该凹陷处为电流接入口，凹陷处上有排列的插针阵列4，本实施例的插针阵列4采用的是5-7-7-9-7-7-5(从上到下)的插针数，可以保证较大电流接入和固定发射天线1的作用。
图4是四个发射单元拼接成一个阵列天线的正视图，因为每个发射单元的底座都是和图3一样的结构，因此还可以对更多的发射单元进行拼接。
图5是组合后的阵列天线源的底座，在接入电流时需要对每一个发射单元都进行接入。在发射单元数目较多时，这种做法虽然麻烦，但是可以保证同时接入电流。
2、阵列天线源隧道探测场特征分析
依据上述原理，采用三维时域有限差分对阵列天线源瞬变电磁隧道超前探测进行三维模拟。对比了阵列天线源和回线源瞬变电磁隧道超前探测效果。通过对比分析，可以发现阵列天线源在探测精度上比回线源有明显的优势。
为了对不同发射源隧道模型瞬变电磁响应特征进行对比分析，设计如图8(a)所示的隧道模型：隧道高和宽均等为6m，掌子面正前方40m处存在一个尺寸为50×50×5m的直立断层，断层电阻率为5Ω.m，围岩电阻率为100Ω.m，分别使用阵列源和回线源作为发射源，阵列源测点偏离阵列源中心，回线源测点位于回线源中心，将两测点响应曲线进行对比分析。阵列源参数如下：规模3×3，源长1m，源间距0.2m，发射电流1A；回线源参数如下：边长3m，匝数1匝，发射电流1A。在断层距离掌子面较远并且断层与围岩电阻率之比较小时，回线源曲线基本看不出掌子面前方断层的存在(见图8(b))，此时，阵列源的对断层的存在仍然有微弱的反应(见图8(e))，比回线源对异常体的识别能力较强，与垂直分量相比阵列源异常特征更为明显(见图8(c、d))且响应强度明显大于，即使断层距掌子面较远，电阻率之比较小的情况下仍能明显探测到断层的存在。整个模型关于x/y轴对称，因此x分量和y分量磁场响应特征一致，并且响应强度相近。通过模型对比验证了阵列源比回线源对含水地质体具有更好的识别能力，证实了与掌子面平行的分量具有比垂直分量更高的灵敏度。
为了分析阵列源的规模对三分量磁场响应特征的影响，设计如图9(a)所示的隧道模型，模型参数如下：隧道高和宽均为6m，为了进行多种情况的对比，依次模拟纯隧道腔体和掌子面正前方存在一个直立断层，断层距掌子面的距离为50m，断层规模为50×50×5m，电阻率为1Ω.m，围岩电阻率为100Ω.m，改变阵列源的规模为1×1、3×3、5×5/7×7，源长1.2m，源间距为0.2m，发射电流为50A。图9(b～c)分别为纯隧道腔体、断层距掌子面50m情况的三分量磁场响应曲线，从左到右依次为 其中磁场响应值为负值，因而在双对数坐标系中绘图时取其绝对值。通过图9可以发现，扩大阵列源的规模，磁场响应强度均随之增强，响应曲线形态不变，通过数值比较可以发现其响应强度增加的倍数与天线规模扩大的倍数具有简单的线性关系；当断层距掌子面距离为时，磁场响应曲线几乎看不出断层的存在，但是磁场曲线异常特征依然明显，能有效识别出掌子面前方的断层，并且水平分量响应强度明显大于垂直分量，说明水平分量的信号具有更高的信噪比。
为了分析阵列源的源长度对响应特征的影响，采用上述的隧道模型(见图10(a))，固定阵列源的规模为3×3，源间距为0.2m，改变阵列源的源长度为0.6m、1.2m，依次分别模拟纯隧道腔体和断层距掌子面50m四种情况，断层规模为50×50×5m，电阻率为1Ω.m，围岩电阻率为100Ω.m。图10(b～c)分别为纯隧道腔体、断层距掌子面50m的多分量磁场响应曲线，从左到右依次为通过图10可以发现，增大阵列源的源长度，磁场响应强度均随之增强，响应曲线形态不变；通过数值比较发现其响应强度增加的倍数与源长度扩大的倍数具有简单的比例关系；通过比较断层距掌子面远距离处的曲线，可以再次证明水平分量具有较高的灵敏度和信噪比，可以提高解释精度。
同样采用上述的隧道模型对阵列源的源间距对响应特征的影响进行分析(见图11(a))，固定阵列源的规模为3×3，源长度为0.6m，改变源间距为0.2m、0.6m、1.2m，分别模拟纯隧道腔体和断层距掌子面50m进行对比，断层规模为50×50×5m，电阻率为1Ω.m，围岩电阻率为100Ω.m。图11(b～c)分别为纯隧道腔体、断层距掌子面50m的多分量磁场响应曲线，从左到右依次为通过以上模型的处理结果发现，扩大源间距，和响应强度和形态没有变化，只有当断层距掌子面20m时，源距越大，异常特征越明显；源距为0.2m和0.6m时，曲线几乎重合，当源距增加到1.2m时，其响应强度增大，但增大幅度并不明显，并且响应形态不变。
为了分析断层距掌子面距离对响应特征的影响，设计了如图12(a)所示的隧道模型，模型参数如下：隧道高和宽均为6m，掌子面正前方存在一个尺寸50*50*5为直立断层，断层的电阻率为1Ω.m，围岩电阻率为100Ω.m，阵列源的规模3*3，源长1.2m，源间距为0.2m，发射电流10A，改变断层距掌子面距离40m、50m、60m、70m。图12(b)为改变断层距掌子面距离的多分量响应曲线，从左到右依次为通过图12(b)可以发现，断层距掌子面距离小于50m，曲线异常特征相对比较明显，在50m处，还能大致看出断层的存在，距离大于60m，其异常特征就比较微弱，几乎只有隧道的特征曲线重合。相比于曲线，随着距离变远，仍然有明显的异常特征，再次证实了水平分量对于含水构造体具有较好的分辨能力；随着断层距掌子面距离的变化，多分量响应曲线异常分异明显，并且呈现出有规律的变化，距离减小，异常特征更加明显且出现时刻提前。
采用上述隧道模型(见图13(a))，固定断层距掌子面距离为50m，改变断层厚度5m、10m、15m、20m。图13(b)为改变断层厚度的多分量响应曲线，从左到右依次为可以发现：此时断层距掌子面距离相同，异常特征出现时刻一致；断层厚度的变化对多分量响应曲线产生规律的影响，断层厚度越大，异常特征越明显；在断层厚度相同的情况下，和响应特征比响应特征更为明显。
同样采用上述隧道模型(见图14(a))，固定断层距掌子面距离为50m，断层厚度为5m，改变断层电阻率1Ω.m、5Ω.m、10Ω.m。图14(b)从左到右依次为随着断层与围岩视电阻率差异的减小，响应曲线的异常特征减弱，当围岩与断层的电阻率之比达到10:1时，响应曲线基本看不出异常所在，但是和响应曲线对断层仍有明显的
采用同样的参数模型(见图15(a1))，改变不同的偏移距(见图15(a2))。分别记录不同偏移距接收点的三分量磁感应强度。图15(b)从左到右依次为可以发现基本不随偏移距的改变而改变，随着偏移距的改变发生变化，偏移距越大，磁感应强度越大，并且异常特征越明显。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种针对隧道瞬变电磁法超前预报的阵列天线源，其特征在于，包括若干发射单元，每个发射单元后面有一个外接电源，所述的发射单元由发射天线、螺旋线和底座组成，其中：
螺旋线缠绕在发射天线四周，螺旋线和发射天线中间有一层隔离层，以防止电流接触，起消除互感作用；底座中心的凹陷处一侧为外接电源的接入口，凹陷处另一侧上有插针阵列，用于插接发射天线，底座的四周有对应的突出和凹陷，用于将若干个发射单元拼接成一体；
所述插针阵列是从上到下第一排为5个插针，第二排和第三排均为7个插针，第四排为9个插针，第五排和第六排均为7个插针，第七排为5个插针。
2.如权利要求1所述的针对隧道瞬变电磁法超前预报的阵列天线源，其特征在于，所述发射天线长度20cm，直径2cm。
3.如权利要求1所述的针对隧道瞬变电磁法超前预报的阵列天线源，其特征在于，所述螺旋线直径为2mm，螺旋线之间的螺间距为5mm。
4.如权利要求1所述的针对隧道瞬变电磁法超前预报的阵列天线源，其特征在于，所述外接电源在进行探测时对若干发射单元进行同时供电，在供电时一定保证供电和断电时间相等。
5.权利要求1至4其中之一所述的针对隧道瞬变电磁法超前预报的阵列天线源的使用方法，其特征在于，将若干发射单元有规则的排列在掌子面前方，组成阵列天线源，在进行勘测时，发射单元外接电源同时供电，在供电时一定保证供电和断电时间相等，使得发射天线同时进行发射，利用电磁波的相干特性，使能量最大化的集中在掌子面前方；
根据隧道瞬变电磁法超前探测的任务和环境的变化，改变阵列天线源和电源电流：
当探测目标体规模比较大并且距离掌子面较近时，采用规模较小的阵列天线源和小电流以达到探测目的；
当探测目标体距掌子面较远并且规模较小时，采用大的阵列天线源，适当缩短发射源脉宽并提高电源电流，以增加发射天线的功率，提高数据的而信噪比，达到远距离、高分辨率勘探。
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