CN111913226A - 基于航空物探三维反演结果的铁路隧道极高地应力识别法 - Google Patents

基于航空物探三维反演结果的铁路隧道极高地应力识别法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于航空物探三维反演结果的铁路隧道极高地应力识别法。利用航空物探三维反演结果快速识别铁路隧道是否存在极高地应力，为铁路选线提供依据。其步骤为：1)对在铁路隧道上方采集的多条测线的航空ZTEM数据，经过数据预处理后，进行MTZ3Dinv三维反演，形成电阻率三维成果图，并据此提取隧道纵断面及隧道洞身切平面电阻率等值线图；2)对与ZTEM同时搭载采集的航空磁测资料经过预处理及正常场校正后得到的TMI资料，进行MVI三维反演，反演结果经过处理形成磁化率三维成果图，并据此提取隧道纵断面及隧道洞身切平面磁化率等值线图；3)磁化率、电阻率特征分析；4)构造单元及岩性特征分析：5)满足步骤3)‑4)特征条件，则存在极高地应力。

Description

基于航空物探三维反演结果的铁路隧道极高地应力识别法
技术领域：
本发明属于航空地球物理勘探及其工程地质应用领域，具体涉及一种基于航空物探三维反演结果的铁路隧道极高地应力识别法。
背景技术：
航空ZTEM(Z-axis Tipper Electromagnetics)系统是加拿大Geotech公司专有的Z轴倾子电磁系统的简称。系统搭载在直升机上，在空中测量天然场的垂直磁场Hz的时间序列信号，在地面基站测量两个相互垂直的天然水平磁场Hx、Hy的时间序列信号。在对数据进行滤波、叠加、姿态校正、去除噪声等处理后，进行傅利叶变换计算不同频率的倾子矢量数据。
ZTEM倾子数据使用加拿大不列颠哥伦比亚大学地球物理反演实验室(UBC-GIF)开发的MTZ3Dinv软件进行三维反演。正反演理论可参考Elliot Holtham and DouglasW.Oldenburg的文章《Three-dimensional inversion of ZTEM data》(Geophys.J.Int.(2010)182,168–182)。
航空磁测资料经过预处理及正常场校正后得到TMI(总磁场强度)，再进行磁化强度矢量(Magnetization Vector Inversion，MVI)三维反演(反演可在GEOSOFT系统下专用MVI模块下进行)。
早期的磁化率3D点云反演(3D voxel-based modelling)，只考虑感应磁场的影响，是在假设地球磁场方向与磁异常方向相同的基础上进行的三维反演。但是近年来的研究中发现，剩磁及其他因素的影响是普遍存在的。此时磁异常的方向与地球磁场方向并不相同，使得磁化率3D点云反演结果与实际情况存在较大偏差，进而影响对资料的分析，导致解释不准确。
Robert G.Ellis于2012年提出了磁化强度矢量三维反演(Magnetization VectorInversion，简称MVI)。该技术在无需事先了解剩磁方向或强度的前提下，通过对模型单元体磁化强度矢量的反演，有效克服了剩磁对感应磁场的影响。(具体算法可参考Ellis,R.G.,de Wet,B.,MacLeod,I.N.(2012),Inversion of magnetic data for remanent andinduced sources.ASEG Extended bstracts 2012,1–4。)
《铁路挤压性围岩隧道技术规范》Q/CR 9512-2019：按岩石饱和单轴抗压强度Rc与岩体最大初始应力σmax比值进行判定。当Rc/σmax＝4～7为高地应力，Rc/σmax<4为极高地应力。岩体同时具备高地应力、岩质软弱、较破碎-破碎的地段，极易产生挤压性大变形；深埋隧道中，遇坚硬、致密、性脆、干燥的岩层，在高地应力作用下可能发生岩爆，影响隧道施工。
判断隧道围岩地应力是否是高地应力或极高地应力，需要在钻孔中测试和岩样标本测试，才可以判定。
利用航空物探(ZTEM、TMI)三维反演结果，进行隧道围岩否是存在极高地应力的识别，目前没有先例。
发明内容：
有鉴于此，本发明提供一种基于航空物探三维反演结果的铁路隧道极高地应力识别法。
为解决现有技术存在问题，本发明的技术方案是:
基于航空物探三维反演结果的铁路隧道极高地应力识别法的步骤为：
1)对在铁路隧道上方采集的多条测线的航空ZTEM数据，经过数据预处理后，进行MTZ3Dinv三维反演，反演结果形成电阻率三维成果图，并据此提取隧道纵断面及隧道洞身切平面电阻率等值线图；
2)对与ZTEM同时搭载采集的航空磁测资料经过预处理及正常场校正后得到的TMI资料，进行MVI三维反演，反演结果经过处理形成磁化率三维成果图，并据此提取隧道纵断面及隧道洞身切平面磁化率等值线图；
3)磁化率特征分析：
4)电阻率特征分析：
5)构造单元及岩性特征分析：
6)满足步骤3)-5)特征条件，隧道纵断面的似水平状高电阻率等值线展布区域则存在极高地应力。
进一步，步骤3)的磁化率特征分析：
研究区域磁化率的大小及等值线形态特征与本区岩性或构造的分布是否存在符合本区解释规律的正常对应关系，判断方法为：纵断面磁化率等值线竖向梯度带反映了本区的岩性接触关系，或相对两侧存在较低磁化率竖向条带状特征反映了断层破碎带，且与之对应位置的切平面磁化率等值线梯度带走向与地质调绘的岩性接触或断层破碎带走向一致；则说明磁化率的大小及等值线形态特征是岩性或构造带的正常反应，因为局部区域的极高地应力场不改变岩性、构造带的磁化率特征；
进一步，步骤4)电阻率特征分析：
研究区域的高电阻率特征变化是否反映本区的岩性接触或断层破碎带等构造特征，判断方法为：
a.纵断面中存在几千米至十几千米长范围的高电阻率等值线似水平状展布；
b.电阻率的大小远高于1.5～3倍本区岩性电阻率的背景值；
c.依据磁化率特征解释的岩性接触或断层破碎带等构造线，通常穿过纵断面和切平面极高电阻率等值线的中心地带，则说明研究区域的高电阻率特征变化无法反映本区的岩性接触或断层破碎带等构造特征，因为局部区域的极高地应力场使岩石或断层破碎带等构造位置的电阻率明显升高。
进一步，步骤5)构造单元及岩性特征分析的具体方法为：测区在缝合带的影响范围内，岩性属于侵入岩及其正变质岩。
与现有技术相比，本发明的优点如下:
本发明利用航空物探(ZTEM、TMI)三维反演结果可以快速识别铁路隧道是否存在极高地应力，为铁路选线提供依据，极大地节省了勘探周期，及深孔钻探的时间和费用。
附图说明：
图1为某隧道纵断面ZTEM三维反演电阻率部分等值线图；
图2为某隧道纵断面航磁(TMI)MVI三维反演磁化率部分等值线图；
图3为某隧道洞身切平面ZTEM三维反演电阻率部分等值线图；
图4为某隧道洞身切平面航磁(TMI)MVI三维反演磁化率部分等值线图。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例提供一种基于航空物探三维反演结果的铁路隧道极高地应力识别法：其步骤为：
1.对在铁路某隧道上方采集的多条测线的航空ZTEM(Z轴倾子大地电磁法)数据，经过数据预处理后，进行MTZ3Dinv(UBC)三维反演，反演结果形成电阻率三维成果图，并据此提取某隧道纵断面(参见图1)及隧道洞身切平面电阻率等值线图，参见图3；
2.对与ZTEM同时搭载采集的航空磁测资料经过预处理及正常场校正后得到的TMI资料，进行MVI(磁化强度矢量)三维反演，反演结果经过必要的处理形成磁化率三维成果图，并据此提取某隧道纵断面(参见图2)及隧道洞身切平面磁化率等值线图，(参见图4)；
3.磁化率特征分析：如图2、图4显示，本区片麻岩的磁化率形态分布及大小与本区岩性存在较好的对应关系；纵断面磁化率等值线竖直梯度带或相对低磁化率条带特征反映了本区的断层破碎带，如f5-5、f5-6,且与之对应位置的切平面磁化率等值线梯度带走向与地质调绘的断层破碎带走向一致。也就是说，磁化率对岩性、构造反应正常；
4.电阻率特征分析：图1纵断面电阻率等值线呈现为异常分布，即a.断面中存在几千米至十几千米长大范围的似水平状高电阻率等值线展布,如虚线方框显示；b.虚线方框中的电阻率(高达12000欧姆米以上)远高于(1.5～3倍)本区片麻岩电阻率的背景值(5000欧姆米左右)；c.图2、图4中磁化率反映的f5-5、f5-6断层，在图1纵断面和图3切平面中横穿电阻率等值线为极高电阻率(高达12000欧姆米)的中心位置，对岩性、构造没有对应的反应。也就是说，电阻率对岩性、构造的反应与磁化率的反映不一致，非正常；
5.构造单元及岩性特征分析：测区在雅江缝合带的影响范围内，构造应力场极为复杂，片麻岩为正变质岩，属于硬质岩；
6.满足3～5特征条件，隧道纵断面的似水平状高电阻率等值线展布区域存在极高地应力。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于航空物探三维反演结果的铁路隧道极高地应力识别法，其特征在于：所述的识别方法的步骤为：
1)对在铁路隧道上方采集的多条测线的航空ZTEM数据，经过数据预处理后，进行MTZ3Dinv三维反演，反演结果形成电阻率三维成果图，并据此提取隧道纵断面及隧道洞身切平面电阻率等值线图；
2)对与ZTEM同时搭载采集的航空磁测资料经过预处理及正常场校正后得到的TMI资料，进行MVI三维反演，反演结果经过处理形成磁化率三维成果图，并据此提取隧道纵断面及隧道洞身切平面磁化率等值线图；
3)磁化率特征分析：
4)电阻率特征分析：
5)构造单元及岩性特征分析：
6)满足步骤3)-5)特征条件，隧道纵断面的似水平状高电阻率等值线展布区域则存在极高地应力。
2.根据权利要求1所述的基于航空物探三维反演结果的铁路隧道极高地应力识别法，其特征在于：所述的步骤3)的磁化率特征分析：
研究区域磁化率的大小及等值线形态特征与本区岩性或构造的分布是否存在符合本区解释规律的正常对应关系，判断方法为：纵断面磁化率等值线竖向梯度带反映了本区的岩性接触关系，或相对两侧存在较低磁化率竖向条带状特征反映了断层破碎带，且与之对应位置的切平面磁化率等值线梯度带走向与地质调绘的岩性接触或断层破碎带走向一致；则说明磁化率的大小及等值线形态特征是岩性或构造带的正常反应。
3.根据权利要求1或2所述的基于航空物探三维反演结果的铁路隧道极高地应力识别法，其特征在于：所述的步骤4)电阻率特征分析：
研究区域的高电阻率特征变化是否反映本区的岩性接触或断层破碎带等构造特征，判断方法为：
a.纵断面中存在几千米至十几千米长范围的高电阻率等值线似水平状展布；
b.电阻率的大小远高于1.5～3倍本区岩性电阻率的背景值；
c.依据磁化率特征解释的岩性接触或断层破碎带等构造线，通常穿过纵断面和切平面极高电阻率等值线的中心地带，则说明研究区域的高电阻率特征变化无法反映本区的岩性接触或断层破碎带等构造特征。
4.根据权利要求3所述的基于航空物探三维反演结果的铁路隧道极高地应力识别法，其特征在于：所述的步骤5)构造单元及岩性特征分析的具体方法为：测区在缝合带的影响范围内，岩性属于侵入岩及其正变质岩。
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