CN113311487A - 隧道掌子面发射的频率域激发极化超前探水方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种隧道掌子面发射的频率域激发极化超前探水方法及系统，对待探测地区进行地质分析，结合隧道前期开挖情况、已有地质资料及现场数据，圈定可能存在的致灾含水体大致范围，方便接下来的探测；建立频率域激发极化三维坐标系，将电偶源布置在掌子面上，接收电极点排布在掌子面后方；给电偶源供高频的交流电，每隔固定时间进行一次采集，所有接收电极全部采集一次，获取视电阻率；根据采集的视电阻率数据，反演出三维图像，确定致灾含水体的位置和三维形态；本发明可以反映出致灾含水体的三维形态与边界，显著提高了超前探水的距离，提高了超前预报准确性和可靠性。

Description

隧道掌子面发射的频率域激发极化超前探水方法与装置

技术领域

本发明属于激发极化技术领域，具体涉及一种隧道掌子面发射的频率域激发极化超前探水方法与装置。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

我国的隧道建设呈现出迅猛发展的势头，目前我国已经成为世界上隧道建设数量最多，规模最大、难度最高的国家。然而由于隧道掌子面前方含水构造的隐蔽性，在施工前期难以全面查清沿线不良地质情况，导致施工过程中往往会因此诱发突水突泥等重大灾害，严重影响了隧道建设期的施工安全，拖延了重大工程的时间。而隧道超前预报可以提前探明隧道掌子面前方的不良地质，避免重大事故的发生，为隧道的施工提供了重要的保障，近年来发挥着越来越重要的作用。

目前隧道超前预报常采用地球物理勘探方法进行。地震波、声波等方法对断层、岩性界面、岩溶空洞等具有较好的反映，而电法和电磁类预报方法对水体较为敏感，可以用来预报掌子面前方的含水体，激发极化方法对突涌水致灾含水构造由敏感的响应。目前，应用隧道超前预报探测隧道掌子面前方的致灾含水构造取得了一定的效果，特别是时间域激发极化能够实现隧道前方30m范围含水构造的定位与成像。

然而，据发明人了解，随着隧道日掘进量的增加，对较远距离探测的需求也在增加，频率域激发极化对远距离的探测具有优势，但在隧道中应用缺少合适的观测方式。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出一种隧道掌子面发射的频率域激发极化超前探水方法与装置，采用位于隧道掌子面上的电偶源作为发射源，从隧道掌子面后方采集观测数据，将频率域激发极化法应用到隧道中，可以反映出致灾含水体的三维形态与边界，显著提高了超前探水的距离，提高了超前预报准确性和可靠性，为隧道掌子面前方致灾含水体的定位和成像提供一种新的解决方案，以保障隧道的安全施工。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种隧道掌子面发射的频率域激发极化超前探水方法，包括以下步骤：

(1)对待探测地区进行地质分析，结合隧道前期开挖情况、已有地质资料及现场数据，圈定可能存在的致灾含水体大致范围，方便接下来的探测；

(2)建立频率域激发极化三维坐标系，将电偶源布置在掌子面上，接收电极点排布在掌子面后方；

(3)给电偶源供高频的交流电，每隔固定时间进行一次采集，所有接收电极全部采集一次，获取视电阻率；

(4)根据采集的视电阻率数据，反演出三维图像，确定致灾含水体的位置和三维形态。

作为可选择的实施方式，所述步骤(2)中，频率域激发极化三维坐标系中z轴为隧道掘进方向，x轴垂直于地面向上，y轴平行于地面，电偶源平行于掌子面放置在x轴或者y轴上。

作为可选择的实施方式，所述步骤(2)中，接收电极在隧道空腔内呈环形布置。

作为可选择的实施方式，所述步骤(3)中，根据拟获得的探测距离，选择合适的电流大小和发射频率。

作为可选择的实施方式，所述步骤(4)中，根据采集的数据视电阻率数据，利用最小二乘方法反演出三维图像，致灾含水体表现为明显的低阻异常

一种隧道掌子面发射的频率域激发极化超前探水装置，包括电偶源、接收电极系、导线、主机和发射机，其中：

所述电偶源为谐波电流偶极子，是携带谐波电流的电极，所述电偶源阵列安置在在掌子面上，用导线与发射机相连接；

所述接收电极系包括多个接收电极，放置在隧道掌子面后方空腔洞壁上；

所述主机与各个接收电极、发射机连接，被配置为控制发射机的频率和电流大小以满足探测需求，获取视电阻率信息，并反演得到的视电阻率信息得到三维图像。

作为可选择的实施方式，所述接收电极为不锈钢电极。

作为可选择的实施方式，各个接收电极放置在隧道掌子面后方空腔洞壁上，呈环形放置。

作为可选择的实施方式，所述主机包括控制模块、数据采集模块、数据存储模块和数据处理模块，所述控制模块用以控制发射机的频率和电流大小以满足探测需求，数据采集模块用以采集接收电极上的视电阻率信息，数据处理模块用以反演得到的视电阻率信息得到三维图像，数据存储模块用以存储收集到的视电阻率信息和三维图像。

作为可选择的实施方式，所述主机配置不同的接收电极阵列和接收电极采集次序，并配置不同的采集时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明针对目前突水突泥灾害严重威胁隧道施工期建设的问题，提出了一种新的频率域激发极化超前探水方法，在掌子面上安装电极，在有限的掌子面空间上实现了隧道内的远距离超前探水，符合节省空间、节约时间的原则，并且充分利用频率域激发极化方法对水体敏感的特性，大大提高了含水体的有效信息获取能力，提高了致灾含水体的测量精度。

本发明提出一种隧道掌子面频率域激发极化装置，可以实现数据的采集、处理和识别。装置安装在掌子面内，充分利用了有限的空间，能够最大程度的反映出所探测区域致灾含水体的方位和三维形态，对隧道施工期预防突水突泥灾害，提前预警并作出相应的防治手段具有重要的意义。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本实施例的探测流程示意图。

图2为本实施例的装置结构示意图；

其中，1、掌子面；2、接收电极系；3、电偶源位置；4、主机；5、发射机。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的目的在于提供一种频率域激发极化超前探水方法和适应隧道掌子面的频率域激发极化探水装置，具体的技术方案如下。

首先，提供一种隧道掌子面频率域激发极化超前探水方法，其流程如图1所示，包括以下步骤：

A.先对待探测区域进行地质分析，根据施工区的历史上的工程地质和水文地质信息，以及隧道开挖所展示的岩层结构信息等，相互验证，综合分析对高风险区域进行标定，为开展频率域激发极化法提供前期的地质指导。

B.以掌子面中心为零点，建立激发极化三维坐标系。z轴为隧道掘进方向，x轴垂直于地面向上，y轴平行于地面，电偶源阵列式放置在掌子面上，接收电极在掌子面后方隧道空腔洞壁上环形排列

C.数据采集。给掌子面上的电偶源供电，隧道空腔洞壁上的接收电极按圈依次由掌子面前方到后方进行采集，当所有接收电极采集完毕后，掌子面上的电偶源更换位置，接收电极再次进行采集，待掌子面上的电偶源遍历完后，数据采集完成。

D.数据采集结束后，使用传统的反演方法将视电阻率数据处理成三维图像。

其次，介绍一种适用于隧道掌子面的频率域激发极化装置，装置示意图如图2所示。具体包括电偶源、接收电极系、导线、主机、发射机等。

本实施例提供的装置中的电偶源为谐波电流偶极子，是携带谐波电流的电极。装置中的电偶源阵列安置在在掌子面上，用导线与发射机相连接。

本实施例提供的装置中的接收电极为不锈钢电极，电极放置在隧道掌子面后方空腔洞壁上，呈环形放置。

本实施例提供的装置中主机与接收电极、发射机连接，主机包括：控制模块、数据采集模块、数据存储模块、数据处理模块。控制模块用以控制发射机的频率和电流大小以满足探测需求，数据采集模块会采集接收电极上的视电阻率信息，数据处理模块反演得到的视电阻率信息得到三维图像，数据存储模块可存储收集到的视电阻率信息和三维图像，以便于后期提取存档和重新进行处理。

本实施例提供的装置应能实现数据的即时存储和成像，即应每收集一次数据就进行一次存储，进行一次成像。

本实施例提供的装置应能实现自由的数据采集，可选择不同的接收电极阵列和接收电极采集次序，可规定不同的采集时间。

装置的使用方法如下：

A.电偶源布置在掌子面上，接收电极固定在隧道掌子面后方空腔的洞壁上呈环状分布；

B.电偶源连接在发射机上，主机与发射机、接收电极等连接。

C.主机控制发射机供给电偶源高频交流电，接收电极按照从靠近掌子面到远离掌子面的次序依次采集视电阻率信号；

D.接收电极全部采集完后，掌子面上更换电偶源电极位置，接收电极继续采集，重复以上步骤直至掌子面电偶源电极已遍历完毕；

E.将收集到的数据使用最小二乘法反演为三维地质图像，含水异常体显示为低阻区域。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种隧道掌子面发射的频率域激发极化超前探水方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)对待探测地区进行地质分析，结合隧道前期开挖情况、已有地质资料及现场数据，圈定可能存在的致灾含水体大致范围，方便接下来的探测；

(2)建立频率域激发极化三维坐标系，将电偶源布置在掌子面上，接收电极点排布在掌子面后方；

(3)给电偶源供高频的交流电，每隔固定时间进行一次采集，所有接收电极全部采集一次，获取视电阻率；

(4)根据采集的视电阻率数据，反演出三维图像，确定致灾含水体的位置和三维形态。

2.如权利要求1所述的一种隧道掌子面发射的频率域激发极化超前探水方法，其特征是：所述步骤(2)中，频率域激发极化三维坐标系中z轴为隧道掘进方向，x轴垂直于地面向上，y轴平行于地面，电偶源平行于掌子面放置在x轴或者y轴上。

3.如权利要求1所述的一种隧道掌子面发射的频率域激发极化超前探水方法，其特征是：所述步骤(2)中，接收电极在隧道空腔内呈环形布置。

4.如权利要求1所述的一种隧道掌子面发射的频率域激发极化超前探水方法，其特征是：所述步骤(3)中，根据拟获得的探测距离，选择合适的电流大小和发射频率。

5.如权利要求1所述的一种隧道掌子面发射的频率域激发极化超前探水方法，其特征是：所述步骤(4)中，根据采集的数据视电阻率数据，利用最小二乘方法反演出三维图像，致灾含水体表现为明显的低阻异常。

6.一种隧道掌子面发射的频率域激发极化超前探水装置，其特征是：包括电偶源、接收电极系、导线、主机和发射机，其中：

所述电偶源为谐波电流偶极子，是携带谐波电流的电极，所述电偶源阵列安置在在掌子面上，用导线与发射机相连接；

所述接收电极系包括多个接收电极，放置在隧道掌子面后方空腔洞壁上；

所述主机与各个接收电极、发射机连接，被配置为控制发射机的频率和电流大小以满足探测需求，获取视电阻率信息，并反演得到的视电阻率信息得到三维图像。

7.如权利要求6所述的一种隧道掌子面发射的频率域激发极化超前探水装置，其特征是：所述接收电极为不锈钢电极。

8.如权利要求6所述的一种隧道掌子面发射的频率域激发极化超前探水装置，其特征是：各个接收电极放置在隧道掌子面后方空腔洞壁上，呈环形放置。

9.如权利要求6所述的一种隧道掌子面发射的频率域激发极化超前探水装置，其特征是：所述主机包括控制模块、数据采集模块、数据存储模块和数据处理模块，所述控制模块用以控制发射机的频率和电流大小以满足探测需求，数据采集模块用以采集接收电极上的视电阻率信息，数据处理模块用以反演得到的视电阻率信息得到三维图像，数据存储模块用以存储收集到的视电阻率信息和三维图像。

10.如权利要求6所述的一种隧道掌子面发射的频率域激发极化超前探水装置，其特征是：所述主机配置不同的接收电极阵列和接收电极采集次序，并配置不同的采集时间。

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