瞬變電磁法在隧道超前探測(cè)中臺(tái)車干擾校正技術(shù)研究

劉明偉

(1.招商局重慶公路工程檢測(cè)中心有限公司，重慶 400067；2.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044)

我國(guó)在隧道建設(shè)過程中遇到的地質(zhì)情況越來越復(fù)雜，因此，在施工過程中開展“高精度、高質(zhì)量”的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作已成為當(dāng)下隧道建設(shè)中的重要工作。隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作是掌握整個(gè)施工過程中隧道圍巖地質(zhì)情況，消除坍塌、突水、突泥、巖爆、冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害隱患，避免安全事故發(fā)生的重要舉措[1-2]。瞬變電磁法操作簡(jiǎn)便、成果直觀，探測(cè)距離遠(yuǎn)，工作效率高，近年來在隧道超前探測(cè)中被廣泛應(yīng)用，探測(cè)效果較好[3]。

在隧道超前預(yù)報(bào)探測(cè)中，施工臺(tái)車是較大的低阻體，其激勵(lì)的二次場(chǎng)對(duì)探測(cè)結(jié)果是干擾源，會(huì)造成瞬變電磁解譯的多解性，為提高超前預(yù)報(bào)結(jié)果的精準(zhǔn)度和可靠性，應(yīng)將該干擾源剔除[4]。本文對(duì)臺(tái)車與線框不同位置采集的數(shù)據(jù)與背景場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，獲取校正系數(shù)及校正擬合函數(shù)，對(duì)臺(tái)車干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，以解決因臺(tái)車干擾造成瞬變電磁多解性的問題。

1 臺(tái)車影響校正技術(shù)

在隧道全空間中，瞬變電磁探測(cè)的數(shù)據(jù)由臺(tái)車信號(hào)與探測(cè)前方目標(biāo)體的信號(hào)相互組合、疊加而成，該數(shù)據(jù)無法通過濾波、平滑等手段來壓制或剔除，進(jìn)而造成有效信號(hào)失真。因此，選擇合適的干擾校正方法是能否有效提高信噪比的關(guān)鍵。

1.1 校正系數(shù)的確定

隧道瞬變電磁視電阻率公式可簡(jiǎn)單表示為[5]：

(1)

令接收到的第i道感應(yīng)電位為：

(2)

在隧道全空間的工作裝置和測(cè)量條件都相同的情況下，沒有金屬干擾和有金屬干擾的歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為A0和Ai，可得到對(duì)應(yīng)i道(時(shí)窗)的校正系數(shù)為A=Ai/A0，可根據(jù)A0=Ai/A對(duì)臺(tái)車影響的數(shù)據(jù)校正處理，得到探測(cè)目標(biāo)體的真實(shí)解譯結(jié)果。

1.2 擬合函數(shù)的確定[6-8]

由于臺(tái)車干擾的存在，一般會(huì)把瞬變電磁感應(yīng)電位數(shù)據(jù)整體抬高，后期數(shù)據(jù)衰減變慢，這就造成了不同測(cè)道(時(shí)窗)的校正系數(shù)A值不同，因此校正系數(shù)A與時(shí)間i存在一定的函數(shù)關(guān)系。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)分析、擬合發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多項(xiàng)式擬合的函數(shù)與其匹配較好，通過多項(xiàng)式擬合計(jì)算可獲得校正系數(shù)A的擬合函數(shù)為y(i)，則校正后的視電阻率公式變?yōu)椋?/p>

(3)

2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)標(biāo)定

2.1 試驗(yàn)儀器及參數(shù)設(shè)置

本次試驗(yàn)采用國(guó)產(chǎn)的YCS360A 礦用本安型瞬變電磁儀，該設(shè)備輕便、抗干擾強(qiáng)和自動(dòng)化程度高，發(fā)射機(jī)發(fā)射雙極性矩形脈沖序列，占空比為 1∶1，對(duì) 50 Hz 和 60 Hz 的工頻電有抑制功能?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示[9-12]。

表1 儀器參數(shù)設(shè)置Table 1 Instrument parameters setting

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為獲取實(shí)際開挖過程中施工臺(tái)車對(duì)瞬變電磁數(shù)據(jù)的影響程度，課題組選擇正在開挖的隧道按照1∶1模型進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)試驗(yàn)，在同樣背景場(chǎng)的條件下，通過調(diào)整施工臺(tái)車與線框的距離，獲取不同位置的瞬變電磁信號(hào)(每次3組信號(hào)，取平均值)，如圖1所示。隧道內(nèi)狹窄的工作場(chǎng)地，臺(tái)車移動(dòng)距離有限，為此將臺(tái)車移動(dòng)至距離線框70 m處的場(chǎng)選擇為背景場(chǎng)[13-15]，如圖2所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.1 Design of field detection test

通過數(shù)值模擬和模型模擬試驗(yàn)，獲取了瞬變電磁信號(hào)在施工臺(tái)車距離瞬變電磁線框大于30 m時(shí)，臺(tái)車對(duì)瞬變電磁二次場(chǎng)的影響程度趨于一致的試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件，設(shè)置40 m～70 m段施工臺(tái)車移動(dòng)間距5 m，在40 m～2 m段施工臺(tái)車移動(dòng)間距2 m。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 背景場(chǎng)獲取

現(xiàn)場(chǎng)在沒有臺(tái)車影響下，獲取了14組原始數(shù)據(jù)，通過對(duì)14組數(shù)據(jù)取平均值，可獲得背景場(chǎng)感應(yīng)衰減值，結(jié)果如圖3所示。

圖3 背景場(chǎng)數(shù)值Fig.3 Background field value

3.2 臺(tái)車與線框間距70 m～40 m干擾校正系數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)將臺(tái)車按照5 m間距移動(dòng)由70 m移動(dòng)至40 m處，共采集了A40，A45，A50，A55，A60，A65，A70等7處的瞬變電磁場(chǎng)，每處采集3組數(shù)據(jù)，取平均值為該處的瞬變電磁場(chǎng)信號(hào)，再與背景場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，獲得不同位置的比值A(chǔ)及不同位置A與采樣時(shí)間的曲線，如圖4所示。

由圖4可見，在70 m～40 m區(qū)段，不同位置處的A值可見，隨著時(shí)間增加，在中期數(shù)據(jù)中，臺(tái)車與線框距離越小，A值越大，在后期數(shù)據(jù)中，A值基本上趨于一致。說明在70 m～40 m段，臺(tái)車對(duì)瞬變電磁信號(hào)的影響主要集中在中間時(shí)間，對(duì)于后期的數(shù)據(jù)來說，其影響會(huì)慢慢降低，后基本趨于一致。

圖4 臺(tái)車與線框不同位置(70 m～40 m)校正系數(shù)A及擬合曲線Fig.4 Correction coefficient A and fitting curve at different positions (70 m～40 m) of trolley and wireframe

3.3 臺(tái)車與線框間距40 m～2 m干擾校正系數(shù)

將臺(tái)車按照2 m間距移動(dòng)由40 m移動(dòng)至2 m處，共采集20處不同位置時(shí)候的瞬變電磁場(chǎng)，每處采集3組數(shù)據(jù)，取平均值為該處的瞬變電磁場(chǎng)信號(hào)，再與背景場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，獲得不同位置的比值A(chǔ)及不同位置A與采樣時(shí)間的曲線，如圖5所示。

圖5 臺(tái)車與線框不同位置(40 m～2 m)校正系數(shù)A及擬合曲線Fig.5 Correction coefficient A and fitting curve at different positions (40 m～2 m) of trolley and wireframe

由圖5可見，在40 m～2 m區(qū)段，不同位置處的校正系數(shù)A值可見，隨著時(shí)間增加，在中期數(shù)據(jù)中，臺(tái)車與線框距離越小，A值越大，在后期數(shù)據(jù)中，30 m～40 m段數(shù)據(jù)基本上趨于一致，A值在1倍附近；在30 m～2 m段，數(shù)據(jù)隨著臺(tái)車與線框距離越來越小，A值越來越大，集中分布在2倍附近。這說明在40 m～30 m段，臺(tái)車對(duì)瞬變電磁信號(hào)的影響主要集中在中間時(shí)間，對(duì)于后期的數(shù)據(jù)來說，其影響會(huì)慢慢降低，后基本趨于一致。在30 m～2 m段，臺(tái)車對(duì)瞬變電磁信號(hào)的影響主要集中在中間及更深部位。因此，為保證瞬變電磁采集過程中的中后期數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)，應(yīng)保證臺(tái)車與探測(cè)線框間距30 m以上。

3.4 不同位置臺(tái)車影響校正擬合函數(shù)

通過在開挖隧道中進(jìn)行1∶1現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)，獲取施工臺(tái)車與瞬變電磁線框不同間距的感應(yīng)電位數(shù)值，與背景場(chǎng)對(duì)比后得到不同間距的校正系數(shù)A，繪制了校正系數(shù)A隨采樣時(shí)間的曲線圖，并通過擬合獲取不同間距的擬合曲線，見表2。

表2 不同位置的擬合曲線Table 2 Fitting curves at different positions

以上擬合函數(shù)提供了不同時(shí)窗下的校正系數(shù)A，在有臺(tái)車干擾情況下，通過對(duì)不同時(shí)窗i求取相應(yīng)時(shí)窗的感應(yīng)電位校正系數(shù)A(i)，通過前面提到的公式(2)，計(jì)算可得校正后的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)為A0=Ai/A(i)。

4 工程技術(shù)應(yīng)用

采用擬合函數(shù)校正法對(duì)隧道瞬變電磁超前預(yù)報(bào)干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，對(duì)比分析校正前后的視電阻率斷面圖，以驗(yàn)證校正方法的有效性。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于仰拱開挖，臺(tái)車只能移動(dòng)至30 m處，使得探測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生畸變，中后期數(shù)據(jù)被抬高，造成信噪比降低。利用前面擬合獲得的臺(tái)車與線框間距30 m處的擬合曲線為：A(i)=0.000 003i3+0.000 4i2+0.004 5i+0.921 4；前文得到了沒有金屬干擾和有金屬干擾的歸一化感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分布為A0和Ai，校正系數(shù)A=Ai/A0,可得到?jīng)]有金屬干擾下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)A0=Ai/A(i)。處理后的成圖對(duì)比如圖6、圖7所示。

圖6 未校正的視電阻率斷面Fig.6 Cross section of uncorrected apparent resistivity

圖7 校正后的視電阻率斷面Fig.7 Cross section of corrected apparent resistivity

校正前的視電阻率斷面如圖6所示。由圖6可知，探測(cè)前方有效信號(hào)被干擾響應(yīng)覆蓋，顯示為探測(cè)前方40 m～70 m左側(cè)整體低阻異常，不能排除該處掌子面前方左測(cè)是否具有導(dǎo)通性，無法辨別實(shí)際低阻異常范圍。

經(jīng)過校正后的視電阻率斷面如圖7所示。由圖7可知，視電阻率整體被抬高，40 m～70 m處基本上無明顯低阻區(qū)。金屬干擾的響應(yīng)得到剔除，校正后的視電阻率斷面圖可反映隧道前方巖層的典型特征。開挖后，掌子面一直處于比較干燥的狀態(tài)，前方揭露無水，取得良好的探測(cè)效果。

5 結(jié)論

1) 瞬變電磁探測(cè)隧道水害過程中，臺(tái)車對(duì)瞬變電磁探測(cè)的影響強(qiáng)弱隨臺(tái)車與線框的距離增大而減小，通過擬合校正系數(shù)和擬合函數(shù)，在確保不失真的條件下剔除金屬干擾，準(zhǔn)確地還原地層的真實(shí)電性特征，提高了臺(tái)車干擾下的瞬變電磁探測(cè)含水體的準(zhǔn)確性。

2) 通過對(duì)臺(tái)車的影響校正，可減小探測(cè)過程中臺(tái)車移動(dòng)的距離，減少探測(cè)對(duì)施工的影響。