CN112230289B - Tbm隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测方法与*** - Google Patents

Tbm隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测方法与*** Download PDF

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Abstract

本发明属于地下工程领域，提供了一种TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测方法与***。其中，TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测方法包括在掌子面上设置两个相互平行的电偶极子源，并连接这两个电偶极子源，实现瞬变电磁场的发射；在掌子面上的两电偶极子源之间均布若干电场观测点；在每个电场观测点处布设接收电极，并与发射电极连接，形成接收阵列；在两个相互平行的电偶极子源中通电；在电场观测点上采集平行于辐射源方向的二次电场分量，用于对隧洞附近地质体的相关物理参数进行解释。其通过在掘进面上布置多电性辐射源及阵列式的接收电极，能够提高探测深度和信噪比，同时提高不良地质体的分辨率。

Description

TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测方法与***
技术领域
本发明属于地下工程领域，尤其涉及一种TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测方法与***。
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。
TBM是英语Tunnel Boring Machine(隧洞掘进机)的简称，是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。正在成为我国长大隧道设计施工的主要方法。但在采用TBM进行施工的隧道中，由于存在大型金属设备，传统瞬变电磁的装置形式受到了限制，TBM自身的金属构件对二次场衰减电压的采集产生了强烈的电磁干扰，隧道内电磁环境复杂，对传统瞬变电磁探测方法干扰严重。TBM机作为一种良导体，在一次场关断后，由于电磁感应会产生较大的感应电动势，而且TBM机体积巨大、距离掌子面距离小，其所产生的感应电动势要远比掌子面前方异常体所产生的响应强烈，因此，TBM机的存在会给其垂直感应电动势带来巨大的干扰，造成低阻假异常现象，直接影响瞬变电磁法的探测能力，致使传统瞬变电磁法超前预报在TBM施工隧道中的应用遇到了较大的困难。同时，隧道内空间狭小、环境复杂，TBM本身占据了掌子面及其后方绝大多数的隧道空间，钻探与物探预报方法难以直接在掌子面上开展，同时制约了许多物探预报作业在洞内的观测***布置，所以隧洞内物探预报方法装置形式的研究与选择需要克服TBM对预报作业空间的限制。
发明人发现，在时间域和频率域中，TBM机体的电磁响应较强，一些传统的去噪方法效果较差。现阶段，基于数值模拟方法消除TBM干扰在理论模型上取得了较好的效果，但在实际应用过程中，很难做到对TBM在数值模拟方法中电磁响应的准确建模，容易造成探测结果错误。在隧道施工时，TBM机除了切割岩石，还能起到对隧洞内部软弱岩体的支护作用，故TBM机退刀距离越小越好，但TBM若与隧洞掌子面过近，传统瞬变电磁法探测收到的干扰也会成倍增加。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测方法与***，其通过在掘进面上布置多电性辐射源及阵列式的接收电极，能够提高探测深度和信噪比，同时提高不良地质体的分辨率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测方法，包括：
在掌子面上设置两个相互平行的电偶极子源，并连接这两个电偶极子源，实现瞬变电磁场的发射；
在掌子面上的两电偶极子源之间均布若干电场观测点；
在每个电场观测点处布设接收电极，并与发射电极连接，形成接收阵列；
在两个相互平行的电偶极子源中通电；
在电场观测点上采集平行于辐射源方向的二次电场分量，用于对隧洞附近地质体的相关物理参数进行解释。
本发明的第二个方面提供一种TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测***，其包括：
两个电偶极子源，相互平行设置在掌子面上，且这两个电偶极子源连接，实现瞬变电磁场的发射；
电场观测点，其均布在这两电偶极子源之间；
接收电极，其布设在每个电场观测点处，且与发射电极连接，形成接收阵列；
信号处理器，其用于当两个相互平行的电偶极子源通电后，接收每个电场观测点上平行于辐射源方向的二次电场分量，以对隧洞附近地质体的相关物理参数进行解释。
本发明的有益效果是：
本发明以多辐射源增强发射信号，并采用阵列式接收方法，采集数据量大、利于后续的高分辨揭示研究，同时利有效减少了TBM机对于瞬变电磁法探测的干扰。
本发明通过在掘进面上布置多电性辐射源及阵列式的接收电极，能够提高探测深度和信噪比，同时提高不良地质体的分辨率。
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是本发明实施例的TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测方法流程图；
图2是本发明实施例的辐射源布设示意图；
图3是本发明实施例的电场观测点接收电极布设示意图。
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。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
本实施例的TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测方法利用多辐射电性源发射，二次电场阵列接收的装置形式可以最大限度的减少了TBM瞬变电磁法探测的影响。
参照图1，本实施例的TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测方法，包括：
步骤1：在掌子面上设置两个相互平行的电偶极子源，并连接这两个电偶极子源，实现瞬变电磁场的发射，如图2所示。
在具体实施中，两个相互平行的电偶极子源用导线连接。
在掌子面上布设电偶极子源时，应设置为两个相互平行的电偶极子源，紧贴掌子面，并保证两个平行的电偶极子源供电方向相同，以保证对其接收的二次场具有加强作用；另外两平行的电偶极子源在掌子面上应竖直放置，以避免上部电偶极子源与TBM机刀盘接触，导致探测不准确。
其中，本实施例所说的电偶极子源为电偶极子辐射源。
步骤2：在掌子面上的两电偶极子源之间均布若干电场观测点。
例如：在电偶极子辐射源之间，均匀、等距的在掌子面上布设16个电场观测点，如图3所示。
此处需要说明的是，在其他实施例中，也可在两电偶极子源之间均布其他数量的电场观测点。
步骤3：在每个电场观测点处布设接收电极，并与发射电极连接，形成接收阵列。
在具体实施中，在每个电场观测点处布设接收电极，实现阵列接收形式。电极为接地电极；每个观测点都应处在接收电极的中点位置，且观测点与电极连线应与电偶极子源平行，以保证可以采集到平行于辐射源方向的二次电场分量。
步骤4：在两个相互平行的电偶极子源中通电。
步骤5：在电场观测点上采集平行于辐射源方向的二次电场分量，用于对隧洞附近地质体的相关物理参数进行解释。
由于TBM施工隧道环境下，电性源激发的辐射场与二次场分量中，电场分量的幅值强于磁场分量，且电场分量的空间分布规律对超前探测更有利，所以在接收时应选用基于电场分量采集的装置形式采集平行于辐射源方向的二次电场的x方向分量。
同时，由于TBM刀盘与掘进面间存在空隙，阻断了电场向掘进面后方的辐射，电场在不同介质的分界面上的法向分量不是连续的，辐射场的电力线几乎没有通过TBM，使得TBM不会产生二次异常电场，故电性辐射源激发下获得的二次电场x方向分量几乎不受TBM的影响。
因此，基于电场分量采集的装置形式相比基于磁场分量的采集装置对TBM机的干扰有着更好的屏蔽效果，更加适用于TBM施工的隧道。
在一个或多个实施例中，TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测***，包括：
(1)两个电偶极子源，相互平行设置在掌子面上，且这两个电偶极子源连接，实现瞬变电磁场的发射。
其中，在掘进面上进行电偶极子源布设时，要保证电偶极子源紧贴掘进面，且不与掘进面后方TBM机相连。电偶极子源对二次场的作用规律为两组电偶极子源的电流方向，如果两组电偶极子源的电流方向相同，则对接收的二次场具有加强作用，反之则相互抵消。故两电偶极子源应互相平行、方向相同，分别位于隧洞掌子面的两侧。同时，两电偶极子源若水平布设在隧洞掌子面，其辐射效果与水平放置相同，但TBM停机时，刀盘上部可能会与掘进面相连，从而导致上方的电偶极子源接触TBM刀盘，影响探测精度，故采用辐射源竖直放置。
(2)电场观测点，其均布在这两电偶极子源之间。
例如：在电偶极子辐射源之间，均匀、等距的在掌子面上布设16个电场观测点。
此处需要说明的是，在其他实施例中，也可在两电偶极子源之间均布其他数量的电场观测点。
(3)接收电极，其布设在每个电场观测点处，且与发射电极连接，形成接收阵列。
在具体实施中，在每个电场观测点处布设接收电极，实现阵列接收形式。电极为接地电极；每个观测点都应处在接收电极的中点位置，且观测点与电极连线应与电偶极子源平行，以保证可以采集到平行于辐射源方向的二次电场分量。
(4)信号处理器，其用于当两个相互平行的电偶极子源通电后，接收每个电场观测点上平行于辐射源方向的二次电场分量，以对隧洞附近地质体的相关物理参数进行解释。
本实施例以多辐射源增强发射信号，并采用阵列式接收方法，采集数据量大、利于后续的高分辨揭示研究，同时利有效减少了TBM机对于瞬变电磁法探测的干扰。
本实施例通过在掘进面上布置多电性辐射源及阵列式的接收电极，能够提高探测深度和信噪比，同时提高不良地质体的分辨率。
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。

Claims (9)

1.一种TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测方法，其特征在于，包括：
在掌子面上设置两个相互平行的电偶极子源，并连接这两个电偶极子源，实现瞬变电磁场的发射；
在掌子面上的两电偶极子源之间均布若干电场观测点；
在每个电场观测点处布设接收电极，并与发射电极连接，形成接收阵列；
在两个相互平行的电偶极子源中通电；
在电场观测点上采集平行于辐射源方向的二次电场分量，用于对隧洞附近地质体的相关物理参数进行解释；
电场观测点在两电偶极子源之间均匀等间距设置。
2.如权利要求1所述的TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测方法，其特征在于，两个相互平行的电偶极子源紧贴掌子面，且供电方向相同。
3.如权利要求1所述的TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测方法，其特征在于，两个相互平行的电偶极子源在掌子面上竖直放置。
4.如权利要求1所述的TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测方法，其特征在于，每个电场观测点在接收电极的中点位置，且电场观测点与电极连线与电偶极子源平行，以保证采集到平行于辐射源方向的二次电场分量。
5.如权利要求1所述的TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测方法，其特征在于，基于电场分量采集的装置形式采集平行于辐射源方向的二次电场的水平方向分量。
6.一种TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测***，其特征在于，包括：
两个电偶极子源，相互平行设置在掌子面上，且这两个电偶极子源连接，实现瞬变电磁场的发射；
电场观测点，其均布在这两电偶极子源之间；
接收电极，其布设在每个电场观测点处，且与发射电极连接，形成接收阵列；
信号处理器，其用于当两个相互平行的电偶极子源通电后，接收每个电场观测点上平行于辐射源方向的二次电场分量，以对隧洞附近地质体的相关物理参数进行解释；
电场观测点在两电偶极子源之间均匀等间距设置。
7.如权利要求6所述的TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测***，其特征在于，两个相互平行的电偶极子源紧贴掌子面，且供电方向相同。
8.如权利要求6所述的TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测***，其特征在于，两个相互平行的电偶极子源在掌子面上竖直放置。
9.如权利要求6所述的TBM隧道环境下的瞬变电磁抗干扰探测***，其特征在于，每个电场观测点在接收电极的中点位置，且电场观测点与电极连线与电偶极子源平行，以保证采集到平行于辐射源方向的二次电场分量。
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