CN112485833A - 基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法，通过以选定勘查钻孔为中心设置初始发射线圈Tx₀，向初始发射线圈Tx₀通以阶跃电流，将3分量探头放置在选定的勘查钻孔中，以固定间隔逐点接收感生瞬变电磁场的电磁响应信息，绘制多个初始多测道剖面曲线图，在各个初始多测道剖面曲线图中，各测点信号幅值均匀变化，判定不存在异常体，某测点信号相对上下测点信号幅值出现超过第二设定范围的变化，判定存在异常体，将该测点的深度确定为异常体中心的埋深，以实现对异常体及其埋深的探测，探测得到的结果具有较高的准确性。

Description

基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法。

背景技术

目前，为解决城市交通拥堵问题，各地区开始大规模修建地铁交通。在地铁隧道开挖过程中，必须做好异常体等不良地质体的超前预报工作，防止突水、涌泥等灾害事故的发生。由于瞬变电磁法具有对低阻体敏感的特性，工程技术专家将其引入到隧道中，用于掌子面前方含水体的超前探测。对于断面较小的隧道空间，大多采用环形扇面扫描技术，即在掘进工作面以不同角度布置多个探测方向；对于断面较大的隧道空间，大多采用多点阵列式探测方法，即在掌子面上布置发射回线，在发射回线内部以阵列方式布置测点；近来，产生了巷—孔瞬变电磁超前探测技术，即在掌子面上布置发射回线，在隧道掌子面的超前水平探孔中布置测点进行接收，以实现相应探测。上述传统的探测方法均是在地下巷道空间内进行，容易受金属干扰体影响，探测距离有限，分辨率尚无法完全满足工程需求。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法。

为实现本发明的目的，提供一种基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法，包括如下步骤：

S10，根据隧道掌子面的停头位置，在地面沿隧道中轴线选取掌子面前方第一设定范围内的勘查钻孔作为选定勘查钻孔，确定选定勘查钻孔的描述信息；所述描述信息包括相应勘查钻孔的坐标、孔深以及距掌子面的水平距离；

S30，以选定勘查钻孔为中心设置初始发射线圈Tx₀，向初始发射线圈Tx₀通以阶跃电流，以在地下产生瞬变电磁场；

S40，将3分量探头依次放置入选定勘查钻孔关联的多个钻孔中，以固定间隔逐点接收感生瞬变电磁场的电磁响应信息；所述电磁响应信息包括感应电动势或者感应磁场随时间衰减的信号响应；

S50，控制所述初始发射线圈Tx₀发射电磁波，在选定勘查钻孔内由浅至深逐点接收信号，以选定勘查钻孔的测点位置为横坐标，信号响应幅值为纵坐标，绘制多个时间点的多测道剖面曲线图，得到各个初始多测道剖面曲线图，在各个初始多测道剖面曲线图中，如果各测点信号幅值均匀变化，则判定不存在异常体，如某测点信号相对上下测点信号幅值出现超过第二设定范围的变化，则判定存在异常体，将该测点的深度确定为异常体中心的埋深。

在一个实施例中，所述基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法还包括：

S60，在以目标勘查钻孔为圆心的圆周上依次布置第一中间线圈Tx₁、第二中间线圈Tx₂、第三中间线圈Tx₃、和第四中间线圈Tx₄，逐次控制第一中间线圈Tx₁、第二中间线圈Tx₂、第三中间线圈Tx₃、和第四中间线圈Tx₄，按照步骤S40分别在各个中间线圈发射电磁波时确定目标勘查钻孔内接收的信号；所述目标勘查钻孔为存在异常体的选定勘查钻孔；

S70，分别确定各个中间线圈发射电磁波时目标勘查钻孔所接收信号对应的多测道剖面曲线图，得到各个中间多测道剖面曲线图，根据各个中间多测道剖面曲线图确定异常体相对于隧道的方位信息。

具体地，根据各个中间多测道剖面曲线图确定异常体相对于隧道的方位信息包括：

根据各个中间多测道剖面曲线图确定各个中间线圈在目标勘查钻孔内测点产生的信号幅值，如果由第一中间线圈Tx₁产生的信号幅值最大，则判定异常***于隧道中设置第一中间线圈Tx₁的方向，如果由第二中间线圈Tx2产生的信号幅值最大，则异常位于中设置第二中间线圈Tx2的方向，如果由第三中间线圈Tx₃产生的信号幅值最大，则异常位于隧道中设置第三中间线圈Tx₃的方向，如果由第四中间线圈Tx₄产生的信号幅值最大，则异常位于隧道中设置第四中间线圈Tx₄的方向。

在一个实施例中，第二中间线圈Tx₂设置在隧道中掌子面所在的方向；

所述基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法还包括：

根据异常体相对于隧道的方位信息检测异常体是否位于目标勘查钻孔与掌子面之间，若异常***于目标勘查钻孔与掌子面之间，在第二中间线圈Tx₂的回线右侧向着掌子面方向以固定间隔继续布置n个终极发射线圈，一直布置到掌子面正上方，在每个n个终极发射线圈发射电磁波时，均在目标勘查钻孔内接收信号，通过n个终极发射线圈分别对应的多测道剖面曲线图确定异常体距离掌子面的水平距离。

上述基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法，可以根据隧道掌子面的停头位置，在地面沿隧道中轴线选取掌子面前方第一设定范围内的勘查钻孔作为选定勘查钻孔，确定选定勘查钻孔的描述信息，以选定勘查钻孔为中心设置初始发射线圈Tx₀，向初始发射线圈Tx₀通以阶跃电流，以在地下产生瞬变电磁场，将3分量探头依次放置入选定勘查钻孔关联的多个钻孔中，以固定间隔逐点接收感生瞬变电磁场的电磁响应信息，控制所述初始发射线圈Tx₀发射电磁波，在选定勘查钻孔内由浅至深逐点接收信号，以选定勘查钻孔的测点位置为横坐标，信号响应幅值为纵坐标，绘制多个时间点的多测道剖面曲线图，得到各个初始多测道剖面曲线图，在各个初始多测道剖面曲线图中，如果各测点信号幅值均匀变化，则判定不存在异常体，如某测点信号相对上下测点信号幅值出现超过第二设定范围的变化，则判定存在异常体，将该测点的深度确定为异常体中心的埋深，以实现对异常体及其埋深的探测，探测得到的结果具有较高的准确性。

附图说明

图1是一个实施例的基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法流程图；

图2是一个实施例中发射线圈、勘查钻孔、隧道相对位置关系的平面图；

图3是一个实施例中发射线圈、勘查钻孔、接收点、不良地质体、隧道等相对位置关系的剖面示意图；

图4是一个实施例中确定异常体有无的多测道剖面示意图；

图5为一个实施例中不良地质体横向定位示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参考图1所示，图1为一个实施例的基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法流程图，包括如下步骤：

S10，根据隧道掌子面的停头位置，在地面沿隧道中轴线选取掌子面前方第一设定范围内的勘查钻孔作为选定勘查钻孔，确定选定勘查钻孔的描述信息；所述描述信息包括相应勘查钻孔的坐标、孔深以及距掌子面的水平距离。

上述设定范围可以为距掌子面100m的范围内。上述步骤可以根据隧道掌子面的停头位置，在地面沿隧道中轴线选取掌子面前方距掌子面100m范围内的勘查钻孔，根据所选定勘查钻孔的已有记录资料，确定勘查钻孔的坐标、孔深以及距掌子面的水平距离。

S30，以选定勘查钻孔为中心设置初始发射线圈Tx₀，向初始发射线圈Tx₀通以阶跃电流，以在地下产生瞬变电磁场。

具体地，还可以根据选定勘查钻孔地表场地情况，确定发射回线边长大小，发射回线(发射线圈，如初始发射线圈Tx₀)边长一般未5m至10m，回线边长越大探测深度越深，如果场地空间允许，尽量采用边长10m的正方形线圈作为发射回线。

在一个示例中，上述步骤首先以选定勘查钻孔为中心，按照图2所示以勘查钻孔为中心布置第一个发射线圈Tx₀(初始发射线圈Tx₀)，即线圈中心点位于勘查钻孔处，通以阶跃电流，在地下感生瞬变电磁场。

S40，将3分量探头依次放置入选定勘查钻孔关联的多个钻孔中，以固定间隔逐点接收感生瞬变电磁场的电磁响应信息；所述电磁响应信息包括感应电动势或者感应磁场随时间衰减的信号响应。

在一个示例中，可以参考图3所示，将3分量探头置于选定勘查钻孔中，按照图3所示在纵向上以固定间隔逐点接收感生瞬变电磁场的感应电动势或者是感应磁场随时间衰减的信号响应，各个点之间的点距在1m至5m这一范围内，一般按探测精度确定，点距越小探测分辨率越高。

S50，控制所述初始发射线圈Tx₀发射电磁波，在选定勘查钻孔内由浅至深逐点接收信号，以选定勘查钻孔的测点位置为横坐标，信号响应幅值为纵坐标，绘制多个时间点的多测道剖面曲线图，得到各个初始多测道剖面曲线图，在各个初始多测道剖面曲线图中，如果各测点信号幅值均匀变化，则判定不存在异常体，如某测点信号相对上下测点信号幅值出现超过第二设定范围的变化，则判定存在异常体，将该测点的深度确定为异常体中心的埋深。

上述第二设定范围可以依据探测精度进行设备。

在一个示例中，将Tx₀线圈(初始发射线圈Tx0)发射，在选定勘查钻孔内由浅至深逐点接收到的信号，以测点位置为横坐标，信号响应幅值为纵坐标，绘制不同时间的多测道剖面曲线图，如果各测点信号幅值均匀变化，无较大跳跃，则不存在异常体(如富水异常)，如某测点信号相对上下测点信号出现较大变化，则存在异常体(如富水异常)，该测点的深度即为异常体中心的埋深。如图3所示模型，异常体体积为：15×15×5m，异常中心位于图1中所示的Tx₂发射线圈正下方，埋深15m。在Tx₀中心位置处的勘查钻孔中由上至下以5m间隔布置10个测点。在图4所示的多测道剖面曲线图上，-15m测点处响应幅值相对其他测点出现了跃变，据此可推测存在异常体，异常体中心埋深-15m。

上述基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法，可以根据隧道掌子面的停头位置，在地面沿隧道中轴线选取掌子面前方第一设定范围内的勘查钻孔作为选定勘查钻孔，确定选定勘查钻孔的描述信息，以选定勘查钻孔为中心设置初始发射线圈Tx₀，向初始发射线圈Tx₀通以阶跃电流，以在地下产生瞬变电磁场，将3分量探头依次放置入选定勘查钻孔关联的多个钻孔中，以固定间隔逐点接收感生瞬变电磁场的电磁响应信息，控制所述初始发射线圈Tx₀发射电磁波，在选定勘查钻孔内由浅至深逐点接收信号，以选定勘查钻孔的测点位置为横坐标，信号响应幅值为纵坐标，绘制多个时间点的多测道剖面曲线图，得到各个初始多测道剖面曲线图，在各个初始多测道剖面曲线图中，如果各测点信号幅值均匀变化，则判定不存在异常体，如某测点信号相对上下测点信号幅值出现超过第二设定范围的变化，则判定存在异常体，将该测点的深度确定为异常体中心的埋深，以实现对异常体及其埋深的探测，探测得到的结果具有较高的准确性。

在一个实施例中，所述基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法还包括：

S60，在以目标勘查钻孔为圆心的圆周上依次布置第一中间线圈Tx₁、第二中间线圈Tx₂、第三中间线圈Tx₃、和第四中间线圈Tx₄，逐次控制第一中间线圈Tx₁、第二中间线圈Tx₂、第三中间线圈Tx₃、和第四中间线圈Tx₄，按照步骤S40分别在各个中间线圈发射电磁波时确定目标勘查钻孔内接收的信号；所述目标勘查钻孔为存在异常体的选定勘查钻孔；

S70，分别确定各个中间线圈发射电磁波时目标勘查钻孔所接收信号对应的多测道剖面曲线图，得到各个中间多测道剖面曲线图，根据各个中间多测道剖面曲线图确定异常体相对于隧道的方位信息。

具体地，根据各个中间多测道剖面曲线图确定异常体相对于隧道的方位信息包括：

根据各个中间多测道剖面曲线图确定各个中间线圈在目标勘查钻孔内测点产生的信号幅值，如果由第一中间线圈Tx₁产生的信号幅值最大，则判定异常***于隧道中设置第一中间线圈Tx₁的方向，如果由第二中间线圈Tx2产生的信号幅值最大，则异常位于中设置第二中间线圈Tx₂的方向，如果由第三中间线圈Tx₃产生的信号幅值最大，则异常位于隧道中设置第三中间线圈Tx₃的方向，如果由第四中间线圈Tx₄产生的信号幅值最大，则异常位于隧道中设置第四中间线圈Tx₄的方向。

进一步地，上述异常体相对于隧道的方位信息包括异常体的纵向位置和空间赋存方位。

在一个示例中，可以围绕目标勘查钻孔，按照图2所示依次布置Tx₁、Tx₂、Tx₃、Tx₄等4个发射线圈，逐次进行发射，在勘查钻孔内按照步骤S40分别进行信号接收。具体地，第一中间线圈Tx₁可以布置在隧道右前方，第二中间线圈Tx2可以布置在隧道正前方，第三中间线圈Tx₃可以布置在隧道左前方。在探测过程中，将4个发射线圈(第一中间线圈Tx₁、第二中间线圈Tx₂、第三中间线圈Tx₃、和第四中间线圈Tx₄)接收的数据按照步骤S50分别绘制多测道剖面图，一般情况，距异常体最近的发射线圈产生的感应信号最强，距异常体最远的发射线圈产生的感应信号最弱，因此可根据4个发射线圈信号响应幅值的相对大小确定异常体距哪一个发射线圈最近，由此确定异常体的空间赋存方位，如果由Tx₁产生的信号幅值最大，则异常位于隧道右前方，如果由Tx₂产生的信号幅值最大，则异常位于隧道正前方，如果由Tx₃产生的信号幅值最大，则异常位于隧道左前方。

在一个实施例中，第二中间线圈Tx₂设置在隧道中掌子面所在的方向；

所述基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法还包括：

根据异常体相对于隧道的方位信息检测异常体是否位于目标勘查钻孔与掌子面之间，若异常***于目标勘查钻孔与掌子面之间，在第二中间线圈Tx₂的回线右侧向着掌子面方向以固定间隔继续布置n个终极发射线圈，一直布置到掌子面正上方，在每个n个终极发射线圈发射电磁波时，均在目标勘查钻孔内接收信号，通过n个终极发射线圈分别对应的多测道剖面曲线图确定异常体距离掌子面的水平距离。

在一个示例中，初步确定异常体的纵向位置、空间赋存方位后，如果异常体处于勘查钻孔与掌子面之间，按照图2所示，在Tx₂发射回线右侧向着掌子面方向以固定间隔继续布置发射回线Tx₂₁、Tx₂₂、Tx₂₃……Tx_2n(n个终极发射线圈)，一直布置到掌子面正上方，间隔一般2m–10m，具体视横向分辨率要求而定，分辨率越高间隔越小，对于每个发射线圈，均在勘查钻孔内按照步骤S40进行接收，通过不同发射线圈接收数据的比较确定异常体距离掌子面的水平距离。

进一步地，分别在Tx₂₁、Tx₂₂、Tx₂₃……Tx_2n进行发射，以掌子面位置为坐标原点，以Tx₂₁、Tx₂₂、Tx₂₃……Tx_2n发射线圈的中心点为横坐标，绘制勘查钻孔内某一观测点的多测道剖面曲线图，曲线极值点所对应的横坐标一般与异常体中心所在的横向位置所对应，曲线极值点的横坐标即为异常体距掌子面的水平距离。如图4所示，隧道埋深20m，掌子面位于0m处；异常体15×15×5m，埋深20m，位于60m处；钻孔孔深50m，位于80m。在钻孔中由上至下以5m间隔布置10个测点，在地面从80m开始向掌子面方向以10m间隔布置发射线圈，线圈为边长10m的正方形。根据勘查钻孔0m位置处观测数据所绘制的多测道剖面图上，60m处幅值明显高于其他位置处，由此可以推断异常***于掌子面前方60m处。

进一步地，良地质体横向定位示意图可以参考图5所示。

上述基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法，可以专门用于城市地铁隧道开挖过程中，突水、涌泥、孤石等地质灾害的超前预报。该方法完全借助隧道建设前期在地表施工的勘查钻孔，围绕勘查钻孔铺设边长不大于10m的小型方形线圈作为发射回线，线圈边长具体大小视场地情况而定，场地允许条件下，边长越大越好；测量点完全布置于勘查钻孔内，采用三分量磁探头进行逐点接收，测点点距1m–5m，具体点距视探测精度要求而定，探测精度要求高则点距小。异常解释时，通过勘查钻孔内所有测点感应电动势响应或磁感应强度响应值的大小比较实现不良地质体的纵向精准定位，通过发射回线与勘查钻孔不同位置组合实现不良地质体的空间赋存方位(隧道掌子面左前方、正前方、右前方等方位)的精准定位。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10，根据隧道掌子面的停头位置，在地面沿隧道中轴线选取掌子面前方第一设定范围内的勘查钻孔作为选定勘查钻孔，确定选定勘查钻孔的描述信息；所述描述信息包括相应勘查钻孔的坐标、孔深以及距掌子面的水平距离；

S30，以选定勘查钻孔为中心设置初始发射线圈Tx₀，向初始发射线圈Tx₀通以阶跃电流，以在地下产生瞬变电磁场；

S40，将3分量探头依次放置入选定勘查钻孔关联的多个钻孔中，以固定间隔逐点接收感生瞬变电磁场的电磁响应信息；

S50，控制所述初始发射线圈Tx₀发射电磁波，在选定勘查钻孔内由浅至深逐点接收信号，以选定勘查钻孔的测点位置为横坐标，信号响应幅值为纵坐标，绘制多个时间点的多测道剖面曲线图，得到各个初始多测道剖面曲线图，在各个初始多测道剖面曲线图中，如果各测点信号幅值均匀变化，则判定不存在异常体，如某测点信号相对上下测点信号幅值出现超过第二设定范围的变化，则判定存在异常体，将该测点的深度确定为异常体中心的埋深。

2.根据权利要求1所述的基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法，其特征在于，所述基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法还包括：

S60，在以目标勘查钻孔为圆心的圆周上依次布置第一中间线圈Tx₁、第二中间线圈Tx₂、第三中间线圈Tx₃、和第四中间线圈Tx₄，逐次控制第一中间线圈Tx₁、第二中间线圈Tx₂、第三中间线圈Tx₃、和第四中间线圈Tx₄，按照步骤S40分别在各个中间线圈发射电磁波时确定目标勘查钻孔内接收的信号；所述目标勘查钻孔为存在异常体的选定勘查钻孔；

S70，分别确定各个中间线圈发射电磁波时目标勘查钻孔所接收信号对应的多测道剖面曲线图，得到各个中间多测道剖面曲线图，根据各个中间多测道剖面曲线图确定异常体相对于隧道的方位信息。

3.根据权利要求2所述的基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法，其特征在于，根据各个中间多测道剖面曲线图确定异常体相对于隧道的方位信息包括：

根据各个中间多测道剖面曲线图确定各个中间线圈在目标勘查钻孔内测点产生的信号幅值，如果由第一中间线圈Tx₁产生的信号幅值最大，则判定异常***于隧道中设置第一中间线圈Tx₁的方向，如果由第二中间线圈Tx2产生的信号幅值最大，则异常位于中设置第二中间线圈Tx2的方向，如果由第三中间线圈Tx₃产生的信号幅值最大，则异常位于隧道中设置第三中间线圈Tx₃的方向，如果由第四中间线圈Tx₄产生的信号幅值最大，则异常位于隧道中设置第四中间线圈Tx₄的方向。

4.根据权利要求2所述的基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法，其特征在于，第二中间线圈Tx₂设置在隧道中掌子面所在的方向；

所述基于小回线源地孔瞬变电磁的城市隧道异常体探测方法还包括：

根据异常体相对于隧道的方位信息检测异常体是否位于目标勘查钻孔与掌子面之间，若异常***于目标勘查钻孔与掌子面之间，在第二中间线圈Tx₂的回线右侧向着掌子面方向以固定间隔继续布置n个终极发射线圈，一直布置到掌子面正上方，在每个n个终极发射线圈发射电磁波时，均在目标勘查钻孔内接收信号，通过n个终极发射线圈分别对应的多测道剖面曲线图确定异常体距离掌子面的水平距离。

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