CN113156518B - 一种含水灾害体矢量电阻率实时超前探测方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种含水灾害体矢量电阻率实时超前探测方法。该方法包括：基于预先构建的探测环境，实时获取盾构机上的各接收偶极的电位差，各接收偶极包括各第一接收偶极和第二接收偶极；根据各接收偶极与供电偶极的相对位置关系和各接收偶极的电位差，利用稳流场电阻率计算公式进行电阻率转换，获得各接收偶极的视电阻率；以供电偶极位置为横坐标，以视电阻率为纵坐标，绘制各接收偶极的视电阻率曲线；根据各视电阻率变化曲线进行分析，确定异常体的探测结果，实现了在地下盾构机不断掘进过程中，根据接收偶极不停地接收电信号并绘制各组接收偶极的视电阻率曲线，实时探测掘进前方的含水灾害体情况，提高了超前预报结果实时性。

Description

一种含水灾害体矢量电阻率实时超前探测方法

技术领域

本申请涉及隧道工程技术领域，特别是涉及一种含水灾害体矢量电阻率实时超前探测方法。

背景技术

目前，为解决城市交通拥堵问题，我国开始大规模修建地铁交通。在地铁隧道开挖过程中，必须通过隧道超前探测技术进行探测，做好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。

隧道超前探测技术包括超前钻探法、地质雷达法、直流电阻率法、红外探测、电磁类方法以及地震波法等。针对隧道超前探测的实际需求，常常采用两种或多种技术手段综合探测。每种方法都有其适用范围和存在一定的弊端。超前钻探方法是所有探测技术中最直接、最准确的方法，同时也相当昂贵与耗时，掌子面前方的超前钻探需要把钻头以固定角度打到异常区域，岩石的软硬和流体等因素会对钻探进度和钻头方向等造成较大影响，需要极高的专业和经验。而对于短期超前预报，有地质雷达法和红外探水法，两种方法对隧道前方30m范围内的异常体探测精度较高。红外对水敏感，地质雷达法对异常体区域形态和边界反映比较清晰。对于中长期预报，即掌子面前方30-100m以内，常用的方法有直流电阻率法和电磁类方法，比如地面高密度、井下的直流超前探和掌子面瞬变电磁超前探。地面高密度方法施工相对繁琐且易受到高阻层的屏蔽；井下的直流超前探对前方的异常解释精度不甚高，容易误报；瞬变电磁法施工方便、快捷，但存在一定盲区，而且极易受到井下的电磁干扰。对于长期预报，即掌子面前方100m以上，需要用到地震波法，比如TSP超前预报，该方法需要打孔放炮，施工比较复杂与费时，可能对隧道地质结构造成一定影响。

因此，现阶段每种物探超前探测技术有各自的应用条件和适用场景，而且都是“先预报后掘进”，即预报和施工是分离的，使得超前预报结果实时性低。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高超前预报结果实时性低的含水灾害体矢量电阻率实时超前探测方法。

一种含水灾害体矢量电阻率实时超前探测方法，所述方法包括：

基于预先构建的探测环境，实时获取盾构机上的各接收偶极的电位差，各所述接收偶极包括各第一接收偶极和第二接收偶极；

根据各所述接收偶极与供电偶极的相对位置关系和各接收偶极的电位差，利用稳流场电阻率计算公式进行电阻率转换，获得各所述接收偶极的视电阻率；

以所述供电偶极位置为横坐标，以所述视电阻率为纵坐标，绘制各所述接收偶极的视电阻率变化曲线；

根据各所述视电阻率变化曲线进行分析，确定异常体的探测结果；

所述探测环境的构建方式为：

在地面沿隧道拟掘进方向的中轴线以固定间隔布置多个供电电极，相邻的所述供电电极两两组合成供电偶极；

在远离盾构机刀盘的盾构机外壳上以预设间隔弧长环绕盾构机布置预设数量的第一接收电极，在靠近盾构机刀盘的盾构机外壳上以所述预设间隔弧长环绕盾构机布置所述预设数量的第二接收电极，各所述第二接收电极对应位于，以各所述第一接收电极的布置点向盾构机刀盘方向上作平行于盾构机外壳的延长线上；

按照同一延长线上的第一接收电极和第二接收电极组成所述预设数量的第一接收偶极，以及将靠近盾构机刀盘的盾构机外壳上环绕的各所述第二接收电极的位置点两两连线，将过盾构机轴心且垂直于地面的线段上的两个第二接收电极组成第二接收偶极，各所述第一接收电极和各所述第二接收电极用于采集隧道的电信号，根据所述电信号获得各所述第一接收偶极和所述第二接收偶极隧道不同方位的电位差；

根据所述盾构机在地下不断掘进，依次向各所述供电偶极供电，形成探测环境，使所述盾构机上的各所述第一接收电极和各所述第二接收电极得以采集到电信号。

在其中一个实施例中，所述根据各所述视电阻率变化曲线进行分析，确定异常体的探测结果的步骤，包括：

根据各所述视电阻率变化曲线中是否出现极小值，确定是否探测到异常体；

当探测到异常体时，根据各所述第一接收偶极的视电阻率值相对大小关系和视电阻率变化曲线的形态，以及所述第二接收偶极的视电阻率变化曲线的异常情况，确定异常体的位置。

在其中一个实施例中，所述稳流场电阻率计算公式为：

其中，ΔU_MN为接收偶极的接收电极M与接收电极N之间的电位差，ρ_S为接收偶极的视电阻率，k为布极常数，I为供电偶极的供电电流，M为接收偶极的一个接收电极的编号，N为接收偶极的另一个接收电极的编号。

上述含水灾害体矢量电阻率实时超前探测方法，通过基于预先构建的探测环境，实时获取盾构机上的各接收偶极的电位差，各接收偶极包括各第一接收偶极和第二接收偶极；根据各接收偶极与供电偶极的相对位置关系和各接收偶极的电位差，利用稳流场电阻率计算公式进行电阻率转换，获得各接收偶极的视电阻率；以供电偶极位置为横坐标，以视电阻率为纵坐标，绘制各接收偶极的视电阻率变化曲线；根据各视电阻率变化曲线进行分析，确定异常体的探测结果，实现了在地下盾构机不断掘进过程中，根据接收偶极不停地接收电信号并绘制各组接收偶极的视电阻率变化曲线，实时探测掘进前方的含水灾害体情况，提高了超前预报结果实时性。

附图说明

图1为一个实施例中含水灾害体矢量电阻率实时超前探测方法的流程示意图；

图2为一个实施例中含水灾害体矢量电阻率实时超前探测方法的探测环境构建示意图；

图3为一个模拟的探测环境示意图；

图4为Y-Z截面(x＝0)电势分布；

图5为N₄电极电位衰减曲线示意图；

图6为正前方不同距离时M₂-N₂接收偶极视电阻率变化曲线示意图；

图7为正前方不同距离时M₄-N₄接收偶极视电阻率变化曲线示意图；

图8为正前方15m时M₂-N₂和M₄-N₄接收偶极视电阻率变化曲线对比示意图；

图9为正前方25m时M₂-N₂和M₄-N₄接收偶极视电阻率变化曲线对比示意图；

图10为正前方15m时M₂-N₂和M₄-N₄接收偶极视电阻率差变化曲线示意图；

图11为正前方25m时M₂-N₂和M₄-N₄接收偶极视电阻率差变化曲线示意图；

图12为前方15m偏右时M₂-N₂和M₄-N₄接收偶极视电阻率变化曲线对比示意图；

图13为前方15m偏左时M₂-N₂和M₄-N₄接收偶极视电阻率变化曲线对比示意图；

图14为前方15m偏右时M₂-N₂和M₄-N₄接收偶极视电阻率差变化曲线示意图；

图15为前方15m偏左时M₂-N₂和M₄-N₄接收偶极视电阻率差变化曲线示意图；

图16为前方15m偏下时M₁-N₁和M₃-N₃接收偶极视电阻率变化曲线示意图；

图17为前方15m偏上时M₁-N₁和M₃-N₃接收偶极视电阻率变化曲线示意图；

图18为正前方15m时M₁-N₁和M₃-N₃接收偶极视电阻率变化曲线示意图；

图19为正前方15m时M₁-M₃接收偶极视电阻率变化曲线示意图；

图20为正前方15m偏下时M₁-M₃接收偶极视电阻率变化曲线示意图；

图21为正前方15m偏上时M₁-M₃接收偶极视电阻率变化曲线示意图；

图22为指定位置M₂-N₂和M₄-N₄接收偶极视电阻率变化曲线示意图；

图23为指定位置M₂-N₂和M₄-N₄接收偶极视电阻率差变化曲线示意图；

图24为指定位置M₁-N₁和M₃-N₃接收偶极视电阻率变化曲线示意图；

图25为指定位置M₁-M₃接收偶极视电阻率变化曲线示意图。

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。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种含水灾害体矢量电阻率实时超前探测方法，包括以下步骤：

步骤S220，基于预先构建的探测环境，实时获取盾构机上的各接收偶极的电位差，各接收偶极包括各第一接收偶极和第二接收偶极。

其中，探测环境的构建方式为：在地面沿隧道拟掘进方向的中轴线以固定间隔布置多个供电电极，相邻的供电电极两两组合成供电偶极；在远离盾构机刀盘的盾构机外壳上以预设间隔弧长环绕盾构机布置预设数量的第一接收电极，在靠近盾构机刀盘的盾构机外壳上以预设间隔弧长环绕盾构机布置预设数量的第二接收电极，各第二接收电极对应位于，以各第一接收电极的布置点向盾构机刀盘方向上作平行于盾构机外壳的延长线上；按照同一延长线上的第一接收电极和第二接收电极组成预设数量的第一接收偶极，以及将靠近盾构机刀盘的盾构机外壳上环绕的各第二接收电极的位置点两两连线，将过盾构机轴心且垂直于地面的线段上的两个第二接收电极组成第二接收偶极，各第一接收电极和各第二接收电极用于采集隧道的电信号，根据电信号获得各第一接收偶极和第二接收偶极隧道不同方位的电位差；根据盾构机在地下不断掘进，依次向各供电偶极供电，形成探测环境，使盾构机上的各第一接收电极和各第二接收电极得以采集到电信号。

其中，固定间隔的间隔距离根据盾构机上的各第一接收电极和各第二接收电极的信号强度而定，根据预先试验，在试验中某一间隔距离下接收到的电位信号较强，可区分出异常值，则采用此间隔距离作为固定间隔的间隔距离，在一个实施例中，在隧道超前探中，以10m的间隔距离可以取得较好观测效果。

在一个实施例中，根据隧道掌子面的停头所在位置，沿着隧道拟掘进方向的中轴线在地面的投影布设测线，测线长度等于要探测掌子面前方的距离，然后以固定间隔在测线上布置多个供电电极(C₁，C₂，C₃……C_n)，相邻的供电电极两两组合成供电偶极(C₁-C₂，C₂-C₃……C_n-1-C_n)，通过给供电偶极供电，使隧道掌子面前方介质中建立起电偶极子源的稳定电流场。

在远离盾构机刀盘的盾构机外壳上以预设间隔弧长环绕盾构机布置i个的第一接收电极(M₁，M₂，M₃，M₄……M_i)，在靠近盾构机刀盘的盾构机外壳上以预设间隔弧长环绕盾构机布置j个的第二接收电极(N₁，N₂，N₃，N₄……N_j)，各第二接收电极对应位于，以各第一接收电极的布置点向盾构机刀盘方向上作平行于盾构机外壳的延长线上，按照同一延长线上的第一接收电极和第二接收电极组成预设数量的第一接收偶极(M₁-N₁，M₂-N₂，M₃-N₃，M₄-N₄，M_i-N_j)，以及将靠近盾构机刀盘的盾构机外壳上环绕的各第二接收电极的位置点两两连线，将过盾构机轴心且垂直于地面的线段上的两个第二接收电极组成第二接收偶极(M_a-M_b，a为过盾构机轴心且垂直于地面的线段上的一个第二接收电极的编号，b为过盾构机轴心且垂直于地面的线段上的另一个第二接收电极的编号)，各第一接收电极和各第二接收电极用于采集隧道的电信号，根据电信号获得各第一接收偶极和第二接收偶极隧道不同方位的电位差。

盾构机开始在隧道中掘进时，地面上的供电偶极C₁-C₂开始供电，盾构机上的各第一接收电极和各第二接收电极进行电信号采集；之后C₂-C₃供电，盾构机上的各第一接收电极和各第二接收电极进行电信号采集；紧接着C₃-C₄供电，依次进行下去至C_n-1-C_n供电，而盾构机不断前进，盾构机上的各第一接收电极和各第二接收电极不停地电信号采集。

在一个实施例中，实时获取盾构机上的各接收偶极的电位差的方式包括：

根据组成各接收偶极对应的接收电极(该接收电极为第一接收电极或第二接收电极，当接收偶极为第一接收偶极时，对应的接收电极包括一个第一接收电极和一个第二接收电极，当接收偶极为第二接收偶极时，对应的接收电极为过盾构机轴心且垂直于地面的线段上的两个第二接收电极)接收采集到的电信号，通过电位差计算公式，确定各接收偶极的电位差；电位差计算公式为：ΔU_MN＝U_M-U_N，其中，ΔU_MN为接收偶极的接收电极M与接收电极N之间的电位差，U_M为接收偶极的一个接收电极M的电位，U_M为接收偶极的另一个接收电极M的电位。

步骤S240，根据各接收偶极与供电偶极的相对位置关系，利用稳流场电阻率计算公式进行电阻率转换，获得各接收偶极的视电阻率。

在一个实施例中，稳流场电阻率计算公式为：

其中，ΔU_MN为接收偶极的接收电极M与接收电极N之间的电位差，ρ_s为接收偶极的视电阻率，k为布极常数，其单位为m，I为供电偶极的供电电流，M为接收偶极的一个接收电极的编号，N为接收偶极的另一个接收电极的编号。

其中，布极常数k根据供电的供电偶极和接收电极M、N的排列关系确定，计算布极常数k的公式如下：

其中，AM为供电电极A和接收电极M点之间的距离，BM为供电电极B和接收电极M点之间的距离，AN为供电电极A和接收电极N点之间的距离，BN为供电电极B和接收电极N点之间的距离，A为供电的供电偶极中的一个供电电极编号，B为供电的供电偶极中的另一个供电电极编号。

步骤S260，以供电偶极位置为横坐标，以视电阻率为纵坐标，绘制各接收偶极的视电阻率变化曲线。

其中，视电阻率取绝对值绘制各接收偶极的视电阻率变化曲线。

步骤S280，根据各视电阻率变化曲线进行分析，确定异常体的探测结果。

在一个实施例中，根据各电阻率变化曲线进行分析，确定异常体的探测结果的步骤，包括：

根据各电阻率变化曲线中是否出现极小值，确定是否探测到异常体；当探测到异常体时，根据各第一接收偶极的视电阻率值相对大小关系和视电阻率变化曲线的形态，以及第二接收偶极的视电阻率变化曲线的异常情况，确定异常体的位置。

其中，首先以视电阻率变化曲线的极值作为判断异常的依据，当掌子面前方有低阻异常时，视电阻率变化曲线出现极小值，由此可以确定异常体距掌子面的距离；其次，通过各第一接收偶极的视电阻率值相对大小关系和视电阻率变化曲线的形态，以及第二接收偶极的视电阻率变化曲线的异常情况，还可对异常***于盾构机掘进方向的前方偏左还是偏右和前方偏上还是偏下进行判断，结果具有较高的准确性。

如图2所示，提供一种含水灾害体矢量电阻率实时超前探测方法，以以隧道掌子面停头在地面的投影为起始点(x＝0)，沿着隧道中轴线在地面的投影布设测线100m(GPS标定测线走向方位)为例进行说明，具体步骤如下：

在地面沿隧道拟掘进方向的中轴线以间隔10m逐点打入10个供电电极(C₁，C₂，C₃……C₁₀)，根据地表土壤情况打入10cm-15cm深，使之与地表电性耦合最好，相邻的供电电极两两组合成供电偶极(C₁-C₂，C₂-C₃……C₁₀-C₁₁)，然后采用直流电源给电极供电，供电电流I＝5A，在地下建立稳定电流场。

在远离盾构机刀盘的盾构机外壳上以预设间隔弧长环绕盾构机布置4个的第一接收电极(M₁，M₂，M₃，M₄)，在靠近盾构机刀盘的盾构机外壳上以预设间隔弧长环绕盾构机布置4个的第二接收电极(N₁，N₂，N₃，N₄)。第二接收电极N₁对应位于，以第一接收电极M₁的布置点向盾构机刀盘方向上作平行于盾构机外壳的延长线上，第二接收电极N₁到第一接收电极M₁之间的距离为10m；第二接收电极N₂对应位于，以第一接收电极M₂的布置点向盾构机刀盘方向上作平行于盾构机外壳的延长线上，第二接收电极N₂到第一接收电极M₂之间的距离为10m；第二接收电极N₃对应位于，以第一接收电极M₃的布置点向盾构机刀盘方向上作平行于盾构机外壳的延长线上，第二接收电极N₃到第一接收电极M₃之间的距离为10m；第二接收电极N₄对应位于，以第一接收电极M₄的布置点向盾构机刀盘方向上作平行于盾构机外壳的延长线上，第二接收电极N₄到第一接收电极M₄之间的距离为10m。

按照同一延长线上的第一接收电极和第二接收电极组成4个第一接收偶极(M₁-N₁，M₂-N₂，M₃-N₃，M₄-N₄)，以及将靠近盾构机刀盘的盾构机外壳上环绕的各第二接收电极的位置点两两连线，将过盾构机轴心且垂直于地面的线段上的两个第二接收电极组成第二接收偶极(M₁-M₃)，各第一接收电极和各第二接收电极采集隧道不同方位的电信号。

盾构机开始掘进之后，地面的供电偶极C₁-C₂开始供电，盾构机上的各第一接收电极和各第二接收电极进行数据采集；之后C₂-C₃供电，盾构机上的各第一接收电极和各第二接收电极进行数据采集；紧接着C₃-C₄供电，依次进行下去至C₁₀-C₁₁供电，而盾构机不断前进，其上各第一接收电极和各第二接收电极不停地接收信号并绘制出各组接收偶极的视电阻率变化曲线，如此便可实现对掌子面前方异常实时动态地探测。

当各第一接收电极和各第二接收电极收到电信号之后，以各接收偶极为一组，计算各组的电位差，进一步根据各组的电位差计算成视电阻率。这里的视电阻率换算采用以均匀半空间模型的稳流场电阻率计算公式。因为隧道模型符合半空间条件，地面激发盾构机上接收。隧道内盾构机在掘进，其上地层可以看作是均匀层状介质。

电位差计算公式为：ΔU_MN＝U_M-U_N，其中，ΔU_MN为接收偶极的接收电极M与接收电极N之间的电位差，U_M为接收偶极的一个接收电极M的电位，U_M为接收偶极的另一个接收电极M的电位。

稳流场电阻率计算公式为：

其中，ΔU_MN为接收偶极的接收电极M与接收电极N之间的电位差，ρ_s为接收偶极的视电阻率，k为布极常数，其单位为m，I为供电偶极的供电电流，M为接收偶极的一个接收电极的编号，N为接收偶极的另一个接收电极的编号。

其中，布极常数k根据供电的供电偶极和接收电极M、N的排列关系确定，计算布极常数k的公式如下：

其中，AM为供电电极A和接收电极M点之间的距离，BM为供电电极B和接收电极M点之间的距离，AN为供电电极A和接收电极N点之间的距离，BN为供电电极B和接收电极N点之间的距离，A为供电的供电偶极中的一个供电电极编号，B为供电的供电偶极中的另一个供电电极编号。

以地面的供电偶极位置为横坐标，以视电阻率(取绝对值)为纵坐标，绘制各组接收偶极的视电阻率变化曲线。

在M₂-N₂或者M₄-N₄接收偶极的视电阻率变化曲线中，以极值作为判断异常的依据。如果地下空间均匀无异常，则曲线只受隧道影响，无极值出现。当盾构机掘进方向的掌子面前方存在低阻异常时，会在异常点附近形成明显的极小值，极小值点横坐标的坐标值a就是异常***于盾构机掘进方向的掌子面前方的距离。

同时，M₂-N₂、M₄-N₄两组接收偶极的视电阻率值(即视电阻率的值)相对大小关系反应了异常体是位于盾构机掘进方向的掌子面前方偏左还是偏右。首先定义x＝0到x＝a之间的曲线为首支曲线(即掌子面到异常体之间的区域)。如果首支曲线的视电阻率值M₂-N₂>M₄-N₄，那么异常体是位于盾构机掘进方向的掌子面前方偏左；如果首支曲线的视电阻率值M₂-N₂<M₄-N₄，那么异常体是位于盾构机掘进方向的掌子面前方偏右；如果首支曲线的视电阻率值M₂-N₂＝M₄-N₄，那么异常体是位于盾构机掘进方向的掌子面正前方。

为了方便判断，可以将M₂-N₂、M₄-N₄两组接收偶极的视电阻率做差((M₂-N₂)-(M₄-N₄))，以此差值作为ρ值绘制电阻率差值曲线。此时，若曲线呈现“先正后负”，则异常***于盾构机掘进方向的掌子面前方偏左；若曲线呈现“先负后正”，则异常***于盾构机掘进方向的掌子面前方偏右；若曲线始终趋于ρ＝0或围绕ρ＝0在小幅度范围内上下跳动，则异常***于盾构机掘进方向的掌子面正前方。

在M₁-N₁、M₃-N₃两组接收偶极的视电阻率变化曲线中，以两条曲线构成的首支形态特点作为判断异常位于盾构机掘进方向的掌子面前方偏上或者偏下的依据。如果首支曲线呈现“张口”的特点，变化率明显较大，则异常位于盾构机掘进方向的掌子面前方偏下；如果首支曲线呈现“平行”的特点，那么异常位于盾构机掘进方向的掌子面前方偏上；如果首支曲线呈现“闭口”的特点，则异常体既不偏上也不偏下。

另外，在M₁-M₃接收偶极的视电阻率变化曲线中，对位于盾构机掘进方向的掌子面偏上位置的异常体有单独响应，可作为M₁-N₁、M₃-N₃两组接收偶极的视电阻率变化曲线外的辅助参数，如果异常位于盾构机掘进方向的掌子面偏上方，则曲线出现极小值。对于其他方位异常，该组视电阻率变化曲线近乎平直变化。

上述含水灾害体矢量电阻率实时超前探测方法，通过基于预先构建的探测环境，实时获取盾构机上的各接收偶极的电位差，各接收偶极包括各第一接收偶极和第二接收偶极；根据各接收偶极与供电偶极的相对位置关系和各接收偶极的电位差，利用稳流场电阻率计算公式进行电阻率转换，获得各接收偶极的视电阻率；以供电偶极位置为横坐标，以视电阻率为纵坐标，绘制各接收偶极的视电阻率变化曲线；根据各视电阻率变化曲线进行分析，确定异常体的探测结果，实现了在地下盾构机不断掘进过程中，根据接收偶极不停地接收电信号并绘制各组接收偶极的视电阻率变化曲线，实时探测掘进前方的含水灾害体情况，提高了超前预报结果实时性。

为验证上述含水灾害体矢量电阻率实时超前探测方法的有效性，进行模拟，具体模拟数据如下：

如图3所示探测环境，在模拟中，异常体设置为球体，半径为5m，电阻率为1Ω·m；围岩电阻率为100Ω·m；隧道电阻率为10⁸Ω·m。分别模拟低阻球体在掌子面：正前方15m，25m和30m；前方偏右15m，偏左15m；前方偏上10m，偏下10m等不同位置。

以下各视电阻率变化曲线都是在数据取绝对值之后进行绘制：

1、均匀半空间电流场分布：供电偶极C₂-C₃工作时，半空间Y-Z方向截面(x＝0)电势分布如图4所示。取接收电极N₄的电位数据，绘制其电位衰减(取绝对值之后)如图5所示，符合地面电偶极子源的稳定电流场之电位衰减规律。

2、异常***于盾构机掘进方向的掌子面正前方的定位：如图6-图11所示，M₂-N₂与M₄-N₄两组接收偶极的视电阻率变化曲线图上各自出现极小值，那么掌子面前方有异常，并且极小值点对应横坐标的坐标值a就是异常***于掌子面前方的距离；在掌子面前方有异常的基础上，若在同一张视电阻率变化曲线图上M₂-N₂与M₄-N₄接收偶极的视电阻率值相等，那么异常***于掌子面正前方，既不偏左也不偏右；进一步地，M₂-N₂与M₄-N₄的视电阻率值之差曲线维持在0Ω·m上下振动，幅度不超过1Ω·m时(即收敛于0Ω·m)，那么异常***于掌子面正前方，既不偏左也不偏右，该判断更加直接和简便。

3、异常体横向位置的定位：如图12-图15所示，在同一张视电阻率变化曲线图中，若首支曲线视电阻率值M₄-N₄<M₂-N₂，即M₄-N₄在M₂-N₂下方，那么异常体在掌子面前方偏右；反之，若首支曲线视电阻率值M₄-N₄>M₂-N₂，即M₂-N₂在M₄-N₄下方，那么异常体在掌子面前方偏，进一步地，若M₂-N₂与M₄-N₄视电阻率值之差曲线呈现“先正后负”的特点，那么异常***于掌子面前方偏右；若M₂-N₂与M₄-N₄视电阻率值之差曲线呈现“先负后正”的特点，那么异常***于掌子面前方偏左，该判断更加直接和简便。

4、异常体纵向位置的定位：为方便比较，如图16-图21所示(采用对数坐标)，在同一张视电阻率变化曲线图上，若M₁-N₁和M₃-N₃视电阻率值曲线构成的首支呈现“张口”的特点，且变化剧烈(曲线陡峭)，那么异常位于掌子面前方偏下的位置；若M₁-N₁和M₃-N₃视电阻率值曲线构成的首支呈现“平行”的特点，那么异常位于掌子面前方偏上的位置；若M₁-N₁和M₃-N₃曲线构成的首支呈现“闭口”的特点，那么异常位于掌子面前方既不偏上也不偏下的位置，即正前方。在此基础上，特别地对于异常体出现在掌子面前方偏上的位置，M₁-M₃视电阻率值曲线会在首支出现极小值，这可以作为判断异常***于掌子面前方偏上的辅助参数。

5、空间任意方位异常体的定位：异常体坐标设为(15，-15，50)，半径r＝5m，即异常体处于掌子面前方15m，延伸范围为空间内半径为5m的球体，且偏右方偏下方，以下称为“指定位置”。图22-图25所示，可以看到，异常特征与异常体实际位置吻合，图22中两条视电阻率变化曲线都在x＝15m处出现极值；图23中曲线呈现“先正后负”的特点；图24两条曲线构成的首支形态恰为“张口”形，较陡峭。而图25和先前的模拟结果也一致。

应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

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。

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 (3)

1.一种含水灾害体矢量电阻率实时超前探测方法，其特征在于，所述方法包括：

基于预先构建的探测环境，实时获取盾构机上的各接收偶极的电位差，各所述接收偶极包括各第一接收偶极和第二接收偶极；

根据各所述接收偶极与供电偶极的相对位置关系和各接收偶极的电位差，利用稳流场电阻率计算公式进行电阻率转换，获得各所述接收偶极的视电阻率；

以所述供电偶极位置为横坐标，以所述视电阻率为纵坐标，绘制各所述接收偶极的视电阻率变化曲线；

根据各所述视电阻率变化曲线进行分析，确定异常体的探测结果；

所述探测环境的构建方式为：

在地面沿隧道拟掘进方向的中轴线以固定间隔布置多个供电电极，相邻的所述供电电极两两组合成供电偶极；

在远离盾构机刀盘的盾构机外壳上以预设间隔弧长环绕盾构机布置预设数量的第一接收电极，在靠近盾构机刀盘的盾构机外壳上以所述预设间隔弧长环绕盾构机布置所述预设数量的第二接收电极，各所述第二接收电极对应位于以各第一接收电极的布置点向盾构机刀盘方向作平行于盾构机外壳的延长线上；

将同一延长线上的第一接收电极和第二接收电极组成所述预设数量的第一接收偶极，以及将靠近盾构机刀盘的盾构机外壳上环绕的各所述第二接收电极的位置点两两连线，将过盾构机轴心且垂直于地面的线段上的两个第二接收电极组成第二接收偶极，各所述第一接收电极和各所述第二接收电极用于采集隧道的电信号，根据所述电信号获得各所述第一接收偶极和所述第二接收偶极在隧道不同方位的电位差；

随着所述盾构机在地下不断掘进，依次向各所述供电偶极供电，形成探测环境。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据各所述视电阻率变化曲线进行分析，确定异常体的探测结果的步骤，包括：

根据各所述视电阻率变化曲线中是否出现极小值，确定是否探测到异常体；

当探测到异常体时，根据各所述第一接收偶极的视电阻率值相对大小关系和视电阻率变化曲线的形态，以及所述第二接收偶极的视电阻率变化曲线的异常情况，确定异常体的位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述稳流场电阻率计算公式为：

其中，ΔU_MN为接收偶极的接收电极M与接收电极N之间的电位差，ρ_S为接收偶极的视电阻率，k为布极常数，I为供电偶极的供电电流。

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