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原文传递隧道含水构造瞬变电磁法高精度三维预报研究

论文题名：	隧道含水构造瞬变电磁法高精度三维预报研究
关键词：	隧道工程;超前地质预报;含水构造;瞬变电磁法
摘要：	随着我国高速公路和高速铁路建设逐渐向深山地区推进，山区隧道建设不断增多，山区地质结构的特殊性和复杂性，给隧道超前地质预报工作带来了新的挑战：要求探明隧道掌子面前方含水构造的真实深度、边界位置、空间展布等三维空间定位信息，为提前采取施工措施提供更加详实的信息化数据。因此研究高精度的三维超前地质预报技术迫在眉睫。在隧道含水构造预报中，瞬变电磁法是一种切实有效的手段，论文针对实现瞬变电磁法高精度三维超前地质预报目前存在的全空间和半空间数据转换、多维反演、掌子面附近金属物影响校正、三维预报和成像等4个技术问题分别进行了研究，使其能够得到较好的解决，进而实现隧道含水构造瞬变电磁法高精度三维预报，并取得以下主要研究成果：　　（1）通过数值计算和物理模拟的方法，对隧道超前地质预报用小线框源瞬变电磁法均匀全空间和半空间数据的理论转换关系进行了研究，得出在晚期条件下，两者垂直磁感应强度Bz（和变化率?Bz/?t）的关系，及两者晚期视电阻率（?sb和?sbq）的关系。并通过转换系数K实现了瞬变电磁法实际预报工作中半空间晚期视电阻率的计算，为后续拟大地电磁法二维反演提供了半空间晚期视电阻率数据。　　（2）研究并提出了隧道超前地质预报用小线框源瞬变电磁法拟大地电磁法二维反演技术。首先通过研究小线框源瞬变电磁法晚期视电阻率的特征，得出其与大地电磁法卡尼亚视电阻率有一定的相似性；之后根据瞬变电磁法和大地电磁法趋服深度近似相等，建立起两者之间的时频转换关系，并定义了时频转换系数（TFC），采用Fréchet Distance（弗雷歇距离）方法获得最佳TFC，用最佳TFC实现了晚期视电阻率向卡尼亚视电阻率的快速时频转换；再利用大地电磁法成熟的反演方法来反演拟合时频转换后的晚期视电阻率。对一维含水构造理论模型进行拟大地电磁法一维反演，对三维含水构造理论模型进行拟大地电磁法二维反演，均得到了较好的反演效果。论文提出的“拟大地电磁法二维反演技术”具有快速、稳定、精度高的特点，通过该技术可准确地获得掌子面前方含水构造的真实深度、边界位置等信息，且反演电阻率接近含水构造的真实电阻率，实现了瞬变电磁法“高精度预报”。　　（3）建立了瞬变电磁法超前地质预报物理模拟实验模型，通过物理模拟的方法，研究了交通隧道掌子面附近已支护钢架和钢筋网片对瞬变电磁法预报数据的影响规律，结果表明：影响预报数据的不可移动金属物主要为已支护的钢架，其影响主要表现为早期场值变大，随着观测时间的增加，影响逐渐减弱，晚期基本不受钢架影响；当钢架榀数大于两榀时，早期影响场值基本不随钢架榀数增加而增大；随着测点远离钢架，钢架对预报数据的影响也在减弱。从而得出结论：当瞬变电磁测线固定时，预报数据受钢架影响与测点水平位置X和观测时间t有关。据此建立了利用“比值法”校正钢架影响的校正方法和“校正系数（CF）”的二元函数，通过三维曲面拟合得到CF的具体表达式，并将其应用于物理模拟数据和实测预报数据的钢架影响校正中，校正结果均基本消除了钢架影响，在实测预报数据中提取出单纯由低阻目标体引起的低电阻率异常，为拟大地电磁法二维反演提供了无金属物干扰的晚期视电阻率数据。　　（4）建立了基于多方位阵列式三维观测系统的瞬变电磁三维超前地质预报方法，用于采集瞬变电磁法三维预报数据；依据拟大地电磁法二维反演获得的地电参数，实现了瞬变电磁法超前地质预报的三维高精度成像，成像结果可准确地获得掌子面前方含水构造的真实深度、边界位置、空间展布等三维空间定位信息，且低电阻率异常值接近含水构造的真实电阻率，实现了瞬变电磁法“三维预报”。　　基于论文以上研究成果，分别实现了瞬变电磁法“高精度预报”和“三维预报”，进而实现隧道含水构造瞬变电磁法高精度三维预报，并建立了工作技术流程，最后在实际预报工作中得以应用，对隧道掌子面前方含水断层破碎带起到准确的预报效果。
作者：	韩自强
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	蒋树屏
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022