隧道核磁共振全弛豫信号三维正反演方法研究

摘要

随着隧道建设的重心向地形地质条件恶劣的西部山区和岩溶地域转移，涌现出大量深长隧道工程，迫切需要一种能准确预测隧道灾害水体的方法。核磁共振作为一种可直接找水的地球物理方法，目前已经在地面找水方面取得了较多成果。为进一步探讨该方法在隧道灾害水超前预报中的应用，且同时实现含水异常的定位与含水异常赋存状态的定性分析，本文建立了基于隧道磁共振全弛豫信号的三维正反演方法。传统的核磁共振核函数多是基于均匀半空间或层状电介质进行计算的，忽略了地下电阻率分布对激发磁场的影响。本文在充分考虑电阻率不均匀体的情况下，采用有限元方法模拟了隧道掌子面前方三维核函数分布。从磁场满足的双旋度方程出发，将双旋度方程的求解转换为泛函驻点的求解；源的加载采用伪?源以避免奇异性，泛函中强加散度条件以消除“弱解”的影响；运用两组旋转矩阵计算激发场垂直于地磁场方向的分量，在核函数中加入指数衰减项模拟隧道磁共振自由感应衰减（FID）信号。为探究围岩、地磁场、线圈和含水体参数对核磁共振FID信号特征的影响，本文探讨了围岩电阻率、地磁场倾角、发射线圈匝数以及含水体规模、含水体电阻率、含水体与掌子面距离和含水体横向弛豫时间（T2）等参数。通过对比分析可知：低阻背景和地磁场倾角对核磁共振响应影响较大，发射线圈匝数对相位改变明显；大规模近距离含水体对核磁共振响应影响较大，局部低阻有一定影响，含水体弛豫时间影响信号衰减速度。这些结论为核磁共振三维反演提供了有价值的参考。
　　本研究建立了正则化的最小二乘目标函数，并结合实际对函数的解加以约束，利用基于不等式约束的最优化算法实现了三维反演。分别模拟了边长为6米和边长为4米的多匝小线圈模型，探讨其有效探测深度。在本文的模型参数设置下，6米线圈的有效探测深度约为25米，4米线圈的有效探测深度约为18米。分别模拟了含水异常与含泥异常模型，探讨其分辨能力。结果表明，对于前后分布的含水异常，核磁共振方法的分辨能力较强；对于上下分布的含水异常，核磁共振方法的分辨能力稍差。三维反演效果良好，不仅能实现掌子面前方含水异常定位，而且能给出不同弛豫时间下的部分含水量信息，从而间接获知灾害水赋存状态，实现隧道突水突泥灾害的预判，为隧道灾害治理提供有价值的参考。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 核磁共振方法研究现状

1.3 论文主要结构与内容

第二章 三维正演原理

2.1 核磁共振基本原理

2.2 激发磁场的计算

2.3 坐标旋转求取BT?

2.4 核函数分布特性

第三章 磁共振全弛豫响应影响因素分析

3.1 围岩、地磁场等参数的影响

3.2 含水体参数的影响

第四章 磁共振全弛豫信号三维QT反演

4.1 建立目标函数

4.2 不等式约束最优化

4.3 多匝小线圈探测深度研究

4.4 多匝小线圈探测分辨能力研究

第五章 总结与展望

5.1 本文研究成果与结论

5.2 下一步工作展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢