隧道超前探水全空间瞬变电磁理论及其应用研究

摘要

随着我国高速铁路、高速公路、海底隧道工程的建设，地质灾害一直都是威胁隧道与地下工程施工安全的主要灾害。在这些地质灾害中，地下水是影响隧道修建速度和威胁工程施工安全最主要因素之一，如：岩溶溶洞、暗河、岩溶陷落柱、岩溶淤泥带和富水断层破碎带等不良地质结构体，都会给隧道与地下工程的修建和运营带来困难和危害。显然，要避免这些地质灾害的发生，隧道地质灾害超前预报就显得尤为重要。目前，超前地质预报的方法不少，这些方法在应用中各有所长。但是在施工中，探测掌子面前方的水体病害方面，尚是一个待攻克的难题。 瞬变电磁法是对充水充泥的不良地质体进行超前地质预报的新方法。瞬变电磁法对低阻充水断层、充泥充水溶洞、充水充泥破碎带等不良地质体反应灵敏。但是瞬变电磁解释技术的相对滞后，复杂的数值算法，正、反演计算需要大量的机时和内存等因素，严重制约着瞬变电磁法的发展。因此，研究二、三维模型的瞬变电磁响应具有重要的理论和现实意义。目前电磁法勘探中常用的数值模拟方法主要有：有限差分法、有限单元法、边界单元法和积分方程法等。有限差分法和有限单元法在时间域里更为方便。本文应用有限元软件ANSYS和时域有限差分编程方法对瞬变电磁场进行数值模拟，比较了两种计算方法的优劣。采用数值模拟的方法对瞬变电磁法超前地质预报进行了数值模拟分析，比较了地面半空间和地下全空间瞬变电磁传播特性。通过改变低阻异常体埋深、半径和电阻率及高阻围岩的电阻率，得到了各参数的变化对结果的敏感程度。分析研究了影响地质体响应异常的影响因素及响应异常随影响因素的变化规律。 通过数据库系统的开发，将数值模拟结果作为样本集存储到数据库中。利用开发的数据库系统管理平台将数值模拟计算结果转换为隧道瞬变电磁法标准样本库。通过管理系统实现了对数据库的管理和维护，同时可将实际工程应用结果直接转换为系统中的标准样本库。在数据比较中对同一模型下不同时间门所对于的数据赋予不同的权值，得到与实测数据最接近的模拟结果，从而形成数据库反演专家系统。利用MATLAB软件，设计和开发了一个改进的BP神经网络反演系统。该系统避免了复杂的电磁场计算，只需经过学习训练就能够解决复杂的实际问题，而且具有记忆功能，从而使瞬变电磁法的反演工作具有延续性和可继承性。针对常规线性反演方法所存在的缺陷，提出了基于最小二乘支持向量机网络非线性反演方法。以数值模拟所得到的对应20个时间点结果值作为输入数据，该结果值所对应模型的地电参数作为输出数据。通过在MATLAB中加载LSSVM函数，形成LSSVM瞬变电磁反演专家系统。 根据物理模拟相似准则，选择盐水和石墨作为实验材料模拟高阻围岩和低阻水体。研究了接收和发射线圈的电性参数对瞬变电磁信号的影响规律，根据这种影响规律，利用漆包线并采用间绕的方法绕制了实验中的接收和发射线圈，将野外使用的PROTEM47型瞬变电磁仪系统中的发射机和接收机应用于实验中，将石墨块、接收和发射线圈置于盐水槽中，通过改变石墨块大小、位置以及电阻率，来观察瞬变电磁信号受各参数的影响规律。 将三种反演专家系统应用于实际工程中，同时根据全空间视电阻率公式，采用VC编程的方法，将实际工程探测所得到的时间——响应曲线转化为深度——视电阻率曲线，将掌子面测线数据转化为深度——视电阻率断面图，对比两种计算方法的结果，说明反演专家系统在瞬变电磁反演中的可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1国内外隧道超前地质预报的研究现状

1.2瞬变电磁法综述

1.3TEM应用于隧道超前探测时所存在的不足

1.4本文研究的路线及主要内容

第2掌 全空间瞬变电磁法理论

2.1半空间瞬变电磁法的基本原理

2.2全空间瞬变电磁法的理论基础

2.2.1 两个导电半空间分界面上垂直磁偶极子的电磁场

2.2.2 多层导电介质值垂直磁偶极子电磁场

2.3全区视电阻率

2.3.1 基于磁场强度变化率定义全区视电阻率

2.3.2基于磁场强度定义的全区视电阻率

2.4基于层状理论的瞬变磁法反演方法

2.4.1 时间——深度转化基本理论

2.4.2基于烟圈理论的最简化反演

2.5小结

第3章 瞬变电磁法数值模拟

3.1电磁场有限元法

3.1.1 电磁场有限元理论

3.1.2 ANSYS模拟瞬变电磁法勘探的验证分析

3.2电磁场时域有限差分法

3.2.1 二维空间直角坐标系中时域有限差分公式推导

3.2.2吸收边界条件

3.2.3 FDTD算法计算机程序实现

3.2.4 FDTD计算程序的验证

3.2.5 时域有限差分法与有限元法的计算对比

3.3小结

第4章 隧道TEM超前地质预报数值模拟

4.1隧道全空间瞬变电磁响应——水波效应

4.2全空间与半空间导电围岩响应的关系

4.2.1 响应随延时t的变化

4.2.2 响应随电阻率p的变化

4.2.3 全空间和半空间响应幅值关系

4.3隧道中低阻体地电参数敏感度分析

4.3.1 低阻体埋深的影响

4.3.2低阻体半径大小的影响

4.3.3低阻体电阻率的影响

4.4隧道围岩地电特性敏感度分析

4.5空气介质的影响

4.6三维数值模拟

4.6.1 三维电磁场有限元理论

4.6.2计算模型

4.6.3 大地半空间瞬变电磁响应-烟圈效应

4.6.4隧道全空间瞬变电磁响应-水波效应

4.6.5 隧道中含异常体瞬变电磁全空间响应

4.7小结

第5章 瞬变电磁法数据库专家系统

5.1专家系统

5.2基于关系数据库技术的专家系统

5.3隧道瞬变电磁法专家系统的开发

5.3.1 开发平台的选择

5.3.2专家系统的结构设计

5.3.3 系统相关技术

5.3.4系统使用说明

5.4数据库专家系统的缺陷及改进

第6章 瞬变电磁法神经网络专家系统

6.1人工神经网络

6.1.1.无导师学习

6.1.2.有导师的学习

6.2 BP神经网络

6.2.1 BP神经网络结构

6.2.2训练过程

6.2.3基本BP算法的局限性

6.3基本BP算法的改进算法

6.4神经网络专家系统

6.4.1 专家系统与神经网络的区别与联系

6.4.2神经网络专家系统的工作原理

6.5神经网络专家系统的建立

6.5.1 瞬变电磁曲线的特征不变量提取法

6.5.2输出样本值的选取

6.5.3神经网络专家系统的结构和学习算法

6.5.4神经网络专家系统的图形界面

6.6神经网络专家系统的应用

6.7神经网络专家系统的不足及改进

第7章 瞬变电磁法LSSVM专家系统

7.1机器学习的基本问题

7.2统计学习理论的核心内容

7.2.1 VC维

7.2.2结构风险最小化

7.3支持向量机

7.3.1 广义最优分类面

7.3.2核函数

7.4最小二乘支持向量机

7.5 LSSVM专家系统的结构

7.6 LSSVM专家系统的应用

第8章 全空间TEM物理模拟

8.1物理模拟相似性准则

8.2模型材料及实验设备的选择和设计

8.2.1模型材料的选择

8.2.2瞬变电磁仪的选择

8.2.3发射线圈的设计

8.2.4接收线圈的设计

8.3实验方案的设计及实验过程

8.4实验结果分析

8.4.1低阻体半径的影响

8.4.2低阻体厚度的影响

8.4.3低阻体埋深的影响

8.4.4低阻体电阻率的影响

8.5 小结

第9章TEM专家系统在隧道超前探水中的应用

9.1珠海地下储气工程超前探水

9.1.1 工程概况

9.1.2瞬变电磁法超前探水

9.1.3瞬变电磁法反演

9.2明月山隧道超前探水

9.2.1 工程简介

9.2.2瞬变电磁法超前探水

9.2.3瞬变电磁法反演

9.3煤矿巷道底板探水

9.3.1 探测数据及视电阻率断面图

9.3.2瞬变电磁法反演

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研项目