一种隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法

摘要

本发明公开了一种隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法，首先将采集信号中将TBM机理论响应减去，祛除部分TBM响应，经过数学变换关系及相应信号处理，将瞬变电磁扩散场信号转换成满足独立分量分析要求的虚拟波场信号；其次采用信息独立分量分析算法进行TBM干扰分离,提取隧道瞬变电磁地质特征信号；最后利用Born近似反演实现地下介质虚拟波场反演成像，结合全域视电阻率定义实现对隧道掌子面前方地质异常的解释，完成TBM开挖隧道的瞬变电磁超前地质预报。本发明能够有效的提取掌子面前方低阻地质异常信息、压制TBM机干扰，有效解决TBM施工隧道中瞬变电磁法超前预报的关键问题。

说明书

技术领域

本发明属于地球物理探测领域，特别涉及一种隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法。

背景技术

我国西部地区的隧道及地下工程具有“埋深大、洞线长、地质复杂、地势险峻”的特点，主要采用全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)进行开挖。但在TBM施工隧道中，由于大型金属设备的电磁响应干扰严重，致使瞬变电磁法超前预报在TBM施工隧道中的应用遇到了较大的困难。如何有效的提取掌子面前方低阻地质异常信息、压制TBM机干扰，成为瞬变电磁法超前预报能否成功应用于TBM施工隧道的关键问题。

由于TBM机电磁响应强，并且在时间与频率上与地下介质响应有重合，传统的去噪方法很难取得良好效果。在瞬变电磁TBM干扰消除方面，研究人员尝试基于FDTD正演方法计算了含有TBM和地下异常的总响应、无TBM影响的纯异常响应以及纯TBM响应，在总场(含有TBM、地下异常的总响应)中直接减去TBM的响应，得到了纯地下异常的响应，基于数值模拟方法消除TBM干扰，在理论模型实现方面取得了较好的效果，但是该法依赖于对TBM的准确建模，直接减去与实际不符的理论TBM响应，容易引入新的异常或者掩盖真实地质灾害，造成错误预报，实际应用效果受到制约。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法，解决TBM施工条件下瞬变电磁隧道超前预报的难题，满足隧道超前探测的要求。

为了实现上述任务，本发明所采用如下的技术方案：

一种隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法，包括以下步骤：

步骤1，将采集信号中的TBM机理论响应减去，得到过校正或者欠处理的瞬变电磁衰减信号，将瞬变电磁衰减信号转换成满足独立分量分析要求的虚拟波场信号；

步骤2，采用最小互信息独立分量分析算法进行TBM干扰信号的分离；

步骤3，进行地下介质虚拟波场反演成像，结合全域视电阻率定义实现对隧道掌子面前方地质异常的解释。

进一步地，步骤1所述的TBM机理论响应的确定方法包括：

根据TBM机的设计图纸，采用计算机建模的方式对TBM机的结构和零件的物质属性进行三维建模，在计算机中生成可供时域有限差分方法使用的隧道环境下的TBM三维模型，然后通过时域有限差分方法计算TBM机在隧道环境下的瞬变电磁回线源响应特征，即TBM机理论响应。

进一步地，步骤1中所述的将瞬变电磁衰减信号转换成满足独立分量分析要求的虚拟波场信号的转换表达式为：

上式中，x,y,z是空间坐标，t是时间变量，τ是虚拟时间变量，f(x,y,z,t)为瞬变电磁衰减信号，U(x,y,z,τ)为虚拟波场信号。

进一步地，步骤1在进行虚拟波场信号转换时，首先对采集的瞬变电磁衰减信号设定时间窗口，并在采集的瞬变电磁衰减信号的时间序列上滑动所述的时间窗口，对每一次滑动后时间窗口内选取的瞬变电磁衰减信号按照式1进行波场反变换；其次，对所述采集的瞬变电磁衰减信号使用正则化的方法按照式1进行波场反变换；最后，将两次波场反变换的结果进行叠加，从而得到采集的瞬变电磁衰减信号的虚拟波场信号。

进一步地，步骤2中所述的最小互信息独立分量分析算法采用互信息极小化判据，表示为：

上式中，x是反变换后的虚拟波场信号，y是输出信号，y_i是输出信号y中的元素，m是输出信号个数，B是分离矩阵，logB|为分离矩阵信息度量，H(·)为信息熵。

进一步地，步骤2中所述的采用最小互信息独立分量分析算法采用自然梯度法进行优化，通过将常规梯度用自然梯度代替，从而简化调节参数时的分离矩阵求逆计算，保证计算的稳定性。

进一步地，步骤3中所述的进行地下介质虚拟波场反演成像所采用的反演方法为Born近似法。

进一步地，所述的进行地下介质虚拟波场反演成像的方法为：通过解下面的积分方程可以得到速度扰动，并获得地下介质的界面位置，以实现反演成像：

上式中，U_i为入射场，U_s为散射场，α(r)为空间速度扰动，C₀(r)为介质背景速度，G(r_g,r,ω)为均匀全空间背景速度模型格林函数，r_s为激发源的位置，r_g为接收点位置，ω是电磁场的频率。

进一步地，所述的全域视电阻率定义，包括以下步骤：

首先计算均匀全空间介质中回线源形成的瞬变电磁响应，然后不断改变均匀全空间的电阻率取值，获取对应的瞬变电磁响应，然后，不断改变均匀全空间的电阻率取值，获取对应的瞬变电磁响应，并分析瞬变电磁响应与均匀全空间电阻率之间的函数关系；最后，利用反函数原理，将瞬变电磁响应关于均匀全空间电阻率的函数进行泰勒展开，并根据瞬变电磁响应与均匀全空间电阻率之间的函数关系确定迭代计算的电阻率取值区间，实现全域视电阻率的迭代计算。

一种隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报系统，包括依次连接的虚拟波场信号转换模块、干扰信号分离模块以及解释模块，其中：

所述的虚拟波场信号转换模块用于将采集信号中的TBM机理论响应减去，得到过校正或者欠处理的瞬变电磁衰减信号，将瞬变电磁衰减信号转换成满足独立分量分析要求的虚拟波场信号；

所述的干扰信号分离模块采用最小互信息独立分量分析算法进行TBM干扰信号的分离；

所述的解释模块用于进行地下介质虚拟波场反演成像，结合全域视电阻率定义实现对隧道掌子面前方地质异常的解释。

本发明与现有技术相比，具有以下技术特点：

1.本发明不仅得到了稳定的波场变换，又实现了波场的多分辨分析，在瞬变电磁波场变换的前提下，利用最小互信息独立分量分析算法进行TBM干扰分离实现地质灾害特征信号提取与TBM强干扰压制，保证了TBM隧道中瞬变电磁隧道超前预报的有效应用。

2.本发明将Born反演界面与视电阻率成像结果进行综合解释，近似实现虚拟波动方程逆散射反演，对掌子面前方地质体进行成像，有助于低阻异常的圈定，实现TBM隧道瞬变电磁超前预报，解决TBM施工条件下瞬变电磁隧道超前预报的难题，满足隧道超前探测的要求。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是独立分量算法的示意图；

具体实施方式

参照图1，本发明公开了一种隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法，包括以下步骤：

步骤1，将采集信号中的TBM机理论响应减去，得到过校正或者欠处理的瞬变电磁衰减信号，将瞬变电磁衰减信号转换成满足独立分量分析要求的虚拟波场信号；

步骤1.1，获取TBM机的理论响应

本步骤首先根据市场现有主要型号TBM机的设计图纸，采用计算机建模的方式对TBM机的结构和零件的物质属性进行三维建模，在计算机中生成可供时域有限差分(FDTD)方法使用的隧道环境下的TBM三维模型；其次，通过FDTD方法计算TBM机在隧道环境下的瞬变电磁回线源响应特征，即TBM机理论响应。

步骤1.2，稳定多分辨波场变换

在采集信号中将TBM机理论响应减去，得到过校正或者欠处理的瞬变电磁衰减信息。所谓瞬变电磁衰减信息的过矫正与欠处理分别指，在减去TBM机理论响应的过程中，不可避免的出现所减去的信息中含有不仅含有TBM机的理论响应而且还包括了地质信息以及TBM机的理论响应去除不彻底的两种情况。由于过校正或者欠处理的瞬变电磁衰减信息并不完全满足独立分量要求信号为零均值的假设，而地震波散射场满足独立分量分析的基本假设，因此通过数学变换关系，将瞬变场转换成满足波动方程的虚拟波场，满足独立分量分析的基本假设。

所述的将瞬变电磁衰减信号转换成满足独立分量分析要求的虚拟波场信号的转换表达式为：

上式中，x,y,z是空间坐标，t是时间变量，τ是虚拟时间变量，f(x,y,z,t)为瞬变电磁衰减信号，U(x,y,z,τ)为虚拟波场信号。

所述的表达式为第一类Fredholm积分方程，是典型的不适定问题，并且瞬变电磁采样时间范围广，使问题的病态性更加严重。

由于波场变换系数矩阵的阶数越大方程的病态程度越严重，为了保证高精度的波场变换，同时避免各时段的衔接问题，本发明采用波场变换的具体方法为：

首先对采集的(减去TBM机理论响应后)瞬变电磁衰减信号设定时间窗口，并在采集的瞬变电磁衰减信号的时间序列上滑动所述的时间窗口，对每一次滑动后时间窗口内选取的瞬变电磁衰减信号按照式1进行波场反变换；具体地，所述的时间窗口的宽度理论上可以任意设定，在实际操作中根据操作员的经验选取；确定时间窗口后，利用先从采集的瞬变电磁衰减信号(序列)中选取一部分信号进行波场反变换，然后给定较小的时移进行时间窗口的移滑动，每次滑动选取的一部分信号同样地进行波场反变换，从而完成整个采样时间的扫描；时移大小的选取理论上可任意设定，在实际操作中可根据操作员的经验选取，时移的方向一般从数据的开头到数据的末尾。

其次，对所述采集的瞬变电磁衰减信号(全部数据)使用正则化的方法按照式1进行波场反变换，将此结果作为上述窗口内部分信号波场反变换结果评价的“标杆”。

最后，将两次波场反变换的结果进行叠加，从而得到采集的瞬变电磁衰减信号的虚拟波场信号。具体地，判断时间窗口内每次采集的部分信号的波场反变换结果与瞬变电磁衰减信号(全部数据)的正则化波场反变换结果的相关性；若相关性大于一个阈值(依照经验选取)，则将两个结果进行相关叠加，完成波场反变换。由于虚拟波场在相同时段的波场(即来自相同地质体的散射波)具有较高的相关性，因此通过相关滤波对时间分段扫描的虚拟波场进行相关叠加，获得整个采样时序的波场。该方法不仅得到了稳定的波场变换，又实现了波场的多分辨分析。

步骤2，采用最小互信息独立分量分析算法进行TBM干扰信号的分离；

参照图2，独立分量算法是在源信号各分量相互独立的假设下，由观测信号x(t)通过分离矩阵B把混合信号逐步分离开来，使输出y(t)逼近源信号。独立分量算法实际上是一种优化过程，即在某一衡量独立性判据最优的意义下，使分离出的独立成分最大程度逼近各源信号。

利用最小互信息独立分量分析算法实现TBM干扰信号与瞬变电磁衰减信号的盲信号分离包括两个方面：优化判据和寻优算法。

其中，所述的优化判据采用互信息极小化判据，表示为：

上式中，x是反变换后的虚拟波场信号，y是输出信号，y_i是输出信号y中的元素，m是输出信号个数，B是分离矩阵，log|B|为分离矩阵信息度量，H(·)为信息熵。

所述采用互信息极小化判据含义如下：

设n维列向量y的概率密度函数为P_y(y)，各分量y_i的概率密度函数为P_i(y_i)，则互信息极小化判据为互信息I(y)取得极小值：

其中，是P_y(y)与之间的KL散度(相对熵)，KL值越大，则二者越不相似，当两者相同时，KL值为0。

所述的采用最小互信息独立分量分析算法采用自然梯度法进行优化，通过将常规梯度用自然梯度代替，从而简化调节参数时的分离矩阵求逆计算，保证计算的稳定性。由于目标函数I(y,B)是分离矩阵B的函数，通过逐步调节分离矩阵B使目标函数取得极小值完成寻优过程，所对应的输出信号y即为盲信号分离后的输出信号。调节分离矩阵B的调节量ΔB表示如下：

上式中，y是输出信号，μ为调节参数，B是分离矩阵。

将上式展开，最后的调节参数涉及到对分离矩阵求逆；矩阵求逆往往计算量大，而矩阵条件数较大，往往计算不稳定。采用自然梯度法进行优化，将常规梯度用自然梯度代替，能够避免对分离矩阵求逆，不仅节省计算量，而且计算稳定。当然，其中调节参数中的参量仍需要转化成分离信号的高阶统计量来计算。

采用互信息极小化判据、基于自然梯度优化的最小互信息独立分量分析算法对输出的各独立成分的排序和幅度比例变化具有不变性，这一性质使后续的真振幅恢复相对容易。

步骤3，进行地下介质虚拟波场反演成像，结合全域视电阻率定义实现对隧道掌子面前方地质异常的解释。

本实施例中，所述的反演成像所采用的反演方法为Born近似法。经过独立分量分析处理的波场信号仅保留了振幅的相对幅值，不利于地下介质电视阻率的计算，导致虚拟波场速度分析十分困难，不利于偏移成像的实现。而Born近似法逆散射反演仅需要给定均匀的背景速度，不需要进行准确的速度分析，更适合进行分离后的虚拟波场反演成像。

在步骤2完成信号分离后，虚拟波场U(r,τ)(即U(x,y,z,τ))中的TBM干扰信号被剔除出去，虚拟波场U(r,τ)中的剩余分量能够反应地下介质信息且满足波动方程，其中r表示空间坐标(x,y,z),τ是虚拟时间变量。根据散射理论，将总场U(r,τ)分解为入射场U_i与散射场U_s之和。根据Green定理与Born近似可以得到如下积分方程：

上式中，U_i为入射场，U_s为散射场，α(r)为空间速度扰动，C₀(r)为介质背景速度，G(r_g,r,ω)为均匀全空间背景速度模型格林函数，r_s为激发源的位置，r_g为接收点位置，ω是电磁场的频率。

通过解上面的积分方程可以得到速度扰动，并通过速度扰动值在空间内的分布情况确定地下介质电性差异分界面的位置，以实现反演成像。

同时利用消除理论TBM响应的瞬变电磁衰减信号进行视电阻率计算，可以给出近似的掌子面前方电性分布特征，并为Born近似反演提供速度信息。也可以在完成信号提取后，对特征信息进行振幅恢复，利用恢复的衰减信号进行视电阻率计算。从视电阻率计算的结果中，最终可以划定掌子面前方低电阻率区域，作为预报掌子面前方含水构造的探测依据。

为计算瞬变电磁衰减信号的视电阻率，需要对多点阵列观测(即多分量)瞬变电磁的衰减信号进行全域视电阻定义，首先，计算均匀全空间介质中回线源形成的瞬变电磁响应，然后，不断改变均匀全空间的电阻率取值，获取对应的瞬变电磁响应，并分析响应与均匀全空间电阻率之间的函数关系(如：是否为单调函数，是否存在极值点等)；最后，利用反函数原理，将瞬变电磁响应关于均匀全空间电阻率的函数进行泰勒展开，并根据瞬变电磁响应与均匀全空间电阻率之间的函数关系确定迭代计算的电阻率取值区间，实现全域视电阻率的迭代计算。

综上所述，本发明提供的一种隧道掘进机施工条件下的瞬变电磁隧道超前预报方法，可以在瞬变电磁波场变换的前提下，利用独立分量分析算法实现地质灾害特征信号提取与TBM强干扰压制，将Born近似引入到瞬变电磁超前预报虚拟波场逆散射三维反演之中实现TBM隧道瞬变电磁超前预报，有助于低阻异常的圈定，可以提高TBM隧道中瞬变电磁隧道超前预报的准确性。