基于稳态场的隧道超前探测预测方法研究

1

作者 宋苗苗 李智强 +1 位作者 林军彦 邢少杰 《电波科学学报》 北大核心 2025年第4期777-783,共7页

随着城市化进程的加速,盾构施工在地下隧道工程建设中得到广泛应用。然而,地下地质条件的复杂性和不确定性,盾构施工往往面临诸多风险,如涌水、突泥、坍塌、岩爆等,不仅影响掘进效率,导致工程进度延误,造成巨大的经济损失,严重时还可能... 随着城市化进程的加速,盾构施工在地下隧道工程建设中得到广泛应用。然而,地下地质条件的复杂性和不确定性,盾构施工往往面临诸多风险,如涌水、突泥、坍塌、岩爆等,不仅影响掘进效率,导致工程进度延误,造成巨大的经济损失,严重时还可能威胁施工人员的生命安全。因此,远距离准确地预测掌子面前方含水构造的位置是一项亟需解决的勘探难点。直流电阻率法是公认对水体及空洞等不良地质体较为敏感的一种探测手段,基于稳态场的聚焦探测方法是直流电阻率测量技术的延伸,本文采用此方法对掌子面前方的异常体位置预测开展研究。首先,考虑地层频散效应,对不同地层存在不良地质体时进行正演分析,探究其电阻率响应特性。高阻地层中存在低阻异常体时,地层电阻率ρ1与异常体电阻率ρ2比值越大,百分频率效应PFE变化幅度越小;低阻地层中存在高阻异常体时,ρ2越大,视电阻率变化幅度越大,PFE变化幅度越大。其次,利用掘进前期含异常体层与均质层的电压差信息,采用梯度下降法优化得到掌子面前方的电压差信息。发现波谷和波峰位置不受ρ1和ρ2的影响,随着掌子面靠近异常体,波谷和波峰现象明显,波谷、波峰的位置与掌子面的距离L逐渐减小。最后,根据L与掌子面所在位置的关系分析,预测异常体所在位置。异常体距离掌子面较远时预测结果较差,当异常体位于掌子面前方38 m以内时,预测误差可在3 m以内,提高了隧道掌子面前方存在含水构造时的超前探测距离。 展开更多

关键词 稳态场 直流电阻率法 隧道超前探测 含水构造 视电阻率

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浅埋深线圈瞬变电磁场超前探测响应及应用 被引量：1

2

作者 王春源 张桓 +1 位作者 马洪亮 梁庆华 《中国安全科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第5期75-81,共7页

为有效识别隧道工作面前方采空区、岩溶、导水裂隙带等不良地质情况,预防隧道开挖透水事故,开展浅埋深线圈瞬变电磁理论在隧道超前探测中应用的研究。首先,利用COMSOL软件建立浅埋深线圈超前探测模型,研究工作面前方不同方位电磁场的传... 为有效识别隧道工作面前方采空区、岩溶、导水裂隙带等不良地质情况,预防隧道开挖透水事故,开展浅埋深线圈瞬变电磁理论在隧道超前探测中应用的研究。首先,利用COMSOL软件建立浅埋深线圈超前探测模型,研究工作面前方不同方位电磁场的传播特性和异常响应特征;然后,以青岛地铁13号线嘉陵江路站-香江路站区间隧道工程为例,验证浅埋深线圈瞬变电磁法识别异常体的可行性。结果表明:浅埋深瞬变电磁法可有效识别工作面前方不同位置的低阻异常体;不同方位异常体对于电场响应的影响主要体现在响应强度上;瞬变电磁场可有效区别出空气域和岩体域,但受空气域的影响,电磁场在近地表的高阻围岩中衰减速度加快,导致在反演分析中实际探测工作存在高阻异常。 展开更多

关键词 浅埋深线圈 瞬变电磁场 超前探测 工作面 低阻异常体 隧道施工

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坑道直流电阻率法超前探测的快速反演 被引量：57

3

作者 黄俊革 阮百尧 王家林 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2007年第2期619-624,共6页

在坑道电阻率超前探测工作中,视电阻率异常极值位置与异常体位置、厚度、电性以及产状相关.设计有效的反演方法对异常体的各种参数综合反演是非常必要的.首先利用有限元数值模拟技术分析并消除坑道空腔对视电阻率的影响,并将坑道超前探... 在坑道电阻率超前探测工作中,视电阻率异常极值位置与异常体位置、厚度、电性以及产状相关.设计有效的反演方法对异常体的各种参数综合反演是非常必要的.首先利用有限元数值模拟技术分析并消除坑道空腔对视电阻率的影响,并将坑道超前探测视电阻率曲线转化为全空间视电阻率曲线.然后采用最小二乘法对超前探测视电阻率曲线进行快速反演.反演结果可准确反映围岩电阻率、异常体的电性、位置和产状;而由于同层等值现象,反演结果只能确定异常体的厚度和电阻率的组合值. 展开更多

关键词 坑道 电阻率 超前探测 反演

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坑道直流电阻率超前聚焦探测新方法研究 被引量：46

4

作者 阮百尧 邓小康 +2 位作者 刘海飞 周丽 张力 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2009年第1期289-296,共8页

研究和提出了一种坑道直流电阻率超前聚焦探测新方法.该方法通过在掌子面上设立不同功能的环状电极组,使一次场电流具有像探照灯一样的聚焦功能,可有效探测坑道掘进前方不良地质体的存在,达到超前预报的目的.本文首先介绍了直流电阻率... 研究和提出了一种坑道直流电阻率超前聚焦探测新方法.该方法通过在掌子面上设立不同功能的环状电极组,使一次场电流具有像探照灯一样的聚焦功能,可有效探测坑道掘进前方不良地质体的存在,达到超前预报的目的.本文首先介绍了直流电阻率超前聚焦探测的基本原理,并给出了两种聚焦观测方式.为了验证所提方法的可行性,通过轴对称电性介质二维异常电位有限元数值模拟方法,对聚焦观测条件下几例坑道模型进行了模拟计算.结果表明,该方法对异常反映明显,可进行即时解释,建议在坑道超前预报中逐步推广使用. 展开更多

关键词 坑道 直流电阻率 超前聚焦探测 有限元

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坑道直流电阻率法超前探测研究 被引量：99

5

作者 黄俊革 王家林 阮百尧 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2006年第5期1529-1538,共10页

坑道空腔的存在使其周围电场分布不同于全空间的电场分布．以无限大板状体为例求解全空间电场分布，提出探厚比概念以讨论超前探测极限问题．通过对比全空间与坑道内超前探测异常形态可知，坑道空腔只会影响极距较小时的视电阻率幅值，... 坑道空腔的存在使其周围电场分布不同于全空间的电场分布．以无限大板状体为例求解全空间电场分布，提出探厚比概念以讨论超前探测极限问题．通过对比全空间与坑道内超前探测异常形态可知，坑道空腔只会影响极距较小时的视电阻率幅值，不会掩盖迎头前方地质体的异常响应．大量模型计算结果表明，电阻率异常极值位置与板状体位置之间的差异在5-10倍之间，且同时受到异常体厚度、电性以及板状体倾角的影响．仅利用电阻率极值位置准确解释超前探测异常的难度较大． 展开更多

关键词 坑道 电阻率 探厚比 超前探测

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隧道含水构造直流电阻率法超前探测三维反演成像 被引量：24

6

作者 刘斌 李术才 +3 位作者 聂利超 王静 宋杰 刘征宇 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第10期1866-1876,共11页

突涌水地质灾害是隧道修建面临的主要威胁,隧道掌子面前方赋存的突水灾害源——含水构造的三维定位已经成为亟待解决的关键难题。针对上述难题,提出了直流电阻率法三维反演成像超前探测方法。首先,建立了直流电阻率法超前探测三维全空... 突涌水地质灾害是隧道修建面临的主要威胁,隧道掌子面前方赋存的突水灾害源——含水构造的三维定位已经成为亟待解决的关键难题。针对上述难题,提出了直流电阻率法三维反演成像超前探测方法。首先,建立了直流电阻率法超前探测三维全空间立体观测方式,针对测线附近的旁侧干扰严重这一关键问题,提出了干扰识别与去除方法,实现了掌子面前方三维有效信息的测量。综合线性反演方法和非线性反演方法的优点,提出了改进遗传算法与最小二乘法相结合的混合反演成像方法,既摆脱了对初始模型的依赖,又保证了反演进化效率。然后,重点对断层、裂隙、溶洞等典型的含水构造进行了系统的反演数值试验,获得了典型含水构造的三维成像特征和相应的地质解释依据,为实现由观测数据到三维成像再到地质模型的映射奠定了基础。最后,将直流电阻率法超前探测三维反演成像方法应用到模型试验和实际工程中,实现了含水地质构造的较准确三维定位,证明该方法具有良好的推广应用价值。 展开更多

关键词 隧道超前地质预报 含水构造 直流电阻率法 三维反演成像 混合反演方法 旁侧干扰去除

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多同性源阵列电阻率法隧道超前探测方法与物理模拟试验研究 被引量：35

7

作者 李术才 聂利超 +5 位作者 刘斌 田明禛 王传武 宋杰 刘征宇 王世睿 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2015年第4期1434-1446,共13页

直流电阻率法以其对含水构造响应敏感且适应性强的特点,是隧道施工期超前地质预报的常用方法.针对目前定点源三极观测方式易受到测线附近旁侧异常干扰与聚焦观测方式探测距离过短无法三维成像的问题,提出了一种基于多同性源阵列电阻率... 直流电阻率法以其对含水构造响应敏感且适应性强的特点,是隧道施工期超前地质预报的常用方法.针对目前定点源三极观测方式易受到测线附近旁侧异常干扰与聚焦观测方式探测距离过短无法三维成像的问题,提出了一种基于多同性源阵列电阻率的隧道超前探测新方法,利用环形布置的多同性源供电压制隧道掌子面后方的异常体的干扰,同时增强掌子面前方远处异常体的敏感度,阵列电极测量可为含水构造的三维反演成像提供三维数据.首先,开展了含水构造超前探测的数值正演模拟,发现多同性源方法的视电阻率纵向微分曲线极小值以及与横轴的交点位置可对异常体位置进行定性判断,探讨了多同性源方法对后方及侧向异常干扰的响应特征及识别方法.其次,将电阻率光滑约束与轨迹光滑策略引入蚁群反演算法,提出了一种最小二乘方法与改进蚁群算法相结合的混合反演算法,反演数值算例表明混合反演算法能够实现含水构造的三维成像,较好地反演出不同距离的含水构造位置,并使其边界较为清晰.为了验证多同性源探测方法的探测效果开展了物理模型试验,多同性源阵列电阻率法能较好的反映含水构造的存在,与实际含水构造的位置较为相符. 展开更多

关键词 隧道超前地质预报 多同性源电极阵列 三维电阻率反演 改进蚁群算法 混合反演 物理模型试验

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隧道激发极化法超前探测快速反演研究 被引量：13

8

作者 聂利超 李术才 +2 位作者 刘斌 李树忱 钟世航 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第2期222-229,共8页

突(涌)水地质灾害是制约隧道等地下工程建设的瓶颈问题之一,掌子面前方存在多个含水构造的情况普遍存在,对隧道前方多个含水构造的超前探测是亟待解决的难题,基于激发极化法中极化率参数对水体响应敏感的特点,将其引入到隧道前方含水体... 突(涌)水地质灾害是制约隧道等地下工程建设的瓶颈问题之一,掌子面前方存在多个含水构造的情况普遍存在,对隧道前方多个含水构造的超前探测是亟待解决的难题,基于激发极化法中极化率参数对水体响应敏感的特点,将其引入到隧道前方含水体超前探测研究工作中,从正演理论、反演解释、物理模拟和现场应用等方面入手对激发极化超前预报技术进行了较为深入的研究。首先,推导了隧道掌子面前方多个含水构造激发极化法超前探测的理论解公式,采用等效电阻率法计算视极化率观测数据,为激发极化法超前探测快速反演奠定了基础。其次,基于隧道前方多个含水构造的理论解,提出了利用两个阻尼系数控制步长和搜索方向的思路,解决了传统马奎特方法仅依靠一个阻尼系数很难有效同时控制两个变化因素的矛盾;提出了一种改进的马奎特快速反演方法,同时对视电阻率和激发极化数据进行反演,使之对初始模型参数依赖较小,收敛速度较快,精度较高,并对隧道前方存在多个含水构造模型进行了较为成功的反演。最后,物理模型试验和现场实际应用表明,激发极化法超前探测快速反演方法是行之有效的,为解决隧道多个含水构造超前探测这一难题提供了可行的途径。 展开更多

关键词 隧道工程 含水构造 超前探测 激发极化法 阻尼最小二乘法 快速反演 物理模型试验

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矿井瞬变电磁超前探测视电阻率扩散叠加解释方法 被引量：32

9

作者 胡雄武 张平松 +2 位作者 严家平 吴荣新 郭立全 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第5期925-931,共7页

受体积效应的影响,矿井巷道瞬变电磁超前探测时对异常区有不同程度的放大。为获得更为可靠的测试结果,在扇形超前观测系统的基础上,通过烟圈简化反演,并根据不同测点在巷道前方形成的烟圈交汇特征,推导视电阻率扩散叠加表达式及相关参... 受体积效应的影响,矿井巷道瞬变电磁超前探测时对异常区有不同程度的放大。为获得更为可靠的测试结果,在扇形超前观测系统的基础上,通过烟圈简化反演,并根据不同测点在巷道前方形成的烟圈交汇特征,推导视电阻率扩散叠加表达式及相关参数计算公式,实现了超前探测视电阻率扩散叠加解释方法,进一步提高对前方地质体的分辨能力。物理模型实验和现场探测实践表明,与常规视电阻率断面对比,视电阻率扩散叠加结果对异常体的判定效果优越性较强,对巷道掘进前方含水体的聚焦判定能力增加。 展开更多

关键词 矿井瞬变电磁 超前探测 视电阻率扩散叠加 扇形观测系统 烟圈简化反演 交汇特征

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隧道三维电阻率E-SCAN超前探测反演与优化方法研究 被引量：8

10

作者 王传武 李术才 +4 位作者 聂利超 刘斌 郭谦 任玉晓 刘海东 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第2期218-227,共10页

超前地质预报是隧道施工中必不可少的环节,将地面三维电阻率E-SCAN观测模式引入到隧道超前预报中,其中供电与采集电极都布置在隧道掌子面,可有效降低旁侧干扰因素的影响,提出了基于三维电阻率E-SCAN的隧道超前探测新型观测模式。建立了... 超前地质预报是隧道施工中必不可少的环节,将地面三维电阻率E-SCAN观测模式引入到隧道超前预报中,其中供电与采集电极都布置在隧道掌子面,可有效降低旁侧干扰因素的影响,提出了基于三维电阻率E-SCAN的隧道超前探测新型观测模式。建立了隧道三维电阻率E-SCAN超前探测地电模型,获得了敏感度矩阵分布特征:矩阵元素数值较小且相差悬殊;元素绝对值随深度衰减迅速;靠近供电与采集电极位置元素绝对值较高。为改善反演的深度定位问题,对敏感度矩阵中元素施加不同大小的增益因子,对原有敏感度矩阵中高值元素进行抑制,对低值元素进行增益,形成了基于敏感度增益因子的隧道三维电阻率E-SCAN超前探测反演优化方法,在理论上可以提高异常体的深度定位精度。开展数值算例与物理模型试验研究,结果表明在隧道三维电阻率E-SCAN超前探测中,相较于常规光滑约束反演,反演优化方法在异常体的深度定位精度方面具有明显优势。 展开更多

关键词 隧道超前预报 三维电阻率反演 E-SCAN 敏感度矩阵 光滑约束权重 增益优化

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新型煤矿巷道随掘超前探测方法研究 被引量：8

11

作者 许少毅 卢文庭 +4 位作者 王承涛 林嘉睿 邢方方 王禹桥 李威 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第4期206-218,共13页

本文提出了新型煤矿巷道随掘超前探测方法,为实现巷道掘进和超前探测并行作业提供了可行思路。首先,提出随掘超前探测方案,将掘进机的截割头作为随掘场源,融合物探方法与掘进主体;然后,构建随掘超前探测理论模型并获取测点电位变化规律... 本文提出了新型煤矿巷道随掘超前探测方法,为实现巷道掘进和超前探测并行作业提供了可行思路。首先,提出随掘超前探测方案,将掘进机的截割头作为随掘场源,融合物探方法与掘进主体;然后,构建随掘超前探测理论模型并获取测点电位变化规律,与有限元计算结果比对,验证了测点电位数值计算方法的准确性与可行性;最后,确定随掘场源的分流规则,以正常地质体作为参照,对比研究随掘过程中低阻和高阻两类不同异常体的视电阻率演化规律,当场源越接近低阻含水带,视电阻率均值降幅从5.40%提高至29.80%,越接近高阻断层,视电阻率均值增幅从7.12%提高至35.53%,水箱模拟实验表明,所提煤矿巷道随掘超前探测方法可实时、连续探测掘进工作面前方地质状况。 展开更多

关键词 随掘超前探测 煤矿巷道 直流电阻率法 智能掘进 掘进机

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坑道掘进瞬变电磁超前探水解释方法的改进研究 被引量：17

12

作者 胡雄武 张平松 +1 位作者 严家平 郭立全 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第4期654-661,共8页

瞬变电磁方法已在坑道超前探水中发挥重要作用。因实际测试时存在电流关断时间,激励场不再满足阶跃关断条件。以水平电偶极子瞬变场响应为基础,给出坑道瞬变电磁多匝小回线中心阶跃瞬变场表达式。通过对3种非阶跃关断瞬变场的响应计算,... 瞬变电磁方法已在坑道超前探水中发挥重要作用。因实际测试时存在电流关断时间,激励场不再满足阶跃关断条件。以水平电偶极子瞬变场响应为基础,给出坑道瞬变电磁多匝小回线中心阶跃瞬变场表达式。通过对3种非阶跃关断瞬变场的响应计算,确定了关断时间的影响范围,指出关断时间的影响对于坑道掘进前方浅部含水体的探测不可忽略。推导了全空间线性关断条件下全程视电阻率算法,从而改进坑道超前探水解释方法。物理模型实验和实例应用结果表明,该方法对于坑道掘进前方浅部含水体的空间划分更好,增强了瞬变电磁法对岩层富水特性的判定能力。 展开更多

关键词 坑道超前探水 瞬变电磁法 关断时间 线性关断电流 全程视电阻率算法 改进

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综合物探方法在某过江隧道工程勘察中的应用研究 被引量：15

13

作者 刘宏岳 林朝旭 +1 位作者 林孝城 黄佳坤 《隧道建设》 2012年第3期275-280,301,共7页

主要介绍了地震反射波、水域高密度电法和高频大地电磁测深物探方法在过江隧道工程勘察中的应用,水域工程的物探方法首选地震反射波,但在水较浅、水底介质较硬的地方,水底多次波很严重,下覆地层的有效信号弱,难以得到理想的效果。在地... 主要介绍了地震反射波、水域高密度电法和高频大地电磁测深物探方法在过江隧道工程勘察中的应用,水域工程的物探方法首选地震反射波,但在水较浅、水底介质较硬的地方,水底多次波很严重,下覆地层的有效信号弱,难以得到理想的效果。在地震反射波方法失效的情况下,尝试采用水域高密度电法和高频大地电磁测深法探查构造低阻异常地质体,取得了一些测试成果,通过综合对比,相互佐证,提高了勘探成果的可靠程度。 展开更多

关键词 工程物探 水域高密度电法 高频大地电磁测深法 过江隧道 正反演模型计算 断层探测

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巷道直流电阻率法超前探测三维数值模拟 被引量：20

14

作者 鲁晶津 吴小平 《煤田地质与勘探》 CAS CSCD 北大核心 2013年第6期83-86,共4页

针对巷道直流电阻率法超前探测的三维数值模拟,应用代数多重网格快速算法对二次场的有限差分问题进行求解。将均匀全空间板状体数值结果与解析解对比,最大误差不超过0.28%。模拟结果表明,巷道空腔对测量结果存在一定影响,采用比值曲线... 针对巷道直流电阻率法超前探测的三维数值模拟,应用代数多重网格快速算法对二次场的有限差分问题进行求解。将均匀全空间板状体数值结果与解析解对比,最大误差不超过0.28%。模拟结果表明,巷道空腔对测量结果存在一定影响,采用比值曲线消除该影响,修正后的视电阻率极值与理论值误差为2.4%。进一步研究受旁侧影响的前方异常识别方法,可通过在不同巷道面进行定点源测量或掘进过程中的定点测量来识别旁侧影响,达到准确探测前方异常的目的。 展开更多

关键词 巷道超前探测 直流电阻率法 三维数值模拟 代数多重网格法 旁侧影响

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城市地铁岩溶隐患多孔电阻率联合成像技术研究 被引量：4

15

作者 欧元超 胡富彭 +2 位作者 谭磊 姜寒阳 陈兴海 《中国安全生产科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2021年第4期141-146,共6页

为有效解决二维电法在探测异常体空间形态上的不足,基于有限差分算法,建立溶洞与跨孔电阻率组合模型,探讨溶洞剖面投影位置及偏移距与电阻率响应变化特征,将跨孔电阻率数据体进行跨孔三维联合反演成像。结果表明:溶洞模型距跨孔探测剖... 为有效解决二维电法在探测异常体空间形态上的不足,基于有限差分算法,建立溶洞与跨孔电阻率组合模型,探讨溶洞剖面投影位置及偏移距与电阻率响应变化特征,将跨孔电阻率数据体进行跨孔三维联合反演成像。结果表明:溶洞模型距跨孔探测剖面较近时,实际投影至剖面上位置不同,导致探测效果差异较大;随溶洞模型偏移距增大,溶洞投影中心位置电阻率整体表现为前期缓慢、中期迅速、后期减缓并最终趋于稳定的非线性变化趋势,溶洞模型旁侧效应影响范围约8 m。三维联合反演结果能立体可视化展示溶洞空间发育形态,在城市地铁超前地质灾害精准探测方面具有一定应用价值。 展开更多

关键词 隧道施工安全 地质灾害 溶洞探测 跨孔电阻率CT 三维电阻率反演

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