[发明专利]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

说明书

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。

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(TunnelBoringMachine，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。