劉明偉
(1.招商局重慶公路工程檢測中心有限公司,重慶 400067;2.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院,重慶 400044)
我國在隧道建設(shè)過程中遇到的地質(zhì)情況越來越復(fù)雜,因此,在施工過程中開展“高精度、高質(zhì)量”的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作已成為當(dāng)下隧道建設(shè)中的重要工作。隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作是掌握整個(gè)施工過程中隧道圍巖地質(zhì)情況,消除坍塌、突水、突泥、巖爆、冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害隱患,避免安全事故發(fā)生的重要舉措[1-2]。瞬變電磁法操作簡便、成果直觀,探測距離遠(yuǎn),工作效率高,近年來在隧道超前探測中被廣泛應(yīng)用,探測效果較好[3]。
在隧道超前預(yù)報(bào)探測中,施工臺車是較大的低阻體,其激勵(lì)的二次場對探測結(jié)果是干擾源,會造成瞬變電磁解譯的多解性,為提高超前預(yù)報(bào)結(jié)果的精準(zhǔn)度和可靠性,應(yīng)將該干擾源剔除[4]。本文對臺車與線框不同位置采集的數(shù)據(jù)與背景場進(jìn)行對比分析,獲取校正系數(shù)及校正擬合函數(shù),對臺車干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,以解決因臺車干擾造成瞬變電磁多解性的問題。
在隧道全空間中,瞬變電磁探測的數(shù)據(jù)由臺車信號與探測前方目標(biāo)體的信號相互組合、疊加而成,該數(shù)據(jù)無法通過濾波、平滑等手段來壓制或剔除,進(jìn)而造成有效信號失真。因此,選擇合適的干擾校正方法是能否有效提高信噪比的關(guān)鍵。
隧道瞬變電磁視電阻率公式可簡單表示為[5]:
(1)
令接收到的第i道感應(yīng)電位為:
(2)
在隧道全空間的工作裝置和測量條件都相同的情況下,沒有金屬干擾和有金屬干擾的歸一化感應(yīng)電動勢分別為A0和Ai,可得到對應(yīng)i道(時(shí)窗)的校正系數(shù)為A=Ai/A0,可根據(jù)A0=Ai/A對臺車影響的數(shù)據(jù)校正處理,得到探測目標(biāo)體的真實(shí)解譯結(jié)果。
由于臺車干擾的存在,一般會把瞬變電磁感應(yīng)電位數(shù)據(jù)整體抬高,后期數(shù)據(jù)衰減變慢,這就造成了不同測道(時(shí)窗)的校正系數(shù)A值不同,因此校正系數(shù)A與時(shí)間i存在一定的函數(shù)關(guān)系。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)分析、擬合發(fā)現(xiàn),經(jīng)過多項(xiàng)式擬合的函數(shù)與其匹配較好,通過多項(xiàng)式擬合計(jì)算可獲得校正系數(shù)A的擬合函數(shù)為y(i),則校正后的視電阻率公式變?yōu)椋?/p>
(3)
本次試驗(yàn)采用國產(chǎn)的YCS360A 礦用本安型瞬變電磁儀,該設(shè)備輕便、抗干擾強(qiáng)和自動化程度高,發(fā)射機(jī)發(fā)射雙極性矩形脈沖序列,占空比為 1∶1,對 50 Hz 和 60 Hz 的工頻電有抑制功能?,F(xiàn)場試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示[9-12]。
表1 儀器參數(shù)設(shè)置Table 1 Instrument parameters setting
為獲取實(shí)際開挖過程中施工臺車對瞬變電磁數(shù)據(jù)的影響程度,課題組選擇正在開挖的隧道按照1∶1模型進(jìn)行現(xiàn)場探測試驗(yàn),在同樣背景場的條件下,通過調(diào)整施工臺車與線框的距離,獲取不同位置的瞬變電磁信號(每次3組信號,取平均值),如圖1所示。隧道內(nèi)狹窄的工作場地,臺車移動距離有限,為此將臺車移動至距離線框70 m處的場選擇為背景場[13-15],如圖2所示。
圖1 現(xiàn)場探測試驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.1 Design of field detection test
通過數(shù)值模擬和模型模擬試驗(yàn),獲取了瞬變電磁信號在施工臺車距離瞬變電磁線框大于30 m時(shí),臺車對瞬變電磁二次場的影響程度趨于一致的試驗(yàn)結(jié)果,綜合考慮現(xiàn)場試驗(yàn)條件,設(shè)置40 m~70 m段施工臺車移動間距5 m,在40 m~2 m段施工臺車移動間距2 m。
現(xiàn)場在沒有臺車影響下,獲取了14組原始數(shù)據(jù),通過對14組數(shù)據(jù)取平均值,可獲得背景場感應(yīng)衰減值,結(jié)果如圖3所示。
圖3 背景場數(shù)值Fig.3 Background field value
現(xiàn)場將臺車按照5 m間距移動由70 m移動至40 m處,共采集了A40,A45,A50,A55,A60,A65,A70等7處的瞬變電磁場,每處采集3組數(shù)據(jù),取平均值為該處的瞬變電磁場信號,再與背景場進(jìn)行對比,獲得不同位置的比值A(chǔ)及不同位置A與采樣時(shí)間的曲線,如圖4所示。
由圖4可見,在70 m~40 m區(qū)段,不同位置處的A值可見,隨著時(shí)間增加,在中期數(shù)據(jù)中,臺車與線框距離越小,A值越大,在后期數(shù)據(jù)中,A值基本上趨于一致。說明在70 m~40 m段,臺車對瞬變電磁信號的影響主要集中在中間時(shí)間,對于后期的數(shù)據(jù)來說,其影響會慢慢降低,后基本趨于一致。
圖4 臺車與線框不同位置(70 m~40 m)校正系數(shù)A及擬合曲線Fig.4 Correction coefficient A and fitting curve at different positions (70 m~40 m) of trolley and wireframe
將臺車按照2 m間距移動由40 m移動至2 m處,共采集20處不同位置時(shí)候的瞬變電磁場,每處采集3組數(shù)據(jù),取平均值為該處的瞬變電磁場信號,再與背景場進(jìn)行對比,獲得不同位置的比值A(chǔ)及不同位置A與采樣時(shí)間的曲線,如圖5所示。
圖5 臺車與線框不同位置(40 m~2 m)校正系數(shù)A及擬合曲線Fig.5 Correction coefficient A and fitting curve at different positions (40 m~2 m) of trolley and wireframe
由圖5可見,在40 m~2 m區(qū)段,不同位置處的校正系數(shù)A值可見,隨著時(shí)間增加,在中期數(shù)據(jù)中,臺車與線框距離越小,A值越大,在后期數(shù)據(jù)中,30 m~40 m段數(shù)據(jù)基本上趨于一致,A值在1倍附近;在30 m~2 m段,數(shù)據(jù)隨著臺車與線框距離越來越小,A值越來越大,集中分布在2倍附近。這說明在40 m~30 m段,臺車對瞬變電磁信號的影響主要集中在中間時(shí)間,對于后期的數(shù)據(jù)來說,其影響會慢慢降低,后基本趨于一致。在30 m~2 m段,臺車對瞬變電磁信號的影響主要集中在中間及更深部位。因此,為保證瞬變電磁采集過程中的中后期數(shù)據(jù),現(xiàn)場探測時(shí),應(yīng)保證臺車與探測線框間距30 m以上。
通過在開挖隧道中進(jìn)行1∶1現(xiàn)場模型試驗(yàn),獲取施工臺車與瞬變電磁線框不同間距的感應(yīng)電位數(shù)值,與背景場對比后得到不同間距的校正系數(shù)A,繪制了校正系數(shù)A隨采樣時(shí)間的曲線圖,并通過擬合獲取不同間距的擬合曲線,見表2。
表2 不同位置的擬合曲線Table 2 Fitting curves at different positions
以上擬合函數(shù)提供了不同時(shí)窗下的校正系數(shù)A,在有臺車干擾情況下,通過對不同時(shí)窗i求取相應(yīng)時(shí)窗的感應(yīng)電位校正系數(shù)A(i),通過前面提到的公式(2),計(jì)算可得校正后的感應(yīng)電動勢數(shù)據(jù)為A0=Ai/A(i)。
采用擬合函數(shù)校正法對隧道瞬變電磁超前預(yù)報(bào)干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,對比分析校正前后的視電阻率斷面圖,以驗(yàn)證校正方法的有效性?,F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時(shí),由于仰拱開挖,臺車只能移動至30 m處,使得探測數(shù)據(jù)產(chǎn)生畸變,中后期數(shù)據(jù)被抬高,造成信噪比降低。利用前面擬合獲得的臺車與線框間距30 m處的擬合曲線為:A(i)=0.000 003i3+0.000 4i2+0.004 5i+0.921 4;前文得到了沒有金屬干擾和有金屬干擾的歸一化感應(yīng)電動勢分布為A0和Ai,校正系數(shù)A=Ai/A0,可得到?jīng)]有金屬干擾下的感應(yīng)電動勢A0=Ai/A(i)。處理后的成圖對比如圖6、圖7所示。
圖6 未校正的視電阻率斷面Fig.6 Cross section of uncorrected apparent resistivity
圖7 校正后的視電阻率斷面Fig.7 Cross section of corrected apparent resistivity
校正前的視電阻率斷面如圖6所示。由圖6可知,探測前方有效信號被干擾響應(yīng)覆蓋,顯示為探測前方40 m~70 m左側(cè)整體低阻異常,不能排除該處掌子面前方左測是否具有導(dǎo)通性,無法辨別實(shí)際低阻異常范圍。
經(jīng)過校正后的視電阻率斷面如圖7所示。由圖7可知,視電阻率整體被抬高,40 m~70 m處基本上無明顯低阻區(qū)。金屬干擾的響應(yīng)得到剔除,校正后的視電阻率斷面圖可反映隧道前方巖層的典型特征。開挖后,掌子面一直處于比較干燥的狀態(tài),前方揭露無水,取得良好的探測效果。
1) 瞬變電磁探測隧道水害過程中,臺車對瞬變電磁探測的影響強(qiáng)弱隨臺車與線框的距離增大而減小,通過擬合校正系數(shù)和擬合函數(shù),在確保不失真的條件下剔除金屬干擾,準(zhǔn)確地還原地層的真實(shí)電性特征,提高了臺車干擾下的瞬變電磁探測含水體的準(zhǔn)確性。
2) 通過對臺車的影響校正,可減小探測過程中臺車移動的距離,減少探測對施工的影響。