隧道超前预测电磁观测系统及探测方法技术方案

本发明专利技术属于隧道超前预测技术领域，公开了隧道超前预测电磁观测系统及探测方法，采用地表发射、地下接收，多源发射、多分量接收的观测模式，这种模式下可以很方便的使用大功率发射，改善了隧道内运输成本高的问题和采集的数据信噪比低的问题，且能够提高观测数据的覆盖面积，获取更多有效信息。基于该观测系统，发展基于深度学习的隧道超前预测反演算法，实现多分量、时间域和频率域信号的准三维联合反演，旨在充分发挥深度学习算法的优势和充分利用时间域和频率域电磁信号，提升反演的计算效率和探测精度，降低反演中的非唯一性，实现地下空间结构快速成像。空间结构快速成像。空间结构快速成像。

【技术实现步骤摘要】
隧道超前预测电磁观测系统及探测方法


[0001]本专利技术属于隧道超前预测
，具体是涉及隧道超前预测电磁观测系统及探测方法。

技术介绍

[0002]隧道超前地质预报是指利用钻探和现代物探等，探测隧道、隧洞、地下厂房等地下工程的岩土体开挖面前方的地质情况，力图在施工前掌握前方的岩土体结构、性质、状态，以及地下水、瓦斯等的赋存情况、地应力情况等地质信息的一种手段。隧道超前地质预报可以为调整和优化隧道设计参数、优化隧道施工组织、制定施工安全应急预案提供依据，实现隧道工程安全、质量、工期、环境和投资控制目标，将直接或间接地创造巨大的经济效益和社会效益。因此，隧道和地下工程建设中灾害源的超前预报是防灾减灾科技发展的重大需求，也是摆在科研工作者面前的巨大难题。
[0003]地球物理电磁勘探技术是隧道超前预测的重要技术之一，其主要包含时间域电磁法和频率域电磁法。
[0004]时间域电磁法又称为瞬变电磁法(transient electromagnetic method,TEM)，该方法基于地下探测目标体与围岩间存在着明显的导电性差异，利用接地导线或不接地回线向地下发送脉冲或阶跃电流，在关闭一次场之后，通过测量线圈观测地下异常体所产生的二次涡流电磁场的物探方法。由于感应二次场的衰变规律与地下地质体导电性有关，导电性越好，二次场衰减越慢；反之，二次场衰减越快。所以，通过研究瞬变场随时间的变化规律，便可实现探测地下地层、采空区及岩溶分布等的目标。瞬变电磁法具有工作效率高、对场地的适应性强的特点，且对低阻充水破碎带反映灵敏，这些特点使该方法在应用于隧道超前预报方面展示了好的发展前景。
[0005]频率域电磁法(Frequency
‑
domain Electromagnetic Method,FDEM)发射时谐激励信号，接收线圈采集的是地层的涡流所产生的二次场与直耦信号即一次场的迭加。通常情况下，直耦信号往往比体现地层特性的二次场信号大，因此需要消除一次场信号才能获得由地下介质引起的二次场信号。由于高频信号穿透深度弱，主要反映浅部信息，而低频信号穿透深度强，主要反映深部信息，这种特性使得频率域电磁法具有探测深度较大的优势，可以用于地壳尺度的研究。在隧道中，由于空间有限，当发射源和接收线圈距离较近时会出现较强的电磁耦合，因此通常将发射源和接收线圈置于地表或者空中用于地下隧道电性结构的探测；然而，这种方式只能提供精度相对较低的地下介质信息，且经常由于地形崎岖，植被覆盖等原因无法有效覆盖观测数据，因此，频率域电磁法通常用于隧道整体电性结构调查，较少被用于直接的超前预测。
[0006]目前，瞬变电磁超前预测在工作中主要采纳的装置有两种，一种是沿着隧道方向在已开挖的空间进行观测，以调查隧道顶底面围岩情况；另外一种是在掌子面上进行观测，以勘察掌子面前方地质结构。这两种方式都是在隧道内部进行信号的发射和观测，通常大功率发电机运输成本较高，并且在煤矿等地区应用时存在爆燃风险，因此，在这些地区通常
采用组合电池对发射源进行供电，由于发射功率有限，导致信噪比较低；且由于隧道内空间狭小，观测点的覆盖有限，获得的有效信息较少，这将不可避免的导致反演的非唯一性较地表瞬变电磁更强。其次，在现有的工作方式下，当前隧道瞬变电磁技术通常采集与线圈平面垂直的磁场分量或感应电动势，而忽视其他方向的电磁场数据。然而，由异常引起的电磁场空间分布是三维的，取决于不同的接收和发射位置以及地下电阻率结构，不同方向的电磁场信号对异常的灵敏度变化较大，因此，如果仅利用垂直分量对地下异常进行探测，势必会丢失重要的有效信息。此外，目前的TEM隧道探测主要以一维为主，由于一维反演是以层状介质为正演基础，反演结果不足以描述三维不均匀的地下空间，因此反演结果容易出现虚假异常，且反演不稳定，横向连续性较差。若将频率域电磁法应用于隧道超前探测，且当发射源和接收线圈距离较近时对于频率域电磁法容易出现较强的电磁耦合现象。此外，不管是时间域还是频率域电磁法，传统方法的反演结果容易受到发射电流、发射波形、发射源大小等影响，出现反演结果不稳定的现象。

技术实现思路

[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种隧道超前预测电磁观测系统及探测方法，采用地表发射、地下接收，多源发射、多分量接收的观测模式，可以很方便的使用大功率发射，改善了隧道内运输成本高的问题和采集的数据信噪比低的问题，且能够提高观测数据的覆盖面积，获取更多有效信息；基于该观测系统，发展基于深度学习的隧道超前预测反演方法，实现多分量、时间域和频率域信号的准三维联合反演，旨在充分发挥深度学习算法的优势和充分利用时间域和频率域电磁信号，提升反演的计算效率和探测精度，降低反演中的非唯一性，实现地下空间结构快速成像。
[0008]本专利技术所述的隧道超前预测电磁观测系统，包括发射源和接收线圈，所述发射源位于地表，所述接收线圈位于隧道内；
[0009]接收线圈接收信号时作为观测点,此时采用三个不同发射源，所述三个发射源的位置在x,y∈[
‑
30,30]范围内任意布置，方向依次设置为x,y,z方向，形成多个组合；
[0010]所述发射源在时间域采用正负方形波电流发射信号，产生脉冲电动势信号，接收线圈采集感应电动势信号；
[0011]所述发射源在频率域采用时谐激励信号，接收线圈采集磁场信号，并将时间域数据通过快速傅里叶变换为不同频率域下的磁场强度。
[0012]进一步的，每次发射和接收采集九道数据，包括三道时间域数据和三道频率域实部数据，三道频率域虚部数据。
[0013]本专利技术还公开了隧道超前预测电磁探测方法，所述方法基于上述观测系统实现，包括以下步骤：
[0014]步骤1、随机生成大量含有富水低阻异常体的模型；
[0015]步骤2、利用有限体积法进行三维电磁场数值模拟，计算接收线圈得到的感应电动势、频率域磁场信号；
[0016]步骤3、以模拟的观测数据为输入，以不同形态、不同电阻率大小、不同数量、不同空间位置的低阻异常体的空间位置为输出，建立U
‑
Net超前预测模型，并对其进行训练；
[0017]步骤4、利用训练好的U
‑
Net超前预测模型进行隧道电磁超前预测。
[0018]进一步的，步骤1具体为：
[0019]首先建立电阻率从浅到深线性变化的3D电性模型，隧道内和地表以上为空气，在每次数值模拟中，随机设定多个发射源，每个发射源对应的模拟结果为一个样本，使每一次正演均可获得多个样本；然后，随机在隧道周围靠近接收线圈处添加低阻异常体，其电阻率值服从对数均匀分布log10(ρ)∈[
‑
1，1]Ω
·
m。
[0020]进一步的，所述U
‑
Net超前预测模型，包括Input、卷积层、池化层、转置卷积层、Output；其中，Input一共包含六层，每两层数据对应着一个发射源的位置，Output为异常体的空间结构；网络左右各4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.隧道超前预测电磁观测系统，其特征在于，包括发射源和接收线圈，所述发射源位于地表，所述接收线圈位于隧道内；接收线圈接收信号时作为观测点,此时采用三个不同发射源，所述三个发射源的位置在x,y∈[
‑
30,30]范围内任意布置，方向依次设置为x,y,z方向，形成多个组合；所述发射源在时间域采用正负方形波电流发射信号，产生脉冲电动势信号，接收线圈采集感应电动势信号；所述发射源在频率域采用时谐激励信号，接收线圈采集磁场信号，并将时间域数据通过快速傅里叶变换为不同频率域下的磁场强度。2.根据权利要求1所述的隧道超前预测电磁观测系统，其特征在于，每次发射和接收采集九道数据，包括三道时间域数据和三道频率域实部数据，三道频率域虚部数据。3.隧道超前预测电磁探测方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1
‑
2任一项所述的隧道超前预测电磁观测系统实现，包括以下步骤：步骤1、随机生成大量含有富水低阻异常体的模型；步骤2、利用有限体积法进行三维电磁场数值模拟，计算接收线圈得到的感应电动势、频率域磁场信号；步骤3、以模拟的观测数据为输入，以不同形态、不同电阻率大小、不同数量、不同空间位置的低阻异常体的空间位置为输出，建立U
‑
Net超前预测模型，并对其进行训练；步骤4、利用训练好的U
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Net超前预测模型进行隧道电磁超前预测。4.根据权利要求3所述的隧道超前预测电磁探测方法，其特征在于，步骤1具体为：首先建立电阻率从浅到深线性变化的3D电性模型，隧道内和地表以上为空气，在每次数值模拟中，随机设定多个发射源，每个发射源对应的模拟结果为一个样本，使每一次正演均可获得多个样本；然后，随机在隧道周围靠近接收线圈处添加低阻异常体，其电阻率值服从对数均匀分布log10(ρ...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘露，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：