【摘要】：針對(duì)隧道含水構(gòu)造的瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)特征和隧道突水災(zāi)害瞬變電磁探測(cè)與預(yù)報(bào)問題進(jìn)行了兩方面的研究:第一,采用時(shí)域有限差分法實(shí)現(xiàn)了針對(duì)任意復(fù)雜模型瞬變電磁探測(cè)的三維正演,完成了隧道含水構(gòu)造瞬變電磁場(chǎng)響應(yīng)的三維建模,并針對(duì)典型含水構(gòu)造進(jìn)行了響應(yīng)特征分析;第二,提出了隧道突水災(zāi)害瞬變電磁三維多分量陣列式探測(cè)方法,并就其解釋技術(shù)進(jìn)行了探索。具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)地面和航空瞬變電磁的三維正反演技術(shù)在歐美、澳洲等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),然而,隧道內(nèi)的瞬變電磁探測(cè)存在一個(gè)復(fù)雜的偽均勻全空間環(huán)境,現(xiàn)有的正演技術(shù)均不適用于隧道內(nèi)的瞬變電磁探測(cè),其主要原因是采用現(xiàn)有方法對(duì)隧道探測(cè)施加激勵(lì)源存在難度。針對(duì)這一問題,同時(shí)考慮有源和無源區(qū)域的Maxwell方程組,引入激勵(lì)源電流密度項(xiàng)到安培定理中,從而實(shí)現(xiàn)回線激勵(lì)源的注入。理論上,這種施加激勵(lì)源的方法適用于任意復(fù)雜的三維模型,但其缺點(diǎn)是增加了計(jì)算成本。為了提高計(jì)算效率,采用了CPU+GPU異構(gòu)并行計(jì)算方案。為了驗(yàn)證所給出的新激勵(lì)源施加方法的正確性,首先采用均勻半空間模型解析解與三維FDTD解進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果顯示衰減曲線誤差小于5%,視電阻率誤差小于3.5%;然后采用四類三層模型(A,H,K,Q)的線性數(shù)字濾波解與三維FDTD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比;之后采用均勻半空間包含低阻塊體的模型進(jìn)行計(jì)算并與相關(guān)研究中的FDTD解和積分方程解進(jìn)行對(duì)比。以地面驗(yàn)證的理論為基礎(chǔ),針對(duì)隧道探測(cè)進(jìn)行了專門改進(jìn),提出了隧道超前探測(cè)瞬變電磁三維正演建模方法,針對(duì)直立斷層、傾斜斷層、充水溶洞等隧道開挖過程中可能遇到的典型含水構(gòu)造進(jìn)行了正演模擬,考察了含水構(gòu)造與掌子面的距離、含水構(gòu)造規(guī)模、含水構(gòu)造與背景圍巖電阻率差異等參數(shù)對(duì)瞬變電磁響應(yīng)的影響,得到了部分典型含水構(gòu)造的瞬變電磁響應(yīng)特征。針對(duì)TBM開挖的隧道,計(jì)算和分析了TBM機(jī)對(duì)瞬變電磁超前探測(cè)的影響規(guī)律,為隧道瞬變電磁超前地質(zhì)預(yù)報(bào)用于TBM施工的隧道進(jìn)行了數(shù)值的探索。分析數(shù)值算例后,新發(fā)現(xiàn)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中尚未采用的水平感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)響應(yīng)對(duì)含水構(gòu)造具有明顯的反應(yīng),對(duì)于判識(shí)大規(guī)模含水構(gòu)造具有重要作用。(2)現(xiàn)有的隧道瞬變電磁超前探測(cè)一般采用中心回線的方式并在掌子面布置1條測(cè)線,得到電阻率斷面的二維分布,對(duì)含水構(gòu)造的空間形態(tài)與分布規(guī)律反映較差。借鑒地面大回線中心裝置的工作方式,提出了隧道突水災(zāi)害瞬變電磁三維多分量陣列式探測(cè)方法,給出了詳細(xì)的裝置布置形式與觀測(cè)方法。以一維瞬變電磁基本理論為基礎(chǔ),研究了小回線半徑下瞬變電磁回線內(nèi)帶偏移距觀測(cè)點(diǎn)的水平和垂直磁場(chǎng)頻率域響應(yīng)中雙重貝塞爾函數(shù)強(qiáng)振蕩型積分的計(jì)算方法,以中心點(diǎn)頻率域響應(yīng)多項(xiàng)式為基函數(shù),定義多項(xiàng)式形式的帶偏移距觀測(cè)點(diǎn)頻率域響應(yīng)表達(dá)式,通過最小二乘擬合獲得多項(xiàng)式系數(shù)。將得到的頻率域響應(yīng)方程按照反傅里葉變換轉(zhuǎn)換到時(shí)間域,得到瞬變電磁回線內(nèi)帶偏移距觀測(cè)點(diǎn)水平和垂直感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)響應(yīng)的時(shí)間域方程,在瞬變電磁場(chǎng)晚期近似條件下,給出了與隧道多點(diǎn)陣列式探測(cè)方法配套的水平和垂直感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)響應(yīng)晚期視電阻率公式,從而使隧道多分量陣列式瞬變電磁探測(cè)采集的數(shù)據(jù)能夠轉(zhuǎn)換為視電阻率圖像進(jìn)行解釋。以層狀地層的橫向和縱向電阻率合成方法給出了綜合利用水平和垂直響應(yīng)的電阻率矢量合成方法。采用均勻半空間模型和四類三層模型(A,H,K,Q)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,并采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果得到了鉆孔驗(yàn)證。上述兩部分研究工作為瞬變電磁正演理論提供了研究基礎(chǔ),尤其是隧道突水災(zāi)害瞬變電磁探測(cè)的響應(yīng)特征研究提供了基礎(chǔ)。建立的隧道三維探測(cè)方法能夠獲得三維數(shù)據(jù)體,連同正演理論為進(jìn)一步的三維反演提供了研究基礎(chǔ)。

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