【摘要】：隧道挖掘過程中經(jīng)常發(fā)生一系列地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象如突水突泥等,嚴(yán)重威脅施工人員與設(shè)備的安全并拖延隧道施工進(jìn)度,甚至打破隧址區(qū)原有地下水分布及水文生態(tài)環(huán)境,影響當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ�。隨著近些年隧道地質(zhì)超前預(yù)報方法的發(fā)展,大規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害體探測技術(shù)已經(jīng)逐漸趨于成熟、完善,但是由于受到復(fù)雜的地質(zhì)條件、有限的施工環(huán)境等因素的限制,目前的隧道探測技術(shù)對掌子面前的儲、導(dǎo)水構(gòu)造與水力聯(lián)系的精細(xì)化探測與快速解釋還存在一定的問題。要實現(xiàn)對上述地質(zhì)災(zāi)害體的精細(xì)探測,需要在新方法、新技術(shù)和新理論等方面對地球物理勘探手段提出更高要求。瞬變電磁法是一種時間域電磁探測方法,目前已被廣泛應(yīng)用于隧道突水突泥超前預(yù)報及地下工程水害探測中。本文借鑒雷達(dá)天線中陣列輻射的思想,提出了陣列源瞬變電磁隧道超前預(yù)報方法以期對掌子面前方不良地質(zhì)進(jìn)行精細(xì)化探測,進(jìn)而為后續(xù)的施工與災(zāi)害治理提供科學(xué)指導(dǎo)。陣列源瞬變電磁在掌子面上布置多個發(fā)射單元組成陣列源、多個測點采集信號,形成“多源輻射、多點接收”的工作方式。其在方法理論和探測效果上陣列源瞬變電磁超前預(yù)報具有以下優(yōu)勢:首先,通過縮短發(fā)射源的供電脈寬時間,展寬輻射場源的過零點帶寬,豐富輻射場中的高頻諧波成分,進(jìn)而提高對構(gòu)造的精細(xì)分辨能力;其次,通過擴(kuò)大陣列源的規(guī)模和延長發(fā)射單元長度,能夠提高發(fā)射源的整體輻射能量,進(jìn)而達(dá)到提高響應(yīng)信號信噪比和探測深度的目的。為進(jìn)一步縮短三維復(fù)雜模型正演計算時間,本文在前人的工作基礎(chǔ)上對異構(gòu)并行算法進(jìn)行了二次優(yōu)化,使程序計算速度在原有并行加速的基礎(chǔ)上提高5%左右;同時,針對陣列源輻射形式對時域有限差分的輻射源加載方式進(jìn)行了修改,實現(xiàn)了大規(guī)模陣列源瞬變電磁法時域有限差分的正演計算。采用三維時域有限差分方法對所提出的陣列源瞬變電磁隧道超前預(yù)報方法進(jìn)行了三維正演模擬:模擬并對比了常規(guī)回線源和陣列源瞬變電磁響應(yīng),驗證了陣列源具有更強的異常體識別能力,特別是與掌子面平行的響應(yīng)分量比垂直于掌子面的響應(yīng)分量具有更好的分辨能力;通過模擬分析不同參數(shù)的陣列源激發(fā)下的二次場瞬變電磁三分量響應(yīng)規(guī)律,驗證了擴(kuò)大陣列源的規(guī)模及延長發(fā)射單元長度可以顯著的增強輻射強度;通過模擬不同距離、規(guī)模尺度以及導(dǎo)電特性的不良地質(zhì)體的瞬變電磁響應(yīng)規(guī)律,發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害體的規(guī)模越大、距掌子面距離越近、電阻率越低,其陣列源瞬變電磁響應(yīng)越明顯;通過分析陣列源對災(zāi)害體水平方向長度變化的瞬變電磁響應(yīng)規(guī)律,本文發(fā)現(xiàn)?Bx/?t與?By/?t響應(yīng)分量分別在Y方向與X方向上具有明顯的分辨優(yōu)勢;模擬陣列源探測掌子面前方的薄斷層,分析對應(yīng)的磁場分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)陣列源對薄斷層有明顯的響應(yīng)異常,可以清晰的探測到薄斷層的存在�；谡菽M的結(jié)果,本文所提出的陣列源瞬變電磁超前探測方法有利于解決施工隧道中超前精細(xì)化探測難題,正演模擬的結(jié)果可以作為今后陣列源儀器制作的指導(dǎo)依據(jù)。
[Abstract]:A series of geological hazards, such as water inrush and mud inrush, often occur in the process of tunnel excavation, which seriously threaten the safety of construction personnel and equipment, delay the progress of tunnel construction, even break the original groundwater distribution and hydrological ecological environment in the tunnel area, and affect the normal life of local residents. However, due to the constraints of complex geological conditions and limited construction environment, there are still some problems in the fine detection and rapid interpretation of the reservoir in front of the face and the hydraulic connection between the diversion structure and the hydraulic connection. The fine detection of these geological hazards requires new methods, new technologies and new theories. TEM is a time domain electromagnetic detection method, which has been widely used in tunnel water and mud inrush prediction and underground engineering water hazard detection. Based on the idea of array radiation, the advanced prediction method of array source transient electromagnetic tunnel is proposed in order to fine detect the unfavorable geology in front of the face and provide scientific guidance for subsequent construction and disaster control. The method of "multi-source radiation, multi-point reception" has the following advantages: firstly, by shortening the supply pulse duration of the emitter, broadening the zero-crossing bandwidth of the emitter, enriching the high-frequency harmonic components in the radiation field, and then improving the fine resolution of the structure. Secondly, by enlarging the size of the array source and extending the length of the transmitting unit, the overall radiation energy of the emitter can be increased, and the signal-to-noise ratio of the response signal and the detection depth can be improved. In order to further shorten the forward computing time of the three-dimensional complex model, the heterogeneous parallel algorithm is carried out on the basis of previous work. Secondary optimization improves the computing speed of the program by about 5% on the basis of the original parallel acceleration. At the same time, the finite-difference time-domain (FDTD) loading method is modified for the array source radiation form, and the finite-difference time-domain (FDTD) forward calculation of large-scale array source transient electromagnetic method is realized. The three-dimensional forward modeling of the array source transient electromagnetic tunnel prediction method is carried out. The transient electromagnetic response of the conventional loop source and the array source is simulated and compared. It is verified that the array source has a stronger ability of anomaly recognition, especially the response component parallel to the face has a better resolution than the response component perpendicular to the face. By simulating and analyzing the three-component transient electromagnetic response of the secondary field excited by the array source with different parameters, it is verified that the radiation intensity can be significantly enhanced by enlarging the size of the array source and extending the length of the transmitting unit. It is found that the larger the scale of geological hazard body, the closer to the face, the lower the resistivity, the more obvious the transient electromagnetic response of array source. Analog array source detects thin faults in front of the face and analyzes the corresponding magnetic field distribution law. It is found that the array source has obvious abnormal response to thin faults and can clearly detect the existence of thin faults. The results of forward modeling can be used as guidance for the future production of array source instruments.
【學(xué)位授予單位】：長安大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：U452.11;P631.325

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2212084