基于二维HHT的隧道超前探测图像识别与检测

为有效分析隧道超前探测图像以避免灾害的发生,研究应用二维希尔伯特—黄变换(二维HHT)进行隧道超前探测图像的识别与检测。应用二维经验模态分解(BEMD)方法将隧道超前探测图像分解为不同频率的本征模态函数图(IMF)分量,去除含噪声的高频分量,得到重构后的新图像;再对新图像进行Hilbert变换,进而进行复信号分析,并求取图像的瞬时参数,突出图像特征。研究表明:二维HHT方法能较好地去除图像的噪声部分,并结合复信号分析所到的瞬时参数图,突出超前探测图像的异常体特征。

隧道超前探测方法技术与应用研究

“隧道超前探测”是工程地球物理工作者所面临的一个难题 ,该问题是矿产资源开采 (特别是煤矿开采 )中的巷道开拓超前预报问题的引伸。因此从原理上讲凡是能进行隧道掌子面勘探的所有的地质、地球物理方法均能用来进行隧道超前探测。我们对隧道超前探测技术进行了多年的理论与应用研究 ,提出了超前探测的地质雷达与超前水平岩芯钻相结合的综合预报法 ,在许多实际工程应用中取得了较好的效果。本文简要介绍了国内外超前探测的方法与应用情况 ,介绍了近年来针对这一方法开展的研究和取得的进展 。

基于旋转半波片和交替电流测量的隧道超前探测光纤电流传感器灵敏度漂移补偿方法

用于隧道超前探测中电流测量的光纤电流传感器受环境影响,灵敏度产生漂移。文中提出了基于旋转半波片和交替电流测量的灵敏度漂移补偿方法,由于传感器灵敏度在短时间内漂移量较小,故利用继电器快速切换使两部分待测电流交替穿过光纤环,对应的传感器输出电压取商以得到待测电流在已知总电流中的占比,进一步解出待测电流的大小,这种比例运算降低了长期测量中灵敏度漂移对测量结果的干扰。当传感器灵敏度过低影响交替电流测量的精度时,通过旋转半波片产生一个特定大小的双折射,提高传感器灵敏度。两种手段相结合的工作模式能够适应隧道内复杂的环境变化,现场实验表明,在4 h的测量中,传感器灵敏度漂移离散系数高达31.8%,但应用了基旋转半波片和交替电流测量的灵敏度漂移补偿方法后漂移的离散系数降低至1.39%,满足隧道超前探测中聚焦电流法对电流的测量要求。

基于高阶交错网格有限差分的隧道超前探测地震波场模拟

为解决地面勘探中直接采用数值模拟方法产生的运算速度慢、边界吸收效果差、频散严重等一系列问题,提出一种针对隧道超前探测的正演模拟方法,包括:利用高阶交错网格有限差分求解一阶速度-应力弹性波方程来获取任意时刻的波场信息,选择合适的网格精度和差分阶数满足稳定条件,使用一种新衰减函数的PML吸收边界来处理人为边界造成的反射问题,利用交错网格和FCT通量传输矫正法抑制频散。通过建立非均匀介质倾斜层状隧道模型和空洞隧道模型,对上述方法进行仿真模拟,得到清晰的波场和道集数据,证明上述正演方法的可行性。

基于VTI介质的隧道超前探测qP波正演模拟研究

由于隧道超前探测的环境与常规石油地震勘探的差异,不宜直接将过去的模拟方法拿到隧道中进行应用。结合层状地层表现出横向各向同性的特性,推导出在隧道空间适用的二维VTI介质一阶qP波方程,分析了其稳定条件。建立断层和软弱夹层的几种数值模型,利用PML边界解决模型边界反射,采用交错网格进行有限差分正演模拟,得到其共炮点道集。结果表明,qP波有限差分法可以快速地模拟不良的地震响应,规避伪S波和数值不稳定问题,为隧道超前探测资料的解释提供依据,提高预测的准确性。

聚焦电流法隧道超前探测有限元模拟分析

文章结合聚焦电流法隧道超前探测原理,采用有限单元异常电位法对聚焦电流法隧道超前探测的电场分布进行了计算分析,并通过数值模拟,探讨了不同地电条件下聚焦超前探测的异常特征。结果表明,该方法能直观、明显的反映出掌子面前方不良地质体的位置、形态,避免隧道内金属干扰物对探测结果的影响。

基于二维HHT的隧道超前探测图像识别与检测

基于探地雷达信号的特征,在隧道地质勘探前,使用HHT分析技术从每个IMF分量的瞬时剖面中提取原始图像和单通道信息,以提高地质预测的解释水平。通过HHT分析和分解获得的瞬时参数可以突出原始信号的特征信息,定量识别不良地质的位置和形态,提高地质雷达原始图像解释的准确性和可靠性。

基于场路耦合的隧道瞬变电磁超前探测正演与工程应用

瞬变电磁正演计算几乎全部采用均匀半空间的解析解作为初始条件加入,这对于存在解析解的情况下是可行的,然而,进行隧道超前探测时,由于处在全空间中并且存在已开挖洞体的影响,使用均匀全空间的解析解作为初始条件并不适用。从麦克斯韦方程组出发,在三维瞬态涡流场方程和电路方程的基础上,建立基于A法(矢量磁位法)的瞬变电磁场路耦合模型。通过节点法进行时间离散,建立迦辽金格式的时间离散方程,实现独立电压源激励下的瞬变电磁三维正演,使瞬变电磁法的三维正演更接近实际的观测过程。应用场路耦合方法进行瞬变电磁"烟圈效应"的数值计算,其结果与解析值对比表明正演结果与实际相符。以青岛胶州湾海底隧道为例分别建立考虑海水影响和不考虑海水影响的瞬变电磁超前探测模型,应用场路耦合的方法进行三维正演模拟,得到隧道上方海水体对瞬变电磁探测的影响。

基于高分辨直流电法的隧道超前地质预报异常探测研究

采用高分辨直流电法,对隧道不同空间位置的不良地质体探测异常特征进行了数值试验,并结合物理模型试验进行了分析研究。介绍了高分辨直流电法隧道超前探测机制和有限元求解原理;通过建立有限单元模型,对含隧道空腔全空间点源场的电位分布进行了数值试验,分析了不同地电条件下隧道不良地质体的视电阻率曲线形态特征;结合物理模型试验结果,对隧道不同空间位置的不良地质体探测进行了模拟试验。结果表明:在隧道空间内采用高分辨直流电法对围岩进行不良地质体的探测具有空间选择性,仅从GU或视电阻率曲线难以判断隧道掌子面前方的不良地质体,但对位于隧道底板或侧帮的不良地质体探测效果较好。研究成果对利用高分辨直流电法应用于隧道不良地质异常体的超前地质预报选择以及适用性具有一定的参考意义。

瞬变电磁超前探测在多风险源长大隧道中的应用

瞬变电磁法在隧道超前探测中具有较好的适用性。在山西某近煤层多风险源隧道进口及出口掌子面开展多角度、多断面瞬变电磁超前探测,分别获得顶板、底板及隧道前方25~100 m范围内不同角度的扇形视电阻率剖面,在等值线断面图上形成视电阻值小于20Ω·m闭合区,解译为充泥含水构造,并推断其空间位置及规模。钻探资料和现场开挖情况与瞬变电磁探测结果有良好的吻合度。

物探方法在隧洞超前探测中的应用

在云南厂口隧洞工程施工中,根据不同地质问题,采用高密度电法、洞地间地震波CT和超前预报三种物探方法进行探测,探测结果均对地质灾害有较明确的反映,说明作为基本技术手段的物探方法在隧洞超前探测中能发挥重要作用。

TeTSP隧道地震超前探测系统在南王庄隧道断裂灾害防治中的应用

结合平赞高速公路南王庄隧道所发生的不良地质灾害,详细介绍了TeTSP隧道地震超前探测系统对于断裂构造这一典型不良地质体探测中的应用,有效指导了施工。

特长深埋隧道基岩裂隙水探测与应用研究

基岩裂隙水的富集对隧道施工安全及建成后的运营管理造成严重威胁。对基岩裂隙水的赋存情况进行准确及时的预测,可有效降低隧道地质灾害的发生几率,确保隧道施工安全。依托宜巴高速公路郑家垭隧道,结合掌子面YK129+843处涌水情况,研究了岩体赋存裂隙水情况下深度偏移图、反射层提取图以及岩体物性图中岩石参数曲线的变化趋势。研究表明TSP超前地质预报方法对基岩裂隙水赋存情况的探测结果比较准确,对类似地质条件下的超前地质预报工作具有一定的借鉴意义。

瞬变电磁隧(巷)道超前地质预报技术研究及应用

"隧(巷)道超前探测"是目前地球物理工作者所面临的一个难题,也是矿产资源开采中的巷道开拓超前预报问题的引伸。从原理上讲凡是能进行隧道掌子面勘探的所有的地质、地球物理方法均能用来进行隧道超前探测。我们对隧道超前探测技术进行了多年项目实践的应用研究与科研试验,提出了超前探测的特殊线框瞬变电磁与地质雷达相结合的综合预报法,并在许多实际工程应用中取得了较好的效果。本文简要介绍了国内外超前探测的方法与应用情况,介绍了针对该组合方法开展的研究和取得的进展,同时结合应用实例介绍了所取得的成果。

基于非结构网格的隧道有限元逆时偏移成像

波场外推的精度对于逆时偏移成像结果至关重要。目前隧道逆时偏移成像波场外推过程中大都采用有限差分进行,用'以直代曲'的矩形网格来构建岩溶、断层破碎带等复杂隧道模型,容易造成数值频散,从而降低逆时偏移成像精度。为此,本文基于能够采用非结构网格对复杂模型进行贴体剖分的有限元法,进行隧道逆时偏移波场外推,建立了适用于非结构网格有限元法的Poynting矢量计算方程,并以此来压制低频噪音干扰;利用有限元网格剖分灵活性的特点,通过在逆时偏移成像中考虑隧道空间来压制对称假象;最后,对隧道观测系统进行了讨论,并对复杂隧道模型和实际资料进行成像。结果表明:本文所采取的基于非结构网格噪音压制策略能够有效压制低频噪音和对称假象的干扰,获得更加清晰的逆时偏移成像结果;隧道双边观测系统更有利于获得倾斜界面的真实位置;复杂模型和实际资料的成像结果进一步说明了方法的有效性。

隧道环境下频率域声波全波形反演优化方法对比

隧道地震超前探测方法是获取隧道前方复杂地质体结构的重要手段,对隧道工程的安全建设和灾害防治极为重要。针对目前隧道地震超前探测方法获取掌子面前方地质体结构和物性精度不足的问题,本研究将高分辨率的频率域声波全波形反演方法应用于隧道超前探测,并讨论了最速下降法(STD)、截断牛顿法(TRN)以及l-BFGS三种主要反演优化方法在隧道全波形反演中的迭代收敛速度、反演精度和计算效率,以期获取综合效果较好的隧道空间掌子面前方高分辨率成像全波形反演优化方法。通过对比得出,l-BFGS优化方法在反演精度、反演速度中存在明显优势,更适合隧道环境下的频率域全波形反演成像,这一结果可为全波形反演方法在隧道超前探测研究提供借鉴。

基于COMSOL模拟的瞬变电磁法在隧道超前地质预报中的应用

湖南临连高速公路黄沙隧道设计地层揭示溶洞、突泥突水等不良地质较多,为了做好超前预报工作,采用了瞬变电磁法探测技术(TEM),即利用中心回线装置激发的磁源,通过COMSOL有限元模拟软件建立几何模型,对隧道前方溶洞的电磁响应特征进行分析,研究瞬变电磁的响应规律,得出瞬变电磁探测的最佳角度和距离。此项技术的应用,大大降低了隧道不良地质引起的施工安全风险,保障了施工生产的顺利进行,同时也增加了隧道超前地质预报的技术手段,用于指导后续类似工程的施工。

界面极化电压的外推法测量研究

界面极化电压的测量对提高隧道掘进机(TBM)中BEAM电法前探的灵敏度具有一定的实用价值,而岩土与护盾电极之间的界面极化电压用传统方法难以精确测量。为此,本文提出一种界面极化电压的外推测量方法。该方法由一个样品筒和若干等距分布的电极构成,在样品筒两端施加交流电,测量各电极的交流复电压,根据电极之间的几何关系即可外推得到两端供电电极的界面电压。实验结果表明,该方法能够准确测出泥状岩土与金属电极之间的界面极化电压,且当泥状岩土中含有木炭或水洞等异物时,可以先用该方法测出泥状岩土与护盾电极之间的界面极化电压,然后将其在电法超前探测的总电压中扣除,从而提高隧道超前探测的灵敏度。

自适应极化滤波在地震超前探测波场分离中的应用

在隧道地震超前探测(TSP)数据处理中,波场分离是重要流程之一,波场分离的质量直接影响着成像结果的精度.本文基于有限差分法模拟了二维超前探测数据,利用极化滤波方法分离了来自隧道前方断层构造的反射P波和S波,分析了时窗参数对滤波效果的影响,并用自适应方法确定时窗大小,从而避免了时窗选择的主观性.将方法应用于实测TSP数据的波场分离,模拟数据和实际地震超前探测数据的处理结果表明自适应极化滤波能够有效分离反射P波和S波.