隧道超前探测准全空间磁共振理论及应用.pdf

第 2 3卷第 9期 、 ， 0 1 ．2 3 No ． 9 文章编号1 0 0 4 ． 0 6 0 9 2 0 1 3 0 9 ． 2 4 1 3 ． 0 9 中国有色金属学报 Th e Ch i n e s e J o u r n a l o f No n f e r r o u s M e t a l s 2 0 1 3年 9月 隧道超前探测准全空间磁共振理论及应用 林婷婷，万玲，曲永星，范铁虎，王世隆，易晓峰，林君 吉林大学 仪器科学与电气工程学院 地球信息探测仪器教育部重点实验室，长春 1 3 0 0 2 6 摘要依据地下探测的全空问特点，首次提出准全空间探测模型，推导准全空问 MR S响应核函数表达式，有 效剔除隧道已挖空区域在计算结果中的影响，提高 MRS正演计算准确度。同时，反演方法采用序列二次规划法 进行， 完成了地下准全空间模型磁共振数据非线性反演。 理论数据中， 对比地面半空间、 地下全空间的反演结果， 准全空间模型能更精确地反演地下灾害水体位置及含量， 且在含噪 1 0 ％的情况下仍然得到较为理想的反演结果。 在理论研究的基础上，结合金温铁路泽雅隧道的 MRS现场测试，对掘进掌字面前方隐伏含水构造进行解释，并 利用瞬变电磁数据对 MR S探测结果进行了一致性的比对分析。该项研究表明准全空间探测模型结合 S Q P反演算 法能够准确给出地下灾害水体的定位及富水程度，实现地下水害的超前准确预报，为隧道磁共振探测提供理论基 础 。 关键词隧道；磁共振测深；准全空间；序列二次规划 中图分类号P 6 3 1 文献标志码A Qu a s i wh o l e s p a c e ma g n e t i c r e s o n a n c e t h e o r y a n d i t s a p p l i c a t i o n i n t u nn e l a d v a n c e d d e t e c t i o n L I N T i n g t i n g ， WAN L i n g ， Q U Y o n g x i n g ， F AN T i e h u ， WANG S h i l o n g ， YI Xi a o f e n g ， L I N J u n Ke y L a b o r a t o r y o f G e o E x p l o r a t i o n I n s t r u me n t a t i o n ， Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ， J i l i n Un i v e r s i t y , C o l l e g e o f I n s t r u me n t a t i o n a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 6 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n o f t h e wh o l e ． s p a t i a 1 c h a r a c t e ris t i c s o f u n d e r g r o u n d e x p l o r a t i o n ， t h e q u a s i - wh o l e s p a c e d e t e c t i o n mo d e l wa s p r o p o s e d f o r t h e fi r s t t i me ． the q u a s i ． wh o l e s p a c e r e s p o n s e k e m e l f u n c t i o n o f M RS wa s d e ri v e d ． Th e e f f e c t o f the h o l l o we d o u t a r e a o f the t u un e l i n t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t i S e l i mi n a t e d e ffe c t i v e l y a n d MRS for wa r d c a l c u t a t i o n a c c u r a c y i s i mp r o v e d ． Me a n wh i l e ， wi t h t h e s e q u e n t i a l q u a d r i c p r o g r a mmi n g S Q P i n v e r s i o n me t h o d ， the n o n l i n e a r i n v e r s i o n o f ma g n e t i c r e s o n a n c e d a t a o f the u n d e r g r o u n d q u a s i ． wh o l e s p a c e mo d e l i S ful fi l l e d ．I n the t h e o r e t i c a l d a t a ． c o n t r a c t i n g t h e i n v e r s i o n r e s u l t s o f gro u n d h a l f s p a c e wi t h t h e u n d e r gro un d s p a c e ， q u a s i wh o l e s p a c e mo d e l c a n b e mo r e a c c u r a t e i n t h e i n v e r s i o n o f un d e r gro un d d i s a s t e r wa t e r ’ S p o s i t i o n a n d c o n t e n t 。 a n d a g o o d i n v e r s i o n r e s u l t e v e n un d e r t h e c o n d i t i o n o f c o n tai n i n g 1 0 ％ n o i s e i s g a i n e d ． Ba s e d o n t h e t h e o r e t i c a l r e s e a r c h a n d c o mb i n i n g wi t h MRS fie l d t e s t i n g o f Z e y a T u n n e l o f J i n W n Ra i l wa y , t h e wa t e r - b e a ti n g s t r u c t u r e h i d d e n i n the t u n ne l i n g t u n n e l f a c e wa s e x p l a i n e d ， a n d t h e c o n s i s t e n c y o f t h e d e t e c t i n g r e s u l t s c o mp a r a t i v e l y wa s a n a l y z e d ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e wh o l e s p a c e e x p l o r a t i o n mo d e l c o mb i n i n g S Q P i n v e r s i o n a l g o ri t h m C an g i v e t h e p o s i t i o n o f u n d e r g r o und d i s a s t e r w a t e r and wa t e r - b e a r i n g l e v e l a c c ura t e l y ,a n d the p r e d i c t i o n o f g r o u n d wa t e r h a r m a c c u r a t e l y i s a c h i e v e d t o l a y a t h e o r e t i c a l f o un d a t i o n for MRS d e t e c t i o n o f t h e t u n n e 1 ． Ke y wo r d s t t mn e l ； ma gn e t i c r e s o n an c e d e t e c t i o n ； q u a s i wh o l e s p a c e ； s e q u e n t i a l q u a d r a t i c p r o gr a mm i n g 道路交通设施是 国民经济 的基础 设施 。我国 山区 众多，公路铁路经常在山岭中穿过，隧道在道路工程 中所 占的比例很大。由于地质条件复杂，隧道建设时 经常会遇到突水涌泥灾害，给施工安全带来重大灾难 基金项 目国家重大科学仪器设备开发和应用专项 2 O 1 1 Y QO 3 O 1 3 3 ；国家自然科学基金青年基金项 目 2 l 1 O 1 O 7 1 吉林省科技发展项 目 2 o 1 2 O 3 2 6 收稿 E l 期2 0 1 3 0 5 - 1 6 ；修订 日期2 0 1 3 0 6 3 0 通信作者范铁虎 ，讲师，博士；电话1 3 6 0 4 3 9 6 7 8 9 ；E ma i l 劬【j l u ． e d u ．c a 2 4 2 0 中国有色金属学报 2 0 1 3 年9 月 作提供了新思路，随着磁共振技术在矿井、隧道中的 广泛应用，该反演方法可进行深入研究，得到更多水 文地质参数，更加有效地判断水源性质。 REFERENCES 【 2 】 【 3 ] [ 4 ] 【 5 】 【 6 ] [ 7 】 [ 8 】 [ 9 ] 张平松 ，刘盛 东，吴健 生．隧道 及井巷工 程超前探 测模拟及 其 偏 移 技 术 研 究 [ J ] ．岩 石 力 学 与 工 程 学 报，2 0 0 7 ，2 6 7 2 8 4 7 - 2 8 51 ． ZHANG Pi n g - s o ng ， LI U S h e n g d o n g ，WU J i a n - s h e n g． S t u d y o n d e t e c t i n g s i mu l a t i o n a h e a d o f tu n n e l a nd l a ne wa y a n d i t s mi g r a t i o n t e c h n i q u e[ J 】 ． C h i n e s e J o u rna l o f Ro c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7 ， 2 6 7 2 8 4 7 2 8 5 1 ． 柳建新， 邓小康，郭荣文， 刘海飞， 童孝忠， 柳 卓． 坑道直 流聚焦超前探测电阻率法有限元数值模拟[ J 】 _ 中国有色金属 学报， 2 0 1 2 ， 2 2 3 9 7 0 9 7 5 ． LI U J i a n． x i n ，DE NG Xi a o k an g ， GUO Run g - we n， L1 U Ha i f e i ， TONG Xi a o z h o n g ， L I U Z h u o． Nu me ric a l s i mu l a t i o n o f a d v anc e d d e t e c ti o n wi t h DC f o c u s r e s i s t i v i t y i n t u n n e l b y fin i t e e l e me n t me t h o d[ J ] ． T h e C h i n e s e J o u r n a l o f No n f e r r o u s Me t a l s ， 2 0 1 2 ， 2 2 3 9 7 0 9 7 5 ． 林君，段清 明，王应 吉．核 磁共振 找水仪 原理与 应用[ M] ． 北京科学 出版社， 2 0 1 0 ． L I N J u n ， D UAN Qi n g min g ， WA NG Yi n g i ． T h e o r y and d e s i g n o f ma gn e t i c r e s o na n c e s o u n d i n g i n s t r u m e n t f o r gr o u nd wa t e r d e t e c t i o n a n d i t s a p p l i c a t i o n s 【 M] ． B e ij i n g S c i e n c e P r e s s ， 2 0 1 0 ． CHALI KA KI NI ELS E N M R， LEGCHENK O A．M RS a p p l i c a b i l i t y for a s t u d y o f gl a c i a l s e d i m e n tary a q u i f e r s i n C e n t r a l J u t l a n d ，D e n ma r k[ J 】 ． J o u r n a l o f Ap p l i e d Ge o p h y s i c s ， 2 0 0 8 ， 6 6 1 7 6 1 8 7 ． 戴苗，胡祥云，吴海波，蒋龙聪，杨迪琨．地面核磁 共振 找 水反演[ J ] ．地球物理学报， 2 0 0 8 ， 5 1 6 1 8 7 6 1 8 8 2 ． DAI M i a o ，HU Xi a n g y nn ，W U Ha i - b o ，J I ANG Lo ng c o n g ， YANG Di k u n． I n v e r s i o n o f s ur f a c e n u c l e a r ma gn e t i c r e s o n a n c e [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Ge o p h y s i c s ， 2 0 0 8 ， 5 1 6 1 8 7 6 1 8 8 2 ． MOHNKE O． YAR A M ANCI U． S mo o t h a n d bl o c k i n v e r s i on o f s u r f a c e NMR a mp l i tu d e s a n d d e c a y t i m e s us i n g s i mu l a t e d a n n e a l i n g 【 J ] ．J o u r n a l o f Ap p l i e d Ge o p h y s i c s ，2 0 0 2 ，5 0 l 6 3 -1 7 7 ． BR AU N M． Y AR AMA NCI U． I n v e r s i o n o f r e s i s t i v i ty i n ma g n e t i c r e s o n a n c e s o u n d i n g[ J 】 ． J o u r n a l o f A p p l i e d Ge o p h y s i c s ， 20 08 ． 6 6 1 5 1 1 6 4 ． LEGCHE NKO A． VALLA P ． A r e v i e w o ft h e b a s i c p rin c i p l e s for p r o t o n ma g n e t i c r e s o n a n c e s o und i n g me a s u r e me n t s[ J ] _ J o u r n a l of Ap pl i e d Ge o p hy s i c s ， 20 0 2， 5 0 3 -1 9 ． 林君．核磁共振找水技术的研 究现状与发展趋势[ J ] ． 地球物 理学进展 ， 2 0 1 0 ， 2 5 2 6 8 1 6 9 1 ． L 1 N J un ．S i tu i o n a n d p r o g r e s s o f n u c l e a r ma gn e ti c r e s o n a n c e t e c h n i q u e f o r g r o u n d wa t e r i n v e s t i g a t i o n s [ J 】 ．P r o g r e s s i n Ge o p h y s i c s ， 2 0 1 0 ， 2 5 2 6 8 1 6 9 1 ． [ 1 0 ] L I N J u n ，L 1 N T i n g t i n g ，J I Y a n u ，C HE N Z u - b in，Z H AO Yi - p i n g， LI Ha i s h e n g． No n inv a s i ve c h a r a c t e riz a t i o n o f wa t e r - b e a ti n g s t r a t a u s i n g a c o mb i n e d g e o p h y s i c a l s u r v e y s[ J ] ． J o u r n a l o f Ap pl i e d Ge o p h ys i c s ． 2 01 3 ， 91 4 9 6 5 ． [ 1 1 】 田宝凤，林君，段清 明，蒋川东．基于参 考线 圈和变 步长 自 适应的磁共振信号噪声压制方法[ J ] ．地球物理学报，2 0 1 2 ， 5 5 7 2 4 6 2 2 4 7 2 ． T I AN B a o f e n g ， L IN J nn，D UA N Qi n g mi n g ， J I ANG C h u a n d o ng ．Va r i a b l e s t e p a d a p t i v e n o i s e c an c e l l a t i o n a l g o rit h m for ma gne t i c r e s o n a n c e s o u n d i n g s i gna l wi th a r e f e r e n c e c o i l[ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Ge o p h y s i c s ， 2 0 1 2 ， 5 5 7 2 4 6 2 2 4 7 2 ． [ 1 2 】 易晓 峰，林君，段清 明．基于双 匝线圈 的轻便式核磁 共振 找水仪研S 0 [ J ] ．仪器仪表学报， 2 0 1 3 ， 3 4 1 卜1 O ． YI X i a o f e n g ，L 1 N J u n ，D UAN Qi n g mi n g ．R e s e a r c h and d e ve l o p me n t o f po r t a b l e n u c l e ar ma gn e t i c r e s o nanc e gro u nd wa t e r e x p l o r a t i o n i n s t r u me nt b a s e d o n d o u bl e tur n c o i l s [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f S c i e n t i f i c I n s t r u me n t ， 2 0 1 3 ， 3 4 1 1 一l O ． [ 1 3 】 林君，蒋 川东，段清 明，王应吉，秦胜伍，林婷婷．复杂条 件地 下水磁共振探测与灾 害水源探 查研 究进展[ J 】 ．吉林 大学 学报地球科 学版， 2 0 1 2 ， 4 2 5 1 5 6 0 1 5 7 0 ． L 1 N J u n ，J I A NG C h u an d o n g ，D UA N Qi n g - mi n g ，WANG Yi n g i ，Q r N S h e n g w u ，L I N T i n g t i n g ．T h e s i t u a t i o n and p r o g r e s s o f ma gn e t i c r e s o n a n c e s o u n ding f o r g r o un d wa t e r i n v e s t i g a t i o n s a n d u n d e r gro und a p p l i c a t i o n s[ J ] ． J o u r n a l o f J i l i n U n i v e r s i t y E a r t h S c i e n c e E d i t i o n ， 2 0 1 2 ， 4 2 5 1 5 6 0 1 5 7 0 ． [ 1 4 ] 孙怀风， 李术才，李 貅． 核磁共振测深进行隧道超前地质 预 报 的 可 行 性 [ J ] ．山东 大 学 学 报 工 学 版 ，2 0 1 3 ，4 3 1 9 2 -1 0 3． S UN Hu a i f e ng ，LI S hu c a i ，LI Xi u．Fe a s i b i l i t y o f u s i n g ma gn e t i c r e s o nan c e s o u n di n g i n p r e d i c t i o n of wa t e r b e a rin g s t r u c t u r e s i n f r o n t o f a tu nne l f a c e[ J 】 ． J o u r n a l o f S h a n d o n g U n i v e r s i t y I n d u s t r y S c i e n c e E d i t i o n ， 2 0 1 3 ， 4 3 1 9 2 1 0 3 ． [ 1 5 ] 伍 开江，周启 友．基于序列 二次规 划方法 的高密度 电阻率 反 演[ J 】 ．地球科 学与环境学报， 2 0 0 5 ， 2 7 3 6 3 6 7 ． WU K a i - j i a n g ． Z HO U Qi y o u ． Hi g h d e n s i t y e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y i n v e r s i o n b a s e d o n s e q u e n t i a l q u a d r a t i c p r o gra mmi n g me th o d[ J 1 J o u r n a l o f E a r t h S c i e n c e s a n d E n v i r o n me n t ， 2 0 0 5 ， 2 7 3 6 3 6 7 [ 1 6 】 刘 冰，徐兴平，李继志．基 于序列二 次规划算 法的水平 井 射孔优化[ J ] ． 石 油钻探技术， 2 0 1 2 ， 4 0 3 9 7 1 0 1 ． L I U B i n g ，XU Xi n g p i n g ，L I J i z h i ．Ap p l i c a t i o n o f S QP a l g o ri t h m t o o p t i mi z e p e r f o r a t i o n i n h o ri z o n t a l we l l s [ J 】 ． P e t r o l e u m D ri l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 1 2 ， 4 O 3 9 7 1 0 1 ． 第 2 3 卷第 9期 林婷婷，等隧道超前探测准全空间磁共振理论及应用 2 4 2 1 [ 1 7 】 【 1 8 】 【 1 9 ] [ 2 0 ] J I ANG C ， L I N J ， DU AN Q， S UN S ， T I AN B． S t a t i s t i c a l s t a c k i n g a n d a d a p t i v e n o t c h fi l t e r t o r e m o v e h i 曲 l e v e l e l e c t r o m a g n e t i c n o i s e f r o m l n l -s me a s u r e me n t s[ J ] ．Ne a r S u r f a c e Ge o p h y s i c s ， 2 0 1 1 ， 9 9 4 5 9 4 6 8 于景邮， 刘树才，王扬州． 巷道内金属体瞬变 电磁响应特征 及处理技术[ J 】 ． 煤炭学报， 2 0 0 8 ， 3 3 1 2 1 4 0 3 - 1 4 0 7 ． YU J i n g c u rt ， L I U Sh u c a i ， WANG Yan g z h o u ． Re s p o ns e c h a r a c t e ris t i c o f t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n e t i c t o me t a l l i c f a c i l i t i e s i n c o a l mi n e s a n d t h e d i s p o s a l t e c h n o l o g y[ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y , 2 0 0 8 ， 3 3 1 2 1 4 0 3 1 4 0 7 ． 谭代明．地下全空间瞬变电磁响应 的研究[ J ] ． 物探与化探， 2 0 0 9 ， 3 3 4 4 3 6 - 4 3 9 ． T AN Da i mi n g． A s t u d y o f t h e r e s p o ns e o f t r a n s i e n t e l e c tr o ma g n e t i c u n d e r g r o u n d wh o l e - s p a c e[ J ] ．Ge o p h 2 r s i c a l Ge o c h e mi c a l E x p l o r a t i o n ． 2 0 0 9 ， 3 3 4 4 3 6 4 3 9 ． 孟庆 鑫，潘 和平．井 中磁源 瞬变 电磁三 维时域有 限差分数值 模拟 [ J 】 ．中南大学学报自然科学版， 2 0 1 3 ， 4 4 2 6 4 9 6 5 5 ． ME NG Qi n g - Xi n ， P A N He - P i n g ． 3 D F DT D n u me r i c a l s i mul a tio n f o r tra n s i e n t e l e c tro ma g n e t i c o f ma g n e t i c s o ur c e i n b o r e h o l e[ J ] ． J o u r n a l o f C e n tr a l S o u t h Un i v e r s i ty S c i e n c e and T e c h n o l 0 g y ， 2 0 1 3 ， 4 4 2 6 4 9 6 5 5 ． [ 2 1 1 薛国强，李 貅． 瞬变电磁超前预报成像技术[ J ] ． 地球物理 学报 ， 2 0 0 8 ， 5 l 3 8 9 4 - 9 0 0 ． XUE Gu o q i an g ， LI Xi u． T h e t e c h no l o g y o f TE M tun n e l p r e d i c ti o n i ma g i n g【 J 】 ． C h in e s e J o u r n a l o f Ge o p h y s i c s ， 2 0 0 8 ， 5 l 3 8 9 4 9 0 0 ． 【 2 2 ] L E GC HE N K0 A， E Z E S KY M， C AME R L YNC K C， AL ZOUBI A，CHAL1 KAKI S K ． J o i n t u s e o f TEM a nd M RS me t h o d s i n a c o mp l e x g e o l o g i c a l s e t t in g [ E B ／ OL ] ．w w、 s c i e nc e d i r e c t ． c o rn ， 2 0 0 9 9 0 8 9 1 7 ． 编辑李艳红