[发明专利]一种室内模拟城市地铁隧道瞬变电磁非连续空间的装置与方法

说明书

本发明涉及一种室内模拟城市地铁隧道瞬变电磁非连续空间的装置与方法，用于模拟的模型包括箱体，将箱体内腔由底部至顶部分成四个部分，分别为第一层盐水溶液层、第二层高阻填充体、第三层盐水溶液层以及第四层高阻填充体；第二层高阻填充体和第四层高阻填充体用于试验中模拟空气，第一层盐水溶液层和第三层盐水溶液层用于试验中模拟围岩或地层介质；本发明获得瞬变电磁三维非连续空间及其移动过程中的响应信号，减少了实际工程中瞬变电磁响应信号测量的成本与盲目性，修正实际城市地铁隧道工程获取的瞬变电磁响应信号，增加实际城市地铁隧道工程瞬变电磁响应信号反演的准确性。

技术领域

本发明涉及一种室内模拟城市地铁隧道瞬变电磁非连续空间的装置与方法，适用于城市轨道交通工程与地下工程等瞬变电磁非连续空间状态，属于土木工程物探技术领域。

背景技术

随着大量城市地铁隧道的兴建与运营，受施工期质量缺陷、材料性能劣化、列车振动、周边工程活动等多种内外因素的影响，众多地铁隧道出现了一系列内部缺陷或病害问题，比如地下水、浅层溶洞、管片注浆不密实而形成的空洞、浅层裂隙发育带与破碎节理等。这些隧道结构内部病害是隧道外部病害的直接诱因，因此必须提前进行探测、发现、处置与治理等工序，进而有效保障地铁隧道的安全运营。

瞬变电磁法是一种人工源时间域电磁法。地壳中矿物岩石的导电性、埋深等存在差异，按照电磁感应理论，使用不接地回线装置或接地线源对指定区域发射一次脉冲磁场(一次场)，在脉冲磁场的激发下，目标区域的导电地质体将感应产生涡流(二次场)，通过研究线圈或接地电极观测的二次场的时间空间分布特征，可解决一些工程地质问题。该方法广泛地被用于地面探水、找矿以及地下的不良地层、现海洋内部军事设备与矿藏等金属物质、海底的矿产与石油、隧道或巷道超前地质预报中。

不同的应用工程领域决定了瞬变电磁研究对象的空间状态。航空或大地瞬变电磁探测问题是一个半空间瞬变电磁问题，一半为大气层，一半为大地或者海面。矿井或隧道瞬变电磁探测问题是全空间瞬变电磁问题，探测的前后方都为地层或围岩。海洋瞬变电磁探测问题也是全空间瞬变电磁问题，探测的前后方都是海水介质。而车载瞬变电磁探测问题是涉及到非连续空间瞬变电磁问题，在地铁隧道快速检测过程中，探测的前方先为围岩或地层后为空气，探测的后方全部为围岩或地层，进而导致探测前方的空间存在一定的不连续现象，即非连续空间状态。目前现有的方法大多在现场探测信号的解释上做了很多假设与简化，往往资料解释的结果与现场实际揭示的结果有很大的出入与偏差，进而出现很多错判与误判的现象，导致在不良地质体处置与治理过程中造成了过多且不必要的成本投入。

目前，对于瞬变电磁空间问题的研究，主要有理论研究、数值模拟与室内试验：

(1)论文《全空间瞬变电磁法在平阳隧道超前预报中的应用研究》(2019)与《全空间瞬变电磁法在隧道超前预报预测中的意义》(2018)都是基于全空间理想状态模拟的电磁响应信号特征，而实际工程中存在的一般都是非连续空间状态，因此响应信号的反演结果存在一定的误差。

(2)专利权人为吉林大学，中国专利申请号201911267507.2，介绍了一种城市地下空间拖曳式瞬变电磁自动探测装置及探测方法。该装置包括：拖曳车通过拖曳牵引杆与拖曳移动平台连接，控制端置于拖曳车上包括PC上位机和第一无线收发模块。但是也仅仅适用于全空间状态下瞬变电磁装置与测量，对于实际地质体的判断，该方法具有一定的局限性。

(3)专利权人为山东大学，中国专利申请号201210439184.2，介绍了一种直立式全空间瞬变电磁隧道模型实验装置。该装置包括外桶、内桶和挂钩；所述外桶直立，其顶部设有桶盖，桶盖上设有孔，内桶穿过孔并固定在桶盖上，在内桶底部外表面、外桶内壁或者桶盖下表面至少一处设有挂钩，所述外桶和内桶之间填充模拟围岩的液体相似材料。该装置简化为全空间状态，使得响应信号测量数据的反演结果有一定的偏差。