基于场路耦合的隧道瞬变电磁超前探测正演与工程应用  

FORWARD OF TRANSIENT ELECTROMAGNETIC METHOD FOR GEOLOGICAL PREDICTION IN TUNNELS BASED ON FIELD-CIRCUIT COUPLING AND ITS ENGINEERING APPLICATION

作　　者：孙怀凤[1] 李术才[1] 苏茂鑫[1] 薛翊国[1] 张永伟[1,2] 张文俊[1] 

机构地区：[1]山东大学岩土与结构工程研究中心,山东济南250061 [2]山东省地质环境监测总站,山东济南250014

出　　处：《岩石力学与工程学报》2011年第S1期3362-3369,共8页Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering

基　　金：国家自然科学基金青年科学基金项目(50908134;40902084)

摘　　要：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。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。

关 键 词：隧道工程 瞬变电磁 三维正演 场路耦合 烟圈效应 海底隧道瞬变电磁超前探测 

分 类 号：TU45[建筑科学—岩土工程] TD31[建筑科学—土工工程]