地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法技术

本发明专利技术公开了地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法，将钻探获得的岩体电阻率变化范围作为不等式先验约束信息和将前述综合方法获得的不良地质体的轮廓作为空间结构先验约束信息施加到三维电阻率跨孔CT反演方程中，执行多元信息约束联合反演，最终获得探测区域精细化的三维地质结构成像结果。本发明专利技术提出的充分利用多种探测信息进行相互约束和联合解译方法，大大优于传统多种探测手段依靠简单对比、相互验证的思路，能够最大限度地发挥综合探测的优势，对地质异常的探查识别和定位精度方面有了显著提高。

Multi method constrained inversion and joint interpretation method for bad geological exploration of underground engineering

The invention discloses a multi method constrained inversion and joint interpretation method for underground engineering bad geological detection. The variation range of rock mass resistivity obtained by drilling is used as a priori constraint information of inequality and the contour of the bad geological body obtained by the previous comprehensive method as a priori information of spatial structure to the three-dimensional resistivity cross hole CT inverse. In the equation, multi-information constrained joint inversion is performed to obtain the fine 3D geological structure imaging results of the exploration area. The present invention makes full use of various detection information to carry on the mutual constraint and joint interpretation method, which is greatly superior to the traditional multiple detection methods relying on simple contrast and mutual verification. It can maximize the advantages of comprehensive detection and improve the detection recognition and positioning accuracy of geological anomalies significantly.

【技术实现步骤摘要】
地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法
本专利技术涉及地下工程探测
，特别是涉及地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法。
技术介绍
近年来，我国地下工程建设进入飞速发展阶段，由于地质结构发育和分布的复杂性和隐蔽性，在施工前期难以全面查清不良地质情况，导致在施工过程中经常会遇到塌方、地表沉陷等地质灾害，灾害一旦发生轻则冲毁机具、正常施工被迫中断，重则造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失，甚至有些工程会因此而被迫停建。因此，如何避免和处理遇到的各种不良地质问题，成为在不良地质区修建地下工程的关键所在。然而，目前单一探查方法的探测准确率有限，利用多种地球物理手段“普查”和“详查”联合探测是目前工程中应用最多的方法。但目前综合探测大多数只是简单地将各自的解译结果进行比对分析、彼此验证和补充，不同探测方法和数据之间不存在相互联系和信息传递过程，缺乏系统性及联合解译准则。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法，采用多种探测结果信息作为先验约束，实现了基于信息传递和多元地球物理信息的联合反演解释，显著压制了解译的多解性，可以对地下目标体准确地进行三维定位和成像，提高了综合探测的准确性和可靠性。地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法，包括：在探测区域利用地表高密度电阻率法进行探测，获得地下地层的电阻率分布结构；在探测区域利用瞬变电磁法进行探测，将探测数据进行处理时，以利用地表高密度电阻率法获得的电阻率分布结构作为背景场，获得地层的视电阻率分布；针对地层的视电阻率分布初步确定异常体发育区的范围；在异常体发育区的范围内的地表布置钻孔孔位，并在相应位置进行钻孔取芯，获得钻探信息即岩体电阻率变化范围；综合钻探信息以及地表高密度电法和瞬变电磁法探测结果，给出地下异常体发育的轮廓；将地表钻探获得的岩体电阻率变化范围作为不等式先验约束信息、将获得的异常体发育的轮廓作为空间结构先验约束信息施加到三维电阻率跨孔CT反演方程中，执行多元信息约束联合反演，最终获得探测区域精细化的三维地下异常体发育结构成像结果。进一步的，所述三维电阻率跨孔CT反演方程中，电阻率CT反演目标函数如下：Φ＝(Δd-AΔm)T(Δd-AΔm)+λ(CΔm)T(CΔm)(1)式中，Δd为实际观测数据与正演理论观测数据的差向量，Δm为模型阐述的增量向量，A为偏导数矩阵，C为光滑度矩阵；λ为拉格朗日常数，代表光滑约束的权重。进一步的，反演方程求解过程中增加已知先验信息，将由钻孔获得的岩体电阻率的范围作为不等式约束施加到反演方程中：式中mi为第i个网格的电阻率，和分别为第i个网格的电阻率的下限和上限。进一步的，将空间结构约束施加到常规三维电阻率CT探测反演目标函数中，具体为：Φ＝(Δd-AΔm)T(Δd-AΔm)+λ(CΔm)T(CΔm)+η(FΔm)T(FΔm)(2)式中，η为拉格朗日常数，F为空间结构约束矩阵。进一步的，F为空间结构约束矩阵，其元素取值如下:其中，Ωk为异常区域，Numk为异常区域Ωk中包含的网格数目。本专利技术提出了一种地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法，将钻探获得的岩体电阻率变化范围作为不等式先验约束信息和将前述综合方法获得的不良地质体的轮廓作为空间结构先验约束信息施加到三维电阻率跨孔CT反演方程中，执行多元信息约束联合反演，最终获得探测区域精细化的三维地质结构成像结果。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术提出的充分利用多种探测信息进行相互约束和联合解译方法，大大优于传统多种探测手段依靠简单对比、相互验证的思路，能够最大限度地发挥综合探测的优势，对地质异常的探查识别和定位精度方面有了显著提高。(2)地质钻孔是获取探测对象内部真实岩性和物理属性的一种手段，但其获取的地质信息非常有限(仅为一孔之见)。本专利技术提出的测量不同深度钻孔岩芯电阻率的方法和构建的不等式约束方法，将地质钻探信息有效地融入到三维电阻率跨孔CT方法中，通过真实测得的地层电阻率上下限约束，可以将反演结果中电阻率的变化限定在更加符合实际地层电阻率的区间范围，使得反演结果更为可靠。(3)本专利技术提出的空间结构约束方法，通过提取地表高密度电法、瞬变电磁法等方法获得的地下不良地质信息并在三维电阻率跨孔CT反演的初始模型中构建先验的空间约束结构，为不同探测方法和数据之间建立了联系，实现了有效信息的传递，大大压制了三维电阻率跨孔CT反演的多解性，且反演结果更加准确。(4)本专利技术提出的多方法约束反演与联合解译方法，其内涵不仅指“范围普查”与“精细详查”手段的相互约束与联合，还指多种普查手段之间的层次约束与联合，如地表高密度电法、瞬变电磁法两种普查手段之间的约束(初始模型约束)与联合。这种约束与联合具有相对明确的逻辑关系，不是随意的，因此本专利技术提出的多方法约束反演与联合解译方法更是一种科学的综合探测体系。而且，该体系允许针对同一探测对象的其他地球物理手段通过先验约束构建的方式融入，并不仅限于所提的上述几种方法。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1是本专利技术基于约束联合反演的综合探查方法逻辑关系图；图2是综合探测方法测线总体布置图；图3(a)-图3(c)分别是地表高密度电法剖面A、B、C的反演结果；图4(a)-图4(c)分别是二维瞬变电磁剖面A、B、C的反演结果；图5是钻孔岩芯图；图6(a)由地表高密度电法、瞬变电磁法和地质钻孔得到的低阻异常体三维形态；图6(b)采用携带不等式约束和空间结构约束反演方程得到的三维电阻率反演提取结果，对小于100Ω·m的电阻率单元进行了提取和成像；图中：1、地表高密度测线A_Wen，2、地表高密度测线B_Sch，3、地表高密度测线C_Wen，4、瞬变电磁测线TEM_A，5、瞬变电磁测线TEM_B，6、瞬变电磁测线TEM_C，7、地质钻孔①，8、地质钻孔②，9、地质钻孔③，10、地质钻孔④，11、地质钻孔⑤，12、地质钻孔⑥，13、低阻异常区①，14、低阻异常区②，15、低阻异常区③，16，低阻异常区④，17、低阻异常区⑤，18、低阻异常区⑥，19、低阻异常区⑦，20、低阻异常区⑧，21、低阻异常区⑨，22、低阻异常区⑩，23、低阻异常区24、低阻异常区25、低阻异常区26、黏土，27、砂质黏土(含岩块碎屑)，28、破碎岩体，29、灰岩，30、三维空间约束结构Ω1(由14、17、20、22、24、25所得)，31、三维空间约束结构Ω2(由15、18、21、23所得)，32、反演结果中电阻率值小于100Ω·m的异常体。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法，其特征是，包括：在探测区域利用地表高密度电阻率法进行探测，获得地下地层的电阻率分布结构；在探测区域利用瞬变电磁法进行探测，将探测数据进行处理时，以利用地表高密度电阻率法获得的电阻率分布结构作为背景场，获得地层的视电阻率分布；针对地层的视电阻率分布初步确定异常体发育区的范围；在异常体发育区的范围内的地表布置钻孔孔位，并在相应位置进行钻孔取芯，获得钻探信息即岩体电阻率变化范围；综合钻探信息以及地表高密度电法和瞬变电磁法探测结果，给出地下异常体发育的轮廓；将地表钻探获得的岩体电阻率变化范围作为不等式先验约束信息、将获得的异常体发育的轮廓作为空间结构先验约束信息施加到三维电阻率跨孔CT反演方程中，执行多元信息约束联合反演，最终获得探测区域精细化的三维地下异常体发育结构成像结果。

【技术特征摘要】
1.地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法，其特征是，包括：在探测区域利用地表高密度电阻率法进行探测，获得地下地层的电阻率分布结构；在探测区域利用瞬变电磁法进行探测，将探测数据进行处理时，以利用地表高密度电阻率法获得的电阻率分布结构作为背景场，获得地层的视电阻率分布；针对地层的视电阻率分布初步确定异常体发育区的范围；在异常体发育区的范围内的地表布置钻孔孔位，并在相应位置进行钻孔取芯，获得钻探信息即岩体电阻率变化范围；综合钻探信息以及地表高密度电法和瞬变电磁法探测结果，给出地下异常体发育的轮廓；将地表钻探获得的岩体电阻率变化范围作为不等式先验约束信息、将获得的异常体发育的轮廓作为空间结构先验约束信息施加到三维电阻率跨孔CT反演方程中，执行多元信息约束联合反演，最终获得探测区域精细化的三维地下异常体发育结构成像结果。2.如权利要求1所述的地下工程不良地质探测多方法约束反演与联合解释方法，其特征是，所述三维电阻率跨孔CT反演方程中，电阻率CT反演目标函数如下：Φ＝(Δd-AΔm)T(Δd-A...

【专利技术属性】
技术研发人员：李术才，王宁，刘斌，刘征宇，聂利超，庞永昊，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37