电阻率超前探测监测隧道冷冻法施工效果的可行性分析.pdf

第 1 卷第 1 期 2 0 1 0年 3月 上 海 应 用 技 术 学 院 学 报 自 然 科 学 版 J 0 U R N AL 0 F S HA N G HA I I N S T I T U T E 0 F TE C H N O L O G Y N A T I 『R A L S C I E N C E V0 1 ． 1 O No ． 1 M a r ． 2 0 1 0 文章编号 1 6 7 1 7 3 3 3 2 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 4 电阻率超前探测监测 隧道冷 冻法 施 工效果 的可行性分析 黄俊 革 J 2 海应用技术学院 城市建设与安全工程学院 ， 上海2 0 0 2 3 5 摘要 采用有限单元法对隧道电阻率超前探测进行数值模拟 ， 研 究冷冻法施工前后 ， 地下水 变化导致的电阻率超前探测视 电阻率改变。冷冻法未完成时， 超前探 测视电阻率为低阻异常； 冷冻法完成后 ， 超前探测视电阻率为高阻异常。结果表 明， 电阻率超前探测可以准确监测隧道 冷 冻法 的施 工效 果 。 关键词 隧道 ；冷冻法；电阻率；监测 ；有限单元法 中图分类号 P 3 1 9 ． 1 2 ； U 4 5 5 ． 4 9 文献标识码 A Fe as i bi l i t y of M o ni t o r i ng So i l - Fr e e z i ng C0ns 0l i da t i 0n Us i ng DC Re s i s t i v i t y Adv anc e d De t e c t i on i n Tunne l HU ANG J un g e S c h o o l o f Ur b a n Co n s t r u c t i o n a n d Sa f e t y En g i n e e r i n g， S h a n g h a i i n s t i t u t e o f Te c h n o l o gy ， Sh a n g h a i 2 0 0 2 3 5， C h i n a Ab s t r a c t Th e n u me r i c a l mo d e l i n g o f DC r e s i s t i v i t y a d v a n c e d d e t e c t i o n i n t u n n e l b a s e d o n f i n i t e e l e ． me nt m e t ho d i s d o n e i n t hi s p a p e r t o s t u dy t h e f e a s i b i l i t y o f mo ni t o r i ng o n s oi l - f r e e z i n g c o n s o l i d a t i o n． Th e c h a ng e o f a p p a r e nt r e s i s t i v i t y c a u s e d by t h e c h a ng e o f g r ou n d wa t e r i n s o i l f r ee z i n g c o ns o l i d a t i o n i s o b v i o u s ．Th e a n o ma l o u s of a pp a r e nt r e s i s t i vi t y i n a d v a nc e d d et e c t i o n i S l o w． r e s i s t i vi t y b e f o r e t h e g r o u n d wa t e r i s f u l l f r o z e n． Th e a n o ma l o u s o f a p p a r e n t r e s i s t i v i t y i n a d v a n c e d d e t e c t i o n i s h i g h - r e s i s t i v i t y a f t e r t h e g r o u n d wa t e r i s f u l l f r o z e n ． I t s h o ws t h a t t h e e f f e c t o f s o i l f r e e z i n g c o n s o l i d a t i o n c a n b e mo n i t o r e d b y DC r e s i s t i v i t y a d v a n c e d d e t e c t i o n i n t u n n e 1 ． Ke y wo r dst u n ne l ；s o i l f r e ez i n g c o n s ol i d a t i o n；r e s i s t i vi t y；mo ni t o r i ng；f i ni t e e l e me nt me t h o d 富含地下水地 区的隧道开掘 ， 容易发生坍塌 、 透水事故。尤其对于上海地 区来说 ， 软土地层地 下 0 ． 5 m以下即有地下水存在 ， 隧道开掘中的突 水隐患是 目前隧道盾构施工面临的主要问题 。为 预防地下水发育 区隧道挖掘施工突水， 提高松软 含水地层隧道施工的可靠性和安全性， 常采 用冷 冻法 将 地 下 水 和 岩 土 进 行 冷 冻 以 提 高 其 强 度[ 1 ] 。但当地下水的冷冻效果未达到施工要求 时 ， 盲 目施工将会带来灾难性 的突水事故。目前 对地下土层 、 地下水的冷冻效果 ， 基本依据土层中 的压力和温度 、 冷冻管 内盐水温度等方法_ 3 ] 进 行推断。由于地下地层、 地下水分布的复杂性 ， 这 种方法存在一定隐患， 且施工成本较大。隧道 内 部的地球物理方法 ， 如电阻率法 可以高效地探测 收稿 日期 2 0 0 91 01 9 基金项 目 上海市教育委员会创新基金 0 8 Y Z 1 6 8 ； 上海 应用技术学 院科研启动基金 Y J 2 0 0 7 ～2 8 作者简介 黄俊革 1 9 6 6～ ， 男 ， 博士 ， 教授 ， 主要研究方 向为建筑安全 的检测与监测 、 地球探测及数值模拟 2 上海应用技术学院学报 自然科学版 第 1 0卷 隧道周边介质变化情况。 电阻率法是根据岩石电性特征和空间电场分 布来推断岩石分布和性质的一种地球物理分支方 法。电阻率超前探测 ， 就是在已经开掘完成的隧 道中布置一系列 电极， 通过研究掌子面后方的电 场分布和视 电阻率异常 ， 对隧道掌子面前方 的地 质体分布来进行探测， 具有勘探效率高、 投入少、 施工方便灵活、 装置形式多样等特点 ， 尤为关键的 是 ， 电阻率法对含水构造等低阻地质体的灵敏度 高、 分辨能力强 ， 在超前探测领域 中有其 独特优 势。冯玉静等[ 6 ] 、 刘青雯l_ 7 分别介绍了坑道电阻 率超前探测方法在矿山含水构造探测中的一些应 用实例和解释方法 ； 李玉宝【 8 结合大量探测实例， 对 电阻率法超前探测技术的影响因素、 技术效果 进行了分析 。但对坑道、 隧道 电阻率超前探测的 系统理论研究很少。程久龙等[ 9 对无限大板状体 超前探测的全空间电场分布进行 了推导、 计算和 分析 ， 得出了一些结论。黄俊革等 。 研究了隧 道超前探测的电场分布 、 异常特征及其快速反演 方法。本文提出利用电阻率超前探测方法对冷冻 法施工前后的地层和地下水 的电阻率进行监测， 判断地层冷冻效果。为研究电阻率超前探测对冷 冻法效果判断的可行性， 本文 中采用有 限单元法 对隧道挖掘前方 、 隧道周边地层和地下水 的分布 进行数值模拟 ， 计算隧道内超前探测视 电阻率 曲 线 ， 并将冷冻法施工前后超前探测视 电阻率值和 异常图形进行对比。 1 隧道 电阻率超前探测模 型及数值 模拟方法 隧道电阻率超前探测方法中， 供电点置于掌子 面附近 ， 测量电极沿隧道以一定间距进行布设。由 于隧道空腔的特点， 测量点与点电源间的距离较小 时电场分布类似于半空间电场分布， 而距离较大时 又具有全空间电场分布的特点L 】 。图 1 为采用有 限元异常电位法对掌子面处点源供电时电源所在 Ⅺ z平面场分布进行数值模拟 的结果l 1 ” ] ， 由于隧 道的影响， 等位线存在较大变形。位于掌子面前方 的地质体， 当其电阻率与周边地层的电阻率存在差 异时， 将影响隧道壁的电场分布。通过研究隧道壁 上的电场分布、 探测视电阻率异常的变化 ， 可以推 测掌子面前方的异常地质体位置、 大小、 延伸等信 息 ， 从而达到超前探测的目的。 昌-1 0 5 、 t , q 一 1 1 0 7 5 5 7 6 0 7 6 5 7 7 0 7 7 5 7 8 0 7 8 5 X 『 m U 图 1 隧道迎头处点源场电位分布图 X O Z平面 Fi g．1 El e c t r i c p ot e nt i a l di s t r i bu t i o n o f p o i n t po we r f i e l d a t t u n ne l f a c e 由于隧道的存在 ， 隧道中的电场分布及超前 探测视 电阻率 曲线解析解很难求得 ， 只能应用物 理模拟或数值模拟手段进行正演 ， 本文采用坑道 中的有限单元异常电位法进行计算。为了提高有 限单元法求解三维 电场 的精度 ， 采用异常 电位法 进行计算 ， 将全区域的积分分解为每个单元 的 积分， 如图 2所示 。将各单元的积分相加 ， 可以得 到下式 Ku 一K 1 式中 K和K 为系数矩阵； 为待求异 常电位向 量； 钆 ， 为正常电位向量。 U o 式中 为电源点A 的供电电流强度 ； ID 为隧道 围 岩的背景电阻率； 为剖分网格节点和供 电点A 之间的距离。 解式 1 可得各剖分单元 网格结点的异常电 位 。各网格单元节点的总电位 为该节点正 常电位和异常电位之和。 Z 白 剖分 单元■■隧 道截 面 口地下 水截 面 -测量点 供 电点 图 2 区域剖分和 隧道 、 地 下水截面、 电阻率 超前探测装置示意图 Fi g． 2 Di a g r a m o fdi v i s i o n o f r e g i o n， g r ou ndwat e r 。 de t e c t i n g a r r a y o f DC r e s i s t i v i t y 第 1期 黄俊革 电阻率超前探测监测 隧道冷冻法施工效果的可行性分析 3 图 2为区域剖分和隧道 、 地下水截面、 电阻率 超前探测 装置示 意 图。围岩背景 电阻率为 1 0 0 f 2 m。隧道截面的宽度 Y方 向 和高度 Z方向 均为 4 m， 隧道长度 X方向 3 0 0 m。空腔中空气 的电阻率在理论上应 为无穷大 ， 在算法中用 电阻 率 5 X 1 0 Qm模拟 ， 隧道顶部距离地表 2 3 m。地 下水分布在模型 中被设 置为 4 m1 0 m2 7 m Xy z 的直立含水带， 位于隧道掌 子面前方 4 m 处 ， 顶部距地表 1 0 m。地下水 的电阻率较低 ， 模 型中设为 1 Q m。 2 地下水 的 电阻率超前探测异常 隧道电阻率超前探测 ， 采用二极装置进 行观 测。其供电电极 A位于隧道掌子面底边 中心， 观 测电极 Mi 1 ， 2 ， ⋯， 4 0 沿隧道底面中线均匀 布设 ， 点距 2 m。观测物理量为各观测点 的电位 i和视电阻率l D 。各观测点视 电阻率与电位的 关系为 ID 4 nAM 3 式 中 A Mi 为第 个观测点M 与供电点 A 之间 的距离 。以A M 为横坐标 ， 各观测点的视电阻率 为纵坐标做剖面图。 从图 1的隧道点源 电位分布可以看 出， 隧道 中开展的电阻率法将受隧道 四壁和空腔 的影响 ， 即使隧道前方为均匀介质 ， 超前探测视电阻率剖 面图中仍然有异常起伏 。 5 0 4 0 3 0 2 0 1 O 0 0 9 0 图 3隧道 介质 均 匀 时 的超 前 探 测 视 电 阻 翠 剖 面 图 Fi g． 3 Appa r e nt r e s i s t i v i t y s e c t i o n ma p of a d v a nc e d de t e c t i o n o n un i f o r m me di u m i n t un ne l 图 3为隧道介质均匀 时的超前探测视 电阻率 剖面图。由图中可见， 隧道空腔主要影响较小观测 极距的视电阻率 ， 当极距 AM 大于 1 0 m， 视电阻率 基本不受影响。这种影响与隧道 的宽度和高度有 关 ， 在实际中可 以采用 比较法予 以消除， 以突出隧 道前方地质体的响应。比较法的计算公式为 l0 ．1D 。 4 l 0 式中 l 0 为隧道 围岩 电阻率 ； lD 为第 个观测点 的实际视电阻率 ； 为第 个观测点 的隧道影 响 视 电阻率值 ， 该值 为根据实际隧道宽度和高度情 况下均匀介质的数值模拟结果。 3 冷 冻法实施过程 中电阻率超 前探 测异常变化 当隧道掌子面前方存在地下水体时， 将采用 冷冻法冻结水体 以便施工。随着冷冻法的实施 ， 模型中直立含水带中的地下水将由上到下逐渐冰 冻 ， 发生冰冻 的水体其 电阻率 由原来 的 1 Q m 骤 升至 竹1 0 g Z m 以上甚至绝缘 ， 地下水分布范围 将逐渐缩小。这里采用图 4 a ～图 6 a 所示的 模型模拟地下水冰冻过程 ， 地下水网格用空 白网 格表示， 已冰冻的地下水用阴影 网格示意。冰冻 地下水电阻率设为 5 0 0 0 0 Q m。在冷冻过程的每 一 个时期均作电阻率超前探测 ， 计算 的结果也 同 时在相应的图中列出。 冷冻法实施前的计算模型见图 4 a ， 经比较 法计算后的隧道超前探测视 电阻率剖面图中明显 为低阻异常， 异常最小值为 9 O ． 7 Q m， 位 于 A M 1 0 m处 。该异常幅值 明显， 所处极距 1 0 m 和地 下水与隧道掌子面 的距离 4 m 存在 比例关系， 与文献E 1 0 3 所述 比例吻合。表明电阻率超前探测 方法可以准确预测前方地下水分布情况 。 图 5 b 为部分地下水冷冻时 的超前探测结 果 。地下水冷冻深度与隧道底部齐平。此时的视 电阻率剖面仍表现为低阻异常 ， 但幅值较图 4 b 所示剖面图异常要小很多， 最小视电阻率为 9 8 ． 4 Q m， 与围岩的背景 电阻率极为接近。 当地下水完全被冷冻后 ， 视 电阻率超前探测 剖面图， 见图 6 b ， 与前两种情况下 的视 电阻率 异常相 比， 发生 了质的改变 。视 电阻率剖面 图表 现为高阻异常， 最大视 电阻率值达 1 1 0 f 2 m， 最大 值处的观测极距为 1 0 m， 与冷冻后 的地下水位置 相对应。 对比冷冻法实施前后的视电阻率剖面图发现， 超前探测视电阻率异常与冷冻法的实施效果有严 格 、 完全的对应关系。冷冻法未完成时， 超前探测 的视电阻率异常为低阻异常， 随着地下水冷冻深度 的逐渐增加， 视电阻率异常幅值逐渐减小 ， 但不会 改变异常的性质 ； 冷冻法完成后， 视 电阻率异常的 4 上海应用技术学院学报 自然科学版 第 1 0卷 性质发生改变， 由低阻异常转化为高阻异常。 AM | m a ] 完全冷冻地下水模型 b 超前探测结果剖面图 图 6 地下水完全冷冻时的超 前探测结果 Fi g． 6 Re s u l t o f a d v a nc e d de t e c t i o n o n f r o z e n g r o u nd wa t e r 4 结 论 采用有限单元法对隧道挖掘前方、 隧道周边地 层和地下水的分布进行数值模拟， 计算隧道内超前 探测视电阻率曲线， 并将冷冻法施工前后超前探测 视电阻率值和异常图形进行对比， 结果表明 1 隧道 电阻率超前探测方法可 以准确检 测 、 预报隧道掌子面前方地下水的分布情况 ； 2 根据隧道超前探测视电阻率剖面异常的 性质 ， 可以判断隧道前方水体冷冻法的实施效果 的好坏 低阻异常表示地下水冷冻不完全 ， 异常幅 值与地下水冷冻效果成反 比； 高阻异常表示地下 水 已完全被冷冻 ； 3 采用电阻率法监测隧道冷冻法施工效果 是可行 的 。 参考文献 [1 ] 任国青． 软弱富水地层冻结帷幕施工技术研究E J ] ． 岩土工程界 ， 2 0 0 8 ， 1 1 5 4 9 5 1 ． [2] 孔祥伟． 盾构进洞冻结法地基加固施工工艺[ 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