聚焦电流法隧道超前探测有限元模拟分析.pdf

文章编号 1 6 7 3 4 8 7 4 2 0 1 2 7 0 0 8 5 0 0 6 聚焦 电流法隧道超前 探测有限元模拟分析 杨庭伟 ， 彭蓉 广西交通科 学研究院 ， 广西南宁5 3 0 0 0 7 作者简介 杨 庭 伟 1 9 8 5 一 ， 男， 广西贵港人 ， 主要 从事 土木 工程 检 测和 监 控 工 作 。 B LA NE DN l I_}川 桥l 隧 工i 程 摘要 文章结合聚焦 电流 法隧道超 前探 测原理 ， 采用有限单元异 常电位 法对 聚 焦 电流法隧道超前探测的电场分布进行 了计算分析 ， 并通过数值模拟 ， 探讨 了不 同 地 电条件下聚焦超前探测 的异常特征 。结果表 明， 该方法能直观、 明显的反映出掌 子面前方不 良地质体 的位置 、 形态， 避免隧道 内金属干扰物对探测结果的影响。 关键词 聚焦 电流法 ； 隧道超前探 测； 有限元模拟分析 中图分类号 U 4 5 6 文献标 识码 A F i ni t e El e m e n t Si mul a t i on Ana l y s i s o f F oc u s Cur r e n t Me t ho d i n Tun ne l Pi l ot De t e c t i on Y ANG “ 1] n g we i ， PENG Ro n g Gu a n g x i T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e， N a n n i n g， Gu a n g x i ， 5 3 0 0 0 7 Ab s t r a c t Co mb i n e d wi t h t h e p r i n c i p ie s o f f o C U S c u r r e n t me t h o d i n t u n n eI p i l o t d e t e c t i o n ， t h e a r t i c l e ma d e t h e c a l c u la t i o n a n aly s i s o n t he e le c t r i c fi e ld d i s t r i b u t i o n o f f o c u s c u r r e n t me t ho d i n t u n n eI P_ lo t de t ec t i on by u si n g t h e abn or maI po t en t i aI me t ho d o f fin i t e elemen t ， a n d t h r ou gh n u me r i c a I S i mu la t i o n ， it d i s c u s s e d t h e a b n o r ma I c h a r a c t e r i s t i c s o f f o C U S p i l o t d e t e c t i o n u nd e r d i f f e r e n t g r o u nd c o nd i t i o n s ． T h e r e s u lt s s h o we d t h a t t h i s me t ho d c a n d i r e c t ly a nd o b v i o u s l y r e f l e c t t h e I o c a t i o n a nd f o m1 O f u vo r a b le g e o lo g y a he a d o f t u n n e I f a c e， a v o i d i n g t h e i n f l U - e n c e o n t he d e t e c t i o n r e s u l t s b y me t a l i n t e r f e r e n c e i n t he t u n n e 1 ． Ke y Wo r d s F o c u s c u r r e n t me t hod； T u n n e l p i lo t d e t e c t i o n； F i n i t e e le me n t a n a ly s i s 0 引言 隧道施工中不 良地质的复杂 多变 ， 使得各类地质灾 害爆发 呈现 出复杂、 突发、 随机的特点 ， 因而如何 获得准确的隧道超前地 质预 报一直是困扰 国内外工程地球 物理工作者 的难题。近年来 ， 以地震 反射 、 声波反射 、 地 质雷达、 T S P 2 0 3隧道超前 地质预报 系统等为代表 的一系列地球物理方 法开始发展起来 ， 并取得很 多成功先 例 ， 但 由于复杂多变的隧道环境及各种探测方法本身的局 限性 ， 这些方法的应用效 果往往受到很大的限制。 ] 。直流 电阻率法是公认 的对水体及地下空洞等不 良地质 2 0 t 2 年篇7 期 总第 期8 5 体较为敏感 的一种探测手段 ， 其原理简单 ， 成本低 廉， 操作简便。国内的地球物 理工作者将直 流 电法应 用 于巷道的超前探测已有十 多年的历史 ， 工作 中常使 用 三极装置 ， 即在巷 道迎头采 用点 电极 A供 电， 电极 B 置于无穷远处， 在巷道掘进头 后方通过测 量 电极 MN 观测 电阻率的变化 ， 据此推 断解释掘进头前方 的地质 异常体。但复杂的巷道环境使得观测方案受到限制 ， 且探测结果极易受巷道条件 浮煤 、 轨道 、 电、 磁 等 的 影响 ， 因此要达到预报 的要求难度很大l 2 ] 。 2 0 0 2 年 ， 德 国 G e o h y d r a u l i c D a t a公司推 出世界 上第一台基于聚焦 电流频 率域激发极化 方法 的电法 隧道超前探测仪 器 B E A M B o r e T u n n e l i n g E l e c t r ic a l A h e a d M o n i t o r i n g ] ， 国内已有一些单位 引进 了该 方 法 ， 并取得 了不错 的效果 ． 6 _ 。实践表 明， B E A M超前 地质预报技术是最有效的隧道短距离探测方 法之一 。 B E A M以其准确 、 有效 、 及时、 连续的特 点展 示 了聚焦 电法广阔的应 用前景。迄今为止 ， 聚焦 电法在地面 电 法 中应用不 多， 但在侧 向测井中已得到 了广泛 的应 用 并取得 良好的效果 。目前， 聚焦 电法在隧道超前探测中 的应用研究仍处在初期阶段 。 ， 基础理论研究 尚欠一 定的深度， 还需对异常的解译进行大量的物理模拟实验 和数值计算。笔者在阮百尧、 黄俊革等人_ g ’ ] 前期研究 的基础上， 采用有限单元异常电位法对聚焦 电流法隧道 超前探测进行模拟 ， 并分析了其异常特征 ， 这对应用直流 电阻率法进行隧道超前探测具有一定的参考意义。 1 聚焦 电流法隧道超前探测原理 在隧道超前探测 中， 聚焦直流 电阻率法的基本原 理 为 如图 1 a 所示 通过人为 的附加一个 电场 ， 来 迫使 工作 电场具有一定的方 向性 ， 达到“ 聚焦 电流” 的 目的 ， 进而突 出探测方向上 目标体的影响 。为 了达到 电流聚焦 的目的 ， 电极布置方式可 以是环状、 多边形 ， 或其他形状1 ． ” ] 。本 文 电极 布置方 式 如 图 1 b 所 示 ， A、 M ～ 和 A。 极均 布置于隧道 掌子 面， B极 和 N极置于无穷远处 ， 整个装置 为正方形 ， 模 拟观测 时可采用任意 M ～M 作为观测点 ， 也可在 M ～ 点上同时观测 。 2 聚焦电流法有限元数值模拟 2 ． 1 三维隧道电阻率探测有限元模拟法 有限单元法是直流 电阻率探测模拟最有效 的方 8 6 两部交通科技 0 焉 一一 。 a 聚焦电流法隧道超前探测原理 o cur r e nt el e ct r od e o p o t e n t i a l e l e c t r o d e b 电极布置 图 1 聚焦 电流法超前探测原理和 电极布置示意图 法之一 ， 在隧道聚焦超前探 测中 ， 由于供 电电源点及 数据采集点均分 布在隧道掌子 面狭小的空间内， 为 消 除场源奇异性的影响， 可采用有限单元异常电位法， 以提高近场源处电位的计算精度。 异 常 电位 满 足 的 基 本 微 分 方 程 和 边 界 条 件 为 f 一 0 -t M o ， d- - Q 0∈ 1 【 ／ I M ． c o s r ， ／ r 0 ， ∈ ． 其中， 区域的地面边界 区域 Q的无穷远边界 ； ／1 , 边界的外法 向方向 介质的 电导率 ； 异常 电导率 一 一面 O o均匀大地 围岩 电导率 ； 。 正常电位 ； 异 常电位。 与上式等价的变分 问题为 f F “ i [ 丢 “ 。 V u ] d Q I 广 { 』 1 I 。 c o s r ， 。M ／ r ‘ 2 l c o s r ， n “ 。 ／ r ] d F l 3 F M 0 具体 求解过程这里不再赘述， 详见文献[ 1 2 ] 、 [ 1 3 ] ， 首先采 用六面体单元 对区域 Q进行剖分 ， 把全 区域的积分分 解为各单元积分之和 ， 其次在保 证计算 精度的前提 下， 为提高计算速 度 ， 采 用齐次边界 条件 将积分 方程简化 ， 而后将各 单元积分 相加 ， 得到线性 方程组为 Ku 一 K U0 3 其 中， K和 K 均 为 系数 矩 阵 刚度矩 阵 ， U 、 M 。 是全部节点 “、 。 组成的列向量， 均匀全空间情况下 点源正 常电位表达式为 Uo L 4 4 r ao 4 其中 ， r 测点到 电源点的距离 ； 均匀全 空间介质 电导率。 解式 3 大 型线 性方 程组 ， 得 到 各节 点 的异 常 电 位 ， 异常 电位和正 常电位相加得 到总 电位 。由于本文 研究的 目标体 主要位于隧道附近 ， 采用六面体 单元将 整个三维区域 划分为工作 区和边界 区 图 2为四分 之 一 区域剖分示意图 ， 其 中工作 区为主要 的 目标地 质 体赋存区域 ， 同时也是数据 的采集 区域 ， 尽 量采 用较 小的均匀网格单元剖分该区域， 边界区为整个区域中 的非 目标 区部分 ， 其 网格单 元步长呈倍 数关 系递 增， 以模拟无穷远边界 。 图 2 区域网格剖分示意图 2 ． 2 解析解与数值解结果对比 为了检验计算结果是否准确， 计算精度是否满足 研究 工作的要求 ， 对比解析解与数值解 。本文利用三 层水平层状大地的解析解与数值模 v,A 仕M I 杲进行对 比。 模型参数 为 第一 层 电阻率 为5 O Q m， 厚 度为 5 m； 第二层电阻率为1 0 0 Q m， 厚度为1 0 m； 第三层 电阻 率为2 0 Q m。解析解采用数字滤波法计算， 并通过 对称 四极装置测量获得测量结果。从 图 3 可 以看 出， 有限单元法计算得到 的测深 曲线 与数字滤波 法所得 的测深 曲线完全拟合 ， 表明计算 程序是可靠、 有效的。 A B ／ 2 ／ m 图 3 数值解与解析解对比曲线 图 3 全空间下隧道聚焦电法超前探测电场分布 聚焦 电流装置使得 电流具有聚焦效应 ， 同时 由于 隧道空腔的存在 ， 使得其 电位分布更为复杂。为了了 解聚焦 电流法超前 探测的原理 和 比较 聚焦 电流法 的 聚焦效果 ， 本文对聚焦 电流场和点源场的分 布进行 了 计算 。假设 隧道外 围介质 电阻率为1 0 0 0 Q m， 隧道 横截面大小为8 mX 8 m， 每一个供 电电极供 电电流大 小均为1 A 。经过计算得到两者的 电位分 布如图 4 所 示 ， 图中等值线 为 电位 ， 箭头 方 向为 电流方 向。从 图 中可 以清 晰看到 ， 对聚焦 电场 而言 ， 由于同性 电流具 有相互排斥 的特性 ， 使得 电流主要沿着掌子 面掘进方 向流出 ， 相 比之下 ， 点源场产生的 电流更加发散。 为 了更好地 了解聚焦 电场在隧道掘进方向 即 X 方向 的分 布特性 ， 下图给 出 掌子 面位于 X0 m 处 方向 Y Z截面的电位分布， 模型参数与上图一致。 由图 5 可以看到， 聚焦 电场同样具有使 电流 向前聚焦 的特性 ， 这正是其具备定 向观 测的基础 。 a 点源场 b 聚焦场 图 4 X Z断面 电位 、 电流分布图 2 0 1 2 年第7 期 总第6 0 期 8 7 其中 L分别为 L0 m、 4 m、 6 m、 8 m。异 常体 几何 中心在水平面的投 影始终落在隧道轴线上 ， 模 型断面 如 图 7 a 所示。围岩 电阻率为1 0 0 0 Q m ， 隧道横 截面为正方形 ， 大小为8 m8 m， A。 A3 m， 分 别观 测 M 、 M。 的 电位及两观测点间的 电位差 M 。 ， U M 。 UM U M， A o M1 AO M3 1 m。当 L 不 同时 ， M 、 眠观 测 点 的 G U 曲线 及 肛 曲线 分 别 如 图 7 b 、 7 c 、 7 d 所 示。从 图中可 以看 到， 无论是 还是 M。 观测点 的 G U 曲线 ， 随着 L 的增大 ， G U 曲 线的异常幅值会越来越 小 ， 当 L8 m 且 掌子面距离 异常体1 m 时 ， GU曲线 的最大异常幅值仅分别为 1 ％ 和 2 ％。再观察 U M 曲线可以发现 ， 当异常体位于 掌 子面正前方 L0 m 或偏离隧道较远 L8 m 时， U 。 近似于一条直线 ， 若异常体到隧道轴线 的距离介 于 L0 m 和 L8 m之间， 受到低 阻异 常体吸引 电流 a 模型断面 b M 点 GU曲线 ．一一； 一 一 ； I ． 一 I ． ． I 一 一；I 一 ； I ． I I ． 。一 一 一 一 一 一 一 一 L、 。 ⋯ 聋譬 I 叶 一 一 IJil l I I ‘ L _I ‘ l l l l I l lI 、 1_ ▲ 1一 L 8 l I1 I l I I l l I I II ．．．L． 一 L一 一 L．． L ．一 L 一一 L 一一 L一 - L一 一 L - I I I l l I l l l I l l l I I l I I I l l I t l l I I l I I H／ m c M3 点 G U 曲线 H ／ m d U M 。 曲线 图 7 不 同异常体位置数值模拟结果 图 的影响 ， 使得 M 点 电位高于 M3 点电位 ， 两点间的电 位差会随着 掌子面到异 常体距离 H 的减少而逐 渐 增大 ， 从 己 ， M 值大小应可推断异 常体位 于靠 近 点 的方向。计算结果表 明， 聚焦 电流法对偏离隧道轴线 方向较大 的异常体 响应很小 ， 从 GU曲线可直观确定 掌子面前方是否存在异 常体 ， 通过 U M ， 曲线还可大致 确定异 常体 的方位。 4 ． 3 算例三 模型为考察不 同大小异 常体 的聚焦超前探测 响 应。采 用 M 点 观测 ， 。 M 1 m， 其余模 型参数 和 算例二一致， 在不改变其它模型参数的前提下， 通过 改变异常体大小进行模 拟 。设有三个 大小不 同的低 阻异 常体分别位 于隧道掌子面正前方 L0 m 1 8 m 处， 电阻率 为2 0 Q m， 大 小分 别 为4 m4 mx 4 m、 8 m4 m8 m 和厚度为4 m的无限大直立低阻板 状 体 。探测曲线 GU如图 8所示。计算结果显示 ， 异 常 体规模越大， 探测曲线出现明显下降的时间越早， 下 降幅度也越大。 图 8 不同大小异常体 G U 曲线图 2 2 4第7 总冀6 0 期8 9 ∞ ∞ m O 4 ． 4算仞l 四 隧道 掘进施工中掌子面附近常有施工机械 、 钢拱 架、 台车等金属物体 ， 这对电阻率类的探测方法而言 ， 通常有很大的影 响。为 了考 察隧道 内金 属机械 对聚 焦探测 的影 响 ， 设 隧道 底 板 有一 金 属 物体 ， 大 小为 4 m4 m1 m， 电阻率为1 O n m， 其几何 中心 与隧 道底板轴线重合， 距离掌子面保持为2 m， 低阻异常体 位于掌子面 正前方 1 8 m处 L0 m ， 采 用 M 点观 测 ， A。 M 1 m， 其余各参 数与算例 二一 致。在 不改 变其他模型参数 的情 况下 ， 将隧道 内金属体 撤 出， 再 次进 行模拟 观测 。两次观 测得到 的 G 曲线如 图 9 所示 ， 由图可知 ， 两条 曲线形态 、 曲线下降位置和下 降 幅度都非常吻合， 可见隧道内的金属干扰物对其探测 结果的影响非常小， 表明聚焦电流法可有效克服掌子 面后方隧道 内金属物体 的干扰 。 图 9 隧道内含金属干扰物时 GU曲线对 比图 5 结论与建议 综合上述计算结果 ， 表 明聚焦 电流法用于隧道超 前探测是有效 、 可行 的 ， 其不仅异 常特 征直观 、 明显， 还具有定向观测 的特点， 同时能有效克服隧道 内金 属 物体 的干 扰。相 比于 传统 的地 质雷达 、 地震 反射 方 法， 在防止地震噪 声、 电磁或金属物 干扰及掌 子面平 整度等均没有很高 的要求。 1 对于偏离隧道轴线 较远 的不 良地质体 ， 观 测 曲线 GU对其反映不明显， 从而能够解决传统超前预 报方法 中常遇到的旁侧影响问题 ； 采取不 同测量 电极 组合的观测方式 ， 不仅可初步判断隧道 掘进面前方是 否存在不良地质体 ， 还能大致确定不 良地质体所处 的 方位 。 9 0 西部交通科技 ≤ 。 2 对隧道掌子面前方 的不 良地 质体 ， 其 与围岩 的电性差异越大或规模越大， 观测到异常体的时间就 越早 ， 异常幅值 也越 大。隧道掘 进 面附近 的施 工机 械 、 钢支护 、 施工台车等金 属物体 ， 当其相对于掌子面 的空间位置基本保持不变时， 对探测结果影响不大， 可忽略不计。 3 对采取新奥法施 工的隧道而言 ， 采用聚焦 电 流法进行超前探测 ， 将可能会 占用少量开挖工作面工 作时间， 但如能在爆破前将贯入的锚杆作为 电极合理 使 用， 将不妨碍正 常施 工。当然 ， 聚焦 电流法 用于实 践仍存在一些 问题 ， 如何利用观测 曲线来定量解释隧 道掌子面前方不良地质体的准确位置， 还有待进一步 研究 。 参考文献 [ 1 ] 钟宏伟， 赵凌． 我国隧道工程超前预报技术现状分析 [ J ] ． 人民长江， 2 0 0 4 ， 3 5 9 1 6 1 8 ． 1- 2 3 李玉宝． 矿井电法超前探测技术[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 0 2 ， 3 0 2 13 ． [ 3 ] 刘斌， 李术才， 李树忱， 等。 隧道含水构造直流电阻率 法超前探测研究E J ] ． 岩土力学， 2 0 0 9 ， 3 0 1 O 3 0 9 3 3 1 O 1． E 4 ] G e o h y d r a u l i k d a t a ． B e a m p r e s e n t a t i o n [ M ． K ir c h v e r s ， G e r ma n Ge oh y d r a u l i c Da t a， Co r p ． 2 0 0 2 2 0 0 6 ． E 5 ] 朱劲， 李天斌， 李永林， 等． Bea m超前地质预报技术在 铜锣山隧道中的应用[ J ] ． 工程地质学报， 2 0 0 7 ， 1 5 2 2 5 826 2 ． [ 6 ] 谭天元， 张 伟． 隧洞超前地质预报中的新技术法 一 B E A M法E J ] ． 贵州水力发电， 2 0 0 8 ， 1 2 6 3 1 ． E 7 ] 张力， 阮百尧， 吕玉增， 等． 坑道全空间直流聚焦超前 探测模拟研究E J ] ． 地球物理学报， 2 0 1 1 ， 5 4 4 ， 1 1 3 0 1 1 3 9． [ 8 ] T i n g w e i Y a n g ， B a i y a o R u a n ， J i a n l i Wa n g ， J u n g e H u a n g ． A n a l y z e o f a n o ma l o u s c h a r a c i e r j s t i c s o f a d v a n c e d f o c u s e d d e t e c t io n wit h D C r e s i s t i v i t y i n t u n n e l E J ] ． In P r o c e e d i n g s o f F S K D’ 2 0 1 0 ． p P , 2 7 5 62 7 6 0 ． E 9 ] 阮百尧， 邓小康， 刘海飞， 等． 坑道直流电阻率超前聚焦 探测新方法研究[ J ] ． 地球物理学报， 2 0 0 9 ， 5 2 1 2 8 9 2 96 ． [ 1 O ] 强建科， 阮百尧， 周俊杰． 三维坑道直流聚焦法超前探 测的电极组合研究[ J ] ． 地球物理学报， 2 0 1 0 ， 5 3 3 6 9 5 6 9 9 ． 下转第 9 4 页 的隧道围岩压 力和 围岩变形 ， 运 用于桥梁上 ， 应是 一 个很不错的选择。环氧 树脂混凝 土的抗裂性能 比一 般混凝土高 出两倍 ， 具有 良好 的振动和易性 ， 与普通 混凝土相 比， 环氧树脂混凝土具有凝结快 ， 强度高 ， 韧 性好 ， 抗 中 击强度 大， 耐化 学腐蚀 、 耐磨性 、 耐 水性和 抗冻性能好 ， 并且 与金属 和非金 属材 料 的黏结 强度 高 ， 电绝缘性能好等优点 。固化后的环氧树脂混凝土 对大气 、 潮 湿、 化学介质 、 细菌等都有很强的抵抗 力。 在桥面铺装层 用环氧 树脂混凝 土锚 固止水带来 处理结构分离法桥梁纵 向加宽缝， 能够抵抗 新旧桥 之 间的一定变形差 ， 韧性好 ， 与 旧结构 混凝土结合性 能 好 ， 养护时间短 ， 强 度形成快 ， 一般 4 ～8 h 即可通 车 ， 对交通影响／ I ＼ 。 5 0 ／ 2 5 O ， 2 门 n 『J 口 [ 图 5 新旧桥纵 向加宽缝止水带埋设示意 图 单位 a l1 5 结语 危 旧桥加 固改造工程 中桥 梁纵 向加宽缝 不同处 上接 第 9 0页 [ 1 1 ] 杨庭伟， 阮百尧， 周丽， 等． 聚焦电流法隧道超前探测 导电纸模拟[ J ] ． 矿产与地质， 2 0 0 9 ， 2 3 4 3 6 2 3 6 6 ． [ 1 2 ] 徐世浙． 地球物理中的有限单元法[ M] ． 北京 科学出版 社 ， 1 9 9 4 。 [ 1 3 ] 阮百尧， 熊彬， 徐世浙． 三维地电断面 电阻率测深有 限元数值模拟[ J ] ． 地球科学， 2 0 0 1 ， 2 6 1 7 3 7 7 ． [ 1 4 ] 黄俊革， 王家林， 阮百尧。 坑道直流电阻率法超前探测 研究[ J ] ． 地球物理学报， 2 0 0 6 ， 4 9 5 1 5 2 9 1 5 3 8 ． [ 1 5 3 Y A N G T in g We i ， R U A N B a i Y a o ， W 卜 IG J i a n L i ． e t c ． C o m p a r i s o n a mo n g D C r e s i s t i v it y me t h o d s o f a d v a n c e d d e 一 9 4西部交通科技 WG 。 nu s t e m 。 。 。 l 理方法都有各 自的优缺点及适用性 ， 应根据各 工程的 实际情况选用合适 的处理 方法。本 文提 出的结构分 离法处理桥梁纵 向加 宽缝 的新措施 ， 成本低 ， 施 工简 易， 若运营中证明效果好， 应值得推广。 ⑦ 参考文献 [ 1 ] 余祥亮， 王佐才． 浅谈公路拓宽工程新老桥梁的纵缝连 接[ J - 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