聚焦电流法隧道超前探测模型实验.pdf

第 2 9卷 第 1 期 2 0 0 9年 2月 桂林工学院学报 J o u rna l o f Gu i l i n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y V o 1 ． 2 9 N l F e b ．2 0 o 9 文章编号 1 0 0 6 5 4 4 X 2 0 0 9 0 1 0 0 4 0 0 3 聚焦 电流法隧道超前探测模 型实验 周 丽 ，阮百尧 ，宁绍球 ，段长生 ，韦柳椰 1 ． 桂林工学院 资源与环境工程系，广西 桂林5 4 1 0 0 4 ；2 ．嘉兴学院 机电工程学院 ，浙江 嘉兴3 1 4 0 0 1 摘要提出了聚焦电流法进行隧道超前预报。采用两种电极布置方式只用屏蔽电极探测的 A 供 电装置和在屏蔽电极中间再加一电极同时供电的 A 一 供电装置。土槽模拟实验结果表明 当掌子面 不断接近异常体时，观测电位逐渐下降，可利用下降点和拐点进行预报 ；注意区和警示区的形态如手 电光，表示本方法具有聚焦探测效果。超前探测的距离与电极距和异常体大小有关，电极距越大，异 常体越大，异常体越早被探测到；A 一 A 。 供电装置比 A 供电装置效果好。 关键词 聚焦电流；超前预报；电极布置 ；电位归一化 中图分类号 P 6 3 1 文献标志码 A 隧道 、 巷道施工 中的地质超前 预报关 系到工程 的安全、 质量和进 度， 因而倍受关 注。 目前 国内电 法超前 探 测一 般 采 用 直 流工 作 方法 ， 如点 电源 法 ] 、 三点源法 J 、 高分辨率 直流电法 j 、 电阻率 法 等。这些方法工作方便 、 原理简单 、 仪器简 便易操作 ， 但 由于易受旁侧 干扰 ， 在超前预报 中一 直较少采用。本文提 出了聚焦 电流法进行 隧道超 前预报， 采用两种 电极布置方式 ， 利用屏蔽 电极使 供电电极中间的电流向前聚焦， 从 而解决传统直流 电阻率超前预报探测遇到的旁侧影响问题。 聚焦电流法在 电阻率测井 中已经有 了一定 的 应用 ] ，其 曲线显示 比普 通电测好，划分薄层 能力较好 ，而且不受屏蔽影响 ，仍能反应岩层 的 真实电学性质，有很好的应用效果。 1 电极布置方式及原理 根据测井中聚焦 电流电极系的布置方式 ， 设计了两套聚焦 电流法超前预报的电极 系，分别 为A 供电装置和 A 一 A 。 供电装置。A 装置中屏 蔽电极 系 A 对称地分 布在掌子面上 ，电极 系可 以是圆形也可以是矩形等多边形。 由于A 都供相 同的电流，使得所有电极 的中间 电流向前形成聚 焦。测量 电极 M布设在供电电极系的中心位置 ， 观测 M点电位随开挖深度的变化 图 l a 。 A 一A 0 供电装置与 A 供电装置不 同的是在环 形电极系的中心再放一个主供电电极 A 。 ， 同样所有 电极都供相同的电流， 在屏蔽电极系 A 作用下 ， 主 电极 A 。 的电流像手电筒的光束一样进入粘土。测 量电极系 M 与供电电极系一样对称地分布在掌子 面上 ， 观测 M 电位随开挖深度的变化 图 1 b 。 在通常情况下 ，隧道超前探测主要是 了解掌 子面前方及其 附近破 碎带 、水体 、地 质构造 等信 息。当掌子面前方有水体 、破碎带等存在 时，由 于与 围岩电性 有较 大的差异 ， 会不 同程度地 吸引 a A 供电装置 b ． 一 供电装置 图 1 电极布置图 F i g ． 1 F a c e e l e c t r o d e g e n e r a l a r r a n g e me n t 收稿 日期2 0 0 8 0 1 2 5 基金项目国家自然科学基金资助项 目 4 0 7 7 4 0 5 7 作者简介周丽 1 9 8 2 一 ，女，硕士，地球探测与信息技术专业。 通讯作者阮百尧，博士，教授，博士生导师， E m a i l r b y g l i t e ． e d u ． c n 。 第 1 期 周丽等聚焦电流法隧道超前探测模型实验 4 1 电流 ，从而引起观测点 电位的变化 ，可 以根 据 电 位变化来判断掌子面前方的地质情况 图 2 。 0 低阻异常体 a At , 供 电装 置 b A， ， 一A。 供 电装置 图 2 聚 焦电流法超前预报原理 Fi g ． 2 Pr i n c ipl e o f f o c u s e d e l e c t r i c a l a d v a n c e d d e t e c t i o n 2 土槽 实验 2 ． 1土的均匀性 用对称四极测量土 的电阻率 ，以此确定 土的 均匀性。取土槽 2 0 c m 6 0 c m范围内布置 5条测 线，每条测 线 的距 离为 5 c m。取 A B ／ 21 5 c m， MN ／ 2 3 c m，根据测得的电阻率值计算其平均电 阻率 P和均方根误 差 ，若均方根误差在规定 范围 以内，则土的均匀性较好。 2 ． 2实验布置 实验中土槽长 1 5 0 c m，宽 1 2 0 a m，高 8 0 a m。 采用半空间镜像法模 拟隧道和异 常水体 图 3 ， 其中隧道宽度 D1 4 c m，半高 B7 c m，异常水 体用铁块来模 拟，大小为边长 A8 ． 3 4 a m，厚度 S 3 ． 7 1 c m。圆形供 电电极系为每隔 4 5 。 放置一个 供电电极 n8 ，观测异常体位于隧道掌子面前 不同位置 异常体中心到隧道中线 的垂直距离 日 时电位随掘进距离 ￡变化的曲线 。 2 ． 3超前预报探测曲线 超前探测测量 的是 电位 随掘进距离变化 的曲 线 U ／ I ， 在 实验 中为减少边 界和无 穷远 极 的影 响 ， 将测 量 的各 点 的 U ／ I用 无 异常 体 时 ／ I p ／ 2 r r y进行归一。 图3 实验布置图 Fi g ． 3 Ex p e r i me n t a l g e n e r a l a r r a n g e me n t 图 4为异 常体 8 ． 3 4 c m， S3 ． 7 1 c m 位 于中隧道正前方 H0 c m和侧前方 H1 0 c m， H 1 4或 1 6 c m 时两种测量装置的超前探测曲线 归一化电位曲线 。 当掌子面离异常体较远时， 由 于异常体对电流没有影响， 所以测量的归一化电位 几乎相同 ， 测量曲线为直线 ； 当掌子面离异常体至 一 定距离 d 时， 受低 阻异常体吸引电流的影响 ， 观测 电位开始下降， 称此 时的距 离 d 为注意距离 ； 当掌子面进一步接近异常体时， 观测电位下降得越 来越快 ， 称下降曲线 的拐点处掌子面离异常体距离 d 为警示距离。 对异常体位于隧道侧前方， 当掌子 面经过异常体 边上时 ， 异常体离掌 子面最 近， 吸引 电流最多， 观测电位达到最小值； 然后随掌子面离 异常体距离的增加 ， 测量电位又慢慢回复至直线。 由此可见本文所设计 的超前探 测装 置确实能 够达到超前探 测的 目的 ，并且从 图 4两种测量装 置的观测结果看 ，与 A 供电装置相 比，A 一A 。 供 电装置电位下降点的下降幅度大，因此，A 一 A 0 供电装置比A 供电装置探测效果要好。 3 探测 范 围 从 图4可见 ， 聚焦 电流法隧道超前探测装置有 探测范围， 当异常体位于隧道旁侧较远处 图中 A 供 电装置 H1 4 c m， A 一A 0 供 电装置 H1 6 c m ， 探测曲线趋近于一条直线 ， 即此时聚焦电流法不能 探测到旁侧的异常体。图 5 是超前探测范围效果， 由异常体位于不同旁侧距离 时观测曲线得到， 其 中虚线为注意距 离 d 确定 的电位开始下降 区， 这 时施工人员需要注意前方可能出现异常水体， 影阴 区为由警示距离确定的警示 区， 水体很可能位于其 中。警示区和 电位下降 区形态非常像手 电光 的形 态 ， 这便是聚焦电流法 的聚焦特点。 L／ c m a A，， 供 电装置 L／ e ra b A， ， 一A。 供 电装 置 图 4 聚焦电流法超前探测曲线 Fi g ． 4 Cu r v e o f f o c u s e d e l e c t r i c a l a d v a n c e d d e t e c t i o n 一 4 2 桂林工学院学报 2 0 0 9年 L 7 善置暑暑苗 ． 手蚕詈 2 4 图 5 超前探测范 围效果 F i g ． 5 Effect o ft h e a dv a n c e d d e t e c t i o n 4 影响因素 4 ． 1 供电极距大小的影响 从表 1可知为不 同供电极距时的注意距离 d 和警示距离 d 电极距越大 ， d 和 d 越大， 发现异 常体的超前距离越大。但当屏蔽电极系半径 R 6 c m时， A 一 A 。 供电装置和 供电装置的 d 都减小 ， d 为 0 ； R 7 c m时两种装置的d 和 d 都为 0 ， 由 此可见此时因为受坑道边界影 响不能超前探测到 明显的异常 ， 所以在探测过程 中电极距不能过大。 4 ． 2 异常体大小的影响 表 2为不同大小异常体时的注意距离 d 和警 示距离 d ，从表 中可见异常体越 大 ，d 和 d 越 大 ，发现异常体的超前距离越大。 表 1 电极距不 同时 d n 和 d w 的值 T a b l e 1 Va l u e o f d a n d d i n d i ffe r e nt e l e c t r o d e s p a c i n g 表 2 异常体大小不同时 d n 和 的值 Ta b l e 2 Va l u e o fd a n d d i n d i ffe r e n t s i z e o ft h e a no ma l y 5 结束语 通过实验可以得知利用本文提 出的聚焦电流 法测量装置能够较好地进行 隧道超前探测。它不 仅能够在电位开始下降时提醒施工人员引起注意 ， 并且能够利用下降拐点对勘测人员进行警示 ，从 而达到超前预报 的 目的。注意区和警示 区的形态 如手电光 ，表示本方法具有聚焦探测效果。超前 探测的距离与电极距和异常体大小有关，电极距 越大、异常体越大 ，异常体被探测到越早；A 一 A 。 供电装置与 A 供电装置相 比效果较好。 参考文献 [ 1 ]冯于静， 王邦成 ， 李玉宝， 等． 点电源法在煤矿巷道超前探 测中的应用及效果[ J ] ． 河北煤炭， 1 9 9 8 4 9一 l 1 ． [ 2 ]周高翔．高分辨率直流电法探测在隧道施工超前地质预 报中的应用 [ J ] ．铁道勘察，2 0 0 7 1 4 2 4 4 ． [ 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 l一 3 ． [ 4 ]程久龙， 王玉和， 于师建， 等． 巷道掘进中电阻率法超前探测原 理与应用[ J ] ． 煤田地质与勘探， 2 O O O ， 2 8 4 6 0 6 2 ． [ 5 ]黄俊革 ， 鲍光淑 ，阮百尧．坑道直流电阻率测深异常研究 [ J ] ．地球物理学报，2 0 0 5 ， 4 8 1 2 2 2 2 2 8 ． [ 6 ]李舟波．钻井地球物理勘探 [ M] ．北京地质 出版社， 1 9 8 62 64 4． [ 7 ]尚作源．地球物理测井方法原理 [ M] ．北京 石油工业 出版社 ，1 9 8 72 8 4 2 ． Mo d e l E x p e r i me n t o f F o c u s e d Cu r r e n t M e t h o d i n Ad v a n c e d Tu n n e l De t e c t i o n Z HOU L i ， ， RUAN Ba i ． y a o ， NI NG S h a o ． q i u‘ ， DUAN Ch a n g ． s h e n g ， W EI Li u ． y e D e p a r t m e n t o f R e s o u r c e s a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g ，G u i l i n U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y ，G u i l i n 5 4 1 0 0 4 ， C h i n a；2 ． Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e ，J i a x i n g U n i v e r s i t y ，J i a x i n g 3 1 4 0 0 1 ，C h i na Ab s t r a c t F o c u s e d c u r r e n t me t h o d i S p r o p o s e d f o r a d v a n c e d f o r e c a s t i n t u n n e l s b y t w o DC e l e c t r o d e l a y o u t ． A i n ． s t all a t i o n i S d e t e c t e d b y t h e s h i e l d e l e c t r o d e a n d A 一A o i n s t al l a t i o n a d d e d t o a n o t h e r e l e c t r o d e i n t h e mi d d l e o f t h e s h i e l d e d e l e c t r o d e ． T h e c l a y t e s t s h o w t h a t t h e o b s e r v e d p o t e n t i a l d r o p s d o w n w h e n t u n n e l f a c e a p p r o a c h e s t o a n o ma l y c o n s t a n t l y ．Me a n w h i l e ． f o r e c a s t i n g c a n b e c a r r i e d o u t b y t h e d r o p p o i n t a n d the t r a n s i t i o n po i n t ． nl e p a t - t e rns o f n o t i c e a r e a a n d w a rni n g are a a s t o r c h l i g h t i n d i c a t e t h e me t h o d w i t h f o c u s e d e f f e c t ． F o r e c a s t d i s t a n c e i S d e ． t e n n i n e d b y r a d i u s o f e l e c t r o d e a n d s i z e o f a n o ma l y ． T h e b i g g e r t h e e l e c t r o d e and t h e an o maly are ，the e arl i e r the an o ma l y c a r l b e d e t e c t e d ． Th e e f f e c t o f A 一A o i n s t a l l a t i o n i S b e t t e r t h a n A i n s t all a t i o n ． Ke y wo r d sfoc u s e d c u r r e n t ； a d v a n c e d d e t e c t i o n； e l e c t r o d e l a y o u t ；no r mali z a t i o n o f p o t e n t i a l