隧道直流电阻率法超前聚焦探测研究

【摘要】摘要：隧道电阻率超前探测方法具有野外施工方便、勘探效率高等特点,在矿山井巷开采、隧道掘进、城市及军事地下工程施工中发挥重要作用,解决了许多水文地质和工程地质问题；然而,在地下及其有限的施工空间内开展电阻率法测量,如何克服隧道旁侧干扰和隧道内施工机械等接地良导体对电阻率法观测的影响,从而高精度、高效率的完成地质勘探任务是隧道电阻率法勘探技术的关键。本文提出了一种隧道直流电阻率超前聚焦探测新方法(本文中简称聚焦电流法),该方法通过在掌子面上设立不同功能的环状电极组,使一次场电流具有像探照灯一样的聚焦功能,可有效探测隧道掘进前方不良地质体的存在,达到超前预报的目的。首先应用有限元数值模拟方法对二维轴对称分布和三维全空间分布的隧道环境下直流聚焦超前探测方案的可行性及效果进行数值模拟研究。分别采用矩形单元和六面体单元对二维和三维研究区域进行剖分,并根据隧道环境实际情况采用变网格剖分技术来减少网格剖分数。对二维区域电位及电导率分布进行线性插值。三维空间电位采用三线性函数插值,将变分方程化为线性代数方程组；采用计算精度较高的乔列斯基分解法(LDLT)求解线性方程组,实现了隧道电阻率法的二、三维数值模拟。第二部分主要介绍了直流电阻率超前聚焦探测的基本原理,并给出了三种聚焦观测方式。通过数值模拟方法对隧道直流电阻率超前聚焦探测的影响因素及最佳观测方式进行了研究。结果表明：旁侧异常体距离隧道越近,对异常曲线影响越大；隧道大小对超前聚焦的影响可忽略。在压制旁侧干扰方面A—M—A0装置要优于A-M装置,实际工作中应尽量增大供电电极距A0A,并使测量极距A0M与供电极距A0A满足A0M/A0A=0.6关系时,可达到最佳探测效果。第三部分主要介绍了在数值模拟的基础上进行导电纸和土槽实验,通过不同的电极排列方式和实验参数设置(供电电极距、异常体到掌子面的垂直距离d、异常体到隧道中线的距离L、异常体大小),分析了聚焦电流法隧道超前探测效果的影响因素及其探测曲线特征。并比较了设计的聚焦电流的电极布置超前探测的效果,验证了聚焦电流法超前探测的适用性。实验结果表明：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,和数值模拟所得结果一致。通过以上综合模拟实验表明,聚焦电流法应用于隧道超前探测是可行、有效的。
【作者】邓小康；
【导师】柳建新；
【作者基本信息】中南大学，地球探测与信息技术，2013，博士
【关键词】隧道；直流电阻率法；超前探测；电流聚焦；有限元；

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