直流聚焦超前探測(cè)影響因素及水槽模擬實(shí)驗(yàn)

張繼鋒， 趙廣東， 楊勇剛， 董　星

(長(zhǎng)安大學(xué)　地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院， 西安　710064)

?

直流聚焦超前探測(cè)影響因素及水槽模擬實(shí)驗(yàn)

張繼鋒， 趙廣東*， 楊勇剛， 董星

(長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院， 西安710064)

采用基于異常電位法的三維有限元數(shù)值模擬方法，對(duì)影響直流聚焦超前探測(cè)效果的各種因素進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，以異常幅度大于三倍均方誤差為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各種影響因素是否忽略進(jìn)行了判定。結(jié)果表明，距離隧道軸線6 m之外的旁側(cè)異常體對(duì)超前探測(cè)效果影響很小,坑道后方的金屬體對(duì)超前探測(cè)效果幾乎沒(méi)有影響,坑道正前方水體災(zāi)害的規(guī)模大小對(duì)聚焦電流法超前探測(cè)距離的確定影響較大。最后制作隧道空腔模型進(jìn)行水槽模擬實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了九極聚焦法的實(shí)際可行性，并且其探測(cè)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的單極裝置。

直流聚焦； 隧道； 超前探測(cè)； 三維有限元； 水槽模擬實(shí)驗(yàn)

0　引言

近十多年來(lái)，在地下煤礦開(kāi)采、高速公路及鐵路隧道開(kāi)挖過(guò)程中突水透水事故頻發(fā)，不但給社會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，而且常引起重大人員傷亡事故[1-2]。因此，如何獲得準(zhǔn)確的隧道掌子面前方不良地質(zhì)體信息，一直是困擾工程地球物理學(xué)家的難題。

地質(zhì)超前預(yù)報(bào)目前采用的方法可分為破壞法[3-4]和非破壞法[5]兩種，①破壞法預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度高，但施工費(fèi)用高、占用施工時(shí)間長(zhǎng)，且易于造成坑道事故和次生災(zāi)害；②非破壞法主要指采用地球物理的方法進(jìn)行超前預(yù)報(bào)(如瞬變電磁法、地震反射[6]、地質(zhì)雷達(dá)[7-8]、BEAM超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)[9]以及TSP[10-11]超前探測(cè)技術(shù))，該類方法以物性差別為基礎(chǔ)，利用隧道空間進(jìn)行施工，具有快速、便捷、無(wú)損、探測(cè)深度大等優(yōu)勢(shì)。直流電阻率法中的定點(diǎn)源三極法因其布極簡(jiǎn)單，操作方便，成本低廉而廣泛應(yīng)用于隧道超前預(yù)報(bào)中，但該方法受旁側(cè)異常體影響較大，給解釋帶來(lái)許多不確定因素。而直流聚焦隧道超前預(yù)報(bào)方法是近年來(lái)新興起的一種具有應(yīng)用前景的方法，該方法通過(guò)屏蔽電極使電流定向聚焦于隧道正前方，可大大提高超前探測(cè)深度，減弱旁側(cè)地質(zhì)體的影響。

作者基于已成熟運(yùn)用的七側(cè)向測(cè)井技術(shù)[13]，并結(jié)合隧道的特殊環(huán)境，提出了九極聚焦法，并設(shè)計(jì)了九極聚焦裝置，探討了超前探測(cè)效果的影響因素，最后設(shè)計(jì)了水槽模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了九極聚焦超前探測(cè)的可行性。

1　聚焦電流法超前探測(cè)原理

直流聚焦電阻率法超前探測(cè)的基本原理如圖1所示，即在掌子面上布多個(gè)供電電極，并按一定方式排列，同時(shí)向掌子面供相同極性相同大小的電流，由于同性電流相斥的原理，電流將沿著掌子面向前聚焦流動(dòng)，從而到達(dá)更深的前方。而到達(dá)掌子面周圍的電流則很少，即一定范圍以外的巖石的物性對(duì)掌子面前方的異常的探測(cè)影響不大(這一點(diǎn)在后面有模擬驗(yàn)證)?；谏鲜鲈恚O(shè)計(jì)的裝置類型如圖2所示，即九極聚焦裝置。掌子面中心處電極為主供電電極，周圍對(duì)稱分布的8個(gè)A電極為屏蔽電極，M1、M2、M3、M4為測(cè)量電極[14-15]。

圖1　聚焦電流法原理示意圖Fig.1　The schematic diagram of focusing current method

圖2　隧道模型及電極布置示意圖Fig.2　The schematic diagram of tunnel model and electrode arrangement(a)隧道模型；(b)電極模型

2　聚焦電流法有限元數(shù)值模擬

根據(jù)電磁場(chǎng)論基本理論可知，直流電場(chǎng)在無(wú)源區(qū)滿足拉普拉斯方程，在有源區(qū)滿足泊松方程，再加上邊界條件，求解該拉普拉斯方程或者泊松方程，就能得到每一點(diǎn)的電位值。這種傳統(tǒng)的求解析解的方法只能用于求解均勻各向同性介質(zhì)或分層各向同性的層狀介質(zhì)，而實(shí)際中的的介質(zhì)是復(fù)雜多變的，傳統(tǒng)的解析解法已顯得“無(wú)能為力”。

有限單元法是直流電阻率探測(cè)模擬最有效的方法之一，徐世浙等[17]在此方面建立了較為完善的方法體系。在實(shí)際的運(yùn)用過(guò)程中，由于隧道掌子面的狹小空間，供電電極與測(cè)量電極之間的距離很近，這就使得供電點(diǎn)處的電位出現(xiàn)奇異。為了消除供電點(diǎn)處電位奇異現(xiàn)象，采用異常電位法[16]，以提高場(chǎng)源處電位的計(jì)算精度。

總電位v為正常電位與異常電位之和，即：

v=u0+u

(1)

其中:u0為正常電位，即掌子面前方?jīng)]有異常體時(shí)的電位；u為異常電位。三維全空間下正常電位的計(jì)算公式見(jiàn)式(2)，異常電位所滿足的微分方程及其邊界條件見(jiàn)式(3)[17]。

(2)

(3)

其中：Γs為區(qū)域的地面邊界；?！逓閰^(qū)域的無(wú)窮遠(yuǎn)邊界；n為邊界的外法線方向；σ為介質(zhì)的電導(dǎo)率；σ′為異常電導(dǎo)率,σ′=σ-σ0；σ0為均勻大地(圍巖)電導(dǎo)率。

用于有限元數(shù)值模擬的變分問(wèn)題見(jiàn)式(4)[18]

采用正六面體單元對(duì)區(qū)域進(jìn)行剖分，將區(qū)域分為目標(biāo)區(qū)域和邊界區(qū)域，目標(biāo)區(qū)域均勻剖分，目標(biāo)區(qū)域是數(shù)據(jù)采集區(qū)域，在計(jì)算機(jī)硬件允許的前提下盡量采用較小的均勻網(wǎng)格單元，邊界區(qū)為整個(gè)區(qū)域中的非目標(biāo)區(qū)部分，其網(wǎng)格單元步長(zhǎng)呈倍數(shù)關(guān)系遞增，以模擬無(wú)窮遠(yuǎn)邊界。有限元法詳細(xì)計(jì)算過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[17-19]。

3　影響超前探測(cè)效果的因素

影響隧道超前探測(cè)的因素很多，可歸納為主觀因素和客觀因素：①主觀因素有隧道空腔底板鋼軌等施工設(shè)施的影響、測(cè)量電極距的大??；②客觀因素有異常電阻率的大小、隧道空腔存在的影響、低阻異常體大??；隧道旁側(cè)低阻異常體存在等[20]。這里著重模擬了隧道空腔底板鋼軌等低阻體的影響、旁側(cè)異常體的影響以及異常體大小的影響，所得到的結(jié)論對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)具有一定的實(shí)用價(jià)值。

3.1隧道空腔底板鋼軌等對(duì)探測(cè)效果的影響

在隧道的開(kāi)挖過(guò)程中，隧道空腔中擺滿了各種大型鉆探設(shè)施、用于碎石運(yùn)輸?shù)匿撥?，這些笨重的施工機(jī)械往往難以撤出，并且其電阻率很低，嚴(yán)重影響了對(duì)掌子面前方低阻含水異常體的探測(cè)。為了研究這些低阻鋼軌等的影響，作者設(shè)計(jì)了如下模型：掌子面為8 m×8m的正方形，隧道空腔深60 m，在距掌子面36 m處有一大小為4 m×4 m×4 m、電阻率為1 000 Ω·m，隧道空腔底板有一8 m×1 m×2 m、電阻率為50 Ω·m和低阻異常體來(lái)模擬鋼軌等的影響。采用九極聚焦裝置進(jìn)行觀測(cè)，A0A=3 m,h表示掌子面到異常體的距離，v/u0表示歸一化電位值。模型三維立體圖見(jiàn)圖2(a)，圖3為歸一化電位曲線圖。

圖3　隧道空腔底板鋼軌等對(duì)探測(cè)效果的影響Fig.3　The influence to detection effect of rail beneath the tunnel cavity

由圖3可知，空腔底板有鋼軌等低阻體時(shí)與無(wú)鋼軌等低阻體時(shí)的歸一化電位曲線基本一致。由此可以得出，隧道空腔底板中的鋼軌等各種大型設(shè)備的存在對(duì)聚焦電阻率法超前探測(cè)效果影響很小。

3.2低阻含水層體積變化對(duì)探測(cè)效果的影響

在沒(méi)有旁側(cè)及空腔底板鋼軌等的影響下，不斷改變掌子面前方低阻含水層的體積，探究含水層體積的變化對(duì)探測(cè)效果的影響。含水層大小依次設(shè)為4 m×4 m×4 m、8 m×8 m×8 m、10 m×10 m×10 m、其他參數(shù)與前面相同。模型三維立體圖見(jiàn)圖2(a)，圖4為異常曲線圖。

圖4　低阻含水層體積變化對(duì)探測(cè)效果的影響Fig.4　The influence to detection effect of the volume change of the low resistivity aquifer

由圖4可知，含水層體積的變化對(duì)探測(cè)效果的影響很大。且體積越大，探測(cè)效果越明顯，曲線下降得越早。但若當(dāng)掌子面前方含水異常體體積繼續(xù)增大時(shí)，其曲線形態(tài)趨于不變。

3.3異常體電阻率大小對(duì)探測(cè)效果的影響

在沒(méi)有旁側(cè)及空腔底板鋼軌等的影響下，不斷改變掌子面前方低阻體的電阻率大小，研究低阻異常體電阻率大小對(duì)探測(cè)效果的影響。低阻異常體電阻率依次設(shè)為10 Ω·m、100 Ω·m、其他參數(shù)與前面相同。模型三維立體圖見(jiàn)圖2(a)，圖5為異常曲線圖。

圖5　異常體電阻率大小對(duì)探測(cè)效果的影響Fig.5　The influence to detection effect of resistivity of the anomalous body

由圖5可知，低阻異常體電阻率大小的變化對(duì)探測(cè)效果影響很小(前提是異常體電阻率比圍巖電阻率小得多)。當(dāng)掌子面前方異常體的電阻率值越來(lái)越大時(shí)，曲線變得越來(lái)越平；當(dāng)異常體電阻率與圍巖相同時(shí)，將探測(cè)不到異常(歸一化電位曲線為一條值為“1”的水平線)；當(dāng)異常體電阻率比圍巖電阻率高時(shí)，歸一化電位值將大于“1”并且上翹，與低阻時(shí)的曲線關(guān)于值為“1”的直線對(duì)稱。

3.4旁側(cè)異常體對(duì)探測(cè)效果的影響

在沒(méi)有空腔底板鋼軌及正前方異常體的條件下，逐次改變低阻含水體幾何中心至隧道軸線的距離，以研究旁側(cè)異常體對(duì)超前探測(cè)效果的影響。含水體大小為4 m×4 m×4 m，異常體幾何中心到隧道軸線的距離依次為0 m、6 m、8 m、10 m，旁側(cè)異常體電阻率為10 Ω·m，其他參數(shù)與前面相同。圖6(a)為模型圖，其中h為掌子面到異常體的距離，L為異常體幾何中心到隧道中軸線距離；圖6(b)為不同旁側(cè)距離的異常線曲圖；圖6(c)是L為6 m、含水體大小為4 m×4 m×4 m的情況下，不同旁側(cè)異常體電阻率的異常曲線圖。

由圖6(b)可知，在上述的模型條件下，距離隧道軸線6 m之外的旁側(cè)異常體對(duì)探測(cè)效果的影響甚微(最大值僅有4%的異常)，可不必考慮，而距隧道軸線6 m以內(nèi)的低阻異常體(距離軸線6 m之內(nèi)的異常正位于掌子面的正前方)，正是實(shí)際中所要關(guān)心的異常。由圖6(c)可知，旁側(cè)異常體電阻率的變化對(duì)超前探測(cè)效果的影響在誤差允許范圍內(nèi)可以忽略。另外，由于所設(shè)計(jì)的九極聚焦電流法的聚焦效果非常好，可以完全不用考慮旁側(cè)所造成的影響。但在實(shí)際工作中，可能由于各種條件的限制，不一定必須采用九極聚焦裝置，所以為了區(qū)分是旁側(cè)異常體還是掌子面正前方異常體，還可在九極裝置的外圍再布置若干測(cè)量電極，以形成方位觀測(cè)，若某一方位測(cè)得的電位異常比其他方位測(cè)得的電位都大，則異常體就位于該方位一側(cè)。

圖6　旁側(cè)異常體對(duì)探測(cè)效果的影響Fig.6　The influence to detection effect of the abnormal body besides the tunnel central axis(a)模型圖；(b)不同旁側(cè)距離的異常曲線圖；(c)不同旁側(cè)異常體電阻率的異常曲線圖

4　水槽實(shí)驗(yàn)

我們通過(guò)密封的樹(shù)脂制作了隧道空腔模型，驗(yàn)證了九極聚焦超前探測(cè)方法的正確性和現(xiàn)實(shí)可行性。首先根據(jù)實(shí)際隧道的尺寸和水槽的實(shí)際大小比例，設(shè)計(jì)隧道空腔模型，實(shí)驗(yàn)室的水槽長(zhǎng)2.8 m、寬2.5 m、深1.8 m，于是本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了長(zhǎng)0.6 m、寬0.15 m、高0.15 m的空腔模型，用樹(shù)脂材料加工成一個(gè)長(zhǎng)方體空腔，并在空腔的一個(gè)橫截面上固定10個(gè)短銅棒作為電極(9個(gè)供電電極，一個(gè)測(cè)量電極)。實(shí)驗(yàn)中使用45 V電池箱向水槽中供電，以長(zhǎng)為30 cm、寬為25 cm的銅板作為含水低阻異常體，并運(yùn)用重慶儀器廠生產(chǎn)的DUK-2A高密度電法測(cè)量?jī)x測(cè)量電位。儀器及水槽實(shí)驗(yàn)如圖7所示。

圖7　實(shí)驗(yàn)儀器及水槽實(shí)驗(yàn)Fig.7　The experiment instruments and flume experiment(a)實(shí)驗(yàn)儀器；(b)水槽實(shí)驗(yàn)

首先用對(duì)稱四極裝置測(cè)量水的電阻率，以確定水的均一性，在水槽中沿著寬的方向布置3條測(cè)線，每條測(cè)線間距為0.6 m，三條所測(cè)剖面曲線在誤差允許范圍內(nèi)大致為一條直線，表明該水槽中水是均一的，并且所測(cè)水的平均電阻率為67 Ω·m。

最后按照數(shù)值模擬中的裝置類型分別測(cè)量單極、三極、五極和九極裝置在相同供電大小情況下的電位響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)中首先將空腔模型固定在水槽中央，以模擬全空間條件，然后將銅板固定在空腔模型正前方0.6 m的地方，注意銅板要和空腔的橫截面平齊，最后按相同間隔向空腔所在方向移動(dòng)銅板，同時(shí)測(cè)量電位大小。所測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)整理用grapher繪圖如圖8所示。

圖8　水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8　The results of flume experiment

由圖8可知，九極聚焦電阻率法對(duì)于隧道正前方的不良地質(zhì)體具有很好的探測(cè)效果，在距前方異常體5 cm處，其電位值下降了12%左右，該點(diǎn)可作為判斷前方存在異常水體的標(biāo)志，達(dá)到了超前探測(cè)的目的。由圖8可知，雖然傳統(tǒng)單極裝置、三極裝置和五極裝置也能探測(cè)到隧道掌子面正前方的異常水體，但是其電位幅值相對(duì)于九極裝置較低，在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，受測(cè)量誤差及各種不確定因素的影響較大，很難保證有足夠的信噪比。相對(duì)而言，對(duì)于實(shí)際中掌子面較小的隧道來(lái)說(shuō)，五極聚焦裝置也是可選的。

6　結(jié)論

1)隧道空腔底板鋼軌等低阻施工機(jī)械對(duì)直流聚焦超前探測(cè)效果影響很小，該方法能夠有效避開(kāi)各種無(wú)法移動(dòng)低阻干擾體的影響，在隧道超前探測(cè)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。距離隧道軸線6 m以外的低阻含水異常體對(duì)超前探測(cè)效果影響不大，一般可忽略其旁側(cè)影響，這也是聚焦電流法比常規(guī)的直流電法探測(cè)效果好的原因之一。

2)水槽模擬實(shí)驗(yàn)表明九極聚焦法確實(shí)能達(dá)到掌子面正前方不良地質(zhì)體超前預(yù)報(bào)的目的，而且其探測(cè)效果優(yōu)于傳統(tǒng)單極裝置、三極裝置和五極裝置。

[1]柳建新.坑道直流聚焦超前探測(cè)電阻率法有限元數(shù)值模擬[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2012,22(3):970-971.

LIU J X.Numerical simulation of advanced detection with DC focus resistivity in tunnel by finite element method[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2012,22(3):970-971.(In Chinese)

[2]劉斌，李術(shù)才，李樹(shù)枕，等.隧道含水構(gòu)造直流電阻率法超前探測(cè)研究[J].巖土力學(xué)，2009,30(10):3093-3101.

LIU B,LI S C,LI S C,et al.Study of advanced detection of water-bearing geological structures with DC resistivity method[J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(10):3093-3101.(In Chinese)

[3]劉志剛，趙勇，李忠.隧道施工地質(zhì)工作方法[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，13(4):1-5.

L Z G,Z Y,L Z.Initial discussion on method of geological work for tunnel construction[J].Journal of Shijiazhuang Railway Institute,2000,13(4):1-5.(In Chinese)

[4]劉志剛，趙勇.隧道隧洞施工地質(zhì)技術(shù)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社.2001.

LIUZ G,ZHAO Y.Geological technique for tunnel construction[M].Beijing:China Railway Publishing House,2001.(In Chinese)

[5]黃俊革,王家林,阮百堯.坑道直流電阻率法超前探測(cè)研究[J].地球物理學(xué)報(bào),2006,49(5):1529-1538.

HUANG J,WANG J L,RUAN B Y.A study on advanced detection using DC resistivity method in tunnel[J].Chinese Journal of Geophysics,2006,49(5):1529-1538.(In Chinese)

[6]曾昭璜.隧道地震反射法超前預(yù)報(bào)[J].地球物理學(xué)報(bào),1994,37(2):218-230.

ZENG Z H.Prediction ahead of the tunnel face by the seismic reflection methods[J].1994,37(2):218-230(In Chinese)

[7]劉斌，李文峰，李術(shù)才.探地雷達(dá)探測(cè)地下管線機(jī)理研究及實(shí)例分析[J].巖土力學(xué),2006，27(增刊):459-463.

LIU B,LI W F,LI S C.Research on mechanism of underground pipeline detection with ground penetrating radar and analysis of example[J].Rock and Soil Mechanics,2006,27(Supp.):459-463.(In Chinese)

[8]吳俊,毛海和,應(yīng)松,等.地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道短期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2003,24(增刊):154-157.

WU J,MAO H H,YING S,et al.Application of ground probing radar to short-term geological forecast for tunnel construction[J].Rock and Soil Mechanics,2003,24(Supp.):154-157.(In Chinese)

[9]譚天元，張偉.隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的新技術(shù)法—BEAM法[J].貴州水力發(fā)電，2008(1):26-31.

TAN Y T,ZHANG W.New technology in the tunnel advance geological forecast method—BEAM method[J].Guizhou Water Power,2008(1):26-31.(In Chinese)

[10]張勇,張子新,華安增.TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在公路隧道中的應(yīng)用[J].西部探礦工程,2001,72(5):101-103.

ZHANG Y,ZHANG Z X,HUA A Z.Application of TSP in the expressway tunnel geological prediction[J].West_China Exploration Engineering,2001,72(5):101-103.(In Chinese)

[11]李術(shù)才,劉斌,孫懷鳳,等.隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(6):1091-1096.

LI S C,LIU B,SUN H F,et al.State of art and trends of advanced geological prediction in tunnel construction[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33(6):1091-1096.(In Chinese)

[12]楊庭偉,阮百堯,周麗,等.聚焦電流法隧道超前探測(cè)導(dǎo)電紙模擬[J].礦產(chǎn)與地質(zhì),2009,23(4):362-366.

YANG T W,RUAN B Y,ZHOU L,et al.Simulating focused-current advanced detection in tunnels by conductive paper test[J].Mineral Resources and Geology,2009,23(4):362-366.(In Chinese)

[13]李舟波.鉆井地球物理勘探[M].北京:地質(zhì)出版社,1986.

LI Z B.Drilling geophysical prospecting [M].Beijing:geology Press,1986.(In Chinese)

[14]楊庭偉,彭蓉.聚焦電流法隧道超前探測(cè)有限元模擬分析[J].西部交通科技，2012,12(7):85-86.

YANG T W,PENG R.Finite element simulation analysis of focus current method in tunnel pilot detection[J].Western China Communications Science & Technology,2012,12(7):85-86.(In Chinese)

[15]強(qiáng)建科,阮百堯,周俊杰.三維坑道直流聚焦法超前探測(cè)的電極組合研究[J].地球物理學(xué)報(bào),2010,53(3):695-699.

QIANG J K,RUAN B Y,ZHOU J J.Research on the array of electrodes of advanced focus detection with 3D DC resistivity in tunnel[J].Chinese Journal of Geophysics,2010,53(3):695-699.(In Chinese)

[16]黃俊革,鮑光淑,阮百堯.坑道直流電阻率測(cè)深異常研究[J].地球物理學(xué)報(bào),2005,48(1):222-228.

HUANG J G,BAO G S,RUAN B Y.A study on anomalous bodies of DC resistivity sounding in tunnel[J].Chinese J.Geophys.2005,48(1):222-228.(In Chinese)

[17]徐世浙.地球物理中的有限單元法[M].北京:科學(xué)出版社,1994.

XU S Z.The finite element method in geophysics[M].Beijing:Science Press,1994.(In Chinese).

[18]阮百堯,熊彬,徐世浙.三維地電斷面電阻率測(cè)深有限元數(shù)值模擬[J].地球科學(xué)，2011,26(1):73-77.

RUAN B Y,XIONG B,X S Z.3D geoelectric section resistivity sounding finite element numerical simulation[J].Jornal of Earth Science,2011,26(1):73-77.(In Chinese)

[19]張力.坑道直流聚焦超前探測(cè)有限元數(shù)值模擬研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2011.

ZHANG L.Research on numerical simulation for DC focusing advanced detectionin tunnel with finite element method [D].Changsha:Central South University,2011.(In Chinese)

[20]阮百堯,鄧小康,劉海飛,等.坑道直流電阻率超前聚焦探測(cè)的影響因素及最佳觀測(cè)方式[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2010,25(4):1380-1386.

RUAN B Y,DENG X K,LIU H F,et al.The influential factor and optimum surveying method of advanced focus detection with DC resistivity in tunnel[J].Progress in Geophysics,2010,25(4):1380-1386.(In Chinese)

Influence factors of DC focusing advanced detection and flume simulation experiment

ZHANG Ji-feng, ZHAO Guang-dong， YANG Yong-gang, DONG Xing

(School of Geology Engineering and Geomatics,Chang'an University,Xi’an710064, China)

In this paper, numerical simulation for different factors affecting on DC focusing advanced detection is performed using three dimensional finite element method based on anomalous potential.The determination of ignored factors according to the standard is three times greater than the mean square error. The results show that the anomalous body outside 6 meters away from the tunnel axis has no small effect of advanced detection; metal pipe nearby has little effect on the tunnel advanced detection effect; while the volume changes of target body (aquifer) in the front of the tunnel face has a greater influence on determination of advanced detection distance. The existence of the tunnel cavity has no impact on the effect of advanced detection. Finally we made a tunnel cavity module and carried on the flume simulation experiment, which confirmed the feasibility of the nine pole focusing method. And the detection effect of this method is obviously better than the traditional single pole device.

DC focusing method; tunnel; advanced detection； three dimensional finite element; flume simulation experiment

2015-05-18改回日期：2015-06-07

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2014G2260011)；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410710047)

張繼鋒(1978-)，男，副教授，主要研究方向?yàn)殡姺碧?、地球物理?shù)值模擬與反演，E-mail：zjf0201@126.com。

趙廣東(1992-)，男，本科，主要研究方向?yàn)殡姶欧?，E-mail：1506050635@qq.com。

1001-1749(2016)04-0473-07

P 631.3

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.04.06