CN112882103B - 一种城市地下大型冻结工程冻土帷幕厚度探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种城市地下大型冻结工程冻土帷幕厚度探测方法，适用于城市地下大型工程中使用。其采用电流聚焦原理，将发射电极电流压缩到有限高度范围内，并将此高度范围内冻结管绝缘，从而保证了电流近“管状”传播，通过模型试验标定“管状”电流传播等效面积，基于发射电极电压、电流计算发射极和接收极间冻土‑未冻土‑冻土体系视电阻率，建立冻土帷幕厚度与电流传播路径上视电阻率间的函数关系，进而利用相邻冻结管条件实现基于跨孔电阻率测量的冻结帷幕厚度探测方法。该方法通过缩小电流传播范围，提高视电阻率测量精度，将传统的强非线性反演问题简化为一维线性问题，具有简单、经济、实用的特点。

Description

一种城市地下大型冻结工程冻土帷幕厚度探测方法
技术领域
本发明涉及一种冻土帷幕厚度探测方法，尤其使用于城市地下大型工程冻土帷幕形态检测使用的一种城市地下大型冻结工程冻土帷幕厚度探测方法。
背景技术
自1886年瑞典人行隧道工程(总长24m)首次采用冻结法以来，市政冻结工程至今已有134年历史。我国自1973年北京地铁工程首次采用冻结法以来，城市地下冻结工程数量超过200个。一个多世纪以来，围绕人工冻土水、热、力多场耦合规律，冻融成冰机制、理论模型、冻融控制等方面，涌现出大量基础成果。但是冻土帷幕形态监测和异常预警严重滞后于基础研究，形状不规则、开窗地点随机等一直是制约煤矿竖井冻结工程安全的瓶颈。而相对于煤矿深部竖井冻结工程，城市地下工程冻土帷幕具有埋深浅、厚度薄、冻融变形控制要求高等新特点，使得冻土帷幕监测面临更大的挑战。冻土帷幕空间形态精准测量是确保冻结帷幕交圈、增大薄弱部位安全储备，降低冻结工程的风险的基础和关键。
冻结的本质是改变地层中水的存在形态和空间分布特征。而电法是探水的最佳地球物理方法。高密度电阻率方法曾被用于多年冻土分布探测，基于水结冰时出现的电阻率突增原理发展起来的方法也被成功用于测量湿土结冰温度(ZL200910258392.0)和捕捉冻结锋面(冻土水热耦合分离冰冻胀模型的发展，中国矿业大学博士论文，2011)。电法具有成本低，电极容易实现微型化，可较好满足小尺度目标精细测量要求，但需面临城市地下环境干扰，特别是钢制冻结管(低阻)的干扰。
发明内容
技术问题：针对上述技术的不足之处，提供一种基于聚焦原理，实施步骤简单，使用成本低，有效克服电法探测的瓶颈问题，能够实现冻土帷幕形态异常检测的城市地下大型冻结工程冻土帷幕厚度探测方法。
技术内容：为实现上述技术目的，本发明的城市地下大型冻结工程冻土帷幕厚度探测方法，其特征在于步骤如下：
a.首先在大型冻结工程中选择一段柱状结构的冻结管和一段与冻结管相邻的相邻冻结管，保证所选择的冻结管与相邻冻结管两者之间平行设置，在冻结管与相邻冻结管外侧设置绝缘层；
b.然后在冻结管上设置发射电极和聚焦电极，在相邻冻结管上设置接收电极，接收电极同时兼做无穷远电极，发射电极与接收电极所设置的深度相同，发射电极，聚焦电极和接收电极需要在冻结施工前设置完成；
c.将发射电极、聚焦电极和接收电极分别通过信号线与地面主机连接；
d.冻结过程中，利用地面主机通过信号线分别向发射电极和聚焦电极发送电流，调整聚焦电极电流使得聚焦电极和发射电极间电位差为零，此时发射电极的发射电流传播范围受聚焦作用被压缩，发射电极向接收电极发射的发射电流先后通过冻结管与相邻冻结管之间的冻土、未冻土、冻土最终被接收电极接收，利用未冻土和冻土体系的视电阻率ρ变化与冻结帷幕厚度d间的函数关系：d/L＝k﹒δρ/ρ0，实现基于电阻率测量的冻结帷幕厚度探测，其中k为常数，L为冻结管和相邻冻结管间距，δρ为视电阻率变化量，ρ0为冻结管和相邻冻结管间土体在冻结前的电阻率。
所述未冻土和冻土体系的电阻率ρ利用公式：ρ＝A2U/(IL)进行计算，式中：A2为发射电流传播区域的面积，U为发射电极的电压值，I为发射电极的电流值。
常数k的求解方法：
首先，采用面积A1和长度为L1的绝缘管进行两端同时冻结试验，在绝缘管内填充模拟土壤的试验材料，绝缘管两端的电压为U1、电流为I1，被测介质基本电阻率ρ1＝A1 U1/(I1L1)；
然后，模拟冻结管与相邻冻结管进行冻结模型试验，并使用试验材料覆盖在冻结管与相邻冻结管周围，试验材料和绝缘管两端冻结试验中保持相同，通过发射电极、聚焦电极、接收电极组成电极结构，测量发射电极电压U2、发射电极电流I2，计算视电阻率ρ2＝A2U2/(I2L2)，由于视电阻率ρ1＝ρ2，则A2＝ρ1I2L2/(U2)，即为发射电流传播区域的面积；
最后，绘制无量纲化冻土帷幕厚度d/L与无量纲化视电阻率变化δρ/ρ0间的关系曲线，拟合关系曲线斜率即为常数k；
所述冻结管与相邻冻结管上设置的绝缘层覆盖长度为2～2.5倍冻结管与相邻冻结管的间距，绝缘层导热系数≥14W/m﹒K；
所述的发射电极，聚焦电极和接收电极由厚度50μm的铜箔胶带缠绕在绝缘层外侧构成，缠绕长度为冻结管直径的30～50％。
有益效果：本发明采用电流聚焦原理，缩小电流传播面积，利用冻结管间距小于电流水平传播距离的跨孔条件，提高视电阻率测量精度；根据电流流经范围确定冻结管绝缘高度范围，在保证经济性前提下实现电流流经范围内冻结管绝缘，突破电法装备在城市地下冻结工程中应用的瓶颈。
附图说明
图1为本发明城市地下大型冻结工程冻土帷幕厚度探测方法的布置示意图。
图中：1-发射电极，2-聚焦电极，3-接收电极，4-相邻冻结管，5-绝缘层，6-发射电流，7-冻结管，8-地面主机，9-信号线。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：
本发明的城市地下大型冻结工程冻土帷幕厚度探测方法，采用电流聚焦原理，将发射电极电流压缩到有限高度范围内，并将此高度范围内冻结管绝缘，从而保证了电流近“管状”传播，通过模型试验标定“管状”电流传播等效面积A2，基于发射电极1电压U、电流I计算发射极和接收电极间冻土-未冻土-冻土体系视电阻率ρ＝A2U/(IL)，L为相邻冻结管间距；建立冻结锋面推进位置与电流传播路径上视电阻率间的函数关系，进而利用相邻冻结管条件实现基于跨孔电阻率测量的冻结帷幕厚度判定。
具体实施步骤如下：
如图1所示，城市地下大型冻结工程冻土帷幕厚度探测方法，其步骤如下：
a.首先在大型冻结工程中选择一段柱状结构的冻结管7和一段与冻结管7相邻的相邻冻结管4，保证所选择的冻结管7与相邻冻结管4两者之间平行设置，在冻结管7与相邻冻结管4外侧设置绝缘层5，所述绝缘层5覆盖长度为2～2.5倍冻结管4与相邻冻结管7的间距，绝缘层5导热系数≥14W/m﹒K；
b.然后在冻结管7上设置发射电极1和聚焦电极2，在相邻冻结管4上设置接收电极3，接收电极3同时兼做无穷远电极，发射电极1与接收电极3所设置的深度相同，发射电极1，聚焦电极2和接收电极3需要在冻结施工前设置完成，发射电极1，聚焦电极2和接收电极3由厚度50μm的铜箔胶带缠绕在绝缘层5外侧构成，缠绕长度为冻结管7直径的30～50％；
c.将发射电极1、聚焦电极2和接收电极3分别通过信号线9与地面主机8连接；
d.冻结过程中，利用地面主机8通过信号线9分别向发射电极1和聚焦电极2发送电流，调整聚焦电极2电流使得聚焦电极2和发射电极1间电位差为零，此时发射电极1的发射电流6传播范围受聚焦作用被压缩，发射电极1向接收电极3发射的电流6先后通过冻结管7与相邻冻结管4之间的冻土、未冻土、冻土最终被接收电极3接收，利用未冻土和冻土体系的视电阻率ρ变化与冻结帷幕厚度d间的函数关系：d/L＝k﹒δρ/ρ0，实现基于电阻率测量的冻结帷幕厚度探测，其中k为常数，L为冻结管7和相邻冻结管4间距，δρ为视电阻率变化量，ρ0为冻结管7和相邻冻结管4间土体在冻结前的电阻率；
具体未冻土和冻土体系的电阻率ρ利用公式：ρ＝A2U/(IL)进行计算，式中：A2为发射电极1发射的电流6传播区域的面积，U为发射电极1的电压值，I为发射电极1的电流值。
常数k的求解方法：
首先，采用面积A1和长度为L1的绝缘管，在绝缘管内填充试验材料进行两端同时冻结试验，绝缘管两端的电压为U1、电流为I1，实验材料基本电阻率ρ1＝A1 U1/(I1 L1)；
然后模拟冻结管7与相邻冻结管4两者进行布置，并使用试验材料覆盖在冻结管7与相邻冻结管4周围，试验材料和绝缘管两端冻结试验保持相同，之后模拟图1中的方案，在冻结管7与相邻冻结管4上布置发射电极1、聚焦电极2、接收电极3组成电极结构，进行冻结模型试验，试验材料的电阻率ρ2和绝缘管两端的电阻率ρ1在冻结试验中保持相同，测量发射电极1电压U2、发射电极1电流I2，由于视电阻率ρ1＝ρ2，计算视电阻率ρ2＝A2 U2/(I2L2)，则A2＝ρ1I2L2/U2，即为发射电流6传播区域的面积；
最后，绘制无量纲化冻土帷幕厚度d/L与无量纲化视电阻率变化δρ/ρ0间的关系曲线，拟合关系曲线斜率即为常数k；
本发明针对城市地下工程冻土帷幕探测中电法使用的瓶颈问题和冻土帷幕形态检测的迫切需求，考虑电法使用简单，经济等特点，研制适用城市地下工程环境的冻土帷幕厚度探测方法。

Claims (5)

1.一种城市地下大型冻结工程冻土帷幕厚度探测方法，其特征在于步骤如下：
a.首先在大型冻结工程中选择一段柱状结构的冻结管(7)和一段与冻结管(7)相邻的相邻冻结管(4)，保证所选择的冻结管(7)与相邻冻结管(4)两者之间平行设置，在冻结管(7)与相邻冻结管(4)外侧设置绝缘层(5)；
b.然后在冻结管(7)上设置发射电极(1)和聚焦电极(2)，在相邻冻结管(4)上设置接收电极(3)，接收电极(3)同时兼做无穷远电极，发射电极(1)与接收电极(3)所设置的深度相同，发射电极(1)，聚焦电极(2)和接收电极(3)需要在冻结施工前设置完成；
c.将发射电极(1)、聚焦电极(2)和接收电极(3)分别通过信号线(9)与地面主机(8)连接；
d.冻结过程中，利用地面主机(8)通过信号线(9)分别向发射电极(1)和聚焦电极(2)发送电流，调整聚焦电极(2)电流使得聚焦电极(2)和发射电极(1)间电位差为零，此时发射电极(1)的发射电流(6)传播范围受聚焦作用被压缩，发射电极(1)向接收电极(3)发射的发射电流(6)先后通过冻结管(7)与相邻冻结管(4)之间的冻土、未冻土、冻土最终被接收电极(3)接收，利用未冻土和冻土体系的视电阻率ρ变化与冻结帷幕厚度d间的函数关系：d/L＝k﹒δρ/ρ0，实现基于电阻率测量的冻结帷幕厚度探测，其中k为常数，L为冻结管(7)和相邻冻结管(4)间距，δρ为视电阻率变化量，ρ0为冻结管(7)和相邻冻结管(4)间土体在冻结前的电阻率。
2.根据权利要求1所述的城市地下大型冻结工程冻土帷幕厚度探测方法，其特征在于：所述未冻土和冻土体系的电阻率ρ利用公式：ρ＝A2U/(IL)进行计算，式中：A2为发射电流(6)传播区域的面积，U为发射电极(1)的电压值，I为发射电极(1)的电流值。
3.根据权利要求2所述的城市地下大型冻结工程冻土帷幕厚度探测方法，其特征在于常数k的求解方法：
首先，采用面积A1和长度为L1的绝缘管进行两端同时冻结试验，在绝缘管内填充模拟土壤的试验材料，绝缘管两端的电压为U1、电流为I1，被测介质基本电阻率ρ1＝A1U1/(I1L1)；
然后，模拟冻结管(7)与相邻冻结管(4)并使用试验材料模拟土壤进行冻结模型试验，试验材料和绝缘管两端冻结试验中保持相同，通过发射电极(1)、聚焦电极(2)、接收电极(3)组成电极结构，测量发射电极(1)电压U2、发射电极(1)电流I2，计算视电阻率ρ2＝A2U2/(I2L2)，由于视电阻率ρ1＝ρ2，则A2＝ρ1I2L2/(U2)，即为发射电流(6)传播区域的面积；
最后，绘制无量纲化冻土帷幕厚度d/L与无量纲化视电阻率变化δρ/ρ0间的关系曲线，拟合关系曲线斜率即为常数k。
4.根据权利要求1所述的城市地下大型冻结工程冻土帷幕厚度探测方法，其特征在于：所述冻结管(4)与相邻冻结管(7)上设置的绝缘层(5)覆盖长度为2～2.5倍冻结管(4)与相邻冻结管(7)的间距，绝缘层(5)导热系数≥14W/m﹒K。
5.根据权利要求1所述的城市地下大型冻结工程冻土帷幕厚度探测方法，其特征在于：所述的发射电极(1)，聚焦电极(2)和接收电极(3)由厚度50μm的铜箔胶带缠绕在绝缘层(5)外侧构成，缠绕长度为冻结管(7)直径的30～50％。
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