隧道施工中含_导水构造3D-TEM超前探测技术及应用.pdf

理论算法2020.08 37 所示。 探测过程时， 线圈法线方向对准目标体或目标层位方 向， 通过分析、 研究二次场感应电动势随时间的变化特征， 进 而确定探测方向的地质情况 [6]。 为了更加方便、 快捷、 形象地对三维数据进行设计、 采 集， 我们通常根据目标体空间位置调整扇形断面与顶底板的 夹角 α， 进行探测。 如图 2 所示， 相关参数如表 1 所示 [7]。 探测方向 巷 道 掌 子 面 收发装置 巷道底部 巷道顶部 掘进巷道 探测方向 巷 道 掌 子 面 收发装置 巷道底部 巷道顶部 掘进巷道 巷道掘进方向 巷 道 掌 子 面 探测方向 巷 道 掌 子 面 收发装置 巷道底部 巷道顶部 掘进巷道 a α b cd 巷道左侧 巷道右侧 向顶板探测方向示意图 顺煤层探测方向示意图 向底板探测方向示意图角度设置示意图 -60 -45 -30 -15 60 0 15 30 45 α 图 2 不同探测方向的二维扇形断面示意 表 1 数据剖面说明 剖面方向物理点数物理点角度 / 扇形H-45、H-30、H15、 9 60、45、30、15、0、 剖面H0、H15、H30、H45-15、-30、-45、-60 注剖面命名中H代表 “水平” 含义， 空间范围以巷道中心线为轴心， 下负上正， 左负右正。 1.2 资料处理 采集到的原始数据需要经过处理与解释， 方可转化为需 要的物探、 地质语言。 资料处理主要包括筛选重复数据、 剔除 0 引言 在隧道施工过程中， 如何快速、 准确超前预测、 预报掌子 面前方的含 / 导水构造、 富水区是制约井巷工程安全生产亟 待解决的问题。 钻探方法准确度高， 但效率低、 成本高、 难以 全面圈定富水区范围。 传统的直流电法、 地质雷达等物探技 术， 效率高、 成本低， 但体积效应大、 准确率相对低、 探测距离 相对近。3D-TEM 具有方向性强、 对低阻区反映灵敏、 施工效 率高、 体积效应相对小、 成图直观等优点， 已成为隧道施工中 含 / 导水构造超前探测的优先选择 [1-6]。 1 隧道 3D-TEM 简介 1.1 隧道 3D-TEM 基本原理 隧道 3D-TEM 探测原理与地面 TEM 基本一致， 均属于时 间域瞬变电磁法。 但由于是在隧道内进行， 忽略巷道空间影 响的前提下可理解为整个大地将线圈紧紧的 “包” 了起来， 线 圈产生的 “烟圈效应” 响应特征为全空间的电磁响应， 如图 1 隧道施工中含 / 导水构造 3D-TEM 超前探测技术及应用 李姗 中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西西安，710077 摘要 本文通过总结其探测关键技术， 实例验证了该方法的准确性及应用的可行性。 关键词 3D-TEM ； 隧道 ； 含 / 导水构造 ； 超前探测 Advanced detection technology and application of 3d-tem for structures containing/conducting water in tunnel construction Li Shan China coal science The tunnel; Water-bearing/water-conducting structure; Advanced detection 基金项目 国家自然科学基金项目 NSFC41674133 ； 中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目 2018XAYQN11。 t0 tt3 tt2 tt1 X Tx Z -Z 探测方向 巷道未开挖区域 巷道顶部 巷道底部 巷道开挖方向 收发装置 α 图 1 烟圈效应示意图 理论算法2020.08 38 根据每个数据点的计算深度将 所有扇面的数据离散化到对应 的三维空间中。 最后， 对离散点 进行插值、 网格化， 成切片图或 异常图等进行显示 [7]。 2 3D-TEM 探测关键技术 2.1 探测装置的选择 与地面多种装置相比， 目 前， 仅有重叠回线、 中心回线和 偶极装置可以小型化用到隧道 中 （见图 4） 。 重叠回线中接收、 发射线框边长相同， 与探测对 象有最佳耦合， 有较好的穿透深度、 易于分析异常等优点， 缺 点是发射、 接收线圈间存在较大互感。 中心回线为重叠回线 的改进形式， 除具备重叠回线装置的优点外， 还克服了重叠 回线中发射、 接收线圈互感问题。 偶极装置是发射、 接收线框 分开一定距离的装置形式， 对直立低阻异常体反映敏感， 缺 点是接收信号较弱 [9-10]。 （a）中心回线探测装置 （b）偶极探测装置 图 4 TEM 探测装置示意图 2.2 发射线圈匝数的选择 试验可知 （1） 较大的发射磁矩有利于增强感应信号， 增强信噪比， 提高探测深度。（2） 线圈电阻随着线圈匝数增加 畸变点、 滤波、 视电阻率值的转换、 时深转换、 处理成图等步 骤 [7-8]。 探测中接收到的信号是巷道周围空间有效探测范围 所有介质电性特征的综合响应。 所以， 视电阻率亦为全空间 岩层电性特征的综合响应， 视电阻率计算公式为 2/32/32/35/3 6.32 SSSS CFJUt τ ρ −− 1 式中 C 表示全空间校正系数 ； FS表示发射回线等效面 积 ； JS表示接收回线等效面积 ； UV表示接收的归一化的二 次场电位 ； t 表示接收的二次场衰减时间。 通常情况下全空 间的瞬变电磁深度计算公式为 1/5 0.6 f mIL H ρ η  ≈   2 式中 n 表示发射线圈匝数，I 表示发射电流，L 表示 方形发射线圈边长，ρ 表示视电阻率值，η 表示未供电激 励时接收线圈接收到的干扰信号强度。 1.3 3D 处理与显示 首先， 建立三维坐标系。 如图 3b 所示，X 轴表示垂直于 隧道开挖的左右水平方向 ； Y 轴表示隧道开挖方向 ； Z 轴表 示垂直于隧道开挖方向的上下方向 ； 坐标单位均为 m。 其次， 隧 道 掘 进 方 向 掌子 面 位置 -70-60-50-40-30-20-10010203040506070 -70-60-50-40-30-20-10010203040506070 5 15 25 35 45 55 65 75 巷 道 左 侧 5 15 25 35 45 55 65 75 巷 道 右 侧 a 二维扇形探测示意图b 三维空间数据体示意图 图 3 二维扇形断面离散化成三维立体空间 -70-60-50-40-30-20-10010203040506070 15 30 45 60 75 隧 道 左 侧 -70-60-50-40-30-20-10010203040506070 15 30 45 60 75 隧 道 右 侧 仰角左右15方向 俯角左右15方向 隧 道 掘 进 方 向 隧 道 掘 进 方 向 -70-60-50-40-30-20-10010203040506070-70-60-50-40-30-20-10010203040506070 15 30 45 60 75 隧 道 左 侧 -70-60-50-40-30-20-10010203040506070 15 30 45 60 75 隧 道 右 侧 仰角左右45方向仰角左右30方向 水平左右0方向 隧 道 掘 进 方 向 隧 道 掘 进 方 向 隧 道 掘 进 方 向 图 5 视电阻率切片图 理论算法2020.08 39 而增加。（3） 关断时间随着线圈匝数的增加而延长， 近乎与发 射线圈匝数呈线性正比关系。 关断时间的长短决定着瞬变电 磁对于浅部地层的探测能力。 因此， 需要从发射磁矩、 关断时 间、 探测深度范围等多种因素综合考虑， 选择发射线圈匝数。 2.3 影响因素的控制 在隧道中应用 TEM， 掌子面附近的金属体的影响也不可 忽视， 主要包括工字钢支护的架棚、 金属锚网、 掘进机等金属 体。 由于电磁感应， 这些距离发射、 接收装置较近的金属体会 产生相应的感应信号， 形成一个干扰源。 目前， 通常做法是根据 设计， 在掌子面布设一定数量小孔径的浅钻孔， 将接收探头放 置在钻孔中测量数据， 可大大降低掌子面金属体的干扰。 3 工程实例 3.1 概况及施工情况 赤岭隧道位于浙江省丽水市龙泉市境内， 赤岭隧道起止 里程为 DK132311.72 ～ DK136359.6， 全长 4047.88m。 地 表起伏较大， 地势较陡， 最大埋深约 330m。 采用爆破法往大里 程方向掘进， 全断面开挖。 综合区域地质资料显示， 掌子面附 近受 F2 断层影响， 岩体破碎。 地下水主要为构造裂隙水， 预测 单位长度最大涌水量为 24.5m3/d/m， 为强富水区。 3.2 探测成果 本次施工， 采用 12.5Hz 频率 2*2m10 匝方形线框发射、 等效面积为 450m2的磁探头接收。 经过数据处理， 得到了如图 2、 图 3 所示的视电阻率切片图和三维异常图， 解释成果如表 2 所示。 表 2 解释成果表 序号 距离 （m） 里程 水平 范围 （m） 垂直 范围 （m） 推断围岩特 征 富水性 强弱 1020 DK134360 DK134380 -15040-10 局部节理裂 隙相对发 育、局部拱 顶有滴水 较弱 22075 DK134380 DK134435 -2010 35-10 围岩完整性 相对较好 较弱 注空间范围以隧道轨面中心线为轴心，下负上正，左负右正；富 水性分三级，较弱、一般、较强。 图 6 赤岭隧道进口 DK134360 掌子面前方低阻异常空间分布示意 图（右侧视角） 图 7 孔内 9.4m 处摄像图 3.3 验证情况 施工时掌子面干燥， 根据探测结果在 DK134360 掌子面 前方 （顺隧道掘进方向）020m （DK134360DK134380） 区段 局部存在相对较明显的低阻异常区， 后停工进行超前钻探验 证， 当时钻进 6m 左右开始出水， 到 17m 范围有较大股状出水， 终孔 30m， 钻进过程中持续 2h， 出水大约 220m3。 后进行了孔 内摄像， 出水变小， 如图 7 所示。 开挖后显示， 受 F2 断层影响， DK134360DK134380 区段地层破碎， 局部富含裂隙水。 4 结束语 实例验证表明，3D-TEM 探测技术能够对隧道前方含 / 导水构造、 富水区的空间展布形态和范围进行较准确的定位 探测， 能够直观的将异常范围及空间位置显示在三维空间图 中， 为快速、 准确的超前预测、 预报掌子面前方水文地质灾害 提供了一种有效的技术手段。 参考文献 [1] 姜志海 , 岳建华 , 刘志新 . 矿井瞬变电磁法在老窑水超 前探测中的应用 [J]. 工程地球物理学报 , 2007, 44 291-293. 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[8] 张振勇 .TEM 技术在岩层富水性探测中的应用 [J]. 煤田 地质与勘探 , 2015, 436 109-115. （下转第 29 页） 设计研发2020.08 29 使用者的要求。2 部分为 3 档宽度调节， 可满足胸围尺寸为 85cm ～ 100cm 的使用者。 2 1 图 2 高度、宽度可调节的腋支撑构件 2.2 手肘支撑构件及刹车装置 图 3 为手肘支撑构件和刹车装置部分， 手肘支撑的设计 目的是缓解中、 重度下肢无力人群长时间挤压腋窝， 造成腋 窝内部血管神经丛受压损伤。 刹车装置为手动刹车， 减慢下 坡时的行走速度。 图 3 手、肘支撑构件及刹车装置 2.3 半椭圆形围栏及可开关栏板 图 4 为半椭圆形围栏及可开关栏板。 其中 1 部分为半椭 圆形围栏， 围栏采用半椭圆形的设计， 一是满足人体工学， 方 便向左、 向右旋转 ； 二是缩小所占空间面积， 行走时更加自 由。2 部分为可开关的栏板， 当人进入行走助力器时， 打开栏 板卡扣， 进入后锁定卡扣。 正常行走时， 人体面向栏板， 防止 身体前倾时摔倒， 起到安全作用。 1 2 图 4 半椭圆形围栏及可开关栏板 2.4 可伸缩座椅 可伸缩座椅如图 5 中所示， 为半圆形， 可自由收放。 座椅 采用折叠式， 当人在行走过程中感到疲劳时， 可以按下座椅， 同时座椅前端设置夹具， 保证座椅的平稳， 不下倾。 图 5 半圆形座椅 2.5 其它构件 图 6 中 1 部分为万向轮， 满足使用者可以向左、 向右旋 转， 行走自如 ； 2 部分为可抱闸的定向轮， 主要用于使用者直 行、 停止使用 ； 3 部分为脚踏板， 当使用者在座椅上休息时， 踩下定向轮抱闸装置， 双脚可放置在脚踏板上， 减缓双脚压 力 ； 4 部分为反光条， 可提醒周围车辆及人群 ； 5 部分安装有 GPS， 可方便家人对其定位和跟踪 ； 6 部分为报警扬声器， 设 计在手肘支撑构件上。 当使用者在行走时感到身体不适， 或其 他原因可按下报警器， 提醒周围人群注意， 可及时获得救助。 图 6 其它构件 3 结论 无障碍可调节腋支撑行走助力器的设计不仅帮助使用 者更好的享受这些新时代科技带来的便利， 也扩大了受益群 众范围， 而且也大大的圆了许多老年人在暮年时期仍能独立 自主生活的梦想。 在此行走助力器后续设计中， 将会增加智 能电气控制， 以满足使用者的不同需求。 参考文献 [1] 王潇潇 . 基于人文关怀的老年人智能护理用品的用户研 究 [J]. 科技视界 , 20193 87-88. 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