冻结壁发育状况的地质雷达探测研究.pdf

第3 4 卷第2 期 2 0 0 5 年3 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 4N o ．2 M a r ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 2 0 1 4 3 0 5 冻结壁发育状况的地质雷达探测研究 宋雷1 ，刘天放2 ，黄家会- ，杨维好，，周学鹰， 1 ．中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要根据冻结工程中冻土和未冻土之间介电常数和电阻率的差异，研究了地质雷达探测冻结 壁发育状况．采用时域有限差分法模拟冻结不同阶段的冻结壁的发育状况，获取冻结壁在雷达剖 面上的反映特征，据此指导工程实测．计算结果和探测实例均表明，地质雷达可用于冻结壁发育 状况的探测，查明其中的缺陷，便于及时处置冻结工程中可能出现的问题，是确保冻结工程安全 的有效手段． 关键词冻结壁；发育状况；地质雷达；冻结壁的缺陷 中图分类号T u2 5 8文献标识码A R e s e a r c ho nG r o u n dP e n e t r a t i n gR a d a r G P R E x p l o r a t i o n o nA r t i f i c i a lF r o z e nW a l lD e v e l o p m e n t S O N GL e i l ，L I UT i a n f a n 9 2 ，H U A N GJ i a h u i l ，Y A N GW e i h a 0 1 ，Z H O UX u e y i n 9 1 1 ．S c h o o lo fA r c h i t e c t u r e ＆C i v i lE n g i n e e r i n g 。C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆．T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ；2 ．S c h o o lo fR e s o u r c ea n dE a r t hS c i e n c e C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ed i f f e r e n c ei nd i e l e c t r i cc o n s t a n ta n dr e s i s t i v i t yb e t w e e nu n f r o z e ns o i la n d f r o z e ns o i lo fa r t i f i c i a lf r e e z i n ge n g i n e e r i n g ，t h eg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r G P R m e t h o dw a su s e d t oe x p l o r et h ed e v e l o p m e n to fa r t i f i c i a lf r o z e nw a l l A F W ．D i f f e r e n td e v e l o p m e n ts t a g e so ff r o z e n w a l lw a ss i m u l a t e db yf i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n F D T D m e t h o dw i t ha b s o r bb o u n d a r y c o n d i t i o n A B C ．S o m ee n g i n e e r i n ge x a m p l e sa r eg i v e nt oi l l u m i n a t et h ee f f e c to fG P Re x p l o r i n g ． B o t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n de n g i n e e r i n ge x a m p l e ss h o wt h a tG P Ri Sa ne f f e c t i v em e t h o do f m o n i t o r i n gA F Wd e v e l o p m e n ta n dc a nb eu s e dt Od e t e c tA F Wl a c u n a si nt i m e ． K e yw o r d s K e yw o r d sA r t i f i c i a lF r o z e nW a l l A F W ；D e v e l o p m e n to fF r o z e nW a l l ；G r o u n d P e n e t r a t i n gR a d a r G P R ；A F Wl a c u n a 冻结法施工利用低温盐水循环系统，对冻结管 周围的岩土体进行冻结，从而达到止水、支护的目 的，是目前国内外广为使用的通过表土带和岩石破 碎带的施工方法．在施工中有时会因为冻结壁整体 强度不足，发生冻结管断裂、结构物压裂等事故，造 成重大经济损失[ 1 ] ．研究表明，在盐水温度一定的 条件下，冻结壁厚度表征着冻结壁的整体强度．目 前国内推算冻结壁厚度主要依赖工程人员的施工 经验，多采用经验公式法和测温数据推测法[ 1 ’3 ] ， 因为实际情况复杂多样，介质的结冰温度、导热 系数等热力学参数有很大差异，而且冻结孔的偏斜 可能导致冻结壁不交圈，将大大增加达到设计要求 的冻结壁厚度与平均温度所需的时间，并使冻结壁 的形状变得很不规则，不能形成较为理想的冻土圆 收稿日期2 0 0 4 0 6 1 4 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 1 0 8 0 1 7 作者筒介宋雷 1 9 7 4 ． ，男，江苏省铜山县人，讲师，硕士，从事岩土工程监测方面的研究 万方数据 中国矿业大学学报第3 4 卷 譬 a 氟H aH ’㈩ 二维T M 波情况F ，采用Y E E 氏网格对雷达 波的传播空间进行剖分，用中心差商代替微商，即 可建立适于地质雷达正演的F D T D 格式如下 E i ，歹 C A i ，歹 嬲 i ，歹 C D C B i ，J [ 时古 i 专，歹卜H 广吉 i ～i 1 ，』 H ； 专 i ，歹一i 1 一日； 吉 i ， 丢 ] ， 2 a g y 古h 吉 一弼一h 专j C D [ E i ，歹 一匠 i ，j 1 - I ， 2 b ／- ／； 号卜吉，歹 一磁一号卜i 1 ，歹 C D I 鹾n ～z 十。了J - ，歹 一E i ，- 『 1 ． 2 c 广1] 其中A t 。A s 分别微差分的时间和空间步长． C B i ，J 一 C D A 血s 厂1 ， ’、，￡o ／t o 鲋∽ 亟尸’ 对上述模型采用频散条件和超吸收边界采用 平面模型进行求解[ 1 卜”] ． 1 ．2 冻结壁形成过程中雷达探测的正演模拟 在岩土冻结过程中，孔隙水开始发生结冰相变 的面称为冻结锋面，它是冻土与未冻土的分界面． 在开始冻结时，低温盐水与冻结管周围的地层产生 剧烈的热交换，在每个冻结管周围很快形成圆柱形 的冻结岩土柱．由于相邻冻结管间的相互影响，使 轴面上比主面上更快地冻结，冻土柱由初始的圆柱 形变为椭圆形，椭圆形冻土柱进一步扩展，直至相 交圈，形成封闭的冻土墙一冻结壁．交圈后，原各冻 结管的冻结锋面连成向内扩展的内冻结锋面和向 外扩展的外冻结锋面，且内、外冻结锋面很快地趋 于平滑．当界面上的冻结壁厚度等于冻结管的间距 时，内、外冻结锋面就基本上变为平面或圆柱面 了[ 1 ] ． 正演模型的建立主要考虑单圈管冻结过程中 冻土的发展过程，选取代表性时刻冻土发育形态进 行模型设计，即初始时刻、冻土临近交圈、交圈呈条 带状直至内冻结锋面扩展至井帮． 计算模型见图1 ，图中冻结管半径记为＆，冻 土柱半径记为＆，冻土的内外冻结锋面距探测面 距离分别为H 。和H 。，模型总高度记为H ，正演计 算的物性参数参见表1 E h8 。1 0 ’1 3 ] ． 一～一～ 一 一 1 1 一 力 ∽以 万方数据 第2 期 宋雷等冻结壁发育状况的地质雷达探测研究1 4 5 冻 井帮位置 ● ／ 1 J 终 0 盘 图1 冻结壁雷达探测正演模型示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po fG P Rc o m p u t a t i o n a lm o d e l 表1 介质的电磁参数 T a b l e1 E l e c t r o m a g n e t i s mp a r a m e t e r so ft h em e d i u m 在冻结的初始时刻，未有冻土发育，目标异常 为冻结管，见图2 a ；随着冻结壁的发展，冻土逐渐 开始交圈，见图3 a ；冻结壁交圈后，冻土内外锋面 逐渐扩展，冻土呈条带状分布，见图4 a ；冻土内锋 面发展至井帮后，探测目标为冻土外锋面，见图 5 a ．模型中冻结管直径0 ．1 5 9m ，距井帮1 ．2r f l ，冻 结管间距1 ．2r f l ． 正演模拟中震源为2 5 0M H z 雷克子波，剖分 网格5 0m m x 5 0m m ，时间步长0 ．0 1 17 9 3n s ． 朋m a 正演模型 道号 b 台成雷达削面 图2 冻结初始阶段的计算模型 F i g ．2C o m p u t a t i o n a lm o d e la ti n i t i a ls t a g e o fa r t i f i c i a lf r e e z i n g 图中纵轴零点为开挖荒径位置，下同 肌n 道号 a 正演模型 b 合成雷达剖面 图3 冻结壁临近交圈时的计算模型 F i g ．3C o m p u t a t i o n a lm o d e lw h e nt w of r e e z i n g p i p e sl i n k i n gt o g e t h e r 从图2 ～图5 可以看出，由冻结开始阶段至冻 土临近交圈，冻结管和冻土柱反映为双曲线反射 弧，见图2 b 、图3 b ．冻土交圈开始阶段，在两冻土柱 交汇处，形成一绕射点，也有反射弧出现，见图3 a ， 其位置介于两冻结管中部，与冻结开始阶段合成剖 面中冻结管反射弧出现时刻基本相同． 在图4 中冻土内、外锋面分别在0 ．7I n 和2 ．6 m ，见图4 a ，冻土交圈成柱面时冻土内、外锋面在雷 达剖面上反映清晰，并有冻结管反射弧出现，见图 4 b ；随着冻结壁发展 图5 ，冻土内锋面已扩展至 开挖荒径，外锋面在0 ．7m 和2 ．9m 处 见图5 a ， 冻土扩展至井帮后，外锋面和反射弧特征更为清晰 见图5 b ．对比图4 和图5 ，虽然图5 中冻土外锋 面厚度较图4 增加0 ．3i n ，但因为未冻土和冻土的 速度差异，图5 b 的外冻结锋面走时较图4 b 减少了 2 2n s ． 0 0 ．5 1 ．0 昌 瓷1 ．5 2 ．0 2 ．5 0 0 ．5 1 ．0 鲁 裔1 ．5 2 ．0 2 ．5 O0 ．51 ．0I ．52 ．02 ．5 3 ．0 3 ．5 彤m a 正演模型 道号 b 合成雷达剖面 算模型 1w h e n 道号 b 合成雷达趔面 图5 冻土扩展至井帮的情况 F i g ．5C o m p u t a t i o n a lm o d e lw h e nf r e e z i n gs o i l e x t e n d e dt Os h i f w a l l 1 ．3 缺陷模型的正演模拟 考虑到冻结过程中可能出现冻土不交圈以及 冻结中可能出现的低温未冻区，特设计缺陷模型， 模拟冻土条带状分布和冻土扩展至井帮时在冻土 区存在未冻结砂土的情况下的雷达探测情况，中间 异常体为未冻结砂土，见图6 a 和图7 a ． 在缺陷模型模拟中，缺陷的反映特征也是双曲 线的反射弧，反射弧曲率差异并不明显，但反射信 号强度有明显差异，见图6 b 和图7 b ．在实际探测 中，可依据冻结孔布置方案和测斜资料以及反射信 号的强度来判断异常体的性质． 一一 万方数据 中国矿业大学学报第3 4 卷 X ／m 道号 a 正演模型 b 合成雷达剖面 图6 冻土条带状分布时的缺陷模型 F i g ．6 A F Wl a c u n am o d e lw h e nf r e e z i n gz o n a lf r o m e d X ／m 道号 a 正演模型 b 合成雷达剖面 图7 冻土扩展至井帮时缺陷模型 F i g ．7 A F Wl a c u n am o d e lw h e nf r e e z i n gs o i l e x t e n d e dt os h i f - w a l l 2 工程实例 2 ．1 砂土冻结壁的雷达探测 图8 所示为某煤矿立井冻结工程探测实例，该 工程立井井筒穿过的表土层厚度为2 7 0m ，采用双 排管冻结，内圈6 根冻结管，外圈1 3 根冻结管，近 井帮和外圈各布置1 个测温孔，因该矿主井外层井 壁在施工过程中曾被压裂十余米高，为确保后期施 工的副井冻结工程的安全进行，选定层位为一1 6 5 m 深度的冻结砂土进行地质雷达探测．探测中采 用瑞典R A M A C 雷达系统2 5 0M H z 屏蔽天线，沿 工作面井帮对砂层冻结壁的发育状况进行探测．从 雷达剖面中可以看出，在砂土冻结壁的雷达剖面上 可以清晰的看出内圈的6 个辅助冻结孔和1 个测 温孔所形成的强反射弧，外圈冻结孔 或测温孔 因密度较大在雷达剖面上成一强反射条带，见图 8 ．配合钻孔测斜和雷达探测资料，用加权平均的方 法可确定冻结砂土中的电磁波传播速度约为0 ．1 2 m ／n s ． 图8 砂土冻结壁探测剖面 F i g ．8G P Re x p l o r i n gp r o f i l eo ff r o z e ns a n d ys h a f tw a l t 在冻结孔以外有强反射带分布，距井帮约4 ．9 m ，见图8 ．而在自然状态，测区的松散土层在水平 向物性差异并不明显，这一强反射带体现了因冻结 而造成的径向电性差异，将这一强反射带作为冻结 壁的外缘．由此可得，砂土中冻结壁最大厚度为4 ． 9 3m ，局部最小厚度为4 ．7 8m ，冻结壁交圈基本完 好，冻结实际进度与计划进度吻合，冻结壁厚度和 整体强度满足安全要求． 2 ．2 黏土冻结壁和缺陷探测 图9 所示为某煤矿立井冻结工程黏土冻结壁 探测实例，该工程立井井筒穿过的表土层厚度为 4 8 0m ，采用双排管冻结，内圈1 2 根冻结管，外圈 4 1 根冻结管．该工程在约3 7 0m 深度处出现冻结 管断管，盐水泄漏并汇集于工作面，大量盐水进入 冻结壁可能对冻结壁造成极大的损害，出现低温未 冻区，影响冻结壁整体强度．为查明冻结壁中可能 存在的缺陷，指导下部施工，事故发生后4 天，我们 采用瑞典R A M A C 雷达系统2 5 0M H z 屏蔽天线对 该处黏土段冻结壁进行探测． a 黏土冻结壁探测胡面 b 缺陷部位局部雷达探测剖面 图9黏土冻结壁和缺陷探测剖面 F i g ．9 G P R e x p l o r i n gp r o f i l eo ff r o z e nc l a ys h a f tw a l la n dA F Wl a c u n a 在冻结黏土中，黏土中强结合水含量高且难以 结冰，电磁波速度相应较低，由钻孔测斜资料确定 该层位黏土中电磁波速度约为0 ．1 1m ／n s ．冻结黏 土电磁波吸收强烈，单个冻结孔的反射弧在雷达剖 面上不清晰，但在内、外圈冻结管对应位置处见一 连续的反射条带，距井帮分别为1 ．6m 和4 ．5m ， 万方数据 第2 期 宋雷等冻结壁发育状况的地质雷达探测研究 1 4 7 见图9 a ． 距井帮1 ．4r n 处出现一处异常反射点，见图 9 b ，该反射点局部判断在上一段高出现有冻结管断 裂后，由断管处泄漏的低温盐水汇集在掘进断面 处，因该处冻结孔开孔间距大，泄漏的盐水率先由 此处突破并聚集，由于盐水溶液的影响在该处就形 成了低温未冻区，造成此处冻结壁整体强度偏弱． 建议加强冻结，及时支护，快速通过此区，因处置得 当，后续工程得以顺利进行． 3 结论 1 地质雷达探测技术可以在工作面沿井帮进 行高精度探测，采用地质雷达探测冻结壁的发育状 况、划分冻土和未冻土的界限、确定冻结壁中的缺 陷是可行的． 2 实际冻结工程中，应引入信息化施工的理 念，实施温度场、位移场的监测监控，并选取不同位 置断面进行反演预报，指导工程施工的进行．这些 资料与冻结壁雷达探测资料有机组合，相互验证i 可以提供对冻结壁状况的更为全面的认识，确保冻 结工程安全进行． 参考文献 [ 1 ] 崔广心．杨维好，吕恒林．深厚表土的冻结壁和井壁 I - 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