用于地铁盾构区间孤石探测的三维电阻率跨孔CT方法研究及物理模型试验

城市地铁盾构区间孤石的三维定位问题一直未得到很好的解决,为了提高实际工程对孤石异常体的探测识别和定位精度,尝试将三维电阻率跨孔CT精细化探测方法引入到地铁孤石群的探测工作中。首先,从4个平行钻孔"透视对穿"的典型观测模式出发,探讨三维电阻率跨孔CT反演成像方程及适用的装置类型,通过数值模拟研究发现,利用AM-BN电极阵列装置形式采集电位梯度数据得到的孤石成像效果最佳。在此基础上,进一步针对影响探测效果的2个要素——孔距和电极间距开展系统的数值模拟试验研究,据此提出合理的三维电阻率CT探测参数,并检验对小粒径孤石、密集分布的孤石群的识别效果。最后,结合物理模型试验研究进行验证,探测结果较准确地反映了高阻异常的分布情况,表明三维电阻率跨孔CT方法用于地铁孤石探测是可行的。     

城轨交通地质隐患多地球物理场诊断技术研究与应用

近年我国城市发展迅速,城市轨道交通的建设也随之蓬勃发展起来。为了提高施工的效率,缩短施工周期,往往采用盾构法进行施工,同时由于城市地下地质环境复杂,经常性地存在地面塌陷或者孤石,对于城轨建设造成不可估量的影响。地下空洞和孤石等地质隐患需要依靠地球物理场的探测技术,快速定位和发现位置。针对单一地球物理场的作用限制,本文提出一种多地球物理场的探测手段,可以基本满足城轨建设中浅层地表的探测精度要求。主要将地面浅层地震、直流电法等粗略勘探手段与视电阻率跨孔CT或地震波跨孔CT相结合,构建出快速的诊断分析系统。该系统的诊断方法是通过对土洞塌陷的地震波跨孔CT和电阻率跨孔CT进行三维数值模拟。此诊断方法极大地提高了施工现场的工作效率,成为我国城轨建设中探查地质隐患的重要技术手段。     

基于跨孔电阻率CT的地铁盾构区间孤石探测方法及物理模型试验研究

跨孔电阻率CT方法在地铁盾构区间孤石探测方面具有一定优势,但仍然存在孤石定位精度低、小尺寸孤石难以识别等工程实际难题。首先,提出了电阻率CT不等式约束反演成像方法和偏导数矩阵的并行解析快速求解方法,从施加先验信息约束和提高反演精度两个方面共同改善了电阻率CT反演的多解性与成像效果。在此基础上,通过大量常规观测模式的成像效果对比试验,提出了一种组合式观测模式,可以综合多种常规观测模式的探测优势并增加采集的数据量,从而提高对异常体的识别能力。针对影响探测效果的两个因素——孔距和电极间距进行了数值模拟试验研究,获得了在组合式观测模式下的有效孔距范围和合理的电极间距参数,并进一步检验了对小粒径孤石的识别效果。在此基础上,提出了地面物探普查与电阻率CT详查相结合的孤石探测方案。最后,开展了物理模型试验研究进行验证,探测结果与实际情况比较一致,具有较好的应用前景。     

基于不完整边界先验信息的跨孔电阻率CT反演方法研究

跨孔电阻率CT方法是一种孔中精细化探测的方法。近年来,该方法在中小型地质异常(如溶洞、孤石等)探查方面取得了良好的应用效果。但是,作为一种直流电阻率法,其识别地质异常边界或界面的识别能力较差。通过钻孔、地震或者地质雷达方法,可以比跨孔电阻率CT方法更清楚的确定差异明显的岩性界面。从约束反演理论的角度出发,提出了不完整边界先验信息约束方法。首先依据地质雷达获得地质异常体的部分边界信息,定义从已知部分边界辐射的"虚拟内部区域"和"虚拟边界"虚拟边界的完整描述。通过设置具有"相同光滑度"的外部约束、"各向异性光滑度"的边界约束和"渐变光滑度"的内部约束,从而实现形态约束的构建。进一步的,将此先验信息约束融入跨孔电阻率CT反演方程中,形成了携带已知不完整边界信息的跨孔电阻率CT反演方法。然后,利用数值反演算例和孤石探测物理模型试验,检验了新方法的有效性和可行性。试验结果表明,新方法对异常体边界识别的效果得到明显改善。     

超高密度电法的对比分析研究

超高密度电法是建立在常规高密度电阻率法基础上的一种新型地球物理探测方法,其继承了高密度电法的诸多优势。首先在数据采集过程中使用多通道数据采集方式,充分利用已经布好的电极,除供电电极以外其他电极均可以进行数据采集,在此过程中缩短了因为进行单一数据采集而消耗的时间,并且增大了数据采集量,从而提高了工作效率;其次,改进型的超高密度电法可以进行多种装置采集所得到的数据联合反演,避免单一数据反演产生的结果畸变,从而提高了探测精度。本文首先介绍了此方法的基本原理、观测方式等;其次通过一个典型模型进行超高密度电法和常规高密度电法的对比分析,确认此方法在实验过程中明显提高了工作效率;此后,在进一步的分析过程中,使用改进型超高密度电法,将若干种装置采集得到的数据分别进行联合反演,还进行了多参数联合反演,取得了良好的应用效果。     

超高密度电法在地下空洞勘探中的应用

以地下空洞勘探为实例对超高密度电法的应用作了说明,指出超高密度电法勘探系统突破了以往电法勘探的数据采集方式限制,提高了勘探效率,减小了场地条件对勘探作业的影响,反演后直接得到真电阻率剖面图,易于与场地地质资料比对。     

矿山岩土体导电特性及工程应用研究

硐室围岩的稳定性和冻结法凿井穿越巨厚冲积层时冻结壁温度场的分析这两大问题是当前深部开采井巷工程面临的主要问题.通过对两淮煤田冲积层常见土层和煤系地层常见岩层进行取样,采用试验方法研究两淮煤田主要岩土体的电阻率特性,并结合冻结法凿井、矿井巷道施工的工艺特点,提出电阻率法检测冻结壁温度场的数据采集、数据处理和基于电阻率法的围岩松动圈检测技术.并将研究成果运用到矿井冻结壁温度场和围岩松动圈检测的工程实践,取得了良好的效果.主要研究工作及成果如下:博士学位论文(1) 在高密度电阻率法拟断面的记录点对应深度方面存在着经验性,使其在工程应用方面存在局限性.根据点电场的基本理论,并结合最新的电阻率勘探数据采集技术--并行电法勘探和跨孔地震勘探的特点,提出拟地震式单极--单极跨孔直流电阻率CT技术的数据采集方式,并编制数据处理软件,为电阻率法检测冻结壁提供数据采集与处理方法.(2) 通过对淮南煤田朱集煤矿冲积层主要土层进行取样,首先,将目前土体导电性测试常用装置和高密度电阻率法勘探技术相结合,研究常温下土体电阻率与土性(颗粒级配)、含水量和密度(或密实度)之间的关系,并拟合出不同土体的电阻率与含水量、密度的回归方程;其次,研究冻土电阻率的测试方法,并结合两淮地区的冲积层土层含水量与密度、地温特点和冻结法凿井的冻结盐水温度与冻结壁平均温度设计,研究土体在一定含水量、密度条件下,电阻率与温度的关系.并拟合出相关度较高的不同土体的温度–电阻率(t-ρ)回归方程,这些方程是电阻率法检测冻结壁温度场的基础.(3) 通过对两淮煤田煤系地层主要岩层进行取样,研究岩体的电阻率与应力(或应变)的关系.通过试验发现了取材方便、性能良好的电极与岩石耦合材料--过饱和黏土,拟合出相关度较高的不同岩体的应力–电阻率(σ - ρ)回归方程,这些方程是电阻率法检测硐室围岩稳定状态的基础.(4) 在单极--单极跨孔直流电阻率CT勘探技术研究成果的基础上,提出了电阻率检测冻结法凿井冻结壁温度场的施工工艺、数据采集与数据处理方法,并结合土体导电性试验获得的温度与电阻率的回归方程,分析冻结壁的发展状况.该技术已成功应用于两淮煤田冻结法凿井冻结壁温度场分析的工程实践.(5) 地下峒室的稳定性是矿井安全、高效生产的重要因素,为了确保地下峒室的稳定性,必须采用经济、合理的支护方式.基于围岩松动圈范围的大小及其空间分布规律对选择峒室支护方式的重要性,利用高密度电阻率法勘探的原理并结合地下峒室开挖与支护的施工特点,提出利用锚杆钻机钻孔、锚固剂封闭孔口、简易压力容器注浆封孔、高密度电阻率法采集数据的松动圈测试技术,结合岩石导电性试验获得的应力与电阻率的回归方程,研究硐室开挖与支护后其围岩的变形程度与导电性的关系,分析围岩松动圈的发展状况.该技术已成功应用于两淮矿井巷道围岩松动圈测试的工程实践.     

超高密度电法在大坝防渗墙检测中的应用

超高密度电法是隐蔽工程及工程地质勘探的新技术,利用FlashRES-UNIVERSAL多通道、超高密度直流电法勘探反演系统对大坝防渗墙进行检测,通过对电法图分析研究,能够比较准确的反映大坝防渗墙完整性和连续性,有利于查找施工缺陷,评价工程质量,减少隐患。本文介绍了超高密度电法的基本原理、FlashRES-UNIVERSAL多通道、超高密度直流电法勘探反演系统的采集反演原理以及在大坝防渗墙检测中数据采集、电阻反演及分析判断,经现场开挖,证明了检测结果的准确性。     

岩溶区地铁暗挖区间溶(土)洞勘察对策研究

总结广州地铁2, 3, 8号线延长段,5, 6, 9号线和广佛线的溶、土洞勘察经验,研究岩溶区地铁暗挖区间的溶、土洞勘察对策,结果表明岩溶区地铁暗挖区间溶、土洞勘察的范围划定为平面上扩展到隧道轮廓线外3～5 m范围,竖向上扩展到结构底板以下10 m范围,以查明该范围内的溶、土洞发育情况。勘察可应用跨孔超高密度电法和跨孔地震CT法;在场地条件允许的情况下,可利用地表超高密度电法进行地质普查。     

地微动勘探技术在孤石探测中应用——以福州地铁1号线工程为例

福州地铁1号线沿线普遍分布有影响盾构掘进孤石。为确保该盾构隧道施工顺利,采用地微动勘探技术对该区间隧道施工范围内的孤石进行探查。对微动台阵采集的数据,采用高分辩率频率波数域(HRFK)法提取瑞雷波频散曲线,并计算视S波速度。获得的视S波速度剖面能直观反映探查范围内的速度变化,剖面上的异常高速体对应着孤石或基岩凸起。在视S波速度判据基础上辅以H/V谱比判据,可有效提高孤石判别准确度。工程实践表明,对地微动探测结果与钻探验证进行对比分析,将探测区划分为盾构施工危险区、警示区和安全区,可很好地指导地铁盾构施工。     

基于距离加权约束算法的围岩三维电阻率CT反演成像研究

孔中电极附近成像效果差的问题是一直以来困扰三维电阻率CT精细探测的难题,针对该问题,提出了"距离加权"约束反演的思路,通过构建"指数型"衰减的距离加权因子分布模型,对距孔中电源点不同远近的剖分单元赋予差异权重,重点改善了孔中电源点附近区域反演敏感度较高而造成的成像形态畸变问题,提高了三维电阻率CT反演成像方法对异常体三维定位和识别的精度及可靠性。通过数值反演试验和物理模型试验研究,进一步检验了距离加权约束反演方法在改善孔中电极附近异常体成像形态方面的有益效果,试验结果均比较准确地反映了异常体的空间位置、规模和形态。     

A field study for understanding thermally driven coupled processes in partially saturated fractured welded tuff

As part of a multi-laboratory team, we are carrying out two in situ thermal tests — the single Heater Test and Drift Scale Test, in an underground facility at Yucca Mountain, Nevada, USA, the proposed site for a high-level nuclear waste repository. Our objective in these tests is to gain a more in-depth understanding of the coupled thermal–hydrological–mechanical–chemical processes likely to exist in the fractured rock mass around a geological repository. These coupled processes are monitored continuously by numerous sensors emplaced in boreholes, while cross-hole radar tomography, neutron logging, electrical resistivity tomography, and interference air-permeability tests all serve to measure moisture change in the rock mass. Thermal–hydrological processes for both tests have been simulated (using a 3-D numerical model) and compared to the extensive data set.In this paper, we present examples to illustrate how an iterative approach requiring close integration of modeling and measurements enables us to track the complex coupled processes we seek to understand. The main manifestation of coupled thermal-hydrological processes is in the time evolution of the drying and condensation zones. Good agreement exists between model predictions and measurements, specifically the decrease in air-permeability values within zones of increased liquid saturation in the fractures and the increase of radar velocity in cross-hole radar survey in zones of decreased matrix liquid saturation. A heat-pipe signature in the temperature data arising from liquid–vapor counter-flow occurs in both the measurements and simulated results. The good agreement between predictions from the numerical simulations and measurements in the thermal tests indicates that our basic understanding of the thermal-hydrological processes in a potential repository at Yucca Mountain is sound. However, detailed behavior is impacted by site-specific heterogeneity, in the form of discrete fractures that are not likely to be predictable a priori. One emphasis of the on-going Drift Scale Test is to build on the present understanding and to assess the impact of heterogeneity to the repository performance.     

城市地铁跨孔电阻率CT超前地质预报方法研究

 为了提高跨孔电阻率CT方法在城市地铁超前预报中的应用水平,杜绝重大地质灾害隐患,确保地铁隧道开挖施工安全,探讨基于有限元法和最小二乘法的跨孔电阻率CT正、反演数值模拟方法,构建城市地铁超前预报经常需要探测的充水溶洞、充水断层和基岩面3种地电模型,分析、总结其响应特征及规律,验证其应用于城市地铁超前预报的可行性,并指出该方法在地铁预报中的其他适用探测对象。鉴于城市地铁超前预报环境的复杂性,提出跨孔电阻率CT方法用于地铁超前预报的3种测线布置方式和一种三维切片解释方法。结合实例分析,进一步阐述该方法的实际应用特点和效果。研究结果表明,跨孔电阻率CT方法用于城市地铁超前地质预报时其精度高、准确性好、实施灵活方便、不占用隧道开挖时间,优势较为明显。     

地面钻孔并行三维电法探测煤矿灰岩导水通道

 提出利用地面钻孔并行三维电法探测煤矿灰岩导水通道,为煤矿灰岩水害防治提供新的物探手段。该方法在地面需布置3个钻孔,在各孔中置入一条电极电缆,电法测线需控制探测目标地层。将3钻孔电极电缆连成统一观测系统,利用并行电法仪采集AM法数据。将孔中各电极统一编辑坐标,对AM法数据进行三维电阻率层析成像,可得到3钻孔间三维电阻率变化情况。根据富水区与正常岩层间的电性差异情况,分析富水区可能的电阻率表现形式,再结合已有钻孔地层柱状、巷道涌水以及注浆资料等,得到灰岩地层中含水区及导水通道范围。将此方法应用于淮南矿业谢桥矿的探测,结果表明：该方法较准确地查明突水区灰岩地层导水通道,能很好地指导灰岩段注浆堵水工作,使得东风井车场涌水量大大减小,消除灰岩突水威胁。     

跨孔法剪切波速测试技术在工程中的应用

跨孔法剪切波速测试技术可测出地层中的低速软弱夹层,测试精度较高,是一种简便、快速、准确的原位测试技术,多在重要的大中型工程中应用。本文阐述了跨孔法波速测试的原理和数据处理过程,并探讨了该测试方法在工程中的具体应用。     

Detecting and monitoring of water inrush in tunnels and coal mines using direct current resistivity method:A review

Detecting, real-time monitoring and early warning of underground water-bearing structures are critically important issues in prevention and mitigation of water inrush hazards in underground engineering.Direct current(DC) resistivity method is a widely used method for routine detection, advanced detection and real-time monitoring of water-bearing structures, due to its high sensitivity to groundwater. In this study, the DC resistivity method applied to underground engineering is reviewed and discussed,including the observation mode, multiple inversions, and real-time monitoring. It is shown that a priori information constrained inversion is desirable to reduce the non-uniqueness of inversion, with which the accuracy of detection can be significantly improved. The focused resistivity method is prospective for advanced detection; with this method, the flanking interference can be reduced and the detection distance is increased subsequently. The time-lapse resistivity inversion method is suitable for the regions with continuous conductivity changes, and it can be used to monitor water inrush in those regions. Based on above-mentioned features of various methods in terms of benefits and limitations, we propose a three-dimensional(3D) induced polarization method characterized with multi-electrode array, and introduce it into tunnels and mines combining with real-time monitoring with time-lapse inversion and cross-hole resistivity method. At last, the prospective applications of DC resistivity method are discussed as follows:(1) available advanced detection technology and instrument in tunnel excavated by tunnel boring machine(TBM),(2) high-resolution detection method in holes,(3) four-dimensional(4D)monitoring technology for water inrush sources, and(4) estimation of water volume in water-bearing structures.     

Resistivity surveys near a waste-disposal site in the Qasr Tuba area of central Jordan

Direct current (DC) Schlumberger resistivity sounding and dipole-dipole resistivity profiling experiments were conducted at the border of an 2.2 long×1 km wide open waste disposal site in central Jordan. The site is on an approximately 20 m thick limestone, chert and chalk rock sequence and is surrounded by a series of hills. Lying upstream of an urban area, agricultural land and numerous groundwater wells, any contamination spreading from the waste disposal site could have a serious effect on the people and the environment. In this study, the subsurface resistivity distribution was mapped and compared with the data obtained from boreholes and aerial photographs. DC resistivity methods were found to be a fast and inexpensive data collection tool. The results obtained will be of use for engineering preparations and the operation of the site, as well as for monitoring any future pollution.      

地下岩体温度变化影响区域探测方法的实验研究

在室内对沉积岩的砂岩和泥岩进行了多组岩样加热实验,给出了室内实验泥岩和砂岩温度上升与电阻率变化关系的回归方程。在东京郊区某野外地下实验场内进行了泥岩岩体的原位加热实验,使用特制的物探设备取得了温度变化各个阶段对应的岩体电阻率数据,通过处理解析取得的数据,了解了温度上升时原位岩体电阻率变化的实际情况。室内岩样实验与室外原位岩体实验研究结果表明:通过使用电法物探设备监测岩体的电阻率变化情况,可以及时了解地下高温源对围岩体的温度影响场范围。该实验研究为目前核废料储存及处理时,探测围岩体受高温影响的范围提供了一种可视化的监测方法,并研究了该方法在野外原位使用的可行性。