0 引言

高分辨直流电法[1]是以岩石的电性差异为基础，在全空间条件下建立电场，电流通过布置在隧道内的供电电极在围岩中建立起全空间稳定电场，通过研究电场或电磁场的分布规律预报开挖工作面前方储水、导水构造分布和发育情况的一种直流电法探测技术。苏联地球物理学家B.A.科马罗夫[1]等人于20世纪60年代提出了固定点源测深法或称单极梯度法(Fixed Point Source Sounding)，并应用于矿床普查，取得了良好的效果。出于生产的需要，十几年来，国内学者尝试把地面直流电阻率法中较为成熟的三极测深法引入地下用于巷道超前探测。2002年，李玉宝[3]提出以“点电源”为依据的矿井直流电法应用于巷道超前探测；2006年，黄俊革[4-5]等讨论了直流电法坑道超前探测的正演计算和快速反演问题，指出将三极法用于巷道超前探测理论上可行，但测深能力有限；2007年，闫高翔[6]将高分辨率直流电法应用到隧道超前地质预报中，指出该方法用于探明隧道掌子面前方含、导水构造分布和发育情况效果良好；2008年，原铁道部[7]将该种方法写入了国家行业标准《铁路隧道超前地质预报技术指南》中，命名为“高分辨直流电法”(也称三极空间交汇探测法)；2009年，阮百尧[8]等对直流电阻率三极测深超前探测工作方式进行了研究，根据理论计算和数值模拟结果，指出在巷道中用点源三极电阻率法进行超前探测预报具有较大的局限性，可行性值得商榷。

文中针对高分辨直流电法进行隧道围岩体超前探测存在的问题，采用有限元法及物理实验模拟对隧道不同空间位置的不良地质体探测曲线形态特征进行了分析，为采用高分辨直流电法进行隧道围岩体的不良地质体的探测提供参考。

1 探测机制

如图1所示，隧道点源三极法勘探基本等效于全空间电法勘探，电极布置方式采取定点源三极法，其中点源A(供电电极)位于隧道工作面迎头处，B极(无穷远极)引至洞口方向较远处，测线布置于位于隧道底板或侧帮上，测量电极M、N沿测线移动，相对B极，A可看作为点电源，在A作用下，均匀介质中以A为核心，形成一个球状电场。

  

图1 隧道点源三极法探测示意图Fig.1 Three pole method for detecting tunnel point source

根据电位及电场球中心对称的原理，在等半径球面上，任意一点电位均相等，如电流分布的范围内存在电性异常，不管该电性异常位于哪个方位，其电场分布将产生畸变，通过电阻率仪可测得M、N两点间的电位差ΔUMN进而得出MN球环上的视电阻率，故在隧道掌子面后方进行观测亦可探测出待测三维空间周围的异常情况。

由图1可见，在以点源位置A点为中心的等半径范围内任何一处引起的等位面的变化可对视电阻率测量值造成影响，事实上，在隧道掌子面后方观测到的视电阻率异常其实是对整个球壳内部的反映，并不能由此推定异常位于掌子面的前方。为了实现超前探测的目的，消除顶板、底板和后方的影响，仅反映隧道迎头前方的地质异常，国内学者[3，6-7]对点源法进行了改进，提出通过布置三个发射电极的方法(图2)，进行空间交汇，对不需要的信号进行压制，从而达到探测出隧道工作面迎头前方的地质体异常情况的目的。

2 有限元原理

2.1 模拟方法

据此可得：采用三极直流电法(也称高分辨直流电法)在隧道空间内进行不良地质异常体的超前探测，仅根据视电阻率曲线形态难以获得隧道掌子面前方不良地质体(含水构造)所引起的视电阻率异常；若要准确判断掌子面前方含水构造所引起的视电阻率异常，对探测仪器的技术灵敏度要求极高。

  

图2 几何交汇原理示意图Fig.2 Schematic diagram of geometric convergence principle

u0=I/(4πrAσ0)

(1)

模型参数如下：隧道周边介质电阻率为1000Ω·m，横截面尺寸为8m×8m，电流大小为1A。点源场含隧道空腔截面电位分布见图4，图中等值线为等电位线，箭头指示方向为电流方向。如图所示，在掌子面中心采用点源供电，电流主要沿着掌子面掘进方向流出，点源场产生的电流成点源辐射状发散分布。

2.2 网格剖分方法

文中对数值模型采用六面体单元进行剖分，并做如下假设：①单元内介质电导率均匀；②单元内电位线性变化。模型剖分见图3，以隧道为几何中心，相近范围内采用等步长小网格单元，便于模拟形状规则的不良地质体及保证测量极距规则，同时可提高计算精度；距隧道几何中心较远处，网格单元尺寸则呈倍数递增。

  

图3 区域剖分示意图Fig.3 Schematic diagram of regional dissection

3 隧道模型电场分布

其计算结果见图8b，当测量电极MN观测至金属体附近时，视电阻率曲线呈现“V”字型特征。由此可见，在隧道内应用高分辨直流电法超前探测，视电阻率曲线受测线附近金属体干扰较大。若不能保证探测环境，隧道内存在施工机械、轨道、金属支架等金属干扰物将导致异常解释，从而易将掌子面后方干扰物引起的视电阻率曲线异常错判为前方不良地质体产生的异常，得出错误的结论。

在早期的自动生产线及一些复杂自动化设备上，通过继电接触器控制，元器件很多，线路复杂，部分人使用PLC可编程控制器改造了这些设备，虽然元器件减少了，但是都是基于基本指令编出的程序，虽然可以使用，但是程序复杂，阅读较为不便，若使用一些功能指令则可以简化程序、阅读方便、控制更为可靠。

式中rA为观测电极到供电电极之距，σ0为均匀全空间介质电导率。

  

图4 点源场含隧道空腔截面电位分布图Fig.4 Potential distribution map of the cross section of a tunnel with a point source field

4 模拟结果分析

药师的干预对提高COPD患者用药依从性上有较大作用。一项纳入597例哮喘及COPD患者的多中心研究 [29]显示，药师通过检查吸入技术，纠正其中存在的问题（吸入流速、吸入持续时间、协调性、剂量、吸气前的呼气动作、剂量吸入后的憋气等），并于4～6周后对患者吸入技术再次进行评价，结果显示药师干预前后，患者在使用吸入制剂时出现错误的百分比显著下降，从78.9%减少到28.3%。该研究中药师仅提供了一次面对面指导，便对患者的吸入技术产生了显著的影响，并最终提高了患者的用药依从性和生活质量。

根据高分辨直流电法隧道超前探测的原理构建地质模型，隧道纵断面为边长8m的正方形，围岩介质电阻率设为1000Ω·m。因需考虑隧道空腔产生影响，为了模拟隧道开挖形成的空腔，隧道空腔区域的电阻率取值相对较大，文中均取1×1010 Ω·m，测量电极间距MN=2m。在全空间情况下，其视电阻率ρs按下式进行计算：

 

(2)

生活在我国云南西双版纳的亚洲象葬礼极为隆重。当一头象不幸遇难或染疾死亡，象群便会结队而行，在首领的带领下将死者运送到山林深处。雄象们会用象牙掘松地面的泥土挖掘墓穴，将死者放入后，大家一起用鼻子卷起土块朝墓穴内投去，将死者掩埋。然后首领带着大家一起用脚踩土，将墓穴踩得严严实实。最后首领发出一声号叫，大家便绕着墓穴慢慢行走，以示哀悼。

我被以两万的价格，卖到了贾鹏飞所在的那个木材加工厂。袁林虽然受了批评，但死树的事是经常发生的，也没有人深究。

4.1 隧道空腔影响及存在不良地质体的异常特征对比

为模拟含水构造，该模型参数设置如下：设有一低阻不良地质体位于隧道掌子面正前方，其几何中心与隧道几何中心位于同一水平高度，距隧道掌子面5m，长厚宽分别为16m×4m×16m，低阻不良地质体电阻率设为1Ω·m，围岩介质电阻率为1000Ω·m；供电电极A位于隧道底板中轴线上，距掌子面5m，测量电极M和测量电极N也位于隧道底板中轴线上，测量极距MN设为2m。

式中AM为供电点A到测量电极M的距离，m；AN为供电点A到测量电极N的距离，m；MN为测量电极间距，m；UM为M处电位，V；UM为N处电位，V；以测量电极MN的中点O点作为观测点横坐标位置，电极距为AO，以便于记录和成图。

在仅含隧道空腔影响的情况下，当在隧道中采用三极直流电法进行探测时，其数值计算的视电阻率曲线见图5，图中其视电阻率值采用(2)式进行计算。由计算结果可见，当电极距AO较小时，观测视电阻率值约为围岩电阻率的两倍，随着电极距增大，其视电阻率值逐渐趋向于围岩介质电阻率值，这与在地表中应用三极直流电法的情况存在较大差异。在隧道掌子面前方存在低阻的不良地质体同时含隧道空腔影响的情况下，由其视电阻率曲线形态可见，受低阻不良地质异常体的影响，其视电阻率值相比于无不良地质异常体的视电阻率值略有减小，从隧道迎头往后方依次观测，其值均为单调下降，对比两者，其视电阻率曲线形态并无明显差异。

由图1可见，在隧道有限的空间内进行点源直流三极法的布测，测量电极M、N通常极距较小且距供电电极A相距较近，如采用有限单位总电位法来计算，计算过程为拟合场源附近激烈变化的总电位，结果易带来较大误差，本文为加大供电电极A附近区域的计算精度，采用异常电位法进行模拟(这里不再赘述，详见文献[9-10])。在均匀介质全空间的情况下，采用异常电位法进行点源正常电位的计算，可由下式进行：

  

图5 隧道空腔及前方含不良地质体的视电阻率曲线Fig.5 Apparent resistivity curve of tunnel cavity and front unfavorable geological body

4.2 不同尺寸不良地质体异常特征对比

为对比隧道掌子面前方不同尺寸的不良地质体进行三极直流电法超前探测的异常特征，该算例为四个其他参数一致，尺寸不同的不良地质体地质模型，各模型中不良地质体均位于隧道掌子面正前方10m处，电阻率均设为1Ω·m，不良地质体长厚宽分别为4m×4m×4m、8m×4m×8m、16m×4m×16m及厚度为4m的无穷大直立式低阻板状体。围岩电阻率设为1000Ω·m，测量极距MN设为2m。该算例计算结果见图6，由计算结果可见，不良地质体的尺寸大小不同，其视电阻率曲线的形态仍基本一致，从隧道迎头往后方依次观测，视电阻率值均为单调下降，在其他参数一致的情况下，不良地质体的规模越大，其相对下降的幅度越大。

  

图6 异常体大小不同时的视电阻率曲线Fig.6 Apparent resistivity curves of abnormal body size

4.3 不同位置不良地质体异常特征对比

模型示意图见图7a，该算例为两个不良地质体大小及电阻率均一致、但其位置不同的地质模型。不良地质体分别位于隧道掌子面前方10m处和隧道底板下方3m处(距隧道掌子面15m)，尺寸大小均为4m×4m×4m，电阻率均为1Ω·m，围岩电阻率设为1000Ω·m，测量极距MN设为2m，其计算结果见图7b。由计算结果可见，在观测方式一致的情况下，当不良地质体位于隧道掌子面前方时，视电阻率曲线形态为单调下降，而当不良地质体位于隧道底板下方时，在相同的测线上观测，不良地质体在隧道底板的投影位置其视电阻率出现极小值，特征点明显，视电阻率曲线形态呈“V”字型。

据此可知：采用高分辨直流电法进行隧道底板的不良地质体探测，其视电阻率曲线异常形态较为显著，高分辨直流电法在隧道空间内探测不良地质体具有空间选择性，因此，若要探测隧道前方围岩不良地质体，高分辨直流电法应慎用。

4.4 隧道内存在金属物体的异常特征对比

模型示意图见图8a，该模型参数为：不良地质体位于隧道掌子面正前方10m处，长厚宽为4m×4m×4m，电阻率设为1Ω·m，围岩电阻率设为1000Ω·m；假设有一金属物体位于隧道底板上，其尺寸大小为2m×2m×1m，电阻率为1Ω·m，其几何中心距隧道掌子面11m、距隧道底板中轴线2m；供电电极A位于隧道工作面迎头底板轴线上，距隧道掌子面5m，测量电极M和N则布置于隧道底板轴线上，测量极距MN设为2m。

很多人都奇怪，为什么自己在别人的打呼声中睡不着，却听不到自己在打呼呢？这是因为，人体神经中枢在向肌肉传递动作信号时还会产生一份信号拷贝，并将其与感觉系统的信号进行比较。如果信号一致，你就对自己的动作将产生的变化有了“防备”，从而减少对自发动作的反应。

由于隧道开挖形成空腔，电流分布较连续全空间的情况有所不同。为进一步演示高分辨直流电法在隧道开挖形成空腔内进行不良地质体进行超前探测的原理，建立了含隧道空腔的全空间模型，并对其电场分布进行计算。

  

图7 异常体位置不同时的视电阻率曲线Fig.7 Apparent resistivity curve of abnormal body position

  

图8 隧道底板存在金属体干扰时的视电阻率曲线Fig.8 Apparent resistivity curve of tunnel bottom plate with interference of metal body

5 物理模型实验

在电法勘探中，通常很难取得严格的解析解与近似解作对比，微缩的物理模型是研究现场不良地质体GU曲线响应特征的重要手段，通过微缩的物理模型研究隧道空间内进行不良地质异常体在稳定电流场条件下的GU曲线响应特征，以验证近似解的近似程度和正确性。

不仅如此，恒轮机床在本次为期三天的汽车行业开放日活动中，还向大家展示了包括H系列、HF系列及RFK、RFN在内的多种加工中心及柔性制造系统，并在相应的展区进行了系统的介绍，每个展区、每台设备都具有极高的关注度。可以预见的是，恒轮机床将会始终如一地保持产品品质与服务水平，在这个充满变革的时代持续不断地为用户及市场注入活力，创造价值。

本实验中为尽量满足相似准则，采用粘土模拟围岩介质，并在粘土模型中开槽模拟隧道。

1.古文中的“金”，很多时候代指金属。史书中关于货币的记载有黄金、白金、赤金，其实就是指黄金、白银和铜。

5.1 物理实验简介

物理实验模型见图9、图10，利用半空间镜像法模拟实际工程中的隧道探测作业环境，实验中以粘土模拟隧道围岩介质，隧道横截面为正方形，边长B=14cm，围岩电阻率约100Ω·m，土槽尺寸长150cm，宽120cm，高80cm。其中L为模拟的不良地质体其几何中心至隧道轴线的距离。实验时以铜板模拟不良地质体，长宽厚为15cm×15cm×0.4cm。

(2)智慧城市发展水平对智慧城市感知质量的假设(H3)、对智慧城市预期的假设(H4)均得到验证，都呈现正相关且在0.001水平下是显著的。这说明随着城市基础设施建设、技术发展以及人才建设的不断完善，提高了智慧城市的建设发展水平，使安居、教育、交通等多个领域实现了智慧化的迅速发展，增强了市民对智慧城市的感知质量，使市民的满足需要性预期得到相应的满足。

数据接收仪器采用重庆奔腾数控生产的WDDS-1型数字电阻率仪。实验开始时将异常体置于隧道掌子面前方较远处按预设的间距向模型假设的掌子面移动，以模拟现场隧道掌子面前方不同空间距离的不良地质异常体，模拟的不良地质体几何中心至隧道掌子面的垂距记为H。为了减少误差，每个测量点进行了多次观测，观测参数为ΔU/I，为便于直观比较，并对数据采用归一化处理，记为GU。

  

图9 物理模型示意图Fig.9 Schematic diagram of physical model

 

(3)

式中ΔU0和ΔU分别为模型中不含不良地质体和存在不良地质体时测量电极MN间的电位差，I为供电电流。

5.2 实验结果

模型示意图见图11a，AM为10cm，测量极距MN为5cm，供电点A距隧道掌子面5cm，每个实验模型不良地质体几何中心距隧道轴线均不同，分别为L=0cm；7cm；16.5cm，其实验实测GU曲线见图11b，由实验结果可见，当不良地质体位于隧道前方时(H>0cm)时，实测的GU曲线的变化幅度较小，隧道掌子面前方不良地质异常体的GU曲线响应特征并不明显，变化幅度较小；当不良地质体位于隧道侧帮时(L=16.5cm)，实测的GU曲线则有较大的变化幅度，探测曲线呈“V”字型。

  

图10 实验布置示意图Fig.10 Schematic diagram of experimental arrangement

  

图11 物理模型实验响应曲线图Fig.11 Response curve of physical model experiment

由实验结果可见，采用高分辨直流电法进行超前探测，仅从GU曲线形态难以判断隧道掌子面是否存在不良地质体，GU曲线仅有小幅变化。当不良地质体位于隧道底板或侧帮时，观测到的GU曲线“V”字型特征显著，变化幅度较大。

6 结论

文中采用三维有限单元法和物理模型模拟方法对高分辨直流电法超前地质预报进行了模拟分析，得到了高分辨直流电法超前探测异常特征。高分辨直流电法对探测隧道底板或侧帮的低阻不良地质体效果较好，GU曲线或视电阻率曲线的变化幅度较大且形态显著，有利于探测、分辨不良异常地质体的存在；当不良地质体位于隧道掌子面前方时，GU曲线或视电阻率曲线变化幅度较小，曲线形态为单调下降，与隧道周边不存在不良地质体、仅含隧道空腔影响的视电阻率曲线相比小幅下降，且两者形态相似，仅从曲线的形态难以判断为隧道掌子面前方不良地质体所引起的异常，也不利于判别掌子面前方是否存在不良地质体或确定不良地质体的位置。

参考文献：

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[2] 科马罗夫 B A，阎立光译.应用点测深(T3)做地电断面图的方法指南[M].北京：地质出版社，1992，1-40.

[3] 李玉宝.矿井电法超前探测技术[J].煤炭科学技术，2002，30(2)：1-3.

[4] 黄俊革，王家林，阮百尧.坑道直流电阻率法超前探测研究[J].地球物理学报，2006，49(5)：1529-1538.

[5] 黄俊革，阮百尧，王家林.坑道直流电阻率法超前探测的快速反演[J].地球物理学报，2007，50(3)：620-624.

[6] 闫高翔.高分辨率直流电法探测在隧道施工超前地质预报中的应用[J].铁道勘查，2007(1)：42-44.

[7] 中华人民共和国铁道部.铁路隧道超前地质预报技术指南：铁建设〔2008〕105号[S]. 2008.

[8] 阮百尧，强建科，周俊杰.煤矿巷道直流三极法超前探测的可行性[C]//第九届中国国际地球电磁学术讨论会，2009：49-52.

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