串聯電極法聚焦電流隧道前探效果的仿真分析

張 宇，趙 斌

（華中科技大學機械科學與工程學院，武漢 430074）

串聯電極法聚焦電流隧道前探效果的仿真分析

張 宇，趙 斌＊

（華中科技大學機械科學與工程學院，武漢 430074）

目前BEAM聚焦電流法隧道超前探測的研究取得了一些進展，但由于隧道施工的復雜性，該技術的運用存在一定的局限性。這里在BEAM系統特點的基礎上，結合三電極側向測井方法，提出一種電流串聯法系統，可實現動態掘進過程中的地質體視電阻高速、高精度測量。通過仿真比較BEAM系統方法與電流串聯法系統，可以看出，兩種方法對于異常體的探測靈敏度基本相同。

聚焦電流；電壓并聯法；電流串聯法；側向測井；探測靈敏度

0 引言

近幾年來，跟蹤德國BEAM聚焦電流法隧道超前探測的研究，取得了一些進展［1－8］。BEAM儀器的工作模式是，以恒流驅動測量電極，通過反饋控制使屏蔽電極電壓與測量電極電壓相等。但是在實際的地質探測中，當刀盤轉動時滾刀與地質體的接觸電阻迅速變化，導致測量電極電壓迅速變化，實際上屏蔽電極電壓與測量電極的電壓難以相等，這給屏蔽電極電壓的反饋控制造成了困難，也給視電阻的測量帶來了不穩定的因素。

作者在現有基礎上提出另外一種測量方法，它通過經護盾向滾刀測量電極供電的方式，保證了屏蔽電極與測量電極電壓的相等，避免了屏蔽電極電壓的反饋控制，可實現動態掘進過程中的地質體視電阻高速、高精度測量。

1 原理分析

目前使用的德國BEAM儀器采用的是電壓并聯法，來保證測量電極與屏蔽電極的電位相等（圖1）［9］。其中A0電極通恒定電流I0，測量M電極與A0電極之間的電壓差為△U0，M電極與A1電極之間的電壓差為△U1，通過控制A1電極電流使得△U0與△U1相等，但是由于滾刀與地質體的接觸電阻變化迅速，導致測量電極電壓△U0迅速變化，給電路的反饋調節帶來困難，也給視電阻的測量帶來不穩定因素。

圖1 BEAM法原理圖Fig.1 Schematic diagram of BEAM

傳統的三電極側向測井方法［10］可以實現聚焦電流探測（圖2），該方法中屏蔽電極A1、A2直接相連，它們與測量電極A0之間是通過一個電阻r串聯的，作為采樣電阻的串聯電阻r阻值非常小（常用0.01Ω），因此在測量中屏蔽電極和測量電極之間自然具有基本相同的電位，從而滿足聚焦電流的電場條件。

圖2 恒流式三側向儀電極布置Fig.2 Electrode arrangement of three lateral instrument

結合側向測井方法和BEAM系統的特點，作者提出一種適應盾構施工的電流串聯法聚焦探測系統，如圖3所示。在圖3中，恒流驅動模塊產生的電流先注入到作為屏蔽電極的護盾A1上，然后，通過在滾刀測量電極A01、A02等與A1之間串接小電阻r1、r2，將電流分別從護盾A1引到滾刀A01、A02，由于電阻r1、r2很小，自然保證了屏蔽電極與滾刀測量電極之間具有基本相同的電位，從而使從滾刀電極流出的電流在護盾電流的排斥下，能盡可能向前方流動。

圖3中變頻信號產生模塊為恒流模塊提供輸入控制信號，數據采集模塊實時得到刀盤轉動時各滾刀測量電流的數據。

圖3 電流串聯法系統圖Fig.3 The system of the current series method

2 有限元仿真

由于模型的對稱性，可以將三維模型簡化為二維模型進行分析，觀察各電極的電流隨異常體不同位置的變化。

仿真電壓并聯法的有限元模型如圖4所示，隧道長100m，寬6m，設置若干電極，隧道兩側設置兩矩形模擬護盾，電極﹑護盾都設置為銅材料特性，并且通過耦合的方式使得它們電位相等，加載載荷為電流，地質體單元選擇PLANE67單元，材料特性為1 000Ω·m，無限遠單元采用INFIN110單元類型，材料特性與地質體相同，采用映射網格劃分，異常體可以是高阻或者低阻異常體，邊界條件為無限遠邊界條件。程序模擬異常體在掌子面前方移動，觀測各電極視電阻（R＝U／I）隨異常體位置的變化。

圖5為作者提出的電流串聯法模型，護盾與滾刀的等電位是通過導線連接小電阻的方式，由于電阻很小，基本上滿足等電位的要求。將電極分割成三部分，其中上面一部分導體模擬滾刀電極，中間一部份薄的介質模擬圖3中的外接小電阻r，最下面一部分導體模擬連接小電阻與護盾的導線。加載載荷方式與電壓并聯法相同，將護盾與最下層導體耦合成等電位，恒流加載在護盾上，異常體位置移動時，觀測最上層電極的視電阻（R＝U／I）隨異常體位置的變化。

3 不同模型的對比分析

3.1 電壓并聯法結果

將取出的電極數據，通過matlab畫出中間電極的視電阻隨高阻異常體不同位置變化的曲面圖（圖6），由圖6可以看出，異常體越靠近電極，電極的視電阻就越大，當異常體距離超出一定范圍后，對電極視電阻將無影響。

圖4 電壓并聯法有限元模型Fig.4 Ansys model of voltage parallel method

圖5 電流串聯法Fig.5 Current series method （a）仿真模型圖；（b）電極構成圖

圖6 電壓并聯法結果圖Fig.6 The solution of the voltage parallel method

3.2 電流串聯法結果

與電壓并聯方法相同，將取出的電極視電阻數據分析，畫出中間電極視電阻隨高阻異常體位置變化的曲面圖（圖7），由圖7可以看出，當異常體越靠近電極時，電極視電阻增大，當異常體距離超出一定范圍后，對電極視電阻無影響。該方法與電壓并聯法的結果大致相同。

圖7 電流串聯法結果圖Fig.7 The solution of the current series method

3.3 兩種方法之間的差異分析

我們用異常體從遠處移到最近處的過程中視電阻的相對變化率，來比較兩種方法對異常體的探測靈敏度ε。

電壓并聯法為：

電流串聯法為：

由此可見，兩種方法對于異常體的探測靈敏度基本相同。

4 總結

由兩種仿真分析結果可知，電流串聯法與電壓并聯法對異常體的探測靈敏度基本相同，說明該方法在聚焦電流法地質前探應用中的可行性，并且電流串聯法系統結構簡單，避免了電壓法的反饋調節困難，可更好地實現實時、高精度測量。

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The simulation of the effect of tunnel ahead exploration by the series electrode current focusing method

ZHANG Yu，ZHAO Bin＊
（School of Mechanical Engineering，Huazhong University of Science and Technology（HUST），Wuhan 430074，China）

Recently，the tunnel ahead exploration by BEAM current focusing method has made some progress，but this method has certain limitation because of the complexity of the tunnel construction.This paper provided a system by the series electrode based on BEAM and the lateral logging by the three electrodes，and this system can get the resistance of the geology body rapidly and accurately in the process of dynamic excavating.By comparing BEAM and the system of the series electrode through simulation，we can conclude that these two methods are basically the same about the detection sensitivity of the abnormal body.

focusing current；voltage parallel method；current series method；the lateral logging；detection sensitivity

P 631.3

：ADOI：10.3969／j.issn.1001－1749.2015.06.06

1001－1749（2015）06－0705－04

2014－12－17改回日期：2015－03－19

國家重點基礎研究發展計劃－＇973計劃＇資助項目（2013CB035405）

張宇（1989－），女，碩士，主要從事精密測量方面的研究，E－mail：zhangyu6650342＠126.com。

＊通信作者：趙斌（1963－），男，教授，主要從事精密測量方面的研究，E－mail：zhaobin＠hust.edu.cn。