[发明专利]一种城市地下大型冻结工程冻土帷幕厚度探测方法

说明书

本发明公开了一种城市地下大型冻结工程冻土帷幕厚度探测方法，适用于城市地下大型工程中使用。其采用电流聚焦原理，将发射电极电流压缩到有限高度范围内，并将此高度范围内冻结管绝缘，从而保证了电流近“管状”传播，通过模型试验标定“管状”电流传播等效面积，基于发射电极电压、电流计算发射极和接收极间冻土‑未冻土‑冻土体系视电阻率，建立冻土帷幕厚度与电流传播路径上视电阻率间的函数关系，进而利用相邻冻结管条件实现基于跨孔电阻率测量的冻结帷幕厚度探测方法。该方法通过缩小电流传播范围，提高视电阻率测量精度，将传统的强非线性反演问题简化为一维线性问题，具有简单、经济、实用的特点。

技术领域

本发明涉及一种冻土帷幕厚度探测方法，尤其使用于城市地下大型工程冻土帷幕形态检测使用的一种城市地下大型冻结工程冻土帷幕厚度探测方法。

背景技术

自1886年瑞典人行隧道工程(总长24m)首次采用冻结法以来，市政冻结工程至今已有134年历史。我国自1973年北京地铁工程首次采用冻结法以来，城市地下冻结工程数量超过200个。一个多世纪以来，围绕人工冻土水、热、力多场耦合规律，冻融成冰机制、理论模型、冻融控制等方面，涌现出大量基础成果。但是冻土帷幕形态监测和异常预警严重滞后于基础研究，形状不规则、开窗地点随机等一直是制约煤矿竖井冻结工程安全的瓶颈。而相对于煤矿深部竖井冻结工程，城市地下工程冻土帷幕具有埋深浅、厚度薄、冻融变形控制要求高等新特点，使得冻土帷幕监测面临更大的挑战。冻土帷幕空间形态精准测量是确保冻结帷幕交圈、增大薄弱部位安全储备，降低冻结工程的风险的基础和关键。

冻结的本质是改变地层中水的存在形态和空间分布特征。而电法是探水的最佳地球物理方法。高密度电阻率方法曾被用于多年冻土分布探测，基于水结冰时出现的电阻率突增原理发展起来的方法也被成功用于测量湿土结冰温度(ZL200910258392.0)和捕捉冻结锋面(冻土水热耦合分离冰冻胀模型的发展，中国矿业大学博士论文，2011)。电法具有成本低，电极容易实现微型化，可较好满足小尺度目标精细测量要求，但需面临城市地下环境干扰，特别是钢制冻结管(低阻)的干扰。

发明内容

技术问题：针对上述技术的不足之处，提供一种基于聚焦原理，实施步骤简单，使用成本低，有效克服电法探测的瓶颈问题，能够实现冻土帷幕形态异常检测的城市地下大型冻结工程冻土帷幕厚度探测方法。

技术内容：为实现上述技术目的，本发明的城市地下大型冻结工程冻土帷幕厚度探测方法，其特征在于步骤如下：

a.首先在大型冻结工程中选择一段柱状结构的冻结管和一段与冻结管相邻的相邻冻结管，保证所选择的冻结管与相邻冻结管两者之间平行设置，在冻结管与相邻冻结管外侧设置绝缘层；

b.然后在冻结管上设置发射电极和聚焦电极，在相邻冻结管上设置接收电极，接收电极同时兼做无穷远电极，发射电极与接收电极所设置的深度相同，发射电极，聚焦电极和接收电极需要在冻结施工前设置完成；

c.将发射电极、聚焦电极和接收电极分别通过信号线与地面主机连接；

d.冻结过程中，利用地面主机通过信号线分别向发射电极和聚焦电极发送电流，调整聚焦电极电流使得聚焦电极和发射电极间电位差为零，此时发射电极的发射电流传播范围受聚焦作用被压缩，发射电极向接收电极发射的发射电流先后通过冻结管与相邻冻结管之间的冻土、未冻土、冻土最终被接收电极接收，利用未冻土和冻土体系的视电阻率ρ变化与冻结帷幕厚度d间的函数关系：d/L＝k﹒δρ/ρ₀，实现基于电阻率测量的冻结帷幕厚度探测，其中k为常数，L为冻结管和相邻冻结管间距，δρ为视电阻率变化量，ρ₀为冻结管和相邻冻结管间土体在冻结前的电阻率。

所述未冻土和冻土体系的电阻率ρ利用公式：ρ＝A₂U/(IL)进行计算，式中：A₂为发射电流传播区域的面积，U为发射电极的电压值，I为发射电极的电流值。

常数k的求解方法：