基于光纤传感的聚焦电流地质前探方法仿真研究

摘要

近年来聚焦电流法凭借在线勘探与安装简便的优势被应用于TBM隧道施工中的超前地质预报。光纤聚焦电流法可提高围岩视电阻的观测精度，有效区分不同方位的岩层状况，并能实时准确地获取掌子面前方与侧方的地质信息。然而该方法的理论研究和工程应用依然存在诸多问题亟待解决，仍需在光纤电流传感器精度评定、超前探测距离明确、含水体特征判别等方面进行深入研究，为利用其实现隧道超前地质预报提供一定的参考依据。本文基于有限单元法，采用ANSYS参数化设计语言APDL进行二次开发，针对上述问题进行了大量的三维正演模拟仿真研究。 首先，通过比较探讨不同的地电有限元模型构建方案确定了光纤聚焦电流法稳态电场分析的合理流程，借助有限元模拟仿真验证了该方法具备一定探测范围内的定向观测能力，可减小围岩视电阻的计算误差，同时能有效区分不同方位的围岩地质信息。 其次，研究分析了光纤聚焦电流法中视电阻观测精度的影响因素和误差传播，探究明确了光纤电流传感器测量精度对超前探测效果的具体影响。通过不同地电条件的仿真研究最终评定光纤电流传感器的最佳测量精度为?5mA，并将视电阻观测的异常幅值达到1.5%作为反映含水地质构造赋存的判定标准。 然后，模拟分析了各种因素对光纤聚焦电流法超前探测距离的具体影响。结果表明，含水体体积对超前探测距离的影响较大，含水体电性对超前探测距离的影响较小，金属铁轨对超前探测距离的影响可忽略不计。对于大小等于隧道直径3倍的正前方含水体，光纤聚焦电流法的超前探测距离可达隧道直径的2.75倍。 最后，基于BP人工神经网络提出了一种用于判别含水体特征的预测模型，以围岩视电阻归一化异常幅度作为输入参数，可针对含水体的大小、偏离隧道掘进轴线的距离以及方位分类情况进行高精度预测。但是含水体大小的预测效果略好于含水体偏离隧道掘进轴线距离的预测效果。

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