界面极化电压的外推法测量研究

引用本文

莫婉玲, 孙中华, 徐娅, 赵斌. 界面极化电压的外推法测量研究[J]. 物探与化探, 2017,41(3): 484-488.
MO Wan-Ling, SUN Zhong-Hua, XU Ya, ZHAO Bin. Research on the measurement of interfacial polarization voltage by the extrapolation method[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,41(3): 484-488.
Doi:10.11720/wtyht.2017.3.13 复制到剪切板

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界面极化电压的外推法测量研究

莫婉玲¹, 孙中华¹, 徐娅², 赵斌²

1.华中科技大学化学与化工学院,湖北武汉 430074

2.华中科技大学机械科学与工程学院,湖北武汉 430074

通讯作者: 赵斌(1963-),男,教授,博导,主要从事光学精密测量方面的研究与开发工作。Email: zhaobin@hust.edu.cn

作者简介: 莫婉玲(1963-),女,副教授,博士,主要从事物理化学方面的研究工作。Email: mowanling@hust.edu.cn

收稿日期: 2016-09-25

基金: 国家重点基础研究发展计划(“973”计划)资助项目(2013CB035405)

摘要

界面极化电压的测量对提高隧道掘进机(TBM)中BEAM电法前探的灵敏度具有一定的实用价值,而岩土与护盾电极之间的界面极化电压用传统方法难以精确测量。为此,本文提出一种界面极化电压的外推测量方法。该方法由一个样品筒和若干等距分布的电极构成,在样品筒两端施加交流电,测量各电极的交流复电压,根据电极之间的几何关系即可外推得到两端供电电极的界面电压。实验结果表明,该方法能够准确测出泥状岩土与金属电极之间的界面极化电压,且当泥状岩土中含有木炭或水洞等异物时,可以先用该方法测出泥状岩土与护盾电极之间的界面极化电压,然后将其在电法超前探测的总电压中扣除,从而提高隧道超前探测的灵敏度。

关键词: 电法勘探; 面极化; 隧道超前探测; 外推法

中图分类号:P631.3 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)03-0484-05

Research on the measurement of interfacial polarization voltage by the extrapolation method

MO Wan-Ling¹, SUN Zhong-Hua¹, XU Ya², ZHAO Bin²

1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China

2. School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China

Abstract

It is of practical value to measure the interfacial polarization voltage for improving the sensitivity of BEAM advanced detection method used in TBM tunnel. However, it is difficult for conventional methods to measure the interfacial voltage between solid rock mass and electrode accurately. In order to measure the interfacial voltage, the authors propose an extrapolation measurement method in this paper. The proposed method consists of a sample tube and a number of equally spaced electrodes. Sinusoidal alternating current is exerted on both sides of the sample tube. The AC complex voltages of every electrode are measured. According to the geometrical relationship between the electrodes, the interface voltage of the two power supply electrodes can be obtained by extrapolation. Experimental results indicate that the interfacial polarization voltage between clay and metal electrode can be successfully measured by the proposed method. When abnormal body such as charcoal or water hole exists in the sample tube, the polarization rate change of the measured rock-soil can be greatly raised by subtracting the interfacial polarization voltage from the total voltage. Therefore, the sensitivity of tunnel advance detection can be improved by this method.

Keyword: electrical prospecting; interfacial polarization; tunnel advanced detection; extrapolation method

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0 前言

随着山岭隧道的开发和地铁隧道工程的建设, 全断面掘进机 (tunnel boring machine, TBM)得到了推广和应用。为了确保TBM 施工安全, 需要及时有效地掌握掘进前方地质情况, 因此, 各种应用于TBM的超前地质预报技术得到发展^{[1, 2, 3]}。其中, 隧道地质超前电法监测技术(bore-tunneling electrical ahead monitoring, BEAM)是目前唯一能实现在线测量的方法, 因此得到广泛的关注。BEAM法是根据不同电化学性质的物体在电流作用下产生不同激发极化量的原理进行测量的。但是, BEAM电法超前探测中, 两个电极即是供电电极又是测量电极, 此时电极与地质体之间的界面极化就会叠加到地质体所产生的极化上, 使得地质体出现异常时, 其极化率的变化在界面极化的大背景干扰下显得微乎其微, 因此, 要提高BEAM电法前探的灵敏度, 就要测量并扣除供电电极的界面极化电压。而岩土与护盾电极之间的界面极化电压用传统方法难以精确测量, 这是因为在岩土试样中, 测量电极不可能像在液体中那样自由移动, 很难做到无限接近供电电极表面, 因此必然存在测量误差。为解决此问题, 提出一种外推法测量泥状岩土材料与金属材料界面极化电压的方法和装置。

1 测量原理与实验测试系统

激发极化法是利用电流作用下不同物体产生的电化学极化不同来进行物性测量的一种方法, 该方法广泛应用于矿产普查勘探、油气、水源等工程勘探中^[xx]。BEAM法就是根据隧道掌子面前方物体在电流作用下, 不同地质体产生不同激发极化来实时反映TBM 掌子面前方围岩情况的一种在线地质前探技术, 它由德国GET公司开发并获得相关专利及应用^{[4, 5]}, 其工作原理见图1。

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	图1 BEAM法工作原理示意

图1中, 正电极A0 作为供电电极, 安装在刀盘上, A1为屏蔽电极, 安装在护盾上, A1与A0是等电位的, A1流出的电流使得从A0 流出的电流被约束到掌子面前方需要探测的地质体中, 从而有效排除了侧面地质体变化的影响^[6]。B电极在隧道后方300 m以外, 作为接地负电极, 与A0 、A1电极形成回路。该系统工作时, 测量出刀盘与接地B电极之间的电压U和刀盘流入掌子面的电流I, 并计算前方的视电阻R(R=U/I), 然后根据高频电阻R₂和低频电阻R₁的变化率, 得到前方地质体的极化率η (η =(R₂-R₁)/R₁), 最后综合视电阻R和极化率η 进行地质判断。

然而, 由于金属供电电极A0与地质体之间存在一个电化学上的双电层, 因此存在着界面极化效应, 并且由于界面极化效应一般均较大, 很可能高于前方所要探测的地质体本身的体极化, 导致BEAM法探测过程中地质成分变化所导致的体极化效应变化, 在电极与地质体之间界面极化变化的大背景干扰下显得微弱, 以致无法准确测量地质体异常所引起的极化率变化, 为准确进行地质解释带来了困难^{[7, 8, 9]}。因此, 测量并消除供电电极与泥土之间的面极化量对提高BEAM法测量精度有一定的意义。

在电化学研究中, 电极的极化测试一般都是采用三电极测量系统, 为了减小溶液的欧姆电位降, 还需要将鲁金毛细管尽可能与研究电极接近^[10]。对于隧道工程中泥状试样与供电电极之间的面极化效应测量, 由于在泥状试样中, 测量电极不可能像在液体中那样自由移动, 因此很难做到测量电极无限接近供电电极表面, 进而减小泥状试样的欧姆电位降, 且不影响界面区域的空间电场分布。为解决此问题, 提出了一种外推法测量泥状材料与金属材料界面极化电压的方法和装置, 图2所示为其原理框图。

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	图2 外推法测量实验系统原理框图

该测试系统由计算机、恒电流幅值交流驱动器、多通道电压A/D同步采集器、待测试样盒等部分组成。恒电流幅值交流驱动器产生电流幅值一定、频率不同的正弦波电流信号。方形的待测试样盒中挖有一圆柱形通孔, 孔内填装有待测的岩土试样, 圆柱形通孔侧面上装有多个等距分布的测量电极, 经恒电流幅值交流驱动器后的电流信号加到待测试样盒两端的供电电极A、B上, 多通道电压A/D同步采集器的多个采集通道分别与它们相连接, 测量电压值输入计算机储存并处理。

标准纯电阻R₀串联在整个电路中, 用于准确标定通过测量体系的电流。

由多通道电压A/D同步采集器采集得到不同频率下, 供电电极两端以及5个测量电极随时间变化的电压值, 经过傅里叶运算处理得到时序采集信号中特定频率电压成分的幅值。

下面分析各电极电压之间的关系。

令在交流供电条件下测得的供电电极A的交流电压值为 $\begin{matrix} {\tilde{U}}_{A} \end{matrix}$ , B端电压值为 $\begin{matrix} {\tilde{U}}_{B} \end{matrix}$ ; 供电电极A、B与试样接触的界面电压分别为 $\begin{matrix} {\tilde{U}}_{S 1} \end{matrix}$ 、 $\begin{matrix} {\tilde{U}}_{S 2} \end{matrix}$ ; 5个测量电极采集的电压值分别为 $\begin{matrix} {\tilde{U}}_{1} \end{matrix}$ 、 $\begin{matrix} {\tilde{U}}_{2} \end{matrix}$ 、 $\begin{matrix} {\tilde{U}}_{3} \end{matrix}$ 、 $\begin{matrix} {\tilde{U}}_{4} \end{matrix}$ 、 $\begin{matrix} {\tilde{U}}_{5} \end{matrix}$ ; 测量电极1到供电电极A之间的阻抗为Z₁, 测量电极5到供电电极B之间的阻抗为Z₅, 测量电极1到测量电极5之间的阻抗为Z₁₅, 通过整个串联电路的电流为 $\begin{matrix} \tilde{I} \end{matrix}$ 。则从图2可以得到:

$\begin{matrix} \begin{matrix} {\tilde{U}}_{B} = R_{0} \times \tilde{I}, (1) \\ {\tilde{U}}_{1} = (R_{0} + Z_{5} + Z_{15}) \times \tilde{I} + {\tilde{U}}_{S 2}, (2) \\ {\tilde{U}}_{5} = (R_{0} + Z_{5}) \times \tilde{I} + {\tilde{U}}_{S 2}, (3) \\ {\tilde{U}}_{A} = (R_{0} + Z_{5} + Z_{15} + Z_{1}) \times \tilde{I} + {\tilde{U}}_{S 1} + {\tilde{U}}_{S 2}; (4) \end{matrix} \end{matrix}$

从而可以推导出:

$\begin{matrix} \begin{matrix} Z_{5} = ({\tilde{U}}_{5} - {\tilde{U}}_{B} - {\tilde{U}}_{S 2}) / \tilde{I}, (5) \\ Z_{15} = ({\tilde{U}}_{1} - {\tilde{U}}_{5}) / \tilde{I}, (6) \\ Z_{1} = ({\tilde{U}}_{A} - {\tilde{U}}_{1} - {\tilde{U}}_{S 1}) / \tilde{I} 。 (7) \end{matrix} \end{matrix}$

由于各测量电极之间的距离相等(=d), 测量电极1到供电电极A的距离以及测量电极5到供电电极B的距离均为d/2, 因此对于均匀介质, 满足

$\begin{matrix} Z_{1} = Z_{5} = Z_{15} / 8, (8) \end{matrix}$

将式(8)带入式(5)、(7), 可得到 $\begin{matrix} {\tilde{U}}_{S 1} \end{matrix}$ 、 $\begin{matrix} {\tilde{U}}_{S 2} \end{matrix}$ :

$\begin{matrix} \begin{matrix} {\tilde{U}}_{S 1} = (8 {\tilde{U}}_{A} - 9 {\tilde{U}}_{1} + {\tilde{U}}_{5}) / 8, (9) \\ {\tilde{U}}_{S 2} = (9 {\tilde{U}}_{5} - 8 {\tilde{U}}_{B} - {\tilde{U}}_{1}) / 8 。 (10) \end{matrix} \end{matrix}$

于是, 通过测量位于供电电极之间具有特定几何关系的测量电极之间的电压 $\begin{matrix} {\tilde{U}}_{1} \end{matrix}$ 、 $\begin{matrix} {\tilde{U}}_{5} \end{matrix}$ , 外推得到供电电极与介质之间的界面电压, 再除以电流就可以得到界面电阻。这种方法不需要将测量电极无限接近供电电极, 也不会对界面电场分布产生影响。

2 实验结果与讨论

2.1 界面电压的外推测量

为了考察该方法的可行性, 以一定含水量的高岭土为测试介质, 45^#钢作为供电电极, 304不锈钢螺钉标准件作为测量电极, 在上述实验系统中测试, 恒定的交流供电电流幅值为0.33 mA, 根据采集到的供电电极A、B及各个测量电极1~5的电压数据对距离作图, 见图3。

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	图3 各电极电压与距离的关系 (测试条件:室温, 常压, 0.1 Hz, 高岭土含水量30%)

实验表明, 各种含水量的高岭土均匀介质内的电压随距离均呈线性关系, 将测量电极1~5的电压进行线性拟合并外推至供电电极与高岭土的接触界面上, 可见到实际测量值与线性拟合外推值之间存在差别, 说明供电电极A、B与高岭土的接触界面上存在明显的界面电压。两端的边界点上的实测电压与拟合外推电压之差, 就是供电电极与高岭土之间的界面电压。

对一定含水量的高岭土均匀介质进行5次平行测试, 外推得到待测介质在不同频率下的整体电压, 进而得到不同频率下供电电极与待测高岭土介质的界面电压, 结果见表1。

表1 一定含水量高岭土介质体系不同频率下各点的电压V

实验表明, 0.1 Hz时存在明显的界面电压, 100 Hz时界面电压已趋于零。由于待测介质是泥状物, 与均匀的溶液不同, 实验测试中有各种随机误差的存在, 造成平行5次测量的结果有一定的离散。取平行5次测量中外推得到的界面电压的中值作为测试结果, 即0.1 Hz的U_s取0.0706 V, 对应的标准偏差为0.005 0 V。

根据随机过程理论, U_s与其真值的偏差估计ε 为:

$\begin{matrix} ε = σ / \sqrt{n}, (11) \end{matrix}$

其中, σ 为U_s的标准差, n为实验次数。代入式(11)得U_s与真值的偏差估计为0.002 2 V。

在待测介质、供电电极及测量电极不变, 交流供电电流幅值不变的条件下, 再进行另外5次实验测试, 将实际测量得到的供电电极A、B之间2个频率下的电压U_AB减去上述得到的界面电压值0.070 6 V和0.001 0 V后, 按

$\begin{matrix} \begin{matrix} Δ U_{15, 计算} = {[U_{AB} (0.1) - U_{s} (0.1)] - \\ [U_{AB} (100) - U_{s} (100)]} \times L_{15} / L_{介质} (12) \end{matrix} \end{matrix}$

计算, 可以理论推算出测量电极1~5之间2个不同频率的电压差Δ U_{15, 计算}, 并与实际测量Δ U_{15, 测量}进行对比, 结果见表2。

表2 不同频率下介质体电压差的理论计算与测量结果对比V

本计算方法的推算值与实际测量值的平均误差为0.001 0 V, 在其误差估计ε =0.002 2 V之内, 说明本文提出的外推界面电压的测试方法合理可行。

2.2 泥状介质水含量对界面电压的影响

界面电压除了与供电电极的种类、被测泥状介质的种类、电流密度等有关外, 还与泥状介质的含水量有关。为此, 对不同含水量的高岭土介质在上述测试系统中进行多次测量, 将外推界面电压的中值对含水量作图, 见图4。

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	图4 含水量与界面电压的关系

由图4的实验结果可见, 随着高岭土介质含水量的增加, 金属供电电极与泥状高岭土介质之间的界面电压是先增加, 当含水量为40%时, 界面电压最大, 随后开始降低; 当为高岭土的浸泡水时(即含水量100%), 界面电压为68.7 mV, 与含水量为50%时的界面电压70.4 mV很接近, 说明含水量大于50%后, 界面电压基本稳定为高岭土的水溶液与金属电极之间的界面电压。在BEAM法测量时, 刀盘、护盾与围岩之间因喷水操作而总是充满水的, 因此, 供电电极的界面电压可以用当地饱和水岩土的界面电压代替。

2.3 界面电压的扣除对体极化率测量的影响

极化率的计算公式为^{[11, 12]}

$\begin{matrix} η = [U (0.1) - U (100)] / U (0.1) 。 (13) \end{matrix}$

由于金属供电电极与泥土介质之间界面电压的存在对准确测量体极化率产生影响, 所以, 地质勘探中体极化率一般采用四极法测量^{[13, 14, 15]}。如果能够方便、准确地将金属供电电极与被测介质之间界面电压测出并扣除, 就可以实现两极法准确测量。为此, 通过实验比较了界面电压扣除前后对被测介质体极化率的影响(表3)。

表3 界面电压扣除前后被测介质体极化率η 对比

测试体系	$\begin{matrix} \frac{含界面电压}{Δ U_{AB} / V η_{AB} / %} \end{matrix}$		$\begin{matrix} \frac{扣除界面电压后}{Δ U_{ab} / V η_{ab} / %} \end{matrix}$
高岭土均匀体	0.0888	9.26	0.0192	2.16
高岭土中有硫铁矿粉	0.0925	10.58	0.0229	2.85
高岭土中有木炭	0.1266	11.37	0.0578	5.54
高岭土中有水洞	0.0785	5.88	0.0009	0.7
高岭土的浸出液	0.0756	3.71	0.0074	0.4

表3 界面电压扣除前后被测介质体极化率η 对比

实验结果表明, 扣除供电电极界面电压后, 得到的混合体相对于均匀体的体极化率变化程度远大于未扣除时的变化, 说明测量的灵敏度得到了较大的提高。使用该方法后, 在BEAM电法前探过程中, 就可以扣除作为供电电极的护盾、刀盘与岩壁之间的界面电压, 提高前方岩土体极化的测量灵敏度。

3 结论

提出一种外推法测量供电电极与试样之间的界面极化电压的方法, 该方法能够准确测出TBM掘进隧道中泥状岩土与电极之间的界面极化电压, 对提高TBM隧道中BEAM电法前探的灵敏度具有一定的意义。该方法适用于供电电极与测量电极无法独立时泥状岩土与金属电极之间的界面极化电压的测量。进一步的研究将关注于电极与泥状岩土之间有相对运动的动态电极电位测量, 以更好地模拟施工时的电极接触状态。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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全断面隧道掘进技术（TBM）是一种高度机械化的大型地下隧道开挖设备，通过机械压力对岩石进行切削和破碎，因其具备的快速、高效、安全等优点，被广泛应用于工程施工中。文章主要对TBM的工艺原理及施工方法进行了介绍，并结合工程实例，对该技术的具体应用进行了分析，以期能够为TBM的设备选型以及掘进效率的提高有所帮助。

... 为了确保TBM 施工安全,需要及时有效地掌握掘进前方地质情况,因此,各种应用于TBM的超前地质预报技术得到发展^[1,2,3] ...

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... BEAM法就是根据隧道掌子面前方物体在电流作用下,不同地质体产生不同激发极化来实时反映TBM 掌子面前方围岩情况的一种在线地质前探技术,它由德国GET公司开发并获得相关专利及应用^[4,5],其工作原理见图1 ...

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... 然而,由于金属供电电极A0与地质体之间存在一个电化学上的双电层,因此存在着界面极化效应,并且由于界面极化效应一般均较大,很可能高于前方所要探测的地质体本身的体极化,导致BEAM法探测过程中地质成分变化所导致的体极化效应变化,在电极与地质体之间界面极化变化的大背景干扰下显得微弱,以致无法准确测量地质体异常所引起的极化率变化,为准确进行地质解释带来了困难^[7,8,9] ...

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The BEAM is a new kind of electrical method that is used in advanced geological exploration during tunneling It has been rarely used in China. This paper firstly introduces the operation principle of the BEAM technique, and then discusses the first application to the tunneling in TongLuo Mountain for Dian-Ling highway. The detailed work process and results are presented. Comparison among the results of BEAM, GPR, TSP and the actual case after cutting indicates that BEAM has a fairly good efficiency when there is ground water in the rock mass ahead of tunnel work face. At last, some advice is summarized on how to use this method in China.

Beam是一种新型的电法超前预报技术,目前在国内应用很少。文章首先介绍了Beam超前地质预报方法的工作原理,然后结合Beam在国内垫邻高速公路铜锣山隧道施工中的首次应用,对该方法的具体工作过程和预报结果进行了介绍。与地质雷达、TSP预报结果以及实际开挖情况进行对比表明,Beam对掌子面前方水体具有良好的探测效果。最后对Beam在国内的推广应用提出了建议。

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... 3 界面电压的扣除对体极化率测量的影响极化率的计算公式为^[11,12] ...

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通过在陕西省榆林市北部进行永久性大型供水水源地勘察实例,介绍了对称四极电测深法、瞬变电磁法、高密度电阻率法及激法极化法等技术在水资源勘查中的应用效果.结论表明,综合电法在开发寻找永久性大型或特大型供水水源地方面,解释精度高,成果可靠,地质效果明显.

... 由于金属供电电极与泥土介质之间界面电压的存在对准确测量体极化率产生影响,所以,地质勘探中体极化率一般采用四极法测量^[13,14,15] ...

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摘　要：实验室测量的土壤电阻率准确性受到电极布置以及测试信号类型等影响。选取5种不同质地土壤,比较了四极法与二极法测量以及四极法测量中电压极探针渗入深度的影响,分析了直流信号与交流信号的测试差别以及电流强度及交流频率的影响。结果表明,二极法测量结果包含了土壤与电极的接触电阻,且随土壤含水率降低接触电阻不断增大;四极法可在电压极渗入深度较浅,即土壤扰动较小的情况下测量;土壤在直流电压下存在极化效应,土壤电阻率测量宜采用交流;土壤热容量有限,对电阻率在200？.m以内的土壤测量的电流密度不宜超过1 mA/cm2;土壤电阻率随测量频率增加而逐渐下降。

... 由于金属供电电极与泥土介质之间界面电压的存在对准确测量体极化率产生影响,所以,地质勘探中体极化率一般采用四极法测量^[13,14,15] ...

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