本文選題：隧道超前地質(zhì)探測　切入點：跨孔雷達　出處：《山東大學》2017年博士論文

【摘要】：近年來隨著我國隧道修建的規(guī)模和難度越來越大,在隧道施工中越來越容易遭遇突水突泥、失穩(wěn)塌方等災害,極易導致重大人員傷亡和經(jīng)濟損失。因此,在隧道施工中提前探明掌子面前方賦存的不良地質(zhì),對于防控隧道突水突泥、失穩(wěn)塌方等災害,保證隧道施工期的安全是十分重要的。目前針對隧道超前地質(zhì)預報的研究工作主要集中在地震波超前探測方法、電磁波超前探測方法和電法超前探測方法等幾種方法上,然而這幾種方法的分辨率較低,難以滿足對掌子面前方不良地質(zhì)的精細化探查需要。而跨孔雷達只需要利用隧道施工中的超前地質(zhì)鉆孔或超前預注漿/帷幕注漿孔,就可以對兩孔之間的地質(zhì)情況進行精細化探查,而且具有探測距離遠、分辨率高和對含水體敏感等優(yōu)點,能夠滿足對掌子面前方不良地質(zhì)的精細化探查需要。但是對跨孔雷達而言,由于觀測方式的不同,無法像普通地面雷達那樣根據(jù)雷達接收波形圖對異常體的分布進行判斷,必須對跨孔雷達的探測數(shù)據(jù)進行反演和偏移成像,而傳統(tǒng)的基于射線追蹤法的反演和偏移成像方法,由于在理論上存在不足導致效果并不理想,急需能夠滿足對掌子面前方不良地質(zhì)精細探測需要的反演和偏移成像方法。因此針對上述問題,本文提出了將跨孔雷達用于隧道超前地質(zhì)探測中,并以全波形反演方法和逆時偏移成像方法為切入點開展了系統(tǒng)的研究,針對傳統(tǒng)全波形反演的初始模型和非唯一性問題,提出了基于Laplace域初始模型與不等式約束的跨孔雷達全波形反演方法;同時針對傳統(tǒng)逆時偏移成像用于跨孔雷達探測受限的問題,提出了基于全波形反演結(jié)果做初始模型,并利用干涉法將跨孔探測數(shù)據(jù)合成單孔反射數(shù)據(jù)的跨孔雷達逆時偏移成像方法,最終形成了適用于隧道施工環(huán)境中的跨孔雷達全波形反演方法和逆時偏移成像方法,通過系統(tǒng)的數(shù)值模擬和反演成像試驗,揭示了幾種典型不良地質(zhì)的反演規(guī)律與成像特征,并通過工程應用進行了驗證,取得了較好的結(jié)果。本文取得的主要結(jié)論和創(chuàng)新點如下:(1)針對目前常用的隧道超前地質(zhì)預報方法中存在的問題,提出了將跨孔雷達用于隧道超前地質(zhì)預報的方法,并對隧道不良地質(zhì)跨孔雷達超前探測的觀測方式進行了探討。該方法具有如下優(yōu)點:探測距離遠,分辨率高,對含水體敏感,且通過反演方法能夠獲取地質(zhì)異常體的介電常數(shù)和電導率分布情況,并通過偏移成像方法能夠獲取地質(zhì)異常體的邊界信息,能夠滿足對掌子面前方不良地質(zhì)的精細化探查需要;針對淺埋隧道和深埋隧道,分別提出了利用地表豎直鉆孔和洞內(nèi)水平/傾斜鉆孔進行不良地質(zhì)探測的觀測方式。(2)針對目前跨孔雷達全波形反演中存在的問題,研究了基于反演策略優(yōu)化、初始模型優(yōu)選和不等式約束的跨孔雷達全波形反演方法。其中反演策略采用了共軛梯度迭代方法和拋物線迭代步長,初始模型采用了 Laplace域全波形反演結(jié)果,并在反演過程中分別對相對介電常數(shù)和電導率施加了基于參數(shù)向量法的不等式約束,改善了初始模型問題和非唯一性問題,最終提高了全波形反演的效果。(3)針對將傳統(tǒng)逆時偏移成像方法應用于跨孔雷達探測中存在的問題,研究了基于全波形反演和波干涉虛源算法的改進逆時偏移成像方法。該方法將全波形反演的結(jié)果作為逆時偏移成像的初始模型,并且利用波干涉虛源算法將跨孔探測數(shù)據(jù)合成單孔反射數(shù)據(jù),改善了由于跨孔雷達探測中電磁波反射信號較少導致成像結(jié)果不理想的問題,最終提高了逆時偏移成像應用于跨孔雷達探測中的效果。(4)針對隧道前方不良地質(zhì)的精細探測及解釋識別等難題,開展了針對隧道施工中遭遇的典型不良地質(zhì)的全波形反演和逆時偏移成像的系統(tǒng)研究,揭示了典型不良地質(zhì)的反演規(guī)律及成像特征。本文在數(shù)值模擬中建立了巖性界面、斷層破碎帶、巖溶管道和裂隙網(wǎng)絡等典型不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地質(zhì)模型,并針對不良地質(zhì)體中無水和含水的不同情況,分別使用水平鉆孔和傾斜鉆孔兩種觀測方式,開展了全波形反演和逆時偏移成像的系統(tǒng)研究,為實際工程中典型不良地質(zhì)體的精細探查奠定了理論基礎(chǔ)。最后形成了用于隧道掌子面前方不良地質(zhì)精細探查的跨孔雷達超前預報方法,并在實際工程中得到了成功的驗證與應用。
[Abstract]:In recent years , as the scale and difficulty of tunnel construction in China have become more and more difficult , it is more and more easily encountered in tunnel construction . ( 2 ) To solve the problems existing in full waveform inversion of cross - hole radar , a full waveform inversion method based on inversion strategy optimization , initial model optimization and inequality constraint is studied .

【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN957.52;U452.11

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6 胡平;，

本文編號：1688196