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

【摘要】：近年來(lái)隨著我國(guó)隧道修建的規(guī)模和難度越來(lái)越大,在隧道施工中越來(lái)越容易遭遇突水突泥、失穩(wěn)塌方等災(zāi)害,極易導(dǎo)致重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)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(duì)于防控隧道突水突泥、失穩(wěn)塌方等災(zāi)害,保證隧道施工期的安全是十分重要的。目前針對(duì)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的研究工作主要集中在地震波超前探測(cè)方法、電磁波超前探測(cè)方法和電法超前探測(cè)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(duì)掌子面前方不良地質(zhì)的精細(xì)化探查需要。而跨孔雷達(dá)只需要利用隧道施工中的超前地質(zhì)鉆孔或超前預(yù)注漿/帷幕注漿孔,就可以對(duì)兩孔之間的地質(zhì)情況進(jìn)行精細(xì)化探查,而且具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、分辨率高和對(duì)含水體敏感等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足對(duì)掌子面前方不良地質(zhì)的精細(xì)化探查需要。但是對(duì)跨孔雷達(dá)而言,由于觀測(cè)方式的不同,無(wú)法像普通地面雷達(dá)那樣根據(jù)雷達(dá)接收波形圖對(duì)異常體的分布進(jìn)行判斷,必須對(duì)跨孔雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(dǎo)致效果并不理想,急需能夠滿足對(duì)掌子面前方不良地質(zhì)精細(xì)探測(cè)需要的反演和偏移成像方法。因此針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出了將跨孔雷達(dá)用于隧道超前地質(zhì)探測(cè)中,并以全波形反演方法和逆時(shí)偏移成像方法為切入點(diǎn)開(kāi)展了系統(tǒng)的研究,針對(duì)傳統(tǒng)全波形反演的初始模型和非唯一性問(wèn)題,提出了基于Laplace域初始模型與不等式約束的跨孔雷達(dá)全波形反演方法;同時(shí)針對(duì)傳統(tǒng)逆時(shí)偏移成像用于跨孔雷達(dá)探測(cè)受限的問(wèn)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(cè)數(shù)據(jù)合成單孔反射數(shù)據(jù)的跨孔雷達(dá)逆時(shí)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(dá)全波形反演方法和逆時(shí)偏移成像方法,通過(guò)系統(tǒng)的數(shù)值模擬和反演成像試驗(yàn),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(guò)工程應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)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(diǎn)如下:(1)針對(duì)目前常用的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法中存在的問(wèn)題,提出了將跨孔雷達(dá)用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法,并對(duì)隧道不良地質(zhì)跨孔雷達(dá)超前探測(cè)的觀測(cè)方式進(jìn)行了探討。該方法具有如下優(yōu)點(diǎn):探測(cè)距離遠(yuǎn),分辨率高,對(duì)含水體敏感,且通過(guò)反演方法能夠獲取地質(zhì)異常體的介電常數(shù)和電導(dǎo)率分布情況,并通過(guò)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(duì)掌子面前方不良地質(zhì)的精細(xì)化探查需要;針對(duì)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(jìn)行不良地質(zhì)探測(cè)的觀測(cè)方式。(2)針對(duì)目前跨孔雷達(dá)全波形反演中存在的問(wèn)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(dá)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(zhǎng),初始模型采用了 Laplace域全波形反演結(jié)果,并在反演過(guò)程中分別對(duì)相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)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(wèn)題和非唯一性問(wèn)題,最終提高了全波形反演的效果。(3)針對(duì)將傳統(tǒng)逆時(shí)偏移成像方法應(yīng)用于跨孔雷達(dá)探測(cè)中存在的問(wèn)題,研究了基于全波形反演和波干涉虛源算法的改進(jìn)逆時(shí)偏移成像方法。該方法將全波形反演的結(jié)果作為逆時(shí)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(cè)數(shù)據(jù)合成單孔反射數(shù)據(jù),改善了由于跨孔雷達(dá)探測(cè)中電磁波反射信號(hào)較少導(dǎo)致成像結(jié)果不理想的問(wèn)題,最終提高了逆時(shí)偏移成像應(yīng)用于跨孔雷達(dá)探測(cè)中的效果。(4)針對(duì)隧道前方不良地質(zhì)的精細(xì)探測(cè)及解釋識(shí)別等難題,開(kāi)展了針對(duì)隧道施工中遭遇的典型不良地質(zhì)的全波形反演和逆時(shí)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(luò)等典型不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地質(zhì)模型,并針對(duì)不良地質(zhì)體中無(wú)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(cè)方式,開(kāi)展了全波形反演和逆時(shí)偏移成像的系統(tǒng)研究,為實(shí)際工程中典型不良地質(zhì)體的精細(xì)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(xì)探查的跨孔雷達(dá)超前預(yù)報(bào)方法,并在實(shí)際工程中得到了成功的驗(yàn)證與應(yīng)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(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN957.52;U452.11

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6 胡平;，

本文編號(hào)：1688196