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原文传递双护盾TBM搭载的隧道地震波超前地质预报方法与应用

论文题名：	双护盾TBM搭载的隧道地震波超前地质预报方法与应用
关键词：	隧道工程;地质超前预报;地震波;反射层析成像;全断面硬岩掘进机
摘要：	双护盾TBM由于在掘进速度、成洞质量、经济环保等方面具有显著的优势，在山岭隧道和城市轨道交通中得到越来越多应用。双护盾TBM在实际工程中面临的地质条件复杂多变，在掘进时若未能提前探明掌子面前方断层破碎带、软弱围岩等不良地质，容易发生卡机、大变形、突涌水等灾害事故。提前探明掌子面前方地质情况是有效规避风险、保证安全掘进的必要手段，开展地震波超前地质预报是行之有效的方法。然而，双护盾TBM机械设备庞大，盾体较长，占据了掌子面后方的大量空间，盾体后紧跟管片衬砌，几乎所有的裸露围岩都被护盾和管片覆盖，可用于开展地震超前预报作业的空间较为狭小，给地震波超前预报方法的实施带来了困难和挑战。因此，亟待开展针对双护盾TBM特殊环境下的隧道地震波超前地质预报方法研究。　　针对双护盾TBM施工隧道开展地震波超前地质预报的难题，本文从观测系统优化、波速反演改进和探测设备研发等方面开展研究，形成了双护盾TBM搭载的隧道地震波超前地质预报方法。目前国内外在钻爆法隧道、敞开式TBM隧道地震探测和波速反演方面已开展了相关研究，但对于双护盾TBM复杂环境的相关研究还处于起步阶段，主要存在以下问题:①目前缺少适合双护盾TBM隧道复杂环境的地震探测观测系统;②双护盾TBM隧道复杂环境下，地震信号观测受限而导致掌子面前方波速求解困难;③目前缺乏适用于双护盾TBM施工隧道的地震超前地质预报装置系统。　　针对双护盾TBM施工隧道地震超前地质预报的难题，本文基于理论分析、数值模拟和现场试验等方法，重点开展了双护盾TBM隧道地震波超前地质预报观测系统优化、基于正则化约束和分层递进策略的隧道反射层析成像方法，总结了双护盾TBM隧道地震波超前地质预报实现流程，形成了双护盾TBM搭载的隧道地震波超前地质预报方法，并结合青岛地铁6号线抓马山-河洛埠区间和创智谷-石山路区间双护盾TBM，研发了搭载式隧道地震超前地质预报系统，为实际工程应用奠定基础。　　本文的主要研究工作及成果如下: 　　(1)双护盾TBM隧道地震波超前地质预报观测系统优化。针对目前缺少适合双护盾TBM隧道复杂环境的地震探测观测系统的问题，通过细化正演网格模拟了双护盾TBM隧道复杂现场环境，通过正演模拟信号对比研究了震源和检波器的不同布设位置对传播信号的影响，确定了震源和检波器的优选布设位置;在此基础上，基于照明分析方法研究了震源和检波器对掌子面前方成像目标的照明能量差异，揭示了震源和检波器的布设规律，并确定了有利观测区域，为现场观测系统的布设提供理论依据。　　(2)基于正则化约束和分层递进策略的隧道反射层析成像方法。针对双护盾TBM施工隧道因观测受限导致掌子面前方岩体波速分布求解难题，提出了改进正则化约束和反演策略的隧道反射层析成像波速反演方法，对反射层析成像中反射界面深度正则化进行了隧道适应性改进，提出了“单层射线反演单层参数，前层反演结果作为后层反演初始模型”的分层递进策略，最终形成了适用于双护盾TBM隧道的反射层析成像波速反演方法，通过数值模拟验证了所述方法的有效性。　　(3)双护盾TBM隧道地震超前探测系统研发。针对缺乏适用于双护盾TBM施工隧道的地震超前地质预报装置系统的问题，通过现场环境调研分析，研发了双护盾TBM施工隧道适用性较好的双护盾搭载式气动震源和能够布设于围岩的插杆式检波器方案，在青岛地铁6号线双护盾TBM施工隧道开展了搭载试验，进行了气动震源激发气压优选研究，验证了插杆式检波器的应用效果，形成了双护盾TBM施工隧道搭载的地震超前地质预报系统。　　在此基础上，依托青岛地铁6号线抓马山-河洛埠区间和创智谷-石山路区间搭载的地震超前地质预报系统，开展了现场探测试验研究，验证了本文所述方法的有效性。
作者：	李凯
专业：	建筑与土木工程
导师：	杨为民;刘斌
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022