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原文传递城市盾构掘进噪声源多模态面波特征与不良地质超前探测方法

论文题名：	城市盾构掘进噪声源多模态面波特征与不良地质超前探测方法
关键词：	盾构施工隧道;不良地质探测;掘进噪声;多模态面波
摘要：	盾构机施工因具有自动化程度高、掘进速度快及成洞质量高等优势，已成为我国城市地下隧道建设的主要工法。然而，城市复杂多变的地质环境给盾构机施工带来了挑战，未知的复合地层、地层错断、孤石、岩溶等不良地质易导致地表塌陷、盾构卡机、工期延误甚至人员伤亡等事故。提前探明城市地下盾构掘进面前方不良地质情况，是规避施工地质灾害、保障盾构安全掘进的迫切需求。　　以盾构掘进前方不良地质探测为目标，山东大学以盾构掘进时产生的震动为震源，提出了盾构掘进噪声源面波探测新思路，实现了对掘进前方致灾构造的发现和识别。但由于该地下震源特殊性以及城市环境的复杂性，盾构掘进噪声源面波超前探测仍存在三方面问题亟待解决:(1)掘进源面波产生机理不清。前期基于数值模拟和实测数据，初步揭示了“掘进噪声源面波高阶模态更发育”的现象，并直接将其用于反演成像，但由于对多模态产生机理认知不足，数据处理缺乏更系统指导，探测结果准确性亟待提升。(2)强干扰下频散曲线提取精度不足。频散曲线是决定地层波速反演目标函数的关键依据，地表观测的掘进源波场中包含强体波、环境噪声等于扰，阻碍多模态频散曲线的精准提取。(3)城市地下复杂地质成像。掘进源面波多模态信息丰富，均是对地质的有效响应，如何充分利用多模态信息进行地质反演，有效提升地质探测准确性，是另一个亟待解决的问题。综上，亟需围绕上述问题，进一步开展掘进噪声源面波探测方法的创新研究。　　针对城市盾构掘进噪声源面波超前探测的需求，本文重点开展了盾构掘进噪声源多模态面波产生机制及其响应规律、基于强干扰去除的掘进噪声源多模态频散曲线提取方法和基于差值寻优的掘进噪声源多模态频散曲线融合反演方法等研究;并通过数值试验测试了方法的可行性，最后在青岛地铁、济南地铁等工程验证了本文方法的实用性。　　本文的主要研究工作及成果如下: 　　(1)盾构掘进噪声源多模态面波产生机制及其响应规律。针对地下掘进源面波高质量利用问题，分析了地下掘进噪声源多模态面波产生机制，揭示了其激发面波“高模式面波能量占优、频散谱高阶模态发育”特征;分析了掘进噪声源面波的强体波干扰特征，总结了不良地质体的面波响应规律，为利用掘进噪声源进行地质探测提供了理论依据。　　(2)基于强干扰去除的掘进噪声源多模态频散曲线提取方法。针对掘进源面波受强体波干扰和与车流噪声混杂问题，发展了基于频率-贝塞尔变换的体波干扰去除方法、改进了基于区域能量匹配的频散谱规则干扰去除方法、创新了基于分窗增益的多模态频散曲线提取方法，实现了掘进噪声源多阶模态频散曲线的有效提取。　　(3)基于差值寻优的掘进噪声源多模态频散曲线融合反演方法。针对掘进源面波多模态频散发育优势，建立了基于差值寻优的多模态频散曲线反演目标函数，形成了基于基阶模态先验信息的频散曲线多模态融合反演方法，通过对基阶-高阶等多模态频散的联合利用，有效提升了地质灾害源的成像准确性。　　(4)盾构掘进噪声源面波探测方法与反演数值试验。以上述研究成果为支撑，形成了城市盾构掘进噪声源面波不良地质探测方法，针对盾构施工隧道典型不良地质开展了系统的数值试验，揭示了典型不良地质的反演和成像特征，为实际盾构施工隧道探测提供了解译参考。　　基于上述研究，在青岛地铁、济南地铁等城市隧道工程开展了现场试验工作，获取了盾构掘进面前方的岩土体波速分布情况，验证了本文方法的有效性和可靠性。
作者：	张灵莉
专业：	岩土工程
导师：	刘斌;许新骥
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022