详情

原文传递隧道含水构造频率域激发极化超前探测方法

论文题名：	隧道含水构造频率域激发极化超前探测方法
关键词：	隧道超前探测;频率域激发极化法;干扰去除;多尺度反演;多频同步反演
摘要：	我国已是隧道修建规模最大、数量最多和难度最高的国家。在隧道施工过程中，经常遭遇突涌水等重大地质灾害，灾害一旦发生将给隧道施工带来巨大经济损失、乃至人员伤亡。隧道施工过程中提前探明前方潜在的突涌水灾害源，是保障隧道安全施工的有效途径。因此，开展适用于隧道环境的超前探水方法研究十分重要。　　激发极化方法对地下含水构造响应敏感，该方法通过测量地下含水介质的激电效应来实现水体的探查，分为时间域和频率域激发极化法两类。其中频率域激发极化方法因其抗干扰性能较强等优势，在野外找水工作中取得了良好应用，得到广大学者的关注。目前频率域激发极化方法尚未应用到隧道超前探测中，受限于隧道狭小复杂的观测环境，频率域激发极化方法在观测方式、干扰去除和反演成像等方面仍存在几个关键难题，包括:①亟待设计一种适用于隧道狭小观测空间、能够获取掌子面前方含水体有效信息的观测方式;②针对隧道复杂环境中的电磁和金属结构干扰，亟需解决干扰去除和有效信号提取的难题;③在含水构造反演成像方面，单频多参数反演、多频数据同步反演等难题均需要深入研究和解决。因此，亟需开展针对隧道环境的频率域激发极化超前探水方法研究，实现掌子面前方含水构造的有效探测和成像，并在实际工程中推广应用。　　针对上述难题，本文采用理论分析、数值模拟和现场验证等方法，以有效探明掌子面前方含水构造为目标，系统开展了适用于隧道狭小空间的频率域激发极化观测模式、复杂环境干扰去除和单频-多频激发极化多尺度多参数反演算法研究，形成了一套针对隧道突涌水灾害源探测的频率域激发极化超前预报方法，并通过现场工程试验验证了其有效性。　　本文开展的主要研究工作及取得的成果如下: 　　(1)隧道频率域激发极化法观测装置设计及前方异常的响应特征分析。优化设计了适用于隧道狭小空间的频率域激发极化多同性源观测装置，通过数值试验揭示了典型含水构造的响应特征，奠定了隧道频率域激发极化的超前观测基础。　　(2)隧道复杂环境激发极化数据干扰特征及去除方法。针对电磁干扰和金属结构干扰压制的两个难题，创新了基于自适应优化变分模态分解的电磁干扰去除方法，提出了基于点源电场空间分布规律的金属干扰去除方法，实现了有效信息的提取，为后续反演研究提供了高质量数据。　　(3)隧道频率域激发极化单频多尺度多参数反演方法。本文从多参数敏感性平衡、含水体定位和边界有效刻画三个角度出发，提出了基于参数加权和卷积小波多尺度的隧道频率域激发极化单频多参数反演方法，实现了含水构造的多参数（电阻率、极化率、频率相关系数、时间常数）成像和边界的有效刻画。　　(4)隧道频率域激发极化多频同步反演方法。针对多频数据融合反演难度大、效果差等问题，在单频多参数反演的基础上，提出了基于多重网格剖分和尺度加权的多频数据同步反演方法，并自主开发了隧道频率域激发极化超前探测数据处理软件，为本方法在实际工程中的应用提供了技术支撑。　　基于上述研究，依托云南滇中引水工程开展了隧道频率域激发极化超前探测现场试验，通过探测结果与开挖揭露结果的对比，验证了本文方法的有效性和可行性。
作者：	马钊
专业：	岩土工程
导师：	李术才;刘斌
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022