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原文传递隧道超前地质预报的孔中雷达定向探测数据处理方法研究

论文题名：	隧道超前地质预报的孔中雷达定向探测数据处理方法研究
关键词：	隧道工程;超前地质预报;定向钻孔雷达探测;数据处理;层析反演;偏移成像
摘要：	随着我国隧道建设向着西部艰险山区、跨江跨海等复杂环境发展，隧道超前地质预报正面临着精细化探测的新需求。在深埋隧道高围压作用下，特别是跨江跨海隧道上覆无限水体补给作用下，亚米级的小尺度异常体也可能导致大的地质灾害，需要提前探明和处治。钻孔雷达探测方法具有抵近探测、受外界电磁干扰小、探测精度高等优势，有望解决亚米级异常体精细探测难题。然而，单孔雷达探测仅能探明异常体与钻孔间的距离，难以分辨异常体方位角;而跨孔雷达探测仅对两孔之间异常体较为敏感，三维探测耗时费力。与之相比，新兴定向钻孔雷达探测方法能够通过单个钻孔单次测量探明孔周异常体的三维位置和形态，具有良好的工程应用潜力。然而，目前针对定向钻孔雷达探测系统的数据处理方法尚处于起步阶段，亟需开展针对性研究。　　针对上述问题，本文依托于项目组正在研发的反射板类定向雷达探测系统，基于理论分析、数值模拟、室内试验等方法，开展了定向钻孔雷达探测数据处理方法研究，重点开展了定向钻孔雷达高斯射线束快速正演方法及探测响应特征分析、定向钻孔雷达探测异常体方位角定向与三维成像算法等方面的研究，形成了定向钻孔雷达探测数据处理成套方法，为未来将要开展的实际工程应用奠定了良好的理论基础;另一方面，针对工程实际中的使用常规孔中雷达进行定向探测的需求，研究了孔-隧雷达探测模式及其层析反演和偏移成像算法，为基于常规探测仪器的异常体定向探测提供了一种可能途径。　　本文的主要研究工作及成果如下: 　　(1)定向钻孔雷达高斯射线束快速正演方法及探测响应特征分析。针对常规有限差分法和有限元法难以实现反射板类定向钻孔雷达探测快速模拟的问题，提出了基于高斯射线束的定向钻孔雷达探测快速模拟方法，以此为基础研究分析了定向钻孔雷达常用的几种探测方式的特点和典型异常体的定向钻孔雷达探测响应特征。　　(2)定向钻孔雷达探测异常体方位角定向与三维成像算法。针对反射板类定向钻孔雷达异常体方位角定向算法尚不成熟，难以处理复杂探测场景的问题，本文提出了适用于隧道超前预报孔中定向探测的异常体定位方案，并以此为基础研究了多目标体异常体定位方法，扩展了定向钻孔雷达探测的适用场景;进而将异常体定向算法和后向投影偏移成像方法相结合，形成了定向钻孔雷达探测三维偏移成像算法，实现了孔周异常体的三维定向和成像。　　(3)孔-隧雷达新型探测模式及其层析反演和偏移成像算法。除专用定向雷达探测系统数据处理方法外，本文还探讨了一种基于现有常规全向孔中雷达的孔-隧雷达探测方法，提出了专用的层析反演和偏移成像算法，该方法在传统全向孔中雷达反射探测的基础上加入了孔-隧透射探测信息，能够实现异常体的间接定向探测。　　在上述研究的基础上，基于项目组初步研究的反射板定向钻孔雷达样机，开展了异常体定向探测的物理模型试验，进行了数据采集以及异常体方位角定位和偏移成像算法的验证，成像结果与异常体位置基本吻合，验证了本文方法的有效性。
作者：	钱志远
专业：	岩土工程
导师：	刘斌
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2023