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原文传递隧道全时域激发极化超前探测聚类反演成像方法

论文题名：	隧道全时域激发极化超前探测聚类反演成像方法
关键词：	隧道工程;超前地质预报;全时域激发极化法;电阻率反演;聚类算法;多参数成像
摘要：	随着我国隧道工程建设的重点向西部山区、岩溶地区等地质条件复杂的地区转移,深埋长隧道的数量越来越多，突水突泥等地质灾害频发。提前查明隧道掌子面前的不良地质情况，可以有效避免地质灾害的发生，指导隧道建设安全进行。隧道激发极化法对水体敏感，是一种有效的超前预报探水方法，已广泛应用于隧道地质探测中。随着隧道工程对断层、溶洞等不良地质体的成像精度和解译效果要求越来越高，隧道掌子面前方含水构造的成像和识别效果亟需进一步提高。本文通过理论分析、数值试验和现场试验等方法，针对隧道施工过程中的不良地质体探测成像识别难题，围绕灾害水体的电阻率反演和全时域激发极化多参数成像方法开展研究，首先开展了基于模糊C均值聚类的隧道电阻率单参数反演方法，提高了对含水构造的成像与定位精度;然后，优化了聚类中心和反演权重的选择，提高了反演效果;最后，提出了隧道全时域激发极化多参数聚类联合反演方法，实现了多参数成像与多角度解译，并通过现场试验验证了本文方法的有效性和可行性。　　本文的主要研究工作及成果如下: 　　(1)针对传统电阻率法体积效应明显、反演结果中异常体的形态与实际情况偏差较大的难题，将聚类算法引入反演方程中，提出了基于模糊C均值聚类的隧道电阻率反演方法，有效抑制了反演成像结果的体积效应，提高了反演的分辨能力，实现了隧道掌子面前方含水构造的较准确成像与定位。　　(2)针对反演过程中参数选择不准确易导致反演结果陷入局部最优、反演结果差的问题，首先通过将先验聚类中心引入反演过程中，形成了离散值引导的模糊C均值聚类反演方法;进而，开展了不同聚类中心下的数值对比试验，阐明了聚类中心对反演结果的影响特征，建立了适用于隧道激发极化聚类反演的聚类中心选择方法;最后，基于权重参数优选策略，建立了适用于隧道环境的参数半自动优选流程，解决了因随机初始化导致的聚类反演结果不稳定的问题。　　(3)针对目前全时域激发极化反演假异常多、反演结果一致性差问题，提出了隧道全时域激发极化多参数聚类联合反演方法，并在此基础上提出了激发极化多参数归一化策略和权重适配策略，实现了灾害水体的全时域激发极化频率相关系数、零频电阻率、固有极化率以及弛豫时间四个参数成像，为隧道掌子面前方含水体多参数综合定位提供了可行手段。　　在上述研究的基础上，为验证本文方法的适用性，开展了不同工况下的数值模拟试验，并在山西中部引黄工程以及滇中引水香炉山隧道等工程现场通过电阻率法和全时域激发极化法分别开展探测，这两种方法的探测结果能够较准确地揭示了隧道前方不良地质体的空间分布，验证了本文方法的可行性和有效性。
作者：	郭一凡
专业：	岩土工程
导师：	聂利超
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2023