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中南大学学报（自然科学版） 2024年第2期55卷 638-648页

作者：李志强褚国安聂利超裴文兵郭一凡周维胡军闫冰邓朝阳山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061 云南省滇中引水二期工程有限公司云南昆明650205

为进一步提高隧道全时域激发极化多参数超前探测的效果,采用滤波算法进行计算时间域等效电阻率,采用有限单元法进行计算,提出一种基于滤波算法的隧道全时域激发极化超前探测正演方法。该方法针对时间域Cole-Cole表达式计算收敛性差的问... 详细信息

为进一步提高隧道全时域激发极化多参数超前探测的效果,采用滤波算法进行计算时间域等效电阻率,采用有限单元法进行计算,提出一种基于滤波算法的隧道全时域激发极化超前探测正演方法。该方法针对时间域Cole-Cole表达式计算收敛性差的问题,引入滤波算法进行时间域激发极化等效电阻率的计算,提高算法的收敛性;针对正演过程中大型矩阵求解影响计算效率的问题,引入OpenMP并行算法,实现隧道全时域激发极化超前探测正演的加速运算。最后,开展数值算例和物理模型试验。研究结果表明:该正演方法对异常体有敏感响应,且在加快正演速度具有显著优势。通过基于滤波算法的隧道全时域激发极化超前探测获得的观测数据与实际探测数据较为相符,这为基于全时域激发极化隧道超前探测提供了一种可行的正演算法。

关键词：隧道超前地质预报全时域激发极化滤波算法快速三维正演模拟并行算法

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隧道全时域激发极化超前探测聚类反演成像方法

隧道全时域激发极化超前探测聚类反演成像方法

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作者：郭一凡山东大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：隧道超前探测全时域激发极化聚类反演多参数聚类

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基于交叉梯度的隧道全时域激发极化超前探测多参数同步反演成像

基于交叉梯度的隧道全时域激发极化超前探测多参数同步反演成像

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作者：闫冰山东大学

学位级别：硕士

进入21世纪,随着我国“西部大开发”、“中部崛起”等国家战略得到大力推进,一批重大基础建设项目陆续被提上日程,跨江(河、海)隧道、超长深埋山岭隧道等高难度隧道工程建设数量逐渐增多,为隧道工程建设的技术攻关带来了宝贵机遇,同时... 详细信息

进入21世纪,随着我国“西部大开发”、“中部崛起”等国家战略得到大力推进,一批重大基础建设项目陆续被提上日程,跨江(河、海)隧道、超长深埋山岭隧道等高难度隧道工程建设数量逐渐增多,为隧道工程建设的技术攻关带来了宝贵机遇,同时也对不良地质预报提出了更高的要求。众多工程实践表明,隧道施工常面临着极端复杂的地质条件,尤其在穿越岩溶地层和富水地层时,极易诱发突水、突泥等地质灾害,严重威胁人员生命和财产安全。探明隧道前方不良地质情况是规避地质灾害、保障隧道安全建设的重要前提,而含水构造作为突水突泥灾害的源头,亟需开展与其相关的探测及定位识别研究。针对隧道掌子面前方含水构造识别与成像定位的难题,时间域激发极化多参数反演是一种有效的手段,国内外已开展相关研究,但目前尚存在以下问题:①时间域激发极化正演多采用时频转换,其过程繁琐,耗费大量计算时间成本,而时间域cole-cole表达式包含无穷级数,计算收敛性差;②单独时窗反演时窗割裂,反演出的全时域曲线误差大,导致难以拟合,且尚无针对4种激发极化参数交叉梯度反演的相关研究;③多参数单独识别结果存在差异,且未见同时考虑4种时间域激发极化参数的识别方法。据此,围绕隧道全时域激发极化含导水构造反演成像的问题,本文提出了“基于交叉梯度的隧道全时域激发极化超前探测多参数同步反演成像”的总体解决思路,以“基于交叉梯度的多参数同步反演方法”的研究为核心,采用理论分析、数值模拟和工程验证等方法,构建了多参数同步反演成像目标函数,并根据反演结果进行优化,实现了对异常体的多参数识别,并依托山西省中部引黄工程和大瑞铁路高黎贡山隧道开展了现场试验,验证了本方法的有效性。本文主要研究工作及成果如下:(1)隧道全时域激发极化超前探测正演方法与加速算法。针对全时域激发极化正演时频转换步骤复杂的问题,提出了基于滤波算法的隧道全时域激发极化超前探测正演方法;同时,针对全时域激发极化正演计算时窗多耗时长的问题,引入数组映射方法进行节点存储以实现节点快速查找,并引入了 OpenMP并行算法,实现了隧道全时域激发极化快速正演,有效提升了全时域激发极化的正演计算效率。(2)基于交叉梯度的全时域激发极化多参数同步反演方法。针对目前时间域激发极化单独反演时窗割裂导致反演出的全时域曲线误差大,难以拟合等问题,构建了施加交叉梯度的目标函数,并对交叉梯度函数进行了推导,提出了基于交叉梯度的全时域激发极化多参数同步反演方法。针对反演过程各参数对异常体敏感性不一致,反演贡献需要平衡的问题,对不同参数的敏感度矩阵施加了差异化约束,并结合数值算例验证了该方法的有效性,实现了对异常体形态、位置更为准确的识别,提高了多参数同步反演效果,形成了基于敏感度矩阵加权约束的多参数优化反演方法。(3)基于聚类分析的隧道全时域激发极化多参数识别方法。针对各反演成像参数对于异常体的边界、规模反映仍存在差异且难以准确刻画识别异常体及边界,开展了基于聚类分析的隧道全时域激发极化多参数识别方法研究,实现了隧道全时域激发极化超前探测异常体识别。在此基础上,依托山西省中部引黄工程和大瑞铁路高黎贡山隧道工程,对本文提出的基于交叉梯度的隧道全时域激发极化超前探测多参数同步反演成像方法开展了工程验证。现场试验表明,反演成像结果与现场开挖情况较为符合,验证了本方法的可行性。

关键词：隧道突涌水全时域激发极化交叉梯度反演同步反演多参数识别

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隧道含水构造超前探测激电场—水文场耦合反演与渗透性评价方法

隧道含水构造超前探测激电场—水文场耦合反演与渗透性评价方法

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作者：周维山东大学

学位级别：博士

随着我国基础设施建设的蓬勃发展,水利水电工程与铁路公路工程的建设重心向西部山区转移,隧道工程施工往往面临着极端复杂的地质条件,突水突泥等地质灾害频发。开展隧道超前地质预报探明掌子面前方不良地质体的空间分布情况可以为隧道... 详细信息

随着我国基础设施建设的蓬勃发展,水利水电工程与铁路公路工程的建设重心向西部山区转移,隧道工程施工往往面临着极端复杂的地质条件,突水突泥等地质灾害频发。开展隧道超前地质预报探明掌子面前方不良地质体的空间分布情况可以为隧道安全施工提供有力支撑。其中,隧道激发极化法以其对水体敏感的优势,已逐渐成为隧道超前预报中的常见探测手段,该方法不仅可以对含水构造定位成像,还能对掌子面前方含水构造静储水量进行定量评价,已成为最为常用的隧道地质探测方法之一。随着我国对隧道施工安全要求的提高,对含水构造定位成像准确性需求以及对涌水量较准确估算的需求日益增加,亟需开展相关研究。近年来,随着时间域激发极化测量仪器的发展,时间域激发极化在探测中已能够实现对多个时窗观测数据的采集,在仅利用了充/放电瞬间以及完全充/放电时的观测数据的传统时间域激发极化法中发展出了全时域激发极化探测方法,该方法可以实现对灾害水体的零频电阻率、固有极化率、弛豫时间以及频率相关系数多参数成像,且由全时域激发极化反演得到的弛豫时间与岩土体渗透性存在内在关联,引起了学者们的广泛关注。然而,现有的全时域激发极化反演出的激发极化参数定位不准,难以在现有研究基础上获取隧道掌子面前方岩土体渗透性空间分布情况。因此,亟需研究适用于隧道环境的全时域激发极化反演方法,并提出基于全时域激发极化探测的施工隧道掌子面前方渗透性反演成像方法,进而改善隧道涌水量估算方法,并将其在实际工程中进行推广应用。针对施工隧道突水突泥灾害源探测与渗透性估算及成像难题,本文采用理论分析、数值试验和现场试验等方法,以灾害水体多激发极化参数成像以及渗透系数反演方法为核心,分别开展了基于全时域激发极化弛豫时间的隧道渗透系数预测方法、考虑时间效应的隧道全时域激发极化多参数约束反演成像方法、地下渗流-全时域激发极化耦合反演成像方法等研究,最终形成了基于水文-全时域激发极化超前探测的隧道前方含水构造多参数成像与渗透系数预测方法。最后,通过现场试验验证了本文方法的可行性和有效性。本文的主要研究工作及成果如下:(1)激发极化弛豫时间与渗透系数内在关联。为了将激发极化信息融入渗透系数反演中,本文以灰岩、白云岩、砂岩、凝灰岩作为试验对象,从时间域激发极化数据中提取其弛豫时间并进行渗透系数测试,提出了基于神经网络的渗透系数预测方法,建立了基于激发极化弛豫时间的渗透系数预测模型。(2)隧道全时域激发极化多参数约束反演成像方法。针对激发极化弛豫时间分布获取难题,本文提出了基于时间光滑与激发极化模型约束的等效电阻率正则化反演方法,并提出了滑动时窗反演策略,在此基础上提出了基于交叉梯度的激发极化多参数反演方法,实现了灾害源全时域激发极化零频电阻率、固有极化率、频率相关系数以及弛豫时间多参数成像。(3)地下渗流-全时域激发极化耦合渗透系数反演成像方法。针对施工隧道环境水文观测数据难以获取导致渗透系数反演多解性强的问题,本文提出了全时域激发极化-地下渗流结构耦合反演方法,将激发极化参数中与渗透系数相关性最强的弛豫时间的结构形态作为先验信息加入地下渗流反演方程中,提出了地下渗流-全时域激发极化结构耦合反演成像方法。此外,以激发极化参数与渗透系数相关关系为物性基础,提出了地下渗流-全时域激发极化数据耦合反演成像方法。为隧道掌子面前方岩土体渗透性反演成像在实际工程中的应用提供了可行手段。基于上述研究,开展了各类复杂工况数值试验以验证本文提出方法的适用性,并在大瑞铁路保山隧道、高黎贡山隧道以及滇中引水香炉山隧道等工程现场开展了超前探测试验,探测结果较准确的揭示了隧道前方高渗透性空间分布,验证了本文方法的可行性和有效性。

关键词：隧道超前探测渗透系数反演全时域激发极化结构耦合反演数据耦合反演

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