论文部分内容阅读
川藏铁路隧道极端复杂恶劣的施工环境使得建设风险非常大，传统以人力为主的施工方式会导致施工进度缓慢、效率降低，甚至无法开展，因此川藏铁路钻爆法隧道将大规模采用凿岩台车机械化施工。在此背景下，研究能够匹配机械化施工效率的超前预报方式对推动川藏铁路“高起点、高标准、高质量”建设具有重要意义。本论文提出了一种以凿岩台车钻头钻进破岩激发震源的隧道地震波超前地质预报技术，该技术相比与传统预报方法相比能够在凿岩台车钻进打孔过程中实现同步探测，大幅度降低隧道超前预报对隧道工期的影响，预报效率更高，在川藏铁路中应用能够减少人力投入，提高隧道施工安全性。目前该方法研究的基础——随钻地震技术在钻井领域牙轮钻头应用较为成熟，而凿岩台车破岩震源地震波场更为复杂，具有震源激发方式复杂、多震源波场混合的特点，且尚无随钻地震技术应用于凿岩台车的先例，因此亟需开展凿岩台车破岩震源地震波场特征和有效信号识别的研究。本文依托郑万高铁兴山隧道、昌景黄高铁西武岭隧道实际工程，通过理论研究、现场试验、数值模拟、工程应用等研究手段，对凿岩破岩震源地震波场特征和有效信号识别开展了系统研究。
主要研究工作及成果如下:
(1)揭示了凿岩台车破岩震源地震波波场特征及传播规律。本文通过现场实测，获得了大量凿岩台车破岩震源数据，研究得到了破岩震源信号特征;根据实测震源信号特征，模拟震源信号函数开展了凿岩台车单臂、三臂破岩震源正演模拟，研究得到了单臂破岩震源、三臂破岩震源在典型不良地质体模型中地震波场特征及规律。为后续地震记录重构、混合破岩震源地震数据分离方法的研究提供了理论方向和数据基础。
(2)形成了一套适用于凿岩台车的地震记录重构方法。针对凿岩台车冲击、回转切削破岩两种破岩方式激发震源导致地震波场混叠，直接互相关处理后地震记录仍无法识别有效信号的问题，重点开展了凿岩台车钻头冲击信号提取和地震记录重构方法的研究。以凿岩台车单臂钻进激发震源为研究对象，提出最小平方反褶积提取钻头单次冲击信号的数据处理方法，滤除了周期干扰成分;并通过反褶积后的地震数据互相关得到了得到了等效脉冲震源激励下的重构地震记录，实现了凿岩台车单臂破岩震源地震记录有效信号的识别。
(3)建立了ICA和互相关结合的凿岩台车混合地震数据分离方法。根据三臂破岩震源相互独立的特性，构建了凿岩台车混合震源模型，引入了ICA盲源分离方法;针对低信噪比凿岩台车混合震源信号分离结果失真的问题，建立了预先小波阈值降噪，后ICA分离的分离方案;分离后震源信号与混合地震记录互相关得到了单臂破岩震源地震记录，结合单臂地震记录重构方法，实现了凿岩台车混合破岩震源地震记录分离与重构。
将上述研究成果应用于了昌景黄高铁西武岭隧道实际工程，重构地震记录成像结果与隧道掌子面开挖不良地质情况基本吻合，验证了该方法的有效性。
主要研究工作及成果如下:
(1)揭示了凿岩台车破岩震源地震波波场特征及传播规律。本文通过现场实测，获得了大量凿岩台车破岩震源数据，研究得到了破岩震源信号特征;根据实测震源信号特征，模拟震源信号函数开展了凿岩台车单臂、三臂破岩震源正演模拟，研究得到了单臂破岩震源、三臂破岩震源在典型不良地质体模型中地震波场特征及规律。为后续地震记录重构、混合破岩震源地震数据分离方法的研究提供了理论方向和数据基础。
(2)形成了一套适用于凿岩台车的地震记录重构方法。针对凿岩台车冲击、回转切削破岩两种破岩方式激发震源导致地震波场混叠，直接互相关处理后地震记录仍无法识别有效信号的问题，重点开展了凿岩台车钻头冲击信号提取和地震记录重构方法的研究。以凿岩台车单臂钻进激发震源为研究对象，提出最小平方反褶积提取钻头单次冲击信号的数据处理方法，滤除了周期干扰成分;并通过反褶积后的地震数据互相关得到了得到了等效脉冲震源激励下的重构地震记录，实现了凿岩台车单臂破岩震源地震记录有效信号的识别。
(3)建立了ICA和互相关结合的凿岩台车混合地震数据分离方法。根据三臂破岩震源相互独立的特性，构建了凿岩台车混合震源模型，引入了ICA盲源分离方法;针对低信噪比凿岩台车混合震源信号分离结果失真的问题，建立了预先小波阈值降噪，后ICA分离的分离方案;分离后震源信号与混合地震记录互相关得到了单臂破岩震源地震记录，结合单臂地震记录重构方法，实现了凿岩台车混合破岩震源地震记录分离与重构。
将上述研究成果应用于了昌景黄高铁西武岭隧道实际工程，重构地震记录成像结果与隧道掌子面开挖不良地质情况基本吻合，验证了该方法的有效性。