一种深埋隧道围岩介电特性反演与松动圈范围识别方法技术

本发明专利技术涉及一种深埋隧道围岩介电特性反演与松动圈范围识别方法，方法为深埋隧道开挖前，采用地质雷达初步实地探测后进行正演模拟，确定区域介电常数ε

【技术实现步骤摘要】
一种深埋隧道围岩介电特性反演与松动圈范围识别方法


[0001]本专利技术涉及深埋隧道及地下工程领域，尤其是针对围岩松动圈识别的一种高精确的研究方法，具体为一种基于探地雷达的深埋隧道围岩介电特性反演与松动圈范围识别方法。

技术介绍

[0002]进入21世纪以来，我国隧道及地下工程得到了前所未有的发展，目前我国已经是世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、修建技术发展最快的国家。截至2020年底，我国投入运营的铁路隧道共16798座，总长约1963万米。从1980年至2020年的40年间，中国共建成隧道12412座，总长约17621km(占中国铁路隧道总长度的90％)。特别是近15年来，中国铁路隧道发展极为迅速，共建成铁路隧道9270座，总长约15321km(占中国铁路隧道总长度的78％)，由此可见，我国已经进入了隧道工程建设的高峰期，与此同时，深埋隧道逐渐增加，如：峨汉公路隧道最大埋深1944m；川藏铁路隧道最大埋深2600m。此外，在水电隧洞领域、矿山井巷领域以及能源储库领域也有大批深部工程建设，未来，我国深部地下工程建设将区域常态。
[0003]深埋隧道工程赋存地质环境极端复杂，高地应力、高地温、高渗透压等问题突出，与浅部地层相比，地质灾害发生频率更高、致灾机理更复杂。深埋隧道爆破开挖时不可避免的会对围岩产生损伤扰动，导致岩石原本稳定的应力状态受到不平衡影响，进入不稳定状态，岩石应力由三向应力状态转变成二向应力状态，一定范围内围岩会发生破裂，形成一个逐步趋于稳定的破碎带，此范围内围岩状态处于屈服状态，称为塑性松动圈，形成松动圈。
[0004]根据经验，围岩松动圈范围的厚度，是判断围岩是否稳定的依据，也是支护的关键依据。复杂条件下深埋隧道围岩松动圈范围更加难以确定。常用的测试方法中：声波法仪器操作简单但抗干扰性较差；多点位移法操作简单、测点少但周期长，测量精度低；地震波法测试精度高但安装困难，测试成本高；电阻率法布点方便、测试简单但对仪器精度要求高。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：
[0006]本专利技术提出一种深埋隧道围岩介电特性反演与松动圈范围识别方法，其目的在于解决常规方法对深埋隧道爆破后松动圈范围测定遇到的测量精度不高、测量数据不可靠以及操作复杂等问题。基于地质雷达正演模拟与围岩介电特性反演理论，为松动圈识别提供了一种新方法。
[0007]本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种深埋隧道围岩介电特性反演与松动圈范围识别方法，其特征在于：
[0009]步骤一：在深埋隧道开挖前，进行雷达实地探测，确定区域的大小、介质类型以及地下工况，并输出探测数据和雷达扫描图；雷达实地探测后进行正演模拟，确定区域介电常数ε
前
、电导率σ
前
和磁导率μ
前
，并得到区域的扫描图，通过开挖前波速模型求出岩石原始状态
下雷达波速v
前
；
[0010]步骤二：在深埋隧道开挖后，进行雷达实地探测和正演模拟输出松动圈材料的磁导率μ，通过介电特性反演输出介电常数ε和电导率σ，将松动圈材料的磁导率μ、介电常数ε代入开挖后波速模型求出深埋隧道开挖后波速v；
[0011]步骤三：根据波速v计算松动圈厚度；通过波速v与雷达波速v
前
比值的平方作为对围岩松动圈的完整程度进行定量分析，根据岩体完整性指数划分情况表得出松动圈等级。
[0012]进一步的，步骤一中开挖前波速模型为：
[0013][0014]式中：ε
前
为隧道开挖前材料的介电常数；ε0为真空的介电常数，参考值ε0＝8.854
×
10
‑9F/m；μ
前
为隧道开挖前材料的磁导率；μ0为真空的磁导率，参考值μ0＝4π
×
10
‑7H/m；c为光速，取3
×
108m/s；v
前
为隧道开挖前电磁波在介质中的波速。
[0015]进一步的，步骤二中开挖后波速模型为：
[0016][0017]式中：ε为松动圈材料的介电常数；μ为松动圈材料的磁导率；ε0为真空的介电常数，参考值ε0＝8.854
×
10
‑9F/m；μ0为真空的磁导率，参考值μ0＝4π
×
10
‑7H/m；c为光速，取3
×
108m/s；v为松动圈的电磁波在介质中的波速。
[0018]进一步的，步骤二中介电特性反演步骤为：
[0019]2.3.1：通过正演模拟得到数据与实地探测数据进行匹配，基于数据残差建立目标函数；
[0020]2.3.2：根据直线传播理论选择初始模型；
[0021]2.3.3：使用初始模型计算正演波场d(ε,σ)；
[0022]2.3.4：采用局部优化算法，计算迭代方向
[0023]2.3.5：计算迭代梯度；
[0024]2.3.6：计算迭代步长ζ
ε
及ζ
σ
；
[0025]2.3.7：更新模型参数；
[0026]2.3.8：设ε＝ε
upd
，σ＝σ
upd
重复步骤2.3.3至步骤2.3.7，直至收敛或达到指定的迭代次数，输出介电常数ε和电导率σ。
[0027]进一步的，步骤三中松动圈厚度求解公式为：
[0028]H＝v
×
t
[0029]式中：H为松动圈厚度；t为雷达波单程走时。
[0030]有益效果：
[0031]本专利技术基于雷达探测结合松动圈形成原理，提出一种计算松动圈厚度的方法，判断出松动圈围岩等级，根据介电特性对开挖后的松动圈进行了精细刻画，解决了松动圈测量困难、测量精度不高和数据不可靠等的问题。
附图说明
[0032]图1是流程总图；
[0033]图2是探地雷达数据处理流程图；
[0034]图3是探地雷达探测方式中心点法；
[0035]图4是正演模拟流程图；
[0036]图5是裂缝正演灰度图；
[0037]图6是空洞正演灰度图；
[0038]图7是介电特性反演流程图；
[0039]图8是松动圈形状图；
[0040]图9是围岩等级图。
具体实施方式
[0041]以下结合说明书附图更详细的说明本专利技术。
[0042]本专利技术在保证支护结构合理的情况下，采用应用范围广、精度高、分辨率高、抗干扰能力强的探地雷达法。探地雷达向地下发射高频电磁波，当发射的高频电磁波遇到不同介电特性的介质时会发生反射、折射以及衍射，反射的电磁波被接收天线所接收，经过信号处理和数据分析形成雷达波的反射图像，根据反射波的波形特征和振幅等情况可以推测出地下介质的分布情况及属性。但只能根据实际雷达剖面粗略地推断出地下具有电性差异的目标层界面、空间位置分布以及目标体形态、尺寸等信息，却无法提供对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深埋隧道围岩介电特性反演与松动圈范围识别方法，其特征在于：步骤一：在深埋隧道开挖前，进行雷达实地探测，确定区域的大小、介质类型以及地下工况，并输出探测数据和雷达扫描图；雷达实地探测后进行正演模拟，确定区域介电常数ε
前
、电导率σ
前
和磁导率μ
前
，并得到区域的扫描图，通过开挖前波速模型求出岩石原始状态下雷达波速v
前
；步骤二：在深埋隧道开挖后，进行雷达实地探测和正演模拟输出松动圈材料的磁导率μ，通过介电特性反演输出介电常数ε和电导率σ，将松动圈材料的磁导率μ、介电常数ε代入开挖后波速模型求出深埋隧道开挖后波速v；步骤三：根据波速v计算松动圈厚度；通过波速v与雷达波速v
前
比值的平方作为对围岩松动圈的完整程度进行定量分析，根据岩体完整性指数划分情况表得出松动圈等级。2.根据权利要求1所述的一种深埋隧道围岩介电特性反演与松动圈范围识别方法，其特征在于：步骤一中开挖前波速模型为：式中：ε
前
为隧道开挖前材料的介电常数；ε0为真空的介电常数，参考值ε0＝8.854
×
10
‑9F/m；μ
前
为隧道开挖前材料的磁导率；μ0为真空的磁导率，参考值μ0＝4π
×
10
‑7H/m；c为光速，取3
×
108m/s；v
前
为隧道开挖前电磁波在介质中的波速。3.根据权利要求1所述的一种深埋隧道围岩介电特性反演...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军祥，赵会敏，李俭，张业权，坑建秋，刘韫鑫，郭明，
申请(专利权)人：中铁十九局集团第三工程有限公司，
类型：发明
国别省市：