【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于隧道地温场探测，涉及一种基于热源反演的隧道高温热害超前地质探测方法及系统。
技术介绍
1、本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
2、部分地区海拔高、地形多样、地质条件复杂、地热资源丰富、水热活动频繁，温泉、热水遍布，穿越高地温地区的隧道工程不断涌现，高地温问题已经成为隧道建设的难点问题之一。地热异常导致的高温热害，对隧道工程，特别是对深长隧道的施工影响很大。高地温不仅会增加隧道施工难度、拖延工期，降低经济效益，而且危害施工人员健康和结构物的安全。具体存在问题如下所示：
3、(1)高温环境下，机械设备和工人的工作效率下降，设备故障增加。长时间在高地温条件中工作，会出现热痉挛症、热虚脱症和热射症等中暑症状，严重危害工人的身心健康和工程安全质量；
4、(2)高地温不仅影响隧道内部的施工机械和人员，还会对围岩以及隧道本身的结构产生影响。由于高地温隧道岩层的温度比较高，而隧道洞内空气温度相对较低，这样就会在衬砌结构上产生一定的温度差，这个温度差就会在结构上产生一种应力分布的不均匀现象，会导致混凝土的结构表面产生拉应力。混凝土结构的抗拉性能较弱，所以构成了隧道结构安全的隐患。
5、因此，在隧道的建设过程中，为保证隧道的施工，采取有效的超前地质预报方法能够提前获知前方高温热害的位置和规模，了解高温热害的类型以及危害等级，未雨绸缪，提前做好应对措施，可以有效的保证工程施工安全。
6、隧道高温热害分为高岩温和高温热水，在现有的工程施工
技术实现思路
1、本专利技术为了解决上述问题，提出了一种基于热源反演的隧道高温热害超前地质探测方法及系统，本专利技术采用热源反演方法对探测结果进行快速反演解译，获得隧道掘进面前方围岩地温场的分布，实现高温热源的有效定位和捕捉，划分高温热害等级，评价热害危险性，为隧道设计与施工方案的确定提供参考依据。
2、根据一些实施例，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种基于热源反演的隧道高温热害超前地质探测方法，包括以下步骤：
4、根据初勘资料及洞内高地温监测数据，预判隧道沿线高温异常段落；
5、在初判的高温热异常段落，布设超前钻孔，在超前钻孔内布设测温设备，测量岩体内部温度；
6、获取隧道围岩表观温度的扫描结果；
7、将采集到的两种温度数据提取出来形成一个新的序列，对该序列进行反演解译，构造基于最小二乘的三维热源反演目标函数及反演方程，并对反演方程求解；
8、根据求解结果形成测区范围内高温热害探测的热源与温度场成像结果图，并结合已有地质，分析高温热害的高温热害的温度、位置、规模、类型及危害等级。
9、作为可选择的实施方式，预判隧道沿线高温异常段落的具体过程包括在地表沿隧道开挖轴线开展物探与深钻孔温度测量，划分地热异常段落，预判高温热害类型；进行洞内围岩围岩表面温度、作业环境温度与水温的高地温数据监测，根据沿线已开挖段落温度与温度速率变化，判断是否进入高地温异常区域。
10、隧道开挖后，日常监测隧道掌子面开挖后围岩温度与温度速率变化，可以对隧道前方温度情况有定性的认识，一般围岩温度超过设定温度，且随着隧道掘进，围岩温度不断升高，温度速率不断增大，即可定性判断随着开挖不断靠近高地温异常区域。
11、作为可选择的实施方式，布设超前钻孔，在超前钻孔内布设测温设备的具体过程包括在隧道掌子面后方左右边墙扩挖耳洞，从耳洞向隧道前方打超前钻孔，将分布式光纤安装到钻孔中，用水泥砂浆充填钻孔，待围岩温度与钻孔内温度达到稳定时，进行钻孔内温度数据的采集和分析。
12、作为可选择的实施方式，获取隧道围岩表观温度的扫描结果的具体过程包括对隧道左边墙、右边墙、拱顶、掌子面温度进行移动式扫描，并将红外测温结果与测量空间相匹配。
13、作为可选择的实施方式，所述目标函数具体为：
14、smp＝(δt-j(f-f0))t(δt-j(f-f0))+λ(c(f-f0))t(c(f-f0))+η(w1(f-fr))t(w1(f-fr))
15、其中，δt为实际观测数据与正演理论观测数据的差向量，f为反演所要求解的模型参数向量，j表示敏感度矩阵，c表示光滑度矩阵；λ为拉格朗日常数，用于控制数据方差项和模型方差项之间的权重；f0为上一次反演求解的模型参数参量，fr为本次反演参考模型参数向量，w1为参考模型系数矩阵，η为参考模型约束的权重系数。
16、作为可选择的实施方式，所述反演方程为：
17、
18、其中，δf为模型参数的增量向量，j表示敏感度矩阵，c表示光滑度矩阵；λ为拉格朗日常数，fr为本次反演参考模型参数向量，w1为参考模型系数矩阵，η为参考模型约束的权重系数；
19、其中，矩阵j为：
20、j＝k-1
21、其中，k为各单元所包含的物体离散节点上的热传导系数累加而成，为已知量。
22、作为可选择的实施方式，对反演方程求解的具体过程包括：
23、建立三维热荷载模型参数有限差分模型，根据测量温度数据确定模型参数初值；
24、进行地质分析和物探，分析确定异常体的先验信息，并将其映射到反演计算模型，形成参考模型；
25、对于给定的模型参数，利用有限差分法进行模拟计算，得到理论观测数据；
26、进行反演收敛判断，以实测数据与理论数据的均方差作为判据，若反演得到的均方差小于设定收敛值或达到设定反演次数，则反演结束，输出此时的模型参数，正演得到温度分布，若均方差大于设定值且未达到反演设定次数，则继续执行反演步骤；
27、根据参考模型约束和本次反演中的模型参数，求解反演方程，得到模型参数向量变化；
28、得到新的模型参数，返回利用有限差分法进行模拟计算的步骤，进行下一代迭代反演。
29、一种基于热源反演的隧道高温热害超前地质探测系统，包括：
30、第一采集系统，用于在初判的高温热异常段落布设的超前钻孔内测量岩体内部温度；
31、第二采集系统，用于获取隧道围岩表观温度的扫描结果；
32、反演解释模块，被配置为将采集到的两种温度数据提取出来形成一个新的序列，对该序列进行反演解译，构造基于最小二乘的三维热源反演目标函数及反演方程，并对反演方程求解；
33、成像分析模块，被配置根据求解结果形成测区范围内高温热害探测的热源与温度场成像结果图，并结合已有地质，分析高本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于热源反演的隧道高温热害超前地质探测方法，其特征是，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种基于热源反演的隧道高温热害超前地质探测方法，其特征是，预判隧道沿线高温异常段落的具体过程包括在地表沿隧道开挖轴线开展物探与深钻孔温度测量，划分地热异常段落，预判高温热害类型；进行洞内围岩围岩表面温度、作业环境温度与水温的高地温数据监测，根据沿线已开挖段落温度与温度速率变化，判断是否进入高地温异常区域。
3.如权利要求2所述的一种基于热源反演的隧道高温热害超前地质探测方法，其特征是，隧道开挖后，监测隧道掌子面开挖后围岩温度与温度速率变化，围岩温度超过设定温度，且随着隧道掘进，围岩温度不断升高，温度速率不断增大，即可定性判断随着开挖不断靠近高地温异常区域。
4.如权利要求1所述的一种基于热源反演的隧道高温热害超前地质探测方法，其特征是，布设超前钻孔，在超前钻孔内布设测温设备的具体过程包括在隧道掌子面后方左右边墙扩挖耳洞，从耳洞向隧道前方打超前钻孔，将分布式光纤安装到钻孔中，用水泥砂浆充填钻孔，待围岩温度与钻孔内温度达到稳定时，进行钻孔内温度数据的
5.如权利要求1所述的一种基于热源反演的隧道高温热害超前地质探测方法，其特征是，获取隧道围岩表观温度的扫描结果的具体过程包括对隧道左边墙、右边墙、拱顶、掌子面温度进行移动式扫描，并将红外测温结果与测量空间相匹配。
6.如权利要求1所述的一种基于热源反演的隧道高温热害超前地质探测方法，其特征是，所述目标函数具体为：
7.如权利要求1所述的一种基于热源反演的隧道高温热害超前地质探测方法，其特征是，所述反演方程为：
8.如权利要求1所述的一种基于热源反演的隧道高温热害超前地质探测方法，其特征是，对反演方程求解的具体过程包括：
9.一种基于热源反演的隧道高温热害超前地质探测系统，其特征是，包括：
10.如权利要求9所述的一种基于热源反演的隧道高温热害超前地质探测系统，其特征是，所述第一采集系统为多个分布式光纤测温模块，分别设置于各超前钻孔中；
...【技术特征摘要】
1.一种基于热源反演的隧道高温热害超前地质探测方法，其特征是，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种基于热源反演的隧道高温热害超前地质探测方法，其特征是，预判隧道沿线高温异常段落的具体过程包括在地表沿隧道开挖轴线开展物探与深钻孔温度测量，划分地热异常段落，预判高温热害类型；进行洞内围岩围岩表面温度、作业环境温度与水温的高地温数据监测，根据沿线已开挖段落温度与温度速率变化，判断是否进入高地温异常区域。
3.如权利要求2所述的一种基于热源反演的隧道高温热害超前地质探测方法，其特征是，隧道开挖后，监测隧道掌子面开挖后围岩温度与温度速率变化，围岩温度超过设定温度，且随着隧道掘进，围岩温度不断升高，温度速率不断增大，即可定性判断随着开挖不断靠近高地温异常区域。
4.如权利要求1所述的一种基于热源反演的隧道高温热害超前地质探测方法，其特征是，布设超前钻孔，在超前钻孔内布设测温设备的具体过程包括在隧道掌子面后方左右边墙扩挖耳洞，从耳洞向隧道前方打超前钻孔，将分布式光纤安装到...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，刘征宇，王成坤，任玉晓，白鹏，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：
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