隧道掘进电法超前地质监测信息处理方法研究

论文摘要

在盾构机的施工过程中,对掘进面前方的地质条件和可能的地质灾害开展超前地质预报,对隧道的正常施工和顺利贯通发挥举足轻重的作用。盾构机前地质勘探预报,是以探测地下介质电阻率的异常为基础。本课题主要研究隧道掘进检测过程中的信号处理方法,根据检测数据得出挖掘面前方介质电阻率异常体位置参数,即参数的反演和优化处理。反演最终归结为求目标函数的最小值,从数学角度上看是一个优化问题。但通常来说,大地测量和地球物理模型是强烈非线性的,参数的偏导数非常复杂,计算时间非常长。本课题采用遗传算法来进行地电模型的参数反演,此种算法无需进行复杂的偏导数计算,收敛速度较快。本课题采用遗传算法的十进制(实数)编码和二进制编码这两种编码方式来进行参数的反演运算,对这两种编码方式得到的参数反演结果进行分析比较,选择更适合本课题的编码方式。本课题以两极装置(直线测量和环状测量)下的地下球状异常体(石头)引起的视电阻率异常为模型,通过遗传算法的反演计算,分析找出更接近真实值的异常体电阻率和大地电阻率的大小,以及球状异常体的半径,地下深度和水平位置。反演过程中所用的实测数据是在实验室搭建的实验测试平台上经过实地的测量和数据采集得到的。实验测试平台的数据采集系统以LabVIEW为软件设计平台,以发射和接受电极、数据采集模块PMD1608FS和计算机构成。此系统为用户提供友好的人机交互界面,用户可以在前面板上查看采集到的波形和数据以及设置系统的采样率、采样点数和滤波方式、阶次等。通过对遗传算法的十进制和二进制两种编码方式在二极装置和中间梯度装置的地电模型下得到的参数反演结果的比较,得出十进制编码方式更适合应用在二极装置(直线测量和环状测量)的地电模型的参数反演中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 地球物理反演算法研究现状
• 1.2.2 超前地质预报综合分析研究现状
• 1.3 本文主要的研究工作
• 1.4 小结
• 第二章 BEAM 系统的工作原理和探测方法
• 2.1 BEAM 的工作原理
• 2.2 BEAM 的测试技术
• 2.3 小结
• 第三章 交流激发极化法测量原理和实验探测装置理论
• 3.1 交流激发极化法原理
• 3.1.1 交变电流场中岩石和矿石的激发极化现象分析
• 3.1.2 交流激发极化效应的参数
• 3.2 岩石和矿石在交变电磁场中的电学性质
• 3.2.1 岩石和矿石在交变电磁场中的导电性
• 3.2.2 岩石和矿石在交变电磁场中的磁导率
• 3.2.3 岩石和矿石在交变电磁场中的介电常数
• 3.3 电法勘探的装置理论
• 3.4 电阻率剖面法
• 3.4.1 电阻率剖面法概述
• 3.4.2 两极装置的实际应用
• 3.4.3 中间梯度装置的实际应用
• 3.5 中间梯度装置视电阻率异常
• 3.5.1 全空间情况
• 3.5.2 半空间情况
• 3.6 两极装置视电阻率异常
• 3.7 小结
• 第四章 基于遗传算法的地电模型参数反演
• 4.1 遗传算法的基础理论
• 4.2 高阻异常体参数的遗传算法的具体设计
• 4.2.1 参数反演算法的基本流程
• 4.2.2 参数反演的优化模型的建立
• 4.3 实验各类装置的算法实例
• 4.3.1 二极装置（直线）的视电阻率异常参数反演
• 4.3.2 中间梯度装置的视电阻率异常参数反演
• 4.3.3 二极装置（环状）的视电阻率异常参数反演
• 4.4 小结
• 第五章 实验测试平台的搭建与采集
• 5.1 系统测试平台的搭建
• 5.2 数据采集
• 5.2.1 数据采集模块
• 5.2.2 数据采集程序
• 5.2.3 数据采集界面
• 5.3 二极装置的实验测量与显示分析
• 5.4 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢