隧道凿岩台车破岩震源地震波场特征与有效波识别方法及应用.pdf

分类号T U 4 5 2 ．1 密级公开 单位代码1 0 4 2 2 学号2 0 1 8 1 4 6 4 7 蒙办番 S H A N D o N GU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 T h e s i sf o rM a s t e r D e g r e e 燃目隧道凿岩台车破岩震源地震波场特征与有 效波识别方法及应用 T u n n e ld r i l lja m b oa c t i v es o u r c es e i s m i cw a v e f i e l dc h a r a c t e r i s t i c sa n de f f e c t i v ew a v e i d e n t i f i c a t i o nm e t h o da n da p p l i c a t i o n 作者姓名 孙昊政 培养单位 齐鲁交通学院 专业名称 指导教师 合作导师 岩土工程 石少帅教授 许新骥副教授 2 0 2 1 年5月3 1 日 M 2M 9 Ⅲ4川6眦WlⅧ8川3川Y ，∥ 万方数据 类号T U 4 5 2 ．1 密级公开 单位代码 学号 ∥户篓办番 S H A N D O N GU N I V E R S n ’Y 1 0 4 2 2 2 0 1 8 1 4 6 4 7 硕士学位论文 论文题目 T h e s i sf o rM a s t e r D e g r e e 隧道凿岩台车破岩震源地震波场特征与有 效波识别方法及应用 T u n n e ld r i l lj a m b oa c t i v es o u r c es e i s m i cw a v e ●-■1 o‘ ■●“J ● n e I nc h a r a c t e r | s t l c sa n de I I e C t l V ew a v e i d e n t i f i c a t i o nm e t h o d a n da p p l i c a t i o n 合作导师 许新骥副教授 2 0 2 1 年5 月3 1 日 万方数据 原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名酞2 诅．E 1 期丝銎肇b 囝嫡 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名硷宣．盛。导师签名日期垃蜂饵洱 万方数据 山东大学硕士论文 目录 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I C o n t e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I V 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V I I I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．X 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一l 1 ．1 研究背景意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．1 随钻地震预报技术及数据处理方法研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．2 多震源混合采集技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 1 ．3 当前研究所存在问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4 主要工作及创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．4 ．1 本文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．4 ．3 论文创新⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 第二章凿岩台车地震波超前地质预报基础理论与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10 2 ．1 凿岩台车球齿钻头破岩机理总结分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l l 2 ．2 凿岩台车破岩震源现场实测与特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．1 实测先导信号频谱特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．2 ．2 实测先导信号周期特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 2 ．3 凿岩台车破岩震源隧道地震波正演模拟及波场特征研究⋯⋯⋯⋯18 2 ．3 ．1 隧道二维地震波场数值模拟方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．3 ．2 凿岩台车破岩震源信号模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 ．3 正演模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2l 2 ．3 ．4 凿岩台车单钻头破岩震源地震波场算例分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．3 ．5 凿岩台车多钻头破岩震源地震波场算例分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 T 万方数据 隧道凿岩台车破岩震源地震波场特征与有效波识别方法及应用 I I 第三章凿岩台车破岩震源地震记录重构方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．1 凿岩台车破岩震源信号单次冲击信号提取方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．1 ．1 先导信号反褶积⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．1 ．2 模拟先导信号最小平方反褶积算例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．2 基于互相关处理的等效脉冲震源地震记录重构方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．2 ．1 互相关原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．2 ．2 反褶积前后互相关对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 3 ．3 凿岩台车破岩震源地震记录重构算例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．4 本章总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 第四章凿岩台车混合连续震源地震数据分离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．1 盲源分离基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．1 ．1 独立成分分析定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．1 ．2 独立变量分析的假设和约束条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．1 ．3 固定点算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 ．2 基于独立成分分析的混合破岩震源分离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．2 ．1 无噪混合信号I C A 分离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 4 ．2 ．2 含噪混合信号I C A 分离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 4 ．3 混合震源下地震记录重构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．4 本章总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 第五章工程验证与应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．1 凿岩台车破岩震源隧道地震勘探现场试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．1 ．1 昌景黄高铁西武岭隧道地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．1 ．2 常见的地震波法超前探测的观测方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．1 ．3 试验仪器与数据采集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 5 ．2 昌景黄高铁西武岭隧道4 2 2 0 2 , - - 4 2 1 0 2 段超前探测实例⋯⋯⋯．．6 9 5 ．2 ．1 单臂破岩震源信号地震记录重构实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．2 ．2 三臂破岩震源信号地震记录重构实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．2 ．3 凿岩台车破岩震源地震记录结果解译⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 万方数据 山东大学硕士论文 5 ．3 开挖揭露情况对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 5 ．4 本章总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．81 硕士期间参与的科研项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 6 硕士期间发表的论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 7 硕士期间申请的专利⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 7 硕士期间获得的奖励⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 8 I l l 万方数据 隧道凿岩台车破岩震源地震波场特征与有效波识别方法及应用 C o n t e n t s C o n t e n t s I nC h i n e s e ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I C o n t e n t s I nE n g l i s h ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I V A b s t r a c t I nC h i n e s e ⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．V I I I A b s t r a c t I nE n g l i s h ⋯⋯⋯．⋯．．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．X C h a p t e r 】【P r e f a c e ⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1B a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft o p i cs e l e c t i o n ⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2P r e s e n ts i t u a t i o nr e v i e w ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．1R e s e a r c hs t a t u so fs e i s m i cw h i l ed r i l l i n gt e c h n o l o g ya n dd a t a p r o c e s s i n gm e t h o d ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．3 1 ．2 ．2R e s e a r c hs t a t u so fm u l t i - s o u r c ea c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y ⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3E x i s t i n gr e s e a r c hp r o b l e m s ⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4R e s e a r c hc o n t e n t sa n di n n o v a t i v ep o i n t s ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．4 ．1R e s e a r c hc o n t e n t s ．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 1 ．4 ．2T e c h n i c a Ir o u t e ．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．4 ．3M a i ni n n o v a t i v ep o i n t s ⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 C h a p t e r2 B a s i ct h e o r ya n da n a l y s i so fd r i l lj a m b os e i s m i cw a v ea d v a n c e d g e o l o g i c a lp r e d i c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10 I V 2 ．IS u m m a r ya n da n a l y s i so ft h er o c kb r e a k i n gm e c h a n i s mo ft h eb u t t o nb i t o fd r i l lj a m b o ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．2F i e l dm e a s u r e m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so fd r i l lj a m b or o c k b r e a k i n gs e i s m i cs o u r c e ．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．13 2 ．2 ．1P i l o ts i g n a ls p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 2 ．2 ．2P i l o ts i g n a lp e r i o dc h a r a c t e r i s t i c ⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．17 2 ．3N u m e r i c a ls t i m u l a t i o no fd r i l lj a m b or o c k - b r e a k i n gs e i s m i ca n dr e s e a r c h o nt h er o c k - b r e a k i n gs e i s m i cw a v ep r o p e r g a t i o n ．⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．18 2 ．3 ．1N u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o do ft u n n e lt w o ．d i m e n s i o n a ls e i s m i c 万方数据 山东大学硕士论文 w a v ef i e l d ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．⋯．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．19 2 ．3 ．2S i m u l a t i o no f r o c k - b r e a k i n gs o u r c es i g n a lo fd r i l lj a m b o ⋯⋯⋯．2 0 2 ．3 ．3F o r w a r dm o d e lc o n s t r u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 l 2 ．3 ．4A n a l y s i so fc a l c u l a t i o n e x a m p l e o fs e i s m i cw a v ef i e l do f s i n g l e - b i t r o c kb r e a k i n gs o u r c eo fd r i l lj a m b o ⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．2 3 2 ．3 ．5A n a l y s i so fc a l c u l a t i o ne x a m p l eo fs e i s m i cw a v ef i e l do fm u l t i b i t r o c kb r e a k i n gs o u r c eo f d r i l lj a m b o ⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 2 ．4C o n c l u s i o no f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 C h a p t e r3 M e t h o df o rr e c o n s t r u c t i n gs e i s m i cr e c o r d so fd r i l lj a m b or o c k - b r e a k i n gs o u r c e ⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯．．3 5 3 ．1R e s e a r c ho ne x t r a c t i o nm e t h o do fs i n g l ei m p a c ts i g n a lf r o md r i l lj a m b o r o c k - b r e a k i n gs o u r c e ⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 3 ．I ．IP i l o ts i g n a ld e c o n v o l u t i o n ．．⋯．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 5 3 ．1 ．2C a l c u l a t i o ne x a m p l eo ft h e l e a s t - s q u a r e d e c o n v o l u t i o no f s i m u l a t e dp i l o ts i g n a l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 3 ．2R e c o n s t r u c t i o nm e t h o do fe q u i v a l e n tp u l s eS O U r C es e i s m i cr e c o r db a s e d o nc r o s s - c o r r e l a t i o np r o c e s s i n g ⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯4 0 3 ．2 ．1P r i n c i p l eo fc r o s s - c o r r e l a t i o n ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．．4 0 3 ．2 ．2C r o s s - c o r r e l a t i o nc o m p a r i s o nb e f o r ea n da f t e rs e i s m i cd a t a d e c o n v o l u t i o n ⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．41 3 ．3C a l c u l a t i o ne x a m p l eo f s e i s m i cr e c o r dr e c o n s t r u c t i o no f d r i l l j a m b or o c k - b r e a k i n gs o u r c e ．．．．．．．．．．．．．．⋯．⋯．．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 3 ；．4C o n c l u s i o no f t h i sc h a p t e r ⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．4 6 C h a p t e r4 S e p a r a t i o no fd r i l lj a m b om u l t i - s o u r c es e i s m i cd a t a ⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 4 ．1B a s i ct h e o r yo fb l i n ds o u r c es e p a r a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．1 ．1D e f i n k i o no fi n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．1 ．2A s s u m p t i o n sa n dc o n s t r a i n tc o n d i t i o no fi n d e p e n d e n tc o m p o n e n t a n a l y s i s ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 V 万方数据 隧道凿岩台车破岩震源地震波场特征与有效波识别方法及应用 V I 4 ．1 ．3f i x e d - p o i n ta l g o r i t h m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．2S e p a r a t i o no fm i x e dr o c k - b r e a k i n gs e i s m i cd a t ab a s e do nI C A ⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．2 ．1N o i s e - f r e em i x e ds i g n a lI C As e p a r a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 4 ．2 ．2N o i s ym i x e ds i g n a l sI C A s e p a r a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 4 ．3R e c o n s t r u c t i o no fs e i s m i c r e c o r d sw i t hm i x e ds o u r c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 4 ．4C o n c l u s i o no f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 C h a p t e r5 E n g i n e e r i n gv e r i f i c a t i o na n da p p l i c a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 5 ．1O n s i t es e i s m i cp r o s p e c t i n gt e s to f d r i l l j a m b or o c k - b r e a k i n gs o u r c e ⋯6 6 5 ．1 ．1G e o l o g i c a lS u r v e yo fX i w u l i n gT u n n e lo nC h a n g j i n g h u a n gH i g h - s p e e dR a i l w a y ⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 5 ．1 ．2C o m m o no b s e r v a t i o nm e t h o d so ft u n n e ls e i s m i cp r o s p e c t i n g ⋯6 7 5 ．1 ．3T e s te q u i p I m e n ta n dd a t aa c q u i s i t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．2A ne x a m p l eo fs e i s m i cp r o s p e c t i n go f t h es e c t i o n4 2 2 0 2 4 2 1 0 2o f t h e X i w u l i n gt u n n e lo fC h a n g j i n g h u a n gh i g h - s p e e dr a i l w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 5 ．2 ．1E x a m p l eo fs e i s m i cr e c o r dr e c o n s t r u c t i o no fs i n g l er o c k - b r e a k i n g s o u r c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 5 ．2 ．2E x a m p l e so fs e i s m i cr e c o r dr e c o n s t r u c t i o no ft h r e er o c k - b r e a k i n g s o u r c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．2 ．3 I n t e r p r e t a t i o no fs e i s m i cr e c o r dr e s u l t so fd r i l lj a m b or o c k - b r e a k i n gs o u r c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．7 6 1 ；．3C o m p a r i s o no fe x c a v a t i o ns i t u a t i o n ．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 1 ；．4C o n c l u s i o no f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 C h a p t e r6 C o n c l u s i o na n dp r o s p e c t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 9 6 ．1C o n c l u s i o n ⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．7 9 6 ．2P r o s p e c t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 R e f e r e n c e s ．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8l P a r t i c i p a t i n ga c a d e m i cp r o j e c t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 6 A c a d e m i cp a p e r s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 万方数据 山东大学硕士论文 A p p l i c a t i o np a t e n t ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯8 7 R e w a r d s ⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯．．8 7 A c k n o w l e d g e m e n t s ．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．8 8 ⅥI 万方数据 隧道凿岩台车破岩震源地震波场特征与有效波识别方法及应用 摘要 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 基础一一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 ⅥI I 万方数据 山东大学硕士论文 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I C A 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I C A 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I C A 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。 关键词t 凿岩台车；超前地质预报；地震记录重构；混合震源数据分离；工 程应用 I X 万方数据 隧道凿岩台车破岩震源地震波场特征与有效波识别方法及应用 A b s t r a c t T h ee x t r e m e l yc o m p l e xa n dh a r s hc o n s t r u c t i o ne n v i r o n m e n to ft h eS i c h u a n - T i b e t r a i l w a yt u n n e lm a k e st h ec o n s t r u c t i o nr i s kv e r yh i g h ．U n d e rt h ec i r c u m s t a n c e s ，t h e t r a d i t i o n a lm a n p o w e r - b a s e dc o n s t r u c t i o nm e t h o dw i l lc a u s et h ec o n s t r u c t i o np r o g r e s s t 0b cs l o w , t h ee f f i c i e n c yt ob er e d u c e d ，a n de v e ni m p o s s i b l et oc o n s t r u c t ．T h e r e f o r e ， t h eS i c h u a n - T i b e tR a i l w a yd r i l l i n ga n db l a s t i n gt u n n e lw i l lu s ed r i l lj a m b ot o c o n s t r u c t i o no nal a r g es c a l e ．B a s e do nt h i sb a c k g r o u n d ，r e s e a r c ho n a na d v a n c e d g e o l o g i c a lp r e d i c t i o nm e t h o dt h a tC a nm a t c ht h ee f f i c i e n c yo fm e c h a n i z e dc o n s t r u c t i o n i so fg r e a ts i g n i f i c a n c et op r o m o t et h ec o n s t r u c t i o no ft h eS i c h u a n T i b e tR a i l w a yw i t h ”h i g hs t a r t i n gp o i n t ，h i g hs t a n d a r d ，a n dh i g hq u a l i t y ”．An e wt u n n e ls e i s m i ca d v a n c e d g e o l o g i c a lp r e d i c t i o nt e c h n o l o g yu s i n gd r i l l i n gj u m b ob i tt oe x c i t et h es e i s m i cs o u r c e W a sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r ．C o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g y , t h i sn e w t e c h n o l o g yC a na c h i e v es y n c h r o n i z a t i o nd u r i n gt h ed r i l l i n gp r o c e s so fd r i l lj a m b o ， g r e a t l yr e d u c i n gt b ei m p a c to f t h ea d v a n c e dg e o l o g i c a lp r e d i c t i o nm e t h o do nt h et u n n e l c o n s t r u c t i o np e r i o d ，i n c r e a s i n gt h ec o n s t r u c t i o ne f f i c i e n c y , r e d u c i n gt h em a n p o w e r i n p u to nt h eS i c h u a n - T i b e tr a i l w a y , a n di m p r o v i n gt h et u n n e lc o n s t r u c t i o ns a f e