公路隧道超前水平钻孔预报参数的功速比及小波分析

摘要

超前水平钻孔参数预报是一种短程隧道围岩地质预报技术，该技术利用钻进参数与围岩地质情况具有一定相关性的特性，通过分析钻进参数随钻进深度的变化，推断掌子面前方围岩情况。目前有关超前水平钻孔参数预报技术的研究尚不多见，为此，论文以甘肃小川隧道与成州隧道60m长的钻进资料为基础，进行了超前水平钻孔预报研究，重点分析耦合后的钻进参数对不同岩性及其对应不同构造的响应程度和相关性，并就如何利用耦合后的钻进参数对不同岩性、构造的围岩划分进行深入研究。
　　根据岩石可钻性理论和能量守恒原理，结合钻进参数：扭矩、转动速度、推进压力、钻进速度四个物理量参数，利用动力头和钻杆推进系统做功与钻进速度的关系，提出了反映破碎岩石难易程度的钻进功速比的概念及公式，并与隧道对应的主要围岩情况进行对比分析，认为钻进功速比与隧道围岩岩性及构造有很好的响应特征，通过进一步对钻进功速比值划分，得到了不同岩性（石灰岩，灰砾岩、泥岩、砂砾岩）在不同构造（节理裂隙发育、方解石充填、层理、底砾岩过渡）及围岩含水特征情况下对应的功速比范围值。
　　针对超前钻孔功速比曲线可以较好反映围岩情况的特性，以小波变换基本理论和边缘检测方法为基础，对功速比曲线进行小波分析，开展了隧道围岩分界研究。在研究中对小波分析常用的几类小波基的特性进行了筛选和对比，提出mexh小波基可适用于功速比曲线的分析，并利用模平均值法优选了小波变换最优尺度。通过小波基函数与功速比函数的积函数二阶导为零即小波系数过零点的各个不同位置，确定了岩性变化的主要分界点，并以此为基础划分了不同岩性所在的里程位置及同种岩性的坚硬程度。结果表明功速比曲线在小波变换后可以较精确的识别不同岩性在不同构造情况下围岩的主要分界点。
　　最后，在提取不同岩性、构造功速比曲线特征条件下，采用时域分析得到时域指标（均值、峰值、裕度、峭度）和利用小波包能量分析方法得到能量分布特征并进行分类处理，形成功速比曲线特征库的基础上，提出了一种识别隧道围岩地质情况的预报方法，为超前水平钻孔在隧道地质预报中的应用研究提供借鉴和参考，使超前水平钻孔预报技术能更好的服务于隧道地质预报工作。

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第一章 绪论

1.1研究目的及意义

1.2国内外研究现状

1.3目前研究存在的问题

1.4主要研究内容、研究思路和研究方法

第二章 工程概况

2.1隧道自然地理环境与地形地貌

2.2隧道围岩岩性及构造

2.3钻机主要技术性能及钻孔参数获取

2.4.本章小结

第三章 钻进功速比分析

3.1钻进能量原理

3.2.钻进功速比的隧道围岩分析

3.3.小结

第四章 基于钻进功速比的小波分析围岩分界识别研究

4.1小波分析基本理论

4.2功速比曲线岩层识别多尺度检验方法

4.3功速比曲线实例分析

4.4小结

第五章 功速比曲线特征分析

5.1曲线特征分析原理

5.2.功速比曲线时域、小波包能量特征分析

5.3功速比曲线时域、小波包能量特征参数对比

5.4岩性、构造划分识别的超前水平钻孔地质预报方法

5.5小结

结论及建议

研究结论

建议

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢