复杂隧洞不良地质体高精度弹性波超前探测关键技术与装备

  • 获奖名称: 复杂隧洞不良地质体高精度弹性波超前探测关键技术与装备
  • 获奖等级: 二等奖
  • 获奖类别: 湖北省科学技术奖
  • 授奖单位: 湖北省人民政府
  • 完成单位: 、中铁第四勘察设计院集团有限公司、中国科学技术大学、中国地质大学(武汉)、合肥国为电子有限公司、上海勘测设计研究院有限公司
  • 获奖年度: 2023
  • 获奖人员: 周黎明、宋克柱、孙红林、程飞、杨阳、周华敏、付代光、李玉婕、李杰、刘铁、王法刚、张杨、张敏、陈志学、夏波
  • 成果简介:本项目属于土木工程地下建筑领域。国家水网、国家铁路网和国家公路网的十四五规划与建设中,深埋长大隧洞的安全施工系关国计民生。现有隧洞超前探测技术在基础理论、数据处理和仪器装备等方面均存在局限性,难以满足长距离、高精度、高效率预报要求。提前精准探查、识别隧洞不良地质体空间分布和物性特征,是选择可靠施工方案、制定有效控制措施、保障隧洞安全建设与运营的重大技术难题。本项目面向地下工程安全建设与风险预警的国家重大需求,依托100余项国家、省部级科研专项以及重大工程科研项目,深入开展复杂隧洞不良地质体弹性波场理论、高精度数据处理与反演成像技术、超前探测装备与信息化平台建设等方面的一系列研究工作。历时近20年持续科技攻关,取得了新方法、新技术、新装备等一批原创性科研成果,主要包括:(1)攻克了考虑空气介质的隧洞弹性波超前探测不良地质体全波场正演理论瓶颈。提出了考虑隧洞空气介质的围岩非均匀复杂介质弹性波传播过程模拟方法,建立了隧洞围岩多物性结构不良地质体数值理论模型,揭示了复杂背景场条件下不良地质体弹性波场传播规律和响应特征,解决了超前探测观测系统优化布置关键技术难题,攻克了考虑空气介质的弹性波超前探测全波场正演理论瓶颈。(2)突破了隧洞空间超欠缺数据高精度处理与弹性波联合反演成像关键技术难题。在隧洞弹性波场特征分析基础上,创建了频谱分析、滤波处理及能量比法初至拾取等一系列高精度数据处理关键技术,提出了适用于隧洞复杂空间的二维、三维逆时偏移成像方法,构建了最小二乘偏移成像和贝叶斯非线性随机反演与全波形反演的联合反演方法体系,提高了复杂隧洞不良地质体的成像分辨力及精度。(3)研发了隧洞弹性波超前地质预报装备TEP及系列地震探测仪器装备。研发了隧洞弹性波超前地质预报系统TEP,发明了接收杆出露端蜂窝结构消噪装置;研制了基于4G数据传输的高精度超低功耗节点地震仪和高稳定性的分布式地震仪;发展了增强检波器电磁反馈技术,增强了超前探测检波器的信噪比,拓展了检波器的低频响应范围,提高了地震仪敏感性和适应能力,解决了长距离超前探测数据远端能量微弱与硬件响应匹配不足的技术难题。4)形成了一套“产-学-研-用-评”全链条、标准化、信息化的超前地质预报新模式。独立研发了长科TEP隧洞地震数据处理系统,实现了重大工程软件自主可控;开发了超前地质预报信息集成管理平台和复杂隧洞围岩地质勘察管理系统,相关成果被纳入国家能源、交通行业规程,实现了隧洞地灾风险动态预警防控和标准化、信息化运行管理。项目成果获国家发明专利38项,软件著作权8项,编制国家行业标准6部、团体标准2部,发表论文200余篇,其中SCI/EI检索83篇,出版专著5部,3项新技术被水利部认定为水利先进实用技术。成果已在滇中引水工程、宜万高铁、恩来高速公路等100余个国家重点工程成功应用,累计保障超2000公里隧洞安全建设,近3年创收经济效益达9.66亿元。李术才、王复明、林君和朱日祥四位院士分别针对项目理论研究、技术创新、装备研发和预报信息化等四方面给予高度评价。研究成果经水利部科技成果推广中心组织评价,达国际领先水平,经济、社会和生态效益显著,应用前景广阔。
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