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《国防科学技术大学》 2010年
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基于弹性波的地下管线水平导向钻随钻探测理论与技术研究

徐慧峰  
【摘要】:水平导向钻是当前非开挖市政建设的主要设备之一。由于其施工过程是“不可见”的,必须准确探测施工区附近的地下管线,否则会带来很大的施工风险。本文针对当前地下管线探测方法在规避施工风险方面存在的问题,在国家电网公司重大基础研究项目的资助下,应用弹性波探测原理,开展地下管线水平导向钻随钻探测理论与技术的研究,通过在钻头处安装探测设备,随钻同步探测施工轨迹附近的掩埋管线或障碍物的分布状况,这对促进水平导向钻安全施工和城市地下管线的规范化管理具有重要意义。本文主要研究工作及结论如下: 1、分析当前城市地下管线探测技术的现状及不足,结合水平导向钻施工工艺和管线探测工艺,应用弹性波探测原理,提出了基于弹性波的水平导向钻随钻探测方案。 2、根据随钻探测的环境条件和工作特点,建立了随钻探测土介质中有限时长力源边界激发的弹性波圆柱散射模型,并针对其特殊边界条件造成的求解困难,采用波函数展开法和Graf加法定理,分析求解单根管线探测目标弹性波的分布模式和传播规律。研究发现,在径向力源激励和近距离探测条件下,接收信号中纵波和横波并存,信号幅值受土介质与目标管线的阻抗匹配程度、目标管线几何参数等的制约。研究结果为开展随钻弹性波探测提供了理论依据。 3、针对地下现存管线分布复杂、类型很多,探测系统数学模型难以得到解析解的问题,采用有限元方法建立了地下管线随钻探测系统的有限时长力源激发的弹性波散射数值分析模型。从弹性波传播特性和接收信号特征两个方面对其进行了正演分析,明确了弹性波能量场分布的方向性、复杂管线条件下弹性波的传播特征及接收信号的频谱特性。研究结果对随钻探测系统探测能力分析及探测信号的分析判读具有重要的指导意义。 4、针对探测波场接收信号易混叠而采用求解系统脉冲响应序列提高判读性所带来的病态特征问题,研究了对病态问题的规整化解决方法—L1模解卷积方法和基于粒子群优化的Bayes解卷积方法,比较了两种方法解算效果以及计算效率,结果表明两种方法宜结合使用,互补地应用于探测系统的在线解算和离线分析。同时,针对随钻探测弹性波圆周扫描探测的特点,提出了时延补偿聚焦成像技术,提高了管线探测系统对探测目标的判读能力。 5、根据随钻探测工作环境决定的系统结构设计要求,以及系统小型化、实时性的要求,设计和开发了水平导向钻随钻弹性波探测试验系统,并进行了工程试验测试。通过试验,验证了本文提出的理论分析模型、探测信号分析及成像算法的正确性和可行性,同时也表明了所研制的试验系统能有效探测水平导向钻施工路径附近近距离管线以及其它障碍物。 总之,本文针对水平导向钻规避施工风险的问题,基于弹性波理论,提出了一种新颖的地下管线随钻探测方法。对其探测原理进行了深入分析,归纳总结了随钻探测弹性波传播规律,提出了适用于随钻探测系统的信号解卷积方法和探测波场成像技术,并设计开发了一套水平导向钻随钻探测试验系统。基于弹性波的地下管线水平导向钻随钻探测是一项具有挑战性的值得研究的创新技术,具有重要的技术推广和工程实际应用价值。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TU990.3

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