岩体结构三维几何特征的钻孔雷达探测与非流形拓扑描述

The limite of the survey on exploring and drilling makes it difficult to accurately measure and describe the geometric characteristics of rock structure in the three-dimensional, resulting in the rock structure with lack of precise measurements does not match with the mechanical model with strict theory. This is the bottleneck of rock mechanics applications in underground engineering. This project uses borehole radar technology to probe the three-dimensional geometric characteristics of rock strcture, researchs the borehole radar technology based on the characteristics of radar images for recognizing the three-dimensional geometric characteristics of rock strcture by combining model test, field trial and FDTD numerical simulation. Secondly, according to the result of probing and it's accuracy, the model is proposed that the shape and size of probed structural plane is described by oval plate and the shape and size of random structural plane is described by Poisson disc plate. Based on this model, it is researched that the semi- determined and semi-random concept model of rock structure and it's description in non-manifold. Lastly, it is researched that the method on simulating the networks of rock mass structural plane and mathematically describing the index of rock structure. The above project has very important scientific significance and the engineering value to promote the research method and technical means of comprehensively describing rock structure.

地表揭露与常规钻孔勘察的局限性使得很难对岩体结构三维几何特征进行准确测量与精细描述，从而导致缺乏精确量测的岩体结构与理论严密的力学模型之间相互脱节，这是目前地下工程中岩体力学应用的瓶颈。本项目首先借助于钻孔雷达技术，作为探测岩体结构几何特征的技术手段，采用模型试验、现场试验与FDTD数值模拟相结合，研究复杂岩体结构三维几何特征的钻孔雷达探测、雷达图谱特征及其解译识别技术；其次，鉴于探测成果及其客观精度，提出以椭圆盘来描述探测得到结构面的形状与大小，以Poisson圆盘来描述随机结构面的形状与大小，研究基于探测成果的半确定、半随机岩体结构概念模型及其非流形拓扑描述；最后，基于上述模型，综合胞腔复形、复杂网络理论、三维纹理分析等非流形拓扑、图论及随机过程理论，研究岩体结构面网络模拟方法及岩体结构描述指标的数学表征。上述研究对提升岩体结构精细描述的技术手段与研究方法具有重要的科学意义与工程价值。

地表揭露与常规钻孔勘察的局限性使得很难对岩体结构三维几何特征进行准确测量与精细描述，从而导致缺乏精确量测的岩体结构与理论严密的力学模型之间相互脱节，这是目前地下工程中岩体力学应用的瓶颈。本项目开展了4方面研究：（1）开展了基于GRP的岩体结构精细定量化解译方法研究，通过建立面状破碎体的雷达图谱与实际空间产状的几何特征映射关系，实现对岩体结构面产状解译；分析岩体中空穴的形状、孔径、填充介质、距离、外物干扰下雷达特征图谱，提出空穴位置与孔径的解译计算方法；（2）开展了基于超前地质解译的岩体分类评级修正方法研究，建立了VRQD围岩岩体结构的评价指标体系与计算方法，提出VRQD的修正指标MVRQD及其计算方法；（3）开展基于岩体分级修正的岩质隧道塌方风险评估方法研究，基于粗糙集理论，运用模糊层次综合评判法评估岩体分级修正的风险，建立塌方风险模糊层次评估模型；（4）开展了基于胞腔复形（链）统一数据模型的岩体结构三维建模、块体全空间搜索与分析方法研究，建立基于胞腔复形（链）的岩体结构的几何建模、属性定义与力学表达统一数据模型，提出了基于统一数据模型的岩体结构描述的层次结构与拓扑关系表征方法，实现了基于胞腔复形（链）的岩体结构面三维网络模拟方法，建立了基于胞腔复形（链）与欧拉算子的全空间块体拓扑搜索方法，实现了基于统一数据模型的空间块体表达、有限性与可动性判别、关键块体判定与稳定性分析方法。上述研究对提升岩体结构精细描述的技术手段与研究方法具有重要的科学意义与工程价值。