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隧道地震超前预报中波场分离与反演方法的数值模拟研究

王朝令  
【摘要】:隧道属于地下建筑工程,施工中常遇到各种不良地质地段,断层、破碎带等隧道地质灾害时有发生,随着我国隧道工程数量、规模不断扩大,深、大、长隧道增加,施工过程中遇到的工程地质、水文地质条件越来越复杂,隧道地质灾害超前探测的理论和实践研究意义重大,其中以隧道地震超前预报方法应用最为广泛,隧道地震超前预报方法以围岩介质的弹性物理性质差异为基础,是地球物理探测方法在隧道、地下井巷、采场等工作面上的运用,通过观测地下物理场的分布及其变化规律来研究工作面前方是否存在地质异常以及地质体赋存状况及规模。 本论文通过弹性力学的本构方程、Cauchy方程和Navier方程三大基本方程,构建了波动方程,通过分析有限元原理,研究了弹性波场的有限元数值模拟方法,分析了弹性动态问题到波场模拟的过程,用ANSYS软件实现了地震波场的2D数值模拟,并将其应用在隧道地震超前预报的数值模拟中开展研究。通过对波场的数值模拟,加深了对其在隧道传播的认识,基于层状地质模型和隧道地震反射法的基本原理,建立多种倾角的模型,采用微分算子、运动积法、τ-p变换、抛物型Radon变换、F-K滤波等波场分离方法对取得数据进行分离;以交错网格差分方法为基础,开展基于基因算法的反演研究。主要认识和创新点如下: (1)实现有限元软件ANSYS模拟隧道地震全波场,并分析了单元类型和网格划分对数值模拟影响、以及粘弹性边界的加载等模拟的关键技术。对于频散效应而言,根据现场岩体速度,当网格划分为1m时,可以很好的消除频散效应;针对边界条件,采用本文所提出的粘弹性边界加载在模型周边,可以有效的消除边界反射效应。 (2)应用ANSYS有限元软件数值模拟了隧道地震波场,分析了TSP系统和隧道多道超前预报(TMS)的波场传播特征。数值模拟结果显示,隧道地震波场是包含P波,S波和面波的多波多分量,以及多方向干扰反射波构成的复杂波场。由于传播速度和方向的差异,采用直线排列观测时,来自预报前方的反射波与其他方向干扰反射波的时距曲线特征是不同的。多波多分量和多方向反射波的地震波场时距关系曲线虽然可出现双曲,直线等多种特征,但由于隧道内观测空间有限,排列都比较短,导致观测到的双曲半径很大,曲率非常小,所以隧道内波场的时距曲线都可近似于直线关系,直线关系的斜率由波场的传播速度和方向确定。 (3)研究和分析了多种地震波场分离方法的基本原理和算法。数值模型应用研究表明:微分算子方法可以分离出纵横波波场,但由于其计算的特点,只适合对于模拟数据进行研究时采用。运动积方法可以很好分离开纵横波波场,但其要求数据比较纯净,因此对于现场数据不是很适用。 (4)线性Radon(τ-p)变换可以很好的分离时距曲线为直线或近似为直线关系的波场,对于隧道前方地层陡倾角变化在90°—45°范围,都可以有效的分离多方向和多波反射事件,提取主要来自掌子面前方的纵波和横波反射剖面。类似的,F-K滤波对于时距曲线为直线或近似为直线关系隧道地震波场分离来说,也是一种比较理想的方法,但由于F-K滤波采用的是扇形滤波区域,其分辨率与数据的频率有关。 (5)由于双曲特征干扰波或横波的高视速度影响,以及横波的强能量影响,纵波分离记录中或多或少残留着这类干扰阴影。而横波由于速度很低,在Radon域中与高视速度干扰波分离较开,故横波分离的效果比纵波好。因此,在后续的处理中,应以分离的横波剖面作为主要的基础资料。 (6)采用交错网格差分方法进行波动方程的数值求解,讨论引入PML边界的条件,并对其频散特性进行分析,比较了有限元方法和交错网格差分方法进行波场数值模拟的差异。相比于有限元方法,尽管交错网格差分方法得到的波场为单波波场,基于其快速的计算特性,将其作为反演的拟合度函数计算的正演是比较适合的。 (7)基于交错网格差分波动方程数值正演方法和具有全局寻优的基因算法,提出了深度(里程)域的一维速度反演算法。分析和讨论了基因反演算法中各个参数对反演结果的影响,取得了最优的反演参数组合。对数值模型进行反演运算,验证了其有效性和准确性。 (8)通过在湘桂铁路衡阳至永州段长达7KM的刘家冲隧道的隧道地震超前预报的实际应用,验证了本文研究的波场分离方法和反演算法的实际可行性和可信性,顺利完成了该隧道的地震超前预报工作,并形成了一套可有效应用于现场的隧道地震超前预报的数据采集和处理系统。


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