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隧道不良地质体地震与地质雷达正演偏移数值模拟及物探信号处理研究

曾知法  
【摘要】:隧道超前地质预报到现在已有几十年的发展历史,出现了多种物探方法,有反射地震波类(如TSP、HSP、陆地声纳)、电磁波类(如地质雷达)、感应电磁法(如瞬变电磁法)。隧道超前地质预报总体取得了长足的发展,但是也出现不少漏报、误报的事件。由此可见,隧道超前地质预报在如何提高预报准确性方面还需要进一步的研究。通过数值模拟技术进一步加深对相关物探方法的正确认识以及进行相应的物探信号处理分析研究是进一步提高隧道超前地质预报准确性的主要研究手段。本文进行了与隧道超前预报相关的地震、地质雷达正演模拟和相应的物探信号分析以及数据处理方法研究。 在前人的研究基础上,较详细地阐述了地震反射波的频率-波速(f-k)正演与偏移处理方法的原理和计算步骤,通过自主编程(C语言)实现了该方法的正演与偏移处理计算程序,并进行了简单和复杂模型的正演模拟和偏移处理。通过正演模拟和偏移处理证明该种方法计算速度快、稳定性好,能适用于横向均有一定速度变化的地震模型模拟,且偏移的结果波场归位好、成像清晰,并对正演模拟结果进行了相应的理论分析,从中看出含水空洞和干空洞的纵波相位具有很大相似性,以此进一步从原理上说明地震波对地下水的不敏感性。 本文对地质雷达的基本原理做了较为详细的阐述,分析了其理论结果的实际工程运用价值。在前人的基础上,重新推导出有限差分的电磁波模拟正演计算算法。通过自主编程(C语言)实现地质雷达的正演模拟计算程序。该程序能进行包含介电常数、电导率、磁导率等多个电磁参数综合作用的任意不规则模型的正演模拟,且能交互式地输出多种指定数据。用该程序进行了电磁波传播特征模拟和剖面正演模拟,得到直观的电磁波传播规律图和在隧道开挖复杂地质模型中的正演传播图像以及多种隧道典型不良地质体的正演结果,并对正演结果进行了分析总结。 结合理论分析、正演模拟结论和实际典型例子分析总结了地质雷达数据的物探信号的分析参数和判断依据。其主要认识有: ①反射波相位特征:地质雷达反射的相位是对不良地质体定性判断的准确参数。如对含水的高介电常数介质会出现负相位特征,空洞的低介电常数介质会有相反的正相位特征; ②反射波能量大小:反射波能量强弱是对不良地质体变化大小定量判断依据。但是受采集时候的仪器的增益处理影响其反射系数难以复原,使用时只能是参考判断不能准确计算; ③反射波形态特征:反射波同相轴形态基本能反应不良地质体的形态,但是受速度变化影响以及部分点状或者尖灭反射体的绕射波影响,其形态会出现畸变和模糊,需进一步做成像处理; ④反射波频率:反射波在遇到含水等高电导率介质时候会出现低频现象。这是遇水特征的典型判断依据。 常用处理方法得到剖面解译需要注意以下方面: ①含水破碎带宽度的解释误差:由于电磁波常规处理软件是匀速处理,因而使得含水破碎带的宽度变大,解译时要做适当的缩短。 ②电导率影响:由于实际岩体尤其是含水软弱岩体中电导率较高,不能简化为高阻岩体,按常规解译精简公式解释。高含水岩体的高电导率会使后面电磁波的能量快速衰减,出现反射波平静假区。需要综合分析和模拟分析判断。 最后引入地震的F-K偏移方法对地质雷达正演结果进行偏移成像处理。通过地质雷达数据做一定的时刻换算,再用f-k方法偏移成像处理,使结果能消除绕射和速度不均影响,其偏移成像结果能准确恢复原始反射体形态。


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