隧道地震超前預(yù)報(bào)中波場分離與反演方法的數(shù)值模擬研究.pdf

1、隧道屬于地下建筑工程，施工中常遇到各種不良地質(zhì)地段，斷層、破碎帶等隧道地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，隨著我國隧道工程數(shù)量、規(guī)模不斷擴(kuò)大，深、大、長隧道增加，施工過程中遇到的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，隧道地質(zhì)災(zāi)害超前探測的理論和實(shí)踐研究意義重大，其中以隧道地震超前預(yù)報(bào)方法應(yīng)用最為廣泛，隧道地震超前預(yù)報(bào)方法以圍巖介質(zhì)的彈性物理性質(zhì)差異為基礎(chǔ)，是地球物理探測方法在隧道、地下井巷、采場等工作面上的運(yùn)用，通過觀測地下物理場的分布及其變化規(guī)律來研究工作

2、面前方是否存在地質(zhì)異常以及地質(zhì)體賦存狀況及規(guī)模。
　　本論文通過彈性力學(xué)的本構(gòu)方程、Cauchy方程和Navier方程三大基本方程，構(gòu)建了波動(dòng)方程，通過分析有限元原理，研究了彈性波場的有限元數(shù)值模擬方法，分析了彈性動(dòng)態(tài)問題到波場模擬的過程，用ANSYS軟件實(shí)現(xiàn)了地震波場的2D數(shù)值模擬，并將其應(yīng)用在隧道地震超前預(yù)報(bào)的數(shù)值模擬中開展研究。通過對(duì)波場的數(shù)值模擬，加深了對(duì)其在隧道傳播的認(rèn)識(shí)，基于層狀地質(zhì)模型和隧道地震反射法的基本原理，建立

3、多種傾角的模型，采用微分算子、運(yùn)動(dòng)積法、τ-p變換、拋物型Radon變換、F-K濾波等波場分離方法對(duì)取得數(shù)據(jù)進(jìn)行分離；以交錯(cuò)網(wǎng)格差分方法為基礎(chǔ)，開展基于基因算法的反演研究。主要認(rèn)識(shí)和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　(1)實(shí)現(xiàn)有限元軟件ANSYS模擬隧道地震全波場，并分析了單元類型和網(wǎng)格劃分對(duì)數(shù)值模擬影響、以及粘彈性邊界的加載等模擬的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于頻散效應(yīng)而言，根據(jù)現(xiàn)場巖體速度，當(dāng)網(wǎng)格劃分為1m時(shí)，可以很好的消除頻散效應(yīng)；針對(duì)邊界條件，采用本文所

4、提出的粘彈性邊界加載在模型周邊，可以有效的消除邊界反射效應(yīng)。
　　(2)應(yīng)用ANSYS有限元軟件數(shù)值模擬了隧道地震波場，分析了TSP系統(tǒng)和隧道多道超前預(yù)報(bào)(TMS)的波場傳播特征。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，隧道地震波場是包含P波，S波和面波的多波多分量，以及多方向干擾反射波構(gòu)成的復(fù)雜波場。由于傳播速度和方向的差異，采用直線排列觀測時(shí)，來自預(yù)報(bào)前方的反射波與其他方向干擾反射波的時(shí)距曲線特征是不同的。多波多分量和多方向反射波的地震波場時(shí)距關(guān)系

5、曲線雖然可出現(xiàn)雙曲，直線等多種特征，但由于隧道內(nèi)觀測空間有限，排列都比較短，導(dǎo)致觀測到的雙曲半徑很大，曲率非常小，所以隧道內(nèi)波場的時(shí)距曲線都可近似于直線關(guān)系，直線關(guān)系的斜率由波場的傳播速度和方向確定。
　　(3)研究和分析了多種地震波場分離方法的基本原理和算法。數(shù)值模型應(yīng)用研究表明：微分算子方法可以分離出縱橫波波場，但由于其計(jì)算的特點(diǎn)，只適合對(duì)于模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行研究時(shí)采用。運(yùn)動(dòng)積方法可以很好分離開縱橫波波場，但其要求數(shù)據(jù)比較純凈，因此

6、對(duì)于現(xiàn)場數(shù)據(jù)不是很適用。
　　(4)線性Radon(τ-p)變換可以很好的分離時(shí)距曲線為直線或近似為直線關(guān)系的波場，對(duì)于隧道前方地層陡傾角變化在90'-55'范圍，都可以有效的分離多方向和多波反射事件，提取主要來自掌子面前方的縱波和橫波反射剖面。類似的，F(xiàn)-K濾波對(duì)于時(shí)距曲線為直線或近似為直線關(guān)系隧道地震波場分離來說，也是一種比較理想的方法，但由于F-K濾波采用的是扇形濾波區(qū)域，其分辨率與數(shù)據(jù)的頻率有關(guān)。
　　(5)由于雙曲

7、特征干擾波或橫波的高視速度影響，以及橫波的強(qiáng)能量影響，縱波分離記錄中或多或少殘留著這類干擾陰影。而橫波由于速度很低，在Radon域中與高視速度干擾波分離較開，故橫波分離的效果比縱波好。因此，在后續(xù)的處理中，應(yīng)以分離的橫波剖面作為主要的基礎(chǔ)資料。
　　(6)采用交錯(cuò)網(wǎng)格差分方法進(jìn)行波動(dòng)方程的數(shù)值求解，討論引入PML邊界的條件，并對(duì)其頻散特性進(jìn)行分析，比較了有限元方法和交錯(cuò)網(wǎng)格差分方法進(jìn)行波場數(shù)值模擬的差異。相比于有限元方法，盡管交錯(cuò)

8、網(wǎng)格差分方法得到的波場為單波波場，基于其快速的計(jì)算特性，將其作為反演的擬合度函數(shù)計(jì)算的正演是比較適合的。
　　(7)基于交錯(cuò)網(wǎng)格差分波動(dòng)方程數(shù)值正演方法和具有全局尋優(yōu)的基因算法，提出了深度(里程)域的一維速度反演算法。分析和討論了基因反演算法中各個(gè)參數(shù)對(duì)反演結(jié)果的影響，取得了最優(yōu)的反演參數(shù)組合。對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行反演運(yùn)算，驗(yàn)證了其有效性和準(zhǔn)確性。
　　(8)通過在湘桂鐵路衡陽至永州段長達(dá)7KM的劉家沖隧道的隧道地震超前預(yù)報(bào)的實(shí)際