隧道地震超前預報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)災害時有發(fā)生，隨著我國隧道工程數(shù)量、規(guī)模不斷擴大，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)條件越來越復雜，隧道地質(zhì)災害超前探測的理論和實踐研究意義重大，其中以隧道地震超前預報方法應用最為廣泛，隧道地震超前預報方法以圍巖介質(zhì)的彈性物理性質(zhì)差異為基礎，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的本構方程、Cauchy方程和Navier方程三大基本方程，構建了波動方程，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，分析了彈性動態(tài)問題到波場模擬的過程，用ANSYS軟件實現(xiàn)了地震波場的2D數(shù)值模擬，并將其應用在隧道地震超前預報的數(shù)值模擬中開展研究。通過對波場的數(shù)值模擬，加深了對其在隧道傳播的認識，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、運動積法、τ-p變換、拋物型Radon變換、F-K濾波等波場分離方法對取得數(shù)據(jù)進行分離；以交錯網(wǎng)格差分方法為基礎，開展基于基因算法的反演研究。主要認識和創(chuàng)新點如下：
　　(1)實現(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)格劃分對數(shù)值模擬影響、以及粘彈性邊界的加載等模擬的關鍵技術。對于頻散效應而言，根據(jù)現(xiàn)場巖體速度，當網(wǎng)格劃分為1m時，可以很好的消除頻散效應；針對邊界條件，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。
　　(2)應用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)和隧道多道超前預報(TMS)的波場傳播特征。數(shù)值模擬結果顯示，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成的復雜波場。由于傳播速度和方向的差異，采用直線排列觀測時，來自預報前方的反射波與其他方向干擾反射波的時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距關系

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)波場的時距曲線都可近似于直線關系，直線關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，但由于其計算的特點，只適合對于模擬數(shù)據(jù)進行研究時采用。運動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距曲線為直線或近似為直線關系的波場，對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濾波對于時距曲線為直線或近似為直線關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。
　　(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，應以分離的橫波剖面作為主要的基礎資料。
　　(6)采用交錯網(wǎng)格差分方法進行波動方程的數(shù)值求解，討論引入PML邊界的條件，并對其頻散特性進行分析，比較了有限元方法和交錯網(wǎng)格差分方法進行波場數(shù)值模擬的差異。相比于有限元方法，盡管交錯

8、網(wǎng)格差分方法得到的波場為單波波場，基于其快速的計算特性，將其作為反演的擬合度函數(shù)計算的正演是比較適合的。
　　(7)基于交錯網(wǎng)格差分波動方程數(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參數(shù)對反演結果的影響，取得了最優(yōu)的反演參數(shù)組合。對數(shù)值模型進行反演運算，驗證了其有效性和準確性。
　　(8)通過在湘桂鐵路衡陽至永州段長達7KM的劉家沖隧道的隧道地震超前預報的實際