隧道前方不良地质体复杂地震波场数值模拟研究

论文摘要

隧道工程是一项高风险的隐蔽工程,地质灾害常常伴随着隧道的施工发生,隧道前方的不良地质体(如断层、软弱破碎带、节理密集带、岩溶、瓦斯、地下水等)常常引发各种安全事故,故在施工期对掌子面前方的不良地质体进行预测、预报就显得尤为重要。但目前国内在隧道超前预报中总体水平还处于发展之中,预报的准确性和可靠性还有待提高,需要进一步改进和完善。实际方法应用中,地震反射波法在隧道超前预报使用较为广泛,占有较大比重,且地震波场异常复杂且相互叠加,难以有效的识别和分离,因此本文对隧道地震反射波法从理论上进行了初步的研究和探讨。使用多种可视化软件编制了适用于各种不良地质体(断层破碎带、软弱夹层和岩溶)的隧道波场正演模拟程序,模拟了隧道前方不良地质体的复杂地震波场特征,总结出了地震波在隧道中的传播规律,对地震反射法的实际应用提供一定的理论指导。本论文首先简要介绍了目前国内外隧道超前预报和地震波数值模拟研究的现状以及各种预报方法及其原理和各自的优缺点。其次对地震波的理论基础和有限元方法基础做了简单的介绍。第三部分采用雷克子波模拟震源,讨论了二维加载方式震源在炮检互换情况下地震波场的区别。第四部分模拟了隧道前方存在断层和岩溶等典型不良地质体时地震波场的传播规律,获取了相应模型不同时刻的波场快照和地震合成记录,总结了隧道地震波场的传播规律,加深对隧道波场的认识,为隧道反射波探测的反演解释提供理论指导。同时讨论了关于地震波分辨率的问题,通过多种不同尺寸的模型,验证了关于地震波水平分辨率和纵向分辨率的理论,加深了对第一菲涅尔带理论的理解。通过提取隧道波场快照和地震波合成记录以及波场分离对隧道前方多种不良地质体的复杂波场特证进行讨论分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 超前地质预报研究现状
• 1.2.2 隧道地震波场特征数值模拟研究的现状
• 1.3 论文的主要内容与技术路线
• 1.3.1 论文的研究内容
• 1.3.2 论文的技术路线
• 1.3.3 论文的主要研究成果
• 第2章 基本理论准备
• 2.1 引言
• 2.2 弹性理论
• 2.3 地震波基础理论
• 2.3.1 地震波的波动方程
• 2.3.2 地震波的分类和特点
• 2.3.3 地震波传播的基本理论
• 2.4 地震波反射法资料的采集
• 2.4.1 隧道内地震波的数据采集
• 2.4.2 地震地质条件
• 2.4.5 地震波的分辨率
• 2.4.6 隧道超前预报观测的资料处理
• 2.5 有限元数值模拟技术
• 2.5.1 数值模拟技术简介
• 2.5.2 有限元数值模拟方法
• 2.5.3 有限元数值模拟方法的优点
• 2.5.4 常见模型边界条件及其特点
• 2.5.5 有限元数值模拟步骤
• 第3章 数值模拟震源的研究
• 3.1 引言
• 3.2 震源模型基本假定
• 3.3 选择分析类型和选项
• 3.3.1 单元类型的选择
• 3.3.2 单元网格大小的确定
• 3.3.3 阻尼选项的设置
• 3.3.4 震源模型中的积分时间步长
• 3.3.5 震源模型采样时窗的确定
• 3.4 震源模型施加时间历程载荷的确定
• 3.5 数值模型建模
• 3.5.1 炮检互换理论分析
• 3.5.2 二维加载方式震源地震波场数值模拟
• 第4章 隧道前方典型不良地质体复杂地震波场的分析
• 4.1 引言
• 4.1.2 选择分析类型和选项
• 4.1.3 确定初始条件和边界条件
• 4.1.4 施加时间历程载荷和求解
• 4.1.5 反射观测系统
• 4.2 隧道前方竖直断层模型波场数值模拟
• 4.2.1 竖直界面的反射波理论分析
• 4.2.2 竖直断层的反射波理论分析
• 4.2.3 竖直断层模型的建立
• 4.2.4 数值模拟数据结果
• 4.3 隧道前方倾斜断层模型波场数值模拟
• 4.3.1 倾斜界面的反射波理论分析
• 4.3.2 倾斜断层的反射波理论分析
• 4.3.3 倾斜断层模型的建立
• 4.3.4 数值模拟数据结果
• 4.4 隧道前方楔形体模型波场数值模拟
• 4.4.1 隧道前方楔形体断层模型
• 4.4.2 数值模拟数据结果
• 4.5 隧道前方岩溶模型波场数值模拟
• 4.5.1 岩溶反射波理论基础
• 4.5.2 隧道内岩溶模型的建立
• 4.5.3 岩溶反射波观测系统分析
• 4.6 地震波反射法在实际工程中的应用
• 4.6.1 工程概况
• 4.6.2 地震波反射法的应用
• 4.7 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果