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地震波在隧道超前地质预报应用中的研究

作　者: 靳子良
导　师: 周建春；刘桂强
学　校: 华南理工大学
专　业: 建筑与土木工程
关键词: 地震波地质预报有限差分数值模拟 GPT
分类号: P631.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 13次
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内容摘要

隧道在开挖过程中围岩的不确定性对施工安全产生很大的影响,为了降低开挖过程中的风险,减少不良地质灾害对人员和机械设备的破坏,隧道施工中采用超前地质预报技术具有重要意义和实用价值。应用反射地震波进行超前地质预报具有探测距离远、探测精度满足工程需要、对施工过程产生的干扰较小等优点,因此在实际工程中应用较为广泛。由于隧道地震波场较为复杂,地震波难于有效识别与分离,因此不同地震反射波观测方案的探测结果往往存在多解性,从而有必要进一步开展相关预报技术的研究工作。本文针对反射地震波在隧道施工超前地质预报技术进行了研究,主要研究工作和取得的成果如下:(1)在总结目前国内外应用地震反射波原理进行隧道施工超前地质预报技术特点的基础上,根据隧道工程的特点本文研究和采用了一种隧道施工超前地质预报新技术GPT,它通过采用6炮12道多次覆盖和阵列式观测方案,从而改进和完善了现场布线和数据采集方式,针对隧道地震波场和现场探测作业方法进行了正演模拟研究,从而验证了本文方法的合理性和有效性。针对一阶速度-应力横向各向同性弹性地震波动方程,采用空间10阶精度的交错网络差分格式对其进行了数值模拟,根据隧道开挖和掌子面前方情况,论述了隧道地震波场正演模拟中自由边界条件、人工边界条件和弹性边界条件以及其交错网格差分计算格式的实施,编制了MATLAB计算程序,为隧道地震波场正演提供了理论基础和实用计算工具。在此基础上建立了工程中常见的隧道围岩地质模型,并对其进行了正演分析计算,得到了相应的研究结果,从而为本文隧道施工超前预报技术GPT奠定了理论基础。(2)研究了本文采用的阵列式观测方案的地震波动力学和运动学特性,并提出了针对性的数据分析与处理流程。通过采用f-k方向滤波、波速扫描和反射地震波场偏移成像等算法,编制了MATLAB分析程序,验证了相应算法的正确性,从而为改善和提高隧道超前地质预报结果的合理性提供了基础。(3)应用本文方法进行了工程应用研究。通过应用本文的隧道超前地质预报技术GPT,在3座隧道进行了现场试验,通过数据分析和处理,得到了偏移成像结果,通过和现场情况进行对比分析,验证了本文方法的有效性和合理性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-18
  1.1 选题的背景和意义  11-12
  1.2 隧道超前地质预报的发展  12-14
    1.2.1 国外的研究与应用进展  12-13
    1.2.2 国内研究现状  13-14
  1.3 超前地质预报存在的问题与改进  14-16
    1.3.1 隧道介质的物性差异  14
    1.3.2 各种方法存在的问题  14-16
  1.4 本文研究内容  16-18
第二章交错网格有限差分法模拟地震波场  18-50
  2.1 岩石的弹性性质  18-21
  2.2 地震波数值模拟原理  21-22
    2.2.1 有限差分数值模拟的发展  21-22
    2.2.2 有限差分格式推导  22
  2.3 交错网格的推导过程  22-25
    2.3.1 差分格式  22-25
  2.4 边界条件的确定  25-30
    2.4.1 自由边界条件的确定  25-26
    2.4.2 人工边界条件  26-30
  2.5 震源函数  30-31
  2.6 数值模拟中的稳定性和频散探讨  31-33
    2.6.1 数值稳定性  31
    2.6.2 数值模拟的频散  31-33
  2.7 交错网格算法模拟流程  33
  2.8 数值模拟  33-46
    2.8.1 查看吸收边界吸收效果和频散现象  33-34
    2.8.2 考虑隧道开挖空间波传播的形式  34-37
    2.8.3 两层介质中地震波的传播  37-39
    2.8.4 岩溶段地震波的传播  39-42
    2.8.5 断层地段地震波的传播  42-45
    2.8.6 隧道内地震波场数值模拟特点  45-46
  2.9 地震记录的采集  46-49
    2.9.1 均匀介质中地震记录的采集  46-47
    2.9.2 两层介质中地震记录的采集  47-48
    2.9.3 岩溶段的地震记录的采集  48-49
  2.10 本章小结  49-50
第三章地震波的基本原理和数据处理  50-68
  3.1 地震波的形成与类型  50-51
    3.1.1 地震波的形成  50
    3.1.2 地震波的类型  50-51
  3.2 地震波的运动学特征  51-58
    3.2.1 波前、波尾、波面及射线  51-52
    3.2.2 时距曲线  52
    3.2.3 视速度  52-53
    3.2.4 地震波的原理  53
    3.2.5 地震波在分界面上的传播  53-58
  3.3 地震波的动力学特征  58-60
    3.3.1 波形  58
    3.3.2 频谱  58-59
    3.3.3 振幅  59-60
  3.4 围岩波速分布的确定  60
  3.5 三维波场的方向滤波  60-66
    3.5.1 地震波的频率-波数滤波技术  61-62
    3.5.2 基于隧道内情况设计滤波器  62-63
    3.5.3 f-k 方向滤波程序设计和应用效果  63-66
  3.6 地震反射波超前地质预报资料处理流程  66-67
  3.7 本章小结  67-68
第四章隧道超前地质预报偏移算法  68-82
  4.1 地震波波速及其影响因素  68-70
    4.1.1 地震波的影响因素  68-69
    4.1.2 纵横波的速度  69-70
  4.2 速度的判断准则和几个速度概念  70-72
    4.2.1 速度分析确定的判别准则  70-71
    4.2.2 几种不同的速度概念  71-72
  4.3 超前地质预报  72-73
  4.4 偏移原理及分类  73-80
    4.4.1 偏移的原理和目的  73-75
    4.4.2 克希霍夫偏移  75-80
  4.5 地震资料的解释  80-81
    4.5.1 地震资料解释的依据  80
    4.5.2 不良地质体的地球物理特征  80-81
  4.6 本章小结  81-82
第五章 GPT 超前地质预报技术及其应用  82-90
  5.1 GPT 硬件介绍  82-83
  5.2 GPT 野外操作工序及步骤  83-85
  5.3 工程应用  85-89
    5.3.1 GPT 技术在桃园一号隧道中的应用  85-86
    5.3.2 GPT 技术在马留山隧道中的应用  86-87
    5.3.3 GPT 技术在中山顶隧道中的应用  87-89
  5.4 本章小结  89-90
结论与展望  90-92
  研究结论  90
  展望  90-92
参考文献  92-95
攻读硕士学位期间取得的研究成果  95-96
致谢  96-97

地震波在隧道超前地质预报应用中的研究

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