（地球探测与信息技术专业论文）深埋隧道中地震波场特征的数值模拟研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 蔓曼曼皇曼曼曼曼! 曼曼皇曼曼曼蔓曼i 葛曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼皇曼曼曼皇寡曼曼! 曼曼皇曼皇曼曼! 曼曼曼曼舅曼皇曼曼皇曼寰! 曼曼! 曼曼曼曼曼寰! 穹曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇寰 摘要 在隧道施工中经常出现预料不到的地质灾害，如塌方、软弱破碎带、节理发育围岩、 断层、高应力、冒顶、涌水、涌泥( 沙) 、泥石流、高瓦斯、强地震带和高低温等问题， 故在施工期进行超前地质预报就显得尤为重要。 本论文首先介绍了国内外常用的隧道超前预报的方法及其原理，各种方法的优缺 点，国内在隧道超前预报中的实际应用可以看出，实践已经向前走了很大一步，总体 水平还处于发展之中，不完全成熟，需要进一步改进和完善，预报的准确性和可靠性 还有待提高。实际方法应用中，基于地震反射波法的隧道超前预报占有较大比重，这 就要求在理论上对隧道地震反射波法进行研究。本文采用有限元数值模拟软件模拟深 埋隧道中地震波场特征，从在理论上对基于反射地震的地质超前预报提供指导。本文 采用雷克子波模拟震源，讨论了一维加载方式震源和二维加载方式震源对地震波场的 影响，得出二维震源加载方式模拟水平位移和竖直位移的方向性很强，启巨量分布均匀， 合成位移基本上呈半球状在地下均匀半空间传播。 利用二维震源加载方式模拟隧道中边墙放炮和掌子面放炮两种观测方式的隧道波 场特征，边墙放炮中的沿隧道边墙产生的面波遇到掌子面转化成横波、转换横波遇到 断层界面反射回掌子面时转化成面波沿隧道边墙传播。隧道掌子面放炮特点，隧道掌 子面放炮的隧道波场特征比较简单，可以比较清晰的判别前方反射界面的位置。掌子 面放炮隧道模型分析中，纵波反射占优，横波在弹性界面处大部分能量发生透射；通 过两种地震记录的分析可以看出，实际应用中应该加强多波多分量地震信号采集，加 强多波多分量地震记录对比，从而有效判别各种波，正演模拟是了解弹性波场的有效 方法，可以根据实际情况建立隧道地质模型，利用有限元法进行正演模拟计算，以了 解不同反射界面的特征，为偏移距的选择和后续的数据处理提供指导。本文通过隧道 波场快照和合成地震记录两种方式对隧道的波场特证进行分析。 关键词：震源模拟；隧道地质超前预报；数值模拟 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t i nt u n n e l c o n s t r u c t i o no f t e nu n e x p e c t e dg e o l o g i c a ld i s a s t e r ss u c ha sl a n d s l i d e s ，w e a k f r a c t u r ez o n e s ，d e v e l o p m e n to fr o c kj o i n t s ，f a u l t s ，h i g hs t r e s s ，r o o ff a l l ，c h u n g ，c h u n gs o i l ( s a n d ) ，d e b r i sf l o w , h i g hg a s ，h i g hs e i s m i cz o n ea n dh i 曲l o wt e m p e r a t u r ea n ds oo n ，s ot h e c o n s t r u c t i o no ft h eg e o l o g i c a lp r e d i c t i o ni sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ed o m e s t i ca n df o r e i g nc o l n l i l o nm e t h o do ft u n n e la d v a n c e f o r e c a s ta n di t sp r i n c i p l e s ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f e a c hm e t h o d ，t h ed o m e s t i ci nt h e t u n n e la h e a do ft h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fp r e d i c t i o nc a nb es e e ni np r a c t i c eh a sb e e na g r e a ts t e pf o r w a r d ，t h eo v e r a l ll e v e lo fs t i l lu n d e rd e v e l o p m e n t ，n o tf u l l ym a t u r ea n dn e e d f u r t h e ri m p r o v e m e n ta n dr e f i n e m e n t ，t h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo fp r e d i c t i o nt ob e i m p r o v e d a p p l i c a t i o no fp r a c t i c a lm e t h o d s ，b a s e do ns e i s m i cr e f l e c t i o nw a v em e t h o d a c c o u n tf o ral a r g ep r o p o r t i o no ft h et u n n e la h e a do ff o r e c a s t ，w h i c hr e q u i r e sat h e o r e t i c a l t u n n e ls t u d yo fs e i s m i cr e f l e c t i o nw a v em e t h o d t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r et o s i m u l a t et h ed e e pt u n n e li nt h es e i s m i cw a v ef i e l d ，f r o mt h et h e o r yb a s e do ns e i s m i cd a t at o p r o v i d eg u i d a n c eg e o l o g i c a lp r e d i c t i o n i nt h i sp a p e r , l e i k ez iw a v es i m u l a t i o ns o u r c e ，t o d i s c u s saw a yo fv e g ac o n t a i n st h es o u r c ea n dt w o d i m e n s i o n a lm o d el o a d i n gs o u r c eo nt h e i m p a c to fs e i s m i c w a v ef i e l d ，o b t a i n e dt w o - d i m e n s i o n a ls o u r c e l o a d i n gt o s i m u l a t e h o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n to ft h ed i r e c t i o no fs t r o n ge n e r g yd i s t r i b u t i o n ，s y n t h e t i c d i s p l a c e m e n tw a se s s e n t i a l l yu n i f o r mh e m i s p h e r i c a lh a l f - s p a c ep r o p a g a t i o ni nt h eg r o u n d s i m u l a t et w o d i m e n s i o n a ls o u r c el o a d i n gt u n n e lw a l lb l a s t i n ga n dt u n n e lf a c eb l a s t i n gt w o o b s e r v a t i o nm e t h o d so fw a v ef i e l dc h a r a c t e r i s t i c so ft h et u n n e l ，a l o n gt h es i d ew a l lb l a s t i n g i nt h et u n n e lw a l ls u r f a c ew a v e sg e n e r a t e db yw a v ef a c ei n t ot h ew o r k i n gf a c e ，c o n v e r t e d s h e a rw a v er e f l e c t e db a c ki n t e r f a c ef a u l te n c o u n t e r e dw h e nw o r k i n gf a c ei n t ot h es u r f a c e w a v ep r o p a g a t i o na l o n gt h et u n n e lw a l l c h a r a c t e r i s t i c so ft u n n e lf a c eb l a s t i n g ，b l a s t i n g t u n n e lf a c ew a v ef i e l dc h a r a c t e r i s t i c so ft h et u n n e li sr e l a t i v e l ys i m p l e ，c a l ld i s t i n g u i s hm o r e c l e a r l yr e f l e c t e di nf r o n to ft h el o c a t i o no ft h ei n t e r f a c e t u n n e lf a c eb l a s t i n gt u n n e lm o d e l a n a l y s i s ，t h ep - w a v er e f l e c t i o nd o m i n a t e d ，m o s to ft h ei n t e r f a c ei nt h ee l a s t i cw a v ee n e r g y t r a n s m i s s i o no c c u r s ；b yt h ea n a l y s i so ft h es e i s m i cr e c o r ds h o w st h a tp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s s h o u l ds t r e n g t h e nt h em u l t i - w a v em u l t i c o m p o n e n ts e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o n , t os t r e n g t h e n m u l t i - c o m p a r i s o no fm u l t i c o m p o n e n ts e i s m i cw a v er e c o r d st od e t e r m i n ee f f i c i e n t l yt h e v a r i o u sw a v e s ，f o r w a r dm o d e l i n gi st ou n d e r s t a n dt h ee l a s t i cw a v ef i e l do ft h ee f f e c t i v ew a y t ob u i l dt h et u n n e la c c o r d i n gt ot h eg e o l o g i c a lm o d e lo ft h ea c t u a ls i t u a t i o n , u s i n gt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o df o r w a r dm o d e l i n gc a l c u l a t i o n st ou n d e r s t a n dt h ed i f f e r e n tr e f l e c t i o n i n t e r f a c ef e a t u r e s ，f o rt h eo f f s e ts e l e c t i o na n ds u b s e q u e n td a t ap r o c e s s i n gt op r o v i d e g u i d a n c e t h r o u g ht h et u n n e lo fs n a p s h o t sa n ds y n t h e t i cs e i s m o g r a m sa r et w ow a y so ft h e t u n n e lw i t hc h a r a c t e r i s t i cw a v ef i e l da n a l y s i s k e yw o r d s ：s o u r c em o d e l i n g ；t u n n e lg e o l o g i c a lp r e d i c t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密目，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名，矗孔影 指导老师签名： 日期：0 力卜f 日期： 手。 舀巾 圹t d 人 )缸a 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作如下： 1 球对称爆炸震源是地下爆炸的主要震源机制，本文通过研究一维二维震源加载 方式对波场数值模拟的影响，得出二维震源加载方式能够很好的反应地下爆炸的主要 震源机制： 2 通过隧道边墙放炮和隧道掌子面放炮隧道有限元数值模型分析，模拟二维震源 加载方式在隧道开挖前方存在地质非均匀体条件下波场特征，运用m a t l a b 软件对计 算结果实现隧道中的波场快照提取，通过波场快照从运动学角度分析隧道内地震波场 传播规律； 3 隧道边墙放炮和隧道掌子面放炮两种观测系统的数值模拟：模拟二维震源加载 方式在隧道开挖前方存在地质非均匀体条件下，激励的隧道全空间的波场特征；通过 波场地震记录研究纵( p ) 波横( s ) 波面( r ) 波在隧道中的传播规律； 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 ，幻 y 兹一 稼 沸 签 知 榭 函 舌再巧 划 潲 渤 日 位擎 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 自上世纪末以来，深埋长大隧道由于具有在通过复杂地质地形条件，缩短空间距离， 跨江、海连接，已及相对小的环境影响等方面具有不可替代的作用，在高速铁路、公 路等现代交通网络的发展，大型水利水电设施建设，深部矿产资源开采等重要国民经 济领域中得到了迅速的发展。据规划，中国在2 1 世纪前2 0 年要建设6 0 0 0 k m 隧道，其 中许多是长大和深埋隧道。跨度大、断面大、埋深大将是2 1 世纪我国隧道工程发展的 总趋势。 深埋长大隧道工程是一项高投入、高风险的地下隐蔽工程。由于深部地下地质情况 的复杂性，模糊性和不确定性，使隧道施工作业处于遭遇硬岩岩爆，软岩大变形，高 压涌突水，高地温及瓦斯突出等工程地质灾害，导致人员伤亡，掘进设备损失，工期 延长，引发重大工程事故的风险之中。尽管在隧道建设的勘察阶段，都会利用区域地 质资料，地表工程地质和水文地质调查、钻井等方法对隧道通过区域内的地下工程地 质条件进行详细勘测；多种地表勘探地球物理方法，如地震、折射方法、电法、音频 大地电磁测深等方法也己成为隧道深部地质勘测的主要手段。但对于通常是通过复杂 地质、地形地貌条件的深埋长大隧道来讲，由于勘探深度，分辨率和地形等因素影响， 地表地质、地球物理调查完全不能满足深埋长大隧道施工对工程地质信息实时、准确 的需要。自上世纪末以来，在深埋长大隧道施工中，在隧道中应用工程、地质、地球 物理调查手段，实时的预测隧道掘进前方的地质工程条件，以避免可能遭遇的重大工 程地质灾害，或对其事先设计应对措施的一隧道超前地质预报技术正是为适应这种需 要而迅速发展起来的m2 3 1 。 因此研究隧道地质超前预报技术，尤其是可进行中长距离探测的地震技术以其具有 的不可替代的优势。为了解决上述复杂工程地质情况，有效的判识隧道中可能存在的 破碎带等地质灾害区域，有必要重新认识隧道中地震波场的特征，以便根据地震资料 和地质资料对隧道前方可能存在的地质灾害区域进行有效判识。而隧道中的地震波场 数值模拟方法，用以帮助认识地震波在不同地质情况下的隧道中的传播规律，制定有 效的采集、处理、和解释方案。 地震波场的数值就是在假定已知地下介质结构模型和相应物理参数的情况下，模拟 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 曼曼曼曼皇曼鼍i ii ；i |i l 曼曼曼皇曼曼! 曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼! ! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼舅曼皇曼曼曼曼曼皇曼! ! 曼苎曼曼皇鼍 地震波在地下各种介质中的传播规律，并计算在地面或地下各观测点所应观测到的 数值地震记录的一种地震模拟方法。该方法已在石油地震勘探和天然地震领域中得 到广泛的应用，它一方面可以为地震数据采集、处理、解释提供理论依据，评估方法 的科学性、可行性和先进性；另一方面可以用来检验各种解释成果的可信性，以及各 种反演算法的正确性和可靠性。工程地震勘探中也应该加强针对工程地质问题建立相 应的介质模型，探索工程地震勘探中的地震波场规律【4 】。 本课题拟采用有限元数值模拟方法研究采用雷克子波模拟激振震源作用下的深埋 隧道全波场特征的研究。国内对隧道全波场的理论研究还比较少，探索隧道全波场传 播规律将有利于对隧道波场传播规律有一个更加深刻的理解。在工程上，指导隧道超 前预报数据的现场采集和后期资料解释，更加科学地指导工程实践。 1 2 隧道地震波场特征数值模拟研究的现状 1 2 1 国外研究现状 s a t t e le ta 1 ( 1 9 9 2 ，1 9 9 6 ) 提出了隧道内的地震调查技术，并在此基础上，开发了 基于反射原理的商用t s p ( t u n n e ls e i s m i cp r e d i c t i o n ) 隧道地震预报技术和设备。该技术 主要利用隧道内的小药量主动源爆破激励的掌子面前方的地层反射波【5 】。i n a z a k ie ta 1 ( 1 9 9 9 ) 发展了应用于隧道超前预报中的水平地震剖面( h s p ，h o r i z o n t a ls e i s m i c p r o f i l e ) ，类以于石油勘探中垂直地震剖面( v s p ) 技术【6 1 。a s h i d ae ta 1 ( 1 9 9 8 ) 提出 了基于反射波的隧道超前精确成像方法【7 1 。 在隧道建设中，p e t r o n i o 和p o l e t t o 等( 2 0 0 0 ，2 0 0 2 ) 人也正是基于石油工业中的随 钻地震技术的思路和理论，研究了利用t b m 掘进施工中的震动噪声作为震源的隧道随 钻地震方法( t s w d t u n n e ls e i s m i cw h i l ed r i l l i n g ) 的应用可行性和噪声震源的波场特 征。a s h i d a ( 2 0 0 1 ) 发表了利用钻爆和t b m 施工中的震动噪声作为震源的在硬岩隧道 中的类似实验结果。他们的结果表明，t b m 掘进机破岩的震动噪声是一宽带的p 波和 s 波震源，其最大传播距离可达7 0 0 m ，并且相比于石油工业中的随钻地震技术，隧道 随钻地震技术在采集t b m 噪声震源的参考信号时，由于t b m 掘进刀盘的宽大空间， 传感器更易耦合。p e t r o n i o 等人( 2 0 0 7 ) 在一通过上侏罗系白云岩地层，长度为9 5 0 m 的隧道中，在利用t b m 掘进噪声作为震源地震方法试验中，在地震剖面上识别出了掘 进前方存在的断层反射波，并为后期的地质构造检测验证。此外，试验获得的隧道已 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 开挖岩层的连续p 波和s 波的层速度，被用于计算隧道围岩弹性模量，为支护提供信 息3 1 。 t s p 2 0 3 ( t u n n e ls e i s m i cp r e d i c t i o n ) 超前地质预报系统， 基于地震波反射原理的 超前地质预报系统，由瑞士安伯格测量技术公司专门为隧道和地下工程超前地质预报 研制开发的目前世界上物探方面最为先进的地质预报设备。它具有使用范围广、探测 时间短、对隧道施工干扰小、探测、解译距离远、分辨率高的优点。既可用于极软岩 层，也可用于极硬岩层的地质超前预报。预报距离长，能够预报开挖掌子面前方1 0 0 - 2 0 0 m 范围内的地质状况。与其它反射地震波方法一样，t s p 2 0 3 采用了回声测量原理。 地震波在指定的震源点( 通常在隧道的左边墙或右边墙，大约2 4 个炮点布成一条直 线) 用小药量激发产生。地震波在岩石中以球面波形式传播。当地震波遇到岩石物性 界面( 即波阻抗差异界面，例如断层、岩石破碎带和岩性变化等时，一部分地震信号 反射回来，一部分信号折射进入前方介质，直至震动波能量全部被吸收。反射的地 震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。反射信号的旅行时间和反射界面的距离成正 比，故而能提供一种直接的测量【1 4 1 。 水平地震剖面法( h s p ) 的观测方式与负视速度法略有不同，激发点和接收点布置在 隧道两侧在隧道的一个侧壁上规则设置检波点，另一侧壁上规则布置炮点，接收掌子 面前方的反射信号，从而确定前方不良地质体的位置。资料处理过程与负视速度法基 本相同，将反射记录按规律重排，读取反射波走时数据，计算反射界面位置。与负视 速度法相比，水平剖面法的观测系统的横向展布较大，有利于提高速度分析和定位的 精度。有一定的直观性，能确定主要反射界面，对于复杂地质条件的多反射界面处理 较困难缺乏商业化软件，在西南铁路系统中有一定应用，在台湾和日本有一些应用实 例。水平剖面法的观测系统由一个三分量检波器承担数据采集工作，检波器埋入隧道 侧壁岩体中1 1 5m ，炮点设于隧道同侧边墙岩体内，等间距排列，与接收点在一条平 行隧道走向的直线上，观测方式与我国的“负视速度法”的观测方式基本相刚1 5 】。 n 玎技术的全称是t r u er e f l e c t i o nt o m o g r a p h y ，意为“真正的反射层析成像”，是 由美国n s a 工程公司在上世纪末本世纪初开发的，在欧洲、亚洲开始应用。t r t 技术 的突出特点是在观测方式实现了空间观测资料处理方法上采用地震偏移成像。检波器 和激发炮点布置在隧道两侧和掌子面上，最大限度地扩展横向展布，以充分获得空间 波场信息，提高波速分析和不良地质体的定位精度，较t s p 和负视速度法有明显的改 进。t i 玎技术在欧洲隧道超前预报中有成功地应用，如b l i s a d o n a 隧道、奥地利的过阿 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 尔卑斯山的铁路双线隧道等，预报长度可达1 0 0 1 5 0m ，在软弱土层和破碎岩体地段也 可预报6 0 9 0m t l 6 】。 隧道地质超前预报的实际应用较早，虽然技术在不断更新，应用效果也较之前有很 大的改进，但是实际应用方法还存在一定局限性。这就要求加强在隧道超前预报方面 的理论研究，以指导隧道地质超前预报系统的实际应用。 地震勘探在石油领域发展较成熟，波场数值模拟技术一直是地震勘探领域的一项重 要的研究内容，近2 0 多年的s e g 年会均有大量的有关数值模拟的文章发表，在各国 政府和油公司的资助下，一些著名的大学和科研院所设有项目组，专门开展数值模拟 技术研究，特别是复杂介质条件下的波场数值模拟研究，j z l ：l - 科罗拉多矿业学院、斯 坦福大学、汉堡大学、d e l t t 科技大学等。 在隧道波场有限元数值模拟中，t h m a sb o h l e n ，u l r i c hl o r a n g 等人( 2 0 0 7 ) 基于三维 隧道有限元的数值模拟发现瑞雷面波与剪切波在隧道掌子面相互转换，该文指出传统 的隧道超前预报是基于p 波，s 波的反射原理实现隧道地质朝前预报的，通过三维有 限元数值模拟发现，在施工震源作用下沿隧道壁传播的r 波在遇到掌子面时会转换成 s 波继续向前传播，转换的s 波能量要强于震源直接形成的p ，s 波，遇到地质不均匀 体发生反射，在掌子面转换成瑞利面波( r 波) 。转换成的瑞利面波能量较传统反射回 来的p ，s 波要强的多，信号的信噪比较高。此过程称为r s s r ，并且已经在g o t t h a r db a s e t u n n e l 中采集r s s r 波【17 1 。 1 2 2 国内研究现状 隧道超前预报的在国内实际应用方法介绍： 隧道地质超前预报方法利用岩土介质的导电性差异的预报方法有高密度电法，瞬变 电磁法，主要是针对隧道含水层的判别有很好的应用效果。 高密度电法利用人工供电产生电场，通过对电场分布的测量研究地下电阻率的分 布，根据视电阻率的分布推断地质构造与含水地段。这种勘测技术对地质构造和围岩 含水性十分敏感在传统的工程勘探领域中高密度电法的勘探深度通常在1 0 0 m 之内， 很少超过2 0 0 m 。而在隧道超前预报中要求的探测深度要大得多。这就要求对高密度电 法仪器进行改造，仪器的电极数量增多、供电电压提高。目前在隧道超前预报中采用 的高密度电法供电电压达到1 1 0 0 v ，电极数增加到2 5 0 个，在接地条件较好的地区勘 探深度可达到4 0 0 5 0 0 m ，能解决大部分隧道构造和含水性的预报问题【1 5 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 曼i ii i_ii i i i 曼曼曼曼 瞬变电磁原为金属矿勘查的常用方法，它不使用接地电极，使用供电线圈在地下岩 体中产生磁场，通过断续变化供电电流和它的磁场，在岩体中感应涡流和二次电磁场。 接收二磁场的强度和随时间的变化，研究岩体电导率的分布。岩体导电性强二次场强 度大，岩体导电性差二次场弱。早期的二次场反映浅部岩体的导电性，晚期的二次场 反映深部岩体的导电性。瞬变电磁因为不使用接地电极，适合表层为高阻地区勘探， 勘测深度可达千米，对高导体分布比较敏感，因而可用于隧道含水性的预报。瞬变电 磁用于隧道内掌子面的地质超前预报已有了一些试验，采用小线圈大电流，取得了地 定效果，但采用的接收线圈自感、互感较大，近场特性需要改进【”】。 与基于电性差异的地质超前预报相比，利用地震反射波法的地质超前系统的探测距 离较长，可达1 5 0 m 左右。近年来，国内地震反射波法的隧道地质超前超前预报的应用 越来越广泛。 负视速度法是由我国铁道系统在上世纪9 0 年代初开始研发的反射地震隧道超前预 报方法，曾昭璜等有关隧道地震反射法超前预报方面的研究成果具有代表性。近年来 何振起等人也发表了类似的工作成果该方法的观测是在隧道一个侧壁打孔布置检波器 和炮点，检波器和炮点在一条平行隧道轴的直线上，利用直达波速估计前方围岩的波 速，利用反射波走时曲线与直达波走时曲线的交点推测前方构造界面的位置。其观测 与分析方法与地震测井的垂直剖面方法有很多相似之处，所以有时也称“垂直剖面法”。 对于前方规模较大的不良地质体可做出预报。数据处理是利用反射波走时确定反射界 面位置，处理主要反射界面，缺乏商业化软件，目前仅局限于铁路系统少数单位使用【1 8 】。 陆地声纳法和相关测试仪器是我国钟世航教授自行研发具有自主知识产权的技术， 陆地声纳法是“陆上极小偏移距高频弹性波反射连续剖面法”的简称，可在狭小的场地 里，探查岩溶等有限物体，也称为高密度地震反射或地震映像法。陆地声纳法的原理 及特点如下： ( 1 ) 在隧道掌子面上设测量剖面，剖面上每3 0 锄左右设一测点，用锤击方式激 发弹性波，向掌子面前方传播，当遇到断层、大节理、岩层分界面、岩脉、涌水层、 溶洞等产生反射。在激震点旁设检波器接收被测物体的反射波，检波器用黄油与岩面 耦合。通过接收仪器将单个测点的时间曲线接成时间剖面图像，根据同相轴和频谱解 释圈定出这些不良地质。根据锤击波在不同介质中的波速v 和传播时间t 可计算出反射 点到测点的距离h - - v t 2 。为确定反射体的空间位置，通常布置水平和铅垂的两条测线。 ( 2 ) 本方法用锤激震源以及检波器和仪器结合，可激发和接收从1 0 40 0 0 h z 的波， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 然后可通过分窗口带通滤波提取不同频段的反射波。高频段的反射波可反映薄层和大 节理等和小溶洞。低频段的反射波可反映较大的断层、较厚的岩脉、岩层和大溶洞。 通过对不同频段反射图像对比，可以分辨不同的不良地质体。 ( 3 ) 作为极小偏移距( 震检距) 的方法，反射波是续至波，故可避开直达波、声波、 面波的干扰，而且不仅可探查断层等近似平面型的物体，还可探查溶洞等有限大小地 质体；由于全信息的采集，还可根据频谱测出断层影响破碎带的范围。 ( 4 ) 由于在激震点旁接收，激震能量效率高，用锤击激发可探测到1 5 0m 以上。 每次现场采集只需3 5 人，在现场只占有3 0 - 4 5m i n ( 为预报准确，一般预报l o o m ) 。 ( 5 ) 通过硬件和软件的配合，使接收到的每一反射体的反射波仅有1 个周期。这 样，就提高了分辨率，可以反映l m 大小的物体，甚至可以对可能导致坍方、掉块的大 节理、破碎带和o 5m 大小的溶洞有明显的反映。 ( 6 ) 弹性波法在探测掌子面前方含水情况时，常利用纵波和横波在不同介质中的 传播特性来进行预测。由于陆地声纳法目前还不能很好的从采集数据中分离出横波， 故其在判断掌子面前方含水情况时存在有一定的局限。 ( 7 ) 强调地质与物探的结合。物探工作开始前充分掌握必需的地质资料，工作过 程中地质手段与物探密切结合，资料分析时综合地质与地球物理信息，最后给出地质 结论。 李万万，裴正林在井间地震弹性波传播特征数值模拟采用弹性波方程数值模拟 和z o e p p r i t z 方程解相结合的方式，研究了井间地震固一固界面上以及低速和高速夹层 中弹性波场特征及传播规律。给出了井间地震弹性波的主要类型，其中包含一种特殊 面波，该面波由激发井和接收井内的地层界面处产生的二次源形成，并说明了反射波 以广角反射占优势；利用正演模拟记录对广角反射现象进行了分析，得出了在临界角 处广角反射波的振幅、相位突变，极性反转，这与反射系数变为复数相对应：提出利 用临界反射波特征和临界反射点位置来确定地层速度。震源在高速夹层中激发时，其 中传播的弹性波场简单；而在低速夹层中，则弹性波场非常复杂。低速夹层中的导波 存在明显的频散现象，其振幅和频率与低速层的速度和厚度密切相关。提出利用导波 可以确定低速层的横向变化和连通性【2 们。 通过以上我国国内的在隧道超前预报中的实际应用可以看出现在实践已经向前走 了很大一步，目前国内隧道地质超前预报研究的总体水平还处于发展之中，不完全成 熟，需要进一步改进和完善，预报的准确性和可靠性还有待提高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 实际方法应用中，基于地震反射波法的隧道超前预报占有较大比重，这就要求在理 论上对地震反射波法进行研究。与国外的勘探地球物理学家们相同，国内的勘探地球 物理学家们也很重视波场数值模拟技术研究，并基本保持与国外同步发展的水平，如： 同济大学、成都理工大学、吉林大学、石油大学、南京石油物探研究所等 4 】。 基于地震反射波法的隧道超前预报的实际应用在国内开展比较多，也取得了一定的 效果，但是国内缺少应用数值模拟方法探索隧道全波场的理论研究。在现阶段，尤其 要注重从理论上对地震反射波法在隧道超前预报中的实际应用进行分析，探索隧道中 的地震波场特征，更好的指导基于地震反射波法的隧道超前预报的实际应用。 1 3 论文的主要内容与技术路线 1 3 1 论文的主要内容 第一章对隧道超前预报技术的国内外研究现状、本文研究目的及其意义进行了介 绍： 第二章介绍了地震波的基础理论； 第三章研究了有限元数值模拟中震源的一维加载方式和二维加载方式对地震波场 数值模拟的影响； 第四章利用第三章的震源研究的结论，采用二维震源加载方式，针对常见的隧道观 测系统，设计了隧道中存在垂直断层的介质模型下，掌子面激发震源和隧道边墙激发 震源的两种观测排列的研究，探索隧道中的地震波的传播规律。 1 3 2 论文的技术路线 遵循t h m a sb o h l e n ，u l r i c hl o r a n g 等人基于三维隧道有限元的数值模拟发现瑞雷面 波与剪切波在隧道掌子面相互转换这一思路，采用t h m a sb o h l e n ，u l r i c hl o r a n g 等人【1 7 】 的物理介质参数，震源采用雷克子波进行加载，通过a n s y s 软件建立震源模型，分别 采用一维震源加载方式和二维震源加载方式进行加载，计算结果通过m a t l a b 软件编 程处理，分别以波场快照和合成地震记录两种方式对两种震源加载方式进行研究分析。 然后利用二维震源加载方式的优越性，模拟边墙放炮和掌子面放炮两种观测系统下 的隧道波场特征，计算结果通过m a t l a b 软件编程处理，分别以波场快照和合成地震 记录两种方式对隧道地震波场特征进行研究分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 3 3 论文的主要研究成果 鉴于以上分析，本文计算时采用整体有限元方法，根据研究问题的实际情况将体系 简化为平面模型，在边界设置粘弹性局部人工边界，对体系进行时域内弹性数值分析。 通过本文的分析、研究，探索深埋隧道中地震波场特征的基本规律，从理论上为隧道 超前预报技术提供参考性依据。 本课题在参考国内外已有的成果的基础上，进行了以下的研究工作： 地震波场数值模拟，应用有限元数值模拟方法，基于建立的地震地质数值模型进行 以下波场模拟研究： ( 1 ) 利用雷克子波作为震源函数，雷克子波的主峰对应反射层位研究自由波场数 值模拟中一维震源加载方式与二维震源加载方式对波场特征的影响； ( 2 ) 通过隧道边墙放炮和隧道掌子面放炮隧道有限元数值模型分析，模拟二维震 源加载方式在隧道开挖前方存在地质非均匀体条件下波场特征，运用m a t l a b 软件对 计算结果实现隧道中的波场快照提取，通过波场快照从运动学角度分析隧道内地震波 场传播规律； ( 3 ) 隧道边墙放炮和隧道掌子面放炮两种观测系统的数值模拟；模拟二维震源加 载方式在隧道开挖前方存在地质非均匀体条件下，激励的隧道全空间的波场特征；通 过波场地震记录研究纵( p ) 波、横( s ) 波、面( r ) 波在隧道中的传播规律； 总之，深埋隧道中地震波场特征的数值模拟研究探索隧道中地震波场传播规律，在 传统的解析法无法求解的情况下可以通过数值模拟对传播规律进行研究分析。虽然本 次地质模型较简单，相信以后对基于地震反射的隧道超前预报应用到复杂地质情况的 分析研究都会有其实用意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 引言 第2 章基本理论准备 本章弹性理论部分简单介绍了弹性理论的研究内容以及在隧道超前预报中根据实 际的隧道中大部分的工作区域都是沉积比较稳定的沉积层地区，可以将勘探目的体近 似看成弹性介质，从而可以将一些弹性理论引进到地震波的研究中来。 地震波基本理论部分首先介绍了地震波的波动方程，通过地震波的波动方程式的研 究得出纵横波的波动方程；地震波的传播的基本理论中的惠更斯菲列涅尔原理给 出了地震波传播的空间几何位置，以及波到该位置的物理状态；绕射积分原理指出空 间任意一点的波场就是所有绕射子波的积分和；费马原理解决波的传播路径问题。弹 性分界面上的地震波给出了地震波在弹性分界面上的传播满足斯奈尔定理。地震波的 形成、分类和特点介绍了几种常见地震波及其特征；地震波的频率和振幅介绍了地震 波的频谱及其分析、地震波的频谱特征和地震波的振幅及其衰减规律；反射地震资料 的采集部分包括地震波的激发、地震地质条件和有效波和干扰波的区分。本章最后部 分介绍了有限元方法及有限元分析步骤、动力有限元方程推导及求解。 2 2 弹性理论 弹性理论是固体力学的一个分支。它研究弹性体由于荷载作用而引起的内力状态和 变形规律。任何固体介质在外力的作用下，其内部质点的相互位置会发生变化，使得 介质的形状或大小产生变化，当外力取掉后，物体能迅速恢复到受力前的形态和大小， 物体的这种性质称为弹性，反之，若外力取掉后，物体任保持形变后的某种形态，不 能恢复原状，则说该物体具有塑形。自然界中大部分物体，在外力作用下，则可以显 示出弹性，也可以显示出塑形，这取决于介质的物理性质以及外力的大小和作用的持 续时间的长短。当外力作用较小且作用持续时间短时，大部分介质都可以近似看作为 弹性介质【2 l 】。 在隧道超前预报中，采用的是小剂量炸药激发地震波，相对于掌子面前方几十米乃 至几百米的勘探目的层来说，勘探目的层所受的外力很小且作用时间短，因此勘探目 的体可以近似看成是完全弹性体【2 2 】。 在弹性理论的研究中，根据介质的不同特征可分为各相同性和各相异性两类。凡是 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 弹性性质和空间方向无关的称之为各相同性介质；反之，则为各相异性介质。在隧道 超前预报中，大部分的工作区域都是沉积比较稳定的沉积层地区，可以看做是具有各 相同性的性质。正因为勘察对象可以看成理想的各相同性弹性介质，从而可以将一些 弹性理论引进到地震波的研究中来 2 3 】。 2 3 地震波基本理论 地震波是实际地球介质中传播的扰动。实际地质介质中无论从构成它的岩石成分的 性质来说，还是从它的空间分布结构来说都是十分复杂的。作为科学研究的一般方法， 总是由简到繁，由易到难地逐步深入的进行讨论。为此，有必要使复杂的实际地质介 质简化成理想的物理模型，不失其一般性。即从实际介质的特征出发，在不同的条件 下建立不同的地震地质模型，使问题简化【2 4 1 。 在浅层地震勘探中主要是研究人工激发的地震波在岩、土介质中的传播规律，以探 测浅层地层和构造的分布，或测定岩、土的力学参数特征等。而实际地球介质无论是 从构成它的成分的性质，还是从它的空间分布结构来说都是复杂的，所以为了研究方 便，通常把岩、土介质看成是各项同性的弹性介质。 2 3 1 地震波的波动方程 在不同的介质模型中，地震波传播有不同的规律，各种不同的传播规律需要不同的 传播方程描述。一般介质模型越复杂，其描述地震波传播的方程越复杂。通常研究地 震波的传播问题是由简单介质到复杂介质模型，均匀各相同性、理想弹性介质是一种 最简单的介质模型【2 5 1 。 在均匀、各向同性、理想的固体弹性介质中，弹性波的波动方程为： p 雾2 ( 狮) 删9 + 印乏坩 ( 2 - 1 ) 式中： 材一在，作用下质点的位移向量； f 一力向量； 秒一体变系数，矽= d i v u ； 俨一拉普拉斯算子，v 2 = 导+ 嘉+ 等。c c o z 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 如果位移向量“在墨y ，z 三个坐标轴的分量为“，v ，w ；力向量f 在三个坐标轴的分 量为x ，】，z ，那么公式( 2 1 ) 还可以用分量形式表示为： a 2 云 p 丽2 a 2 云 p 雨。 0 2 u p 万2 五+ 五+ t 旯+ g r a d 臼+ v 2 “+ p x g r a d8 + 闪+ p y g r a d e 七瀑+ p z ( 2 2 ) 对式( 2 1 ) 两边取散度( d i v ) ，由于 d i v g r a d 乡= v 2 口 因此，式( 2 1 ) 变为 p 可# 2 0 = ( 五+ ) v 2 矽+ u v 2 8 + p 坊v = ( 五+ 2 ) v 2 9 + p 祈 整理得： 一0 2 0 一2 + 2 1v 2 0 ：挑 o t 2 p ( 2 3 ) 同样，式( 2 1 ) 两边分别取旋度，甜，i 由t r o t g r a d0 = 0 ，则( 2 1 ) 式变为 p 丽0 2 r o t u = 捅2 r o i + 面 令6 0 。r o t “，将上式整理得： p 可0 2 0 3 一f f p - v 2 缈= p 删 ( 2 4 ) 式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 右边分别为d i v f 和r o t f ，根据物理场论的分析，它们分别表 示两种不同性质的力。d i v f 表示一种胀缩力，r o t f 表示一种旋转力。式( 2 - 4 ) 描述 的是在旋转外力作用下，介质产生由