跨孔地震CT技术在大连地铁五号线岩溶段探测的应用研究

论文摘要

随着经济的发展,地铁已经成为城市交通的重要组成部分,地铁的运营里程逐年大幅增加。我国约有三分之一的地区是岩溶发育地区,常见的岩溶病害有:岩溶洞穴、岩溶洼地、陷落柱,在岩溶发育十分强烈的地区往往还会形成地下暗河。城市岩溶洞穴及地表塌陷的报道屡见不鲜,岩溶这类不良地质体的存在严重危害地面建筑物及人民生命财产的安全。地铁通过区域的地质构造、地层结构、岩溶病害的发育程度等直接影响地铁施工进度及地铁后期运营安全,因此采用精确、效率高的勘探技术查明地铁工区的地层结构,岩溶病害的类型、大小、在空间上的具体位置对于保障线路施工进度,运营安全及人民的生命财产安全有极为重要的意义。常规的物探方法难以满足地铁对岩溶病害的高精度探测,跨孔地震CT技术可以对地铁工区的地层结构进行精确的成像,结合其他地质资料可以对场区岩溶的类型、规模、形态进行准确的预测。本文通过对层析成像理论、数值模拟、应用效果等方面对跨孔地震CT技术进行了系统性研究。重点对充填介质不同的单一溶洞、充填介质不同的串珠状溶洞、不同倾角的岩溶裂隙建立孔间非均匀介质三维模型,利用跨孔地震CT技术正演模拟了不同岩溶类型溶洞并得到相应的射线走时。通过对正演模拟的地震波走时特征加以分析,得到以下结论:地震波的走时会随着岩溶洞穴直径的增加而相应变长;对于充填有不同介质的相同直径溶洞,充填介质的波速与周围完整岩体波速差异越大该类型岩溶特征越容易识别;就单炮记录来看,直径越大的溶洞其走时出现差异道的数量越多,即溶洞直径越大受其影响区域也越大;充填有两种物质的半充填溶洞的地震波走时特征介于全充填溶洞之间;对倾角不同的岩溶裂隙,其走时特征与观测系统的空间排列密切相关;在观测系统选取及测线布置上一定要结合前期的地质资料,尽可能的与走向方向垂直。对孔间地层实测结果进行了分析。利用现场实测跨孔地震CT数据,结合前期数值模拟及地质资料,反演出场区的地层速度结构,划分地层结构及不良地质体的构成情况。根据孔间地震CT剖面图的图像特征,对实测结果中完整灰岩区域、隧道洞身失稳问题、溶洞及岩溶裂隙富水问题、地面塌陷问题、地基不均匀沉降问题进行了总结与分析。此外还从数据采集、观测系统、噪声等方面对跨孔地震CT技术应用效果分析,在今后的工程实践中希望能够减小误差,提升工程预报的精度。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 研究内容
•   1.4 研究方法
•   1.5 技术路线
• 第2章 跨孔地震CT理论基础
•   2.1 地震层析成像基本原理及分类
•   2.2 地震CT基本理论
•     2.2.1 经典Radon变换
•     2.2.2 Huygens原理
•     2.2.3 Fermat原理
•     2.2.4 Snell定律
•     2.2.5 射线追踪层析成像
•   2.3 地震CT技术反演理论
•     2.3.1 代数重建法（ART）
•     2.3.2 联合迭代重建法（SART）
•     2.3.3 LSQR法
•   2.4 本章小结
• 第3章 跨孔地震CT数值模拟
•   3.1 正常地层正演模拟
•     3.1.1 完整灰岩地层模拟
•     3.1.2 正常地层模拟
•   3.2 单一溶洞正演模拟
•     3.2.1 充水溶洞
•     3.2.2 岩溶空洞
•     3.2.3 半充填溶洞
•   3.3 水平串珠状溶洞正演模拟
•     3.3.1 水平串珠状充水溶洞
•     3.3.2 水平串珠状岩溶空洞
•     3.3.3 水平串珠状半充填溶洞
•   3.4 竖直串珠状溶洞正演模拟
•     3.4.1 竖直串珠状充水溶洞
•     3.4.2 竖直串珠状岩溶空洞
•   3.5 岩溶裂隙带正演模拟
•   3.6 本章小结
• 第4章 跨孔地震CT技术实例及效果分析
•   4.1 场区工程概况
•     4.1.1 地质情况
•     4.1.2 地层岩性
•     4.1.3 地质构造
•     4.1.4 主要岩溶类型及岩溶形态
•   4.2 跨孔地震CT实测技术
•     4.2.1 观测系统与数据采集方式
•     4.2.2 仪器及工作参数选择
•     4.2.3 钻孔平面布置图及现场实测
•     4.2.4 数据处理流程及数据分析
•     4.2.5 勘察工作量
•   4.3 跨孔地震CT实测结果分析
•     4.3.1 钻孔揭示岩溶发育特征
•     4.3.2 完整灰岩实测结果与分析
•     4.3.3 洞身失稳实测结果与分析
•     4.3.4 溶洞、溶隙富水实测结果与分析
•     4.3.5 岩溶地面塌陷实测结果与分析
•     4.3.6 地基不均匀沉降实测结果与分析
•     4.3.7 区间岩溶工程地质评价及建议
•   4.4 跨孔地震CT应用效果影响因素分析
•     4.4.1 孔间地震CT技术数据采集
•     4.4.2 仪器设备
•     4.4.3 观测系统
•     4.4.4 地震波的激发与接收
•     4.4.5 噪声的影响
•   4.5 本章小结
• 结论与展望
•   结论
•   展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文及科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张腾飞

导师: 蒋正红

关键词: 跨孔地震,层析成像,地铁岩溶,正演模拟,应用研究

来源: 西南交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地球物理学,矿业工程,铁路运输

单位: 西南交通大学

基金: 大连地铁5号线岩溶发育区段盾构项目

分类号: P631.4;U231.1

DOI: 10.27414/d.cnki.gxnju.2019.002054

总页数: 82

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