基于瑞利面波椭圆极化特征的隧道超前地质预报技术研究

论文摘要

在我国目前的隧道建设中,深埋长大隧道的占比越来越大,复杂多变的地质情况和不可预测的地质灾害都给隧道的修建带来了不小的困难,受到常规的地质勘察技术的限制,在隧道设计阶段不能对隧址区进行详细的勘察,因此在隧道建设过程中,隧道超前地质预报技术作为一种地质勘察技术的补充,对隧道的安全施工有重要的意义。本文通过研究隧道地震波场中瑞利面波的椭圆极化特征,开展隧道面波预报技术研究,通过数值模拟和现场试验两个方法开展相关研究,总共进行了以下几个方面的工作:(1)基于有限元软件ANSYS,开展隧道地震波场的三维模拟,通过比较,选择合适的单元类型、网格尺寸和频散的关系,以及分析边界对模拟结果的影响。通过模拟表明当网格划分设置为0.5米时,可以消除频散效应带来的影响,粘弹性边界可以三维计算中很好的吸收边界反射。(2)进行面波全波场数值模拟研究。选取均匀介质模型、低速带模型和空洞模型三种模型进行全波场的数值模拟,从中提取地震时间记录和时间切片,拟合出不同模型的椭圆轨迹和长短轴曲线,分别对瑞利面波在均匀介质、低速带、空洞三种情况下产生的椭圆极化特征进行比对分析。(3)现场锤击试验研究。基于实际隧道中采集的单点低频三分量地震记录,拟合其椭圆轨迹图和长短轴曲线,分析瑞利面波的椭圆极化特征,反演出掌子面前方的地质结构,并与TSP和地质雷达的解译结果进行比对,验证隧道面波预报技术的可行性和可靠性。本文的研究成果表明,建立单点激发单点接收的观测系统,就可以利用瑞利面波的椭圆极化特征进行隧道地质超前预报工作,拓宽了瑞利面波在隧道工程中的应用范围,还为目前的隧道超前地质预报技术提出了一种新的思路,对于该学科的理论完善以及技术的发展都有积极的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 选题的依据及研究意义
•   1.2 常见的隧道工程地质灾害
•     1.2.1 断层破碎带
•     1.2.2 岩溶
•     1.2.3 其他地质灾害
•   1.3 隧道超前地质预报方法
•     1.3.1 TSP技术
•     1.3.2 HSP技术
•     1.3.3 负视速度法
•     1.3.4 TRT系统
•     1.3.5 TST技术
•   1.4 瑞利面波椭圆极化特征国内外研究现状
•   1.5 瑞利面波在隧道超前地质预报中的实现
•   1.6 本文主要研究内容及技术路线
•     1.6.1 主要研究内容
•     1.6.2 创新性
• 第二章 隧道地震波的基本理论
•   2.1 地震波基本理论
•     2.1.1 地震波的分类
•     2.1.2 地震波的波动理论
•     2.1.3 纵波与横波的波动方程
•     2.1.4 非均匀介质的波动方程
•     2.1.5 两个重要的原理
•   2.2 瑞利面波基本理论
•     2.2.1 瑞利面波的波动方程
•     2.2.2 瑞利面波质点运动椭圆极化特征
•   2.3 小结
• 第三章 隧道瑞利面波数值模拟方法研究
•   3.1 地震波场数值分析方法理论
•   3.2 隧道瑞利面波波场数值模拟模型
•     3.2.1 震源设置
•     3.2.2 单元选择
•     3.2.3 网格划分
•   3.3 地震波场模拟的边界条件
•     3.3.1 法向条件
•     3.3.2 切向条件
•     3.3.3 粘弹性人工边界的加载
•   3.4 小结
• 第四章 隧道瑞利面波数值模拟及特征分析
•   4.1 均匀介质模型的波场快照和时间记录分析
•     4.1.1 数值模拟模型
•     4.1.2 波场快照及地震波时间记录分析
•   4.2 低速带模型的波长快照和时间记录分析
•     4.2.1 数值模拟模型
•     4.2.2 波场快照及地震波时间记录分析
•   4.3 空洞模型的波长快照和时间记录分析
•     4.3.1 数值模拟模型
•     4.3.2 波场快照及地震波时间记录分析
•   4.4 隧道掌子面瑞利面波椭圆极化特征分析
•     4.4.1 瑞利面波椭圆极化轨迹
•     4.4.2 瑞利面波长短轴比值表及曲线
•   4.5 小结
• 第五章 工程实例
•   5.1 工程概况及现场数据采集
•     5.1.1 工程地质概况
•     5.1.2 现场数据采集
•   5.2 地震波数据处理
•     5.2.1 现场试验数据的椭圆拟合轨迹
•     5.2.2 现场试验数据的长短轴比值
•   5.3 小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈章

导师: 王朝令,张志键

关键词: 隧道超前地质预报,瑞利面波,数值模拟,波场快照,椭圆极化

来源: 四川农业大学

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,公路与水路运输

单位: 四川农业大学

基金: 国家自然科学基金项目《基于瑞利面波椭圆极化特征的隧道面波波场试验和模拟研究》(51508358)

分类号: U452.11;P631.4

DOI: 10.27345/d.cnki.gsnyu.2019.000577

总页数: 95

文件大小: 4795K

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