TSP断层模型数值模拟

隧道在施工开挖中会遇到各种地质问题,其中以断层和软弱带居多,目前隧道地质预报主要采用TSP(tunnel seismic prediction)系统进行。虽然TSP技术应用广泛,但目前对它的研究工作主要集中于工程应用实例,采用正演模拟方法进行的研究较少。笔者采用有限元方法模拟隧道地震波场,采用波场快照与时间记录相结合的方法研究断层对隧道地震波场传播的影响,并对含断层模型的时间记录进行了反演处理,得到了数值模型的速度云图和反射层位图。数据处理结果表明:采用TSP Win软件默认值处理得到的速度云图与模型设定的断层位置一致;根据反射层位图,对异常速度带的层状模型来说,P波预报的准确性更高。研究表明,TSP系统具有良好的抗噪性能。通过对工程实例的处理,验证了数值模拟所得结论。     

TTI介质拟声波方程数值模拟

TTI介质qP波数值模拟方法因为考虑了倾角因素,可以比VTI介质qP波数值模拟方法更加准确地描述各向异性介质中地震波场的传播规律。文中用拟声波方程对TTI介质中的地震波场进行了高阶有限差分数值模拟,在改进衰减函数分布方式后,通过坐标变换,利用改进的完全匹配层(perfectly matched layer,PML)边界控制方程对波场边界进行吸收处理,取得了良好的效果;然后分析了拟声波方程数值模拟中的稳定性问题,并对波场中的伪横波进行压制。通过对不同模型的数值模拟,验证了文中使用的TTI介质拟声波波动方程的稳定性以及所采用的PML边界控制方程的可靠性和适用性。     

隧道地震预报波场的有限元数值模拟

在勘探地球物理领域中,能快速、有效地数值模拟2D和3D的地震全波场,包括同时模拟P波、S波、面波多分量波场特征的软件并不是很多;但在结构力学领域中,已有多种成熟的多波多分量有限元数值模拟大型商用软件用于求解弹性本构方程,如ANSYS,PLAXIS等。从方程结构来看,弹性本构方程与完全弹性波动方程相比,只多一项对时间的一阶微分项--阻尼项。因此,调整合理的介质参数--Rayleigh系数,令阻尼项近似为0,弹性本构方程就蜕化为完全弹性波动方程。隧道地震波场是在岩体中传播,具有弹性参数较好、无常规地震勘探中覆盖层等低速带干扰等的优点,采用ANSYS软件对隧道地震波场进行数值模拟,研究了频散、阻尼与吸收边界等数值模拟的相关技术。针对介质吸收,比较了数值模拟中有无阻尼的时间记录和波场快照,对隧道地震预报来说,将阻尼系数设定为0是一种合理的假设;比较了实例中不同网格长度与频散的关系,当网格长度小于波长的1/π倍时,才能消除频散;通过由波方程的推导,引入了黏弹性边界条件,通过实例计算证明它可以有效地吸收边界反射;最后对隧道地震预报进行了实例计算,算例表明采用ANSYS软件可以有效地模拟隧道复杂地质条件下全波场的激发传播过程。     

沪昆高速铁路朱砂堡1~#隧道超前地质预报方法研究

沪昆高速铁路朱砂堡1~#隧道不良地质问题及特殊岩土分布较多,特别是岩溶问题较为突出。为保证隧道施工安全,结合掌子面地质素描分析结果,分别采用地质雷达探测法、地震波预报技术(TSP)及红外探测法对朱砂堡1~#隧道开展超前地质预报工作。对比分析结果表明,三种预报方法对砂堡1~#隧道超前预报中准确性高低依次为:红外探测地质雷达TSP,但TSP的适用范围更为广泛;通过结合两种或两种以上预报方法进行预测,朱砂堡1~#隧道预报的成功率基本达到100%,开挖过程中没有发生一起围岩坍塌或突水突泥事件,取得了良好的预报效果,保障了隧道施工和工作人员的安全。     

高瓦斯隧道穿越煤系地层段TSP法超前探测

地震波反射法(TSP法)因兼具探测距离远和分辨率高的特点,在隧道超前地质预报中得到广泛应用。但是一直以来TSP法在高瓦斯隧道煤系地层段的应用相对较少,处于被弱化的位置。这里首先分析了影响TSP法在煤系地层段实施的因素,然后提出相应的对策提高TSP法在煤系地层实施的高效性,最后结合同一高瓦斯工区的两个典型案例,对比分析地震波波速、泊松比和弹性模量等物理力学参数的变化规律,探讨地震波相关参数异常和煤层分布范围的对应关系。结果表明,地震波低速异常区和高泊松比特征可判释厚煤层的大致分布范围,TSP法对煤层的有效探测,能为超前钻孔验证提供重点靶区,对隧道施工掘进创造有利条件。     

TGP隧道地震波预报系统与技术

隧道工程是铁路、公路和水利水电等大型工程项目中的重要部分,因地质条件不明造成隧道施工事故的危害是巨大的,加强隧道施工地质超前预报工作是非常必要的。国内外对隧道地震波超前预报技术研究已多年,笔者就这方面的现状及及问题进行了讨论,指出了TSP技术存在的不足,阐述了克服盲目性,提高科学预报的重要性,介绍了新开发的TGP隧道地震预报系统与技术及应用效果。     

三维生物礁滩建模及地震数值模拟

基于塔礁、点礁、生物滩等地质体的几何特征及地质特征,采用高精度的三维块状建模方法,建立了适合于复杂地区的三维礁滩复合体模型。该模型不但立体地反映了生物礁、生物滩及地层间的空间展布特征,还可以直观地体现了生物礁滩储层内部的物性差异。此外采用FK域三维波动方程数值模拟方法对其进行了地震波场数值模拟,得到了一系列具有代表性时间剖面上的地震波场响应特征,为正确认识实际生物礁滩的复杂结构和特性提供了依据。     

Kirchhoff深度偏移在隧道超前预报反射波提取中的应用

地震波法隧道超前预报受其施工条件的限制,具有调查对象与测线近似垂直的施工特点,构建该种条件下的偏移成像方法对于准确预报隧道开挖面前方的不良地质体是十分重要的.为了充分利用地震波场信息,采用三分量传感器进行地震波法隧道超前探测的地震数据采集,经过滤波、能量补偿、波场分离等处理步骤后,利用Kirchhoff积分深度偏移技术对P、SH、SV三个分量的地震数据进行计算成像,对隧道开挖面前方的地质构造等反射目标体在空间域成像,从而达到超前预报的目的.通过模型分析及工程实验表明,Kirchhoff深度偏移技术在隧道超     

综合物探技术在灰岩地区隧洞超前预报中的应用

将TSP、地质雷达技术用于千岛湖配水工程灰岩区隧洞超前预报,简述了两种物探方法的原理,统计了完整性较好的灰岩与砂质岩对应的TSP指标范围,采用有限差分法模拟了地震波在隧洞前方遭遇大型溶洞时的波场特性,总结了岩性变化、溶洞、溶蚀带对应的物探异常规律。结论如下:地质雷达是溶洞、溶蚀带探测较理想的手段,其电磁异常特征表现为反射波振幅强,同相轴错断或呈双曲线状,并伴随一定程度的多次反射,含泥溶腔主频较空腔偏低,但多大于50MHz;同等质量级别下灰岩对应TSP各物理力学指标较粉砂岩或泥质砂岩偏好;大型空腔对应TSP纵波波速、密度及杨氏模量偏低,TSP对小型溶腔或溶蚀带探测敏感度较差,有时仅体现为反射层密集。     

速度模型对地震波场偏移成像的影响

由于地震偏移速度的不确定性,偏移成像的质量很难得到保证。长期以来,人们对速度误差的分析大多是定性的,而且针对的是较简单的地质构造模型。为了揭示速度模型对地震波场偏移成像的影响特征,提高偏移成像的精度,对一些复杂地质模型进行了波动方程正演和偏移,并从理论模型的数值模拟结果中,推导出了速度模型对地震波场偏移成像的一些影响特征,提出了相应的改进建议和一些有益的结论和认识。     

巷道超前探测散射成像处理技术

国内外在隧道施工过程中已开始应用反射波法超前探测前方小构造,如断层、陷落柱.由于前方的断层面、陷落柱界面起伏不平,所以接收到的反射波能量较弱,难以精确成像,而基了惠更斯原理的散射成像方法能充分利用地震信号的全波场信息,具有较好的偏移成像效果,散射成像为巷道超前探测提供了一种可行的成像方法.笔者通过建立巷道超前探测模型,分析了散射成像处理技术的效果,验证了散射成像方法应用于巷道超前探测的可行性.     

TSP203超前地质预报系统在龙潭隧道中的应用

TSP203 plus系统是瑞士Amberg工程技术公司最新研制,并已经拥有专利的隧道地震探测仪器,专门为隧道的超前地质预报而设计。介绍了TSP203 plus超前地质预报系统的技术特点和基本测量原理,结合沪－蓉西高速公路龙潭隧道的实例,对照超前地质探孔与实际开挖情况,分析了该系统的实用性和可信性以及在指导施工方面起到的重要作用。     

隧道瞬变电磁克希霍夫偏移成像与地质灾害探测

隧道绿色施工不仅需要预报工作面前方突水突泥等低阻异常,更需要查明灾害体的地质构造,为灾害预警与防治提供保障。传统的瞬变电磁解释方法仅能够提供单一电阻率信息不能满足隧道地质灾害治理要求。因此,将虚拟波场成像技术引入到瞬变电磁隧道探测技术中,期望实现灾害体电性与结构综合解释。首先,根据波场变换原理将瞬变电磁数据转换到虚拟波场;然后,利用电阻率成像算法计算工作面前方电阻率建立虚拟波场速度模型,利用波动方程克希霍夫积分解进行波场延拓实现瞬变电磁虚拟波场偏移成像;最后,综合电阻率与偏移成像结果对工作面前方地质体进行解释,判断地质灾害体的电性与构造特征。分别采用充水溶洞、充水断层两类常见灾害模型对算法进行验证。充水断层模型电阻率成像结果可以识别工作面前方低阻异常,但是异常分布范围略有增加,且不易判断倾斜角度;而偏移成像结果有效地识别异常的边界位置且对应准确,更易容判断异常倾斜方向。充水溶洞模型电阻率成像结果可识别溶洞的低阻异常与位置,但是异常形态与实际模型略有偏差;偏移成像结果圈定了模型的前后边界且与模型吻合较好。实测数据偏移成像结果有效圈定了低阻异常位置与裂隙形态,预测结果与已知出水孔情况相符。理论模型与实测数据结果表明,虚拟波场克希霍夫偏移成像结果既包含地质灾害体的电阻率分布,又能识别灾害体电性分界面,为地质灾害预警与防治提供了丰富的地质信息。      

基于PML边界下的弹性及黏弹性TTI介质波场模拟

基于一阶速度-应力波动方程,采用高阶交错网格有限差分数值模拟方法,对弹性及黏弹性TTI介质进行正演数值模拟。模拟时采用完全匹配层吸收边界条件(PML)消除边界反射。同时设计了层状介质模型、断层模型,通过模型的正演计算,得到了不同时刻的地震波波场快照及合成地震记录,分析其波场运动学及动力学特征。模拟结果表明,交错网格有限差分法可以很好地完成对复杂介质的波场模拟,具有较高的精度和可靠性。     

转换横波共炮记录单程声波方程正演模拟

本文分别把分离的纵波和横波方程分裂为各自的两个单向旁轴方程（Ｊ．ＦＣｌｅａｒ－ｂｏｕｔ）,然后用单程纵波和横波方程,结合相位移加有限差分混合波场延拓法（Ｄ．Ｒｉｓｔｏｗ）,在共炮记录叠前深度偏移原理的基础上,借鉴几何地震学的射线法两点问题原理,提出合成转换Ｐ—ＳＶ波共炮记录的时间一致性原理和逆过程方法,从而推导出精确的转换Ｐ—ＳＶ波共炮记录正演模拟算法,由于单程延拓波场,可完全解决多次反射波问题。     

TSP探测精度分析及其在过江隧洞超前预报中的应用

针对TSP预报工作耗时长、经验依赖性强等问题,以提高TSP探测精度与效率为目标,分析了影响TSP数据采集与处理精度的关键因素,总结了提高TSP探测效率的经验。结合千岛湖配水工程某过江隧洞段地质超前预报工程,在TSP探测分辨率下降的区域开展TSP跟踪预报或地质雷达探测工作,对物探异常区辅以钻探验证。结果表明:岩体完整性差地段的TSP纵波波速、密度及各力学模量值偏低,TSP对破碎带探测较敏感,对基岩裂隙水识别能力相对较弱,纵、横波波速均偏低的区域岩体富水的概率更大;岩体破碎含水区段雷达电磁异常特征表现为反射波振幅强,同相轴错断,主频偏低。综合预报成果发挥了各种预报方法优势互补的作用,为隧洞支护及超前注浆方案的优化提供了重要参考。      

地震波混合阶褶积算法模拟

基于正反傅立叶变换,提出了地震波模拟的混合阶褶积算法。该方法原理简单、易于实现,结合了有限差分与伪谱法的优点,具有较高的精度和计算效率,适用于地震波场的正演计算,同时还给出了二维地震波场的理论计算实例。计算结果表明,此算法模拟结果正确、精度高、速度快、能适应较为复杂地质模型,并且易于推广到各向异性介质中去。