隧道反射地震超前预报波场分离方法的数值模拟研究

本文以有限元数值模拟方法为依托,依次从波场快照、地震记录、波场分离、工程实例等四个角度论证了地震波传播规律和波场分离特点.模拟了单界面介质条件下地震波在隧道围岩中传播的全波波场.研究了反射波时距曲线的线性相关系数.比较了τ-p变换和F-K变换的滤波特点.结合工程实例,讨论了这两类线性波场分离方法在提取隧道前方反射波中的可行性和准确性,研究结果表明:当隧道前方地层倾角由直立变为缓倾时,反射纵波和横波的时距关系都能很好的视为线性.地层倾角的改变主要影响反射波走时和视速度.因此,应用τ-p变换和F-K变换进行波场分离,提取隧道前方单独的反射纵波和横波是可行和有效的.但对于缓倾地层,线性变换波场分离的结果存在较大的走时和视速度误差.易误滤除反射信号,需进行偏移处理.     

线性同相轴波场分离的高分辨率τ-p变换法

基于最小二乘τ-p变换和τ-p域模型稀疏分布的假设，本文给出高分辨率τ-p变换的推导及其模型空间域的离散采样公式，同时给出了保振幅线性同相轴波场分离的算法流程.在求解本文给出的高分辨率τ-p正变换时，由于待求解的矩阵不具备最小平方法所具有的Toeplitz结构，故采用Cholesky分解法进行计算.本文模拟了井间地震和阵列声波测井中的Stoneley上下行波的分离算法过程，高分辨率正反τ-p变换且滤波所得结果显示本文算法误差小和保振幅的特点.对于在τ-p域距离很近或时间域同相轴近于水平的线性波场，高分辨率算法的聚焦作用使得所分离波场畸变小，体现本文算法精度高的优点.理论模型试算表明本文给出的高分辨率τ-p变换线性波场分离算法具有稳定性、精度高和保振幅的特点.     

隧道地质灾害超前预报的地震反射法

介绍了利用地震反射法进行隧道地质灾害超前探测的基本原理、观测方法,讨论了反射波时距曲线方程和特点以及实际应用中存在的主要问题和影响因素,指出采用地震反射法与工程地质调查法相结合可以提高超前探测的准确性和精度.     

TSP\|203在隧道超前预报中的应用

TSP\|203系统是瑞士Amberg工程技术公司最新研制并拥有专利的隧道地震探测仪，专门为隧道超前地质预报而设计的.该系统从数据采集、处理和成果评估高度智能化，采用该系统可以预报隧道工作面前方100 m左右围岩地质体的性质、位置和规模,并可推算出其岩石物理力学参数，为确定合理的支护参数提供依据，确保隧道施工安全和质量.本文对TSP\|203系统、工作原理、数据采集及资料解释方面做了系统的阐述.     

Radon变换在非规则观测系统中波场分离的应用

Radon变换是数据处理中广泛应用的一种方法技术.本文介绍了Radon变换在规则及其非规则观测系统中波场分离中应用,讨论了Radon变换的公式、实现方法和有关计算参数的选择.通过理论模型的试算,阐明了Radon变换在缺失道、道距变化情况下依然可以高精度的分离波场,并对线性、抛物Radon变换进行了比较,对隧道超前预报反射波资料进行了处理,给出了隧道超前预报处理流程中提取反射波的算例.     

线性同相轴波场分离的高分辨率τ-p变换法

基于最小二乘τ-p变换和τ-p域模型稀疏分布的假设，本文给出高分辨率τ-p变换的推导及其模型空间域的离散采样公式，同时给出了保振幅线性同相轴波场分离的算法流程.在求解本文给出的高分辨率τ-p正变换时，由于待求解的矩阵不具备最小平方法所具有的Toeplitz结构，故采用Cholesky分解法进行计算.本文模拟了井间地震和阵列声波测井中的Stoneley上下行波的分离算法过程，高分辨率正反τ-p变换且滤波所得结果显示本文算法误差小和保振幅的特点.对于在τ-p域距离很近或时间域同相轴近于水平的线性波场，高分辨率算法的聚焦作用使得所分离波场畸变小，体现本文算法精度高的优点.理论模型试算表明本文给出的高分辨率τ-p变换线性波场分离算法具有稳定性、精度高和保振幅的特点.     

TSP在隧道超前地质预报的应用研究

由于隧道施工经常遇到严重的地质灾害,施工前进行超前地质预报是十分必要的。本文介绍了TSP超前地质预报系统的技术特点和基本原理,结合工程实例探讨了在使用TSP过程中的一些技术问题。结果显示利用工程地质调查结论可以确定合理的探测方案和提高TSP的预报精度。     

TSP 203在云南元磨高速公路隧道超前地质预报中的应用

TSP203系统是瑞士Amberg工程技术公司最新研制并拥有专利的隧道地震探测仪，专门为隧道超前地质预报而设计的。该系统从数据采集、处理和成果评估高度智能化。采用该系统可以预报隧道工作面前方至少100m围岩地质体的性质、位置和规模，并可算出其岩石物理力学参数，为确定合理的支护参数提供依据，确保隧道施工安全和质量。本文是TSP203系统在云南元磨高速公路隧道超前地质预报中的应用实例。     

反射地震零偏移距逆时偏移方法用于隧道超前预报

为了高效快速地采集到隧道开挖前方的反射地震数据并提供实时的隧道前方地质超前预报,本文提出一种基于波动方程逆时偏移原理的隧道地质超前预报方法.为了获得与该超前预报方法相适应的地震数据,本文还提出适用于隧道内有限空间环境下的PMZO（Plus Minus Zero Offset）反射地震采集方案.本研究根据理论地震记录分析了隧道中零偏移距地震记录反射波的时距关系和振幅特征,讨论了隧道中地震记录的解释方法,利用含多条断层破碎带的地质模型,模拟了基于逆时偏移算法的实时隧道地质超前预报.数值计算结果证明,PMZO数据采集方案以及逆时偏移算法可以获得隧道开挖前方地质构造的准确成像.     

高压富水区隧道超前地质预报应用研究

隧道施工过程中,经常遇到突水、突泥和坍塌等无法预料的地质灾害,给施工安全带来了重大灾难和无法估计的经济损失,为了保证隧道施工安全,对不良地质体的发育情况进行准确及时的超前预报,是当前隧道设计与施工中亟待研究与解决的关键问题.详细介绍了TSP-203超前预测预报原理及方法,针对渝宜高速公路某隧道复杂的地质条件,在施工过程中进行了超前地质预测预报,并对预报结果进行了较为详细的处理和分析,同时根据隧道施工现场高压区富水层等地质情况,对隧道外水荷载计算方法和衬砌设计结构进行了分析.结果表明,预报成果与实际情况基本吻合,有效地指导了隧道施工.     

TST隧道地震CT地质超前预报技术及应用

国内外的隧道地质超前预报技术正在发展之中,4目前应用的负视速度法,水平剖面法,TSP技术等,由于观测方式和资料处理方法比较简单,不能准确确定掌子面前方围岩的波速,从而致使地质界面定位不准确,围岩工程类别划分缺乏依据,亟待改进。本文提出的TST技术采用空间观测方式,资料处理方法采用偏移成像和走时反演成像,解决了掌子面前方围岩速度结构的分析问题,实现了隧道围岩地质结构的精确成像,适合复杂地质条件下的地质超前预报应用。     

基于改进线性Radon变换的井孔地震上下行波场分离方法

反射波场分离是井孔地震资料处理中极其重要的一个环节,波场分离的质量直接影响成像结果的精度.不管是VSP还是井间地震资料,其反射波时距曲线都近似直线型,根据这一特征,本文提出一种改进的线性Radon变换方法来进行井孔资料的反射波上下行波场分离.该方法基于频率域线性Radon变换,通过引入一个新的变量λ来消除变换算子对频率的依赖性,避免了求取每一频率分量对应的不同变换算子,显著降低了计算成本;文中在求解该方法对应的最小二乘问题时,引入了发展较为成熟的高分辨率Radon变换技术来进一步提高波场分离的精度.采用本文方法进行井孔地震资料的上下行波场分离可以在保证分离精度的前提下有效地提高计算效率.根据上下行波在λ-f域内分布的特殊性,设计简单的滤波算子就可实现上下行波场的分离.最后通过合成数据试算以及实际资料处理（VSP数据和井间地震数据）验证了该方法的可行性和有效性.     

TSP\|203在大支坪隧道超前预报中的应用

现代工程等级在不断提高，隧道地质环境越来越复杂，隧道越来越长，隧道地质超前预报在隧道的开挖中的作用更加凸显，如何选择有效的预报措施对隧道开挖中人员、设备的安全和隧道洞室的支护具有重要的意义. TSP203是用地震原理对隧道进行探测的仪器，该系统高度从数据采集、处理实现高度智能化.本次使用此仪器对大支坪隧道横洞掌子面HDK0+064里程处进行预报，结合实际开挖，证实了预报的可行性和准确性.     

双相各向同性介质弹性波高精度波场分离数值模拟方法

为了便于研究双相介质固流相混合弹性波场中纵横波波场的传播规律,提出了基于交错网格的Biot双相各向同性介质弹性波动方程高精度波场分离正演数值模拟方法.采用高阶交错网格有限差分法来构建一阶双曲型双相各向同性介质弹性波动方程正演算子实现波场正演,并在每一步递推过程中,分别计算出同相和流相分量相应的散度场(纯纵波场)和旋度场...     

南水北调西线隧道中隐伏断层超前预报研究

南水北调调西线工程线路地层倾角陡、沟谷纵横、地质构造复杂、隧道长,埋深大,同时要对1000 m以内的构造、岩溶、岩层划分等进行地质超前预报,利用以往的超前预报方法无法满足工程施工的要求.对于深长埋隧道断层的施工地质超前预报,本文使用CSAMT法探测技术,并进行了近场校正、各向异性校正、静态校正、分辨能力校正和联合反演等手段,进行了实际探测和对比分析,并取得了较好的探测效果.     

煤巷小构造Rayleigh型槽波超前探测数值模拟

对煤巷小构造地震波场进行了数值模拟研究,分析了层状煤层中地震波的传播特征.研究表明:(1)在煤巷迎头前方煤层内以纵波震源激发的Rayleigh型槽波相对于体波能量较强,波列较长,波速较低.(2)沿煤层传播的Rayleigh型槽波在小构造面上产生Rayleigh型槽波反射波,反射Rayleigh型槽波垂直分量相对于水平分量能量较强.沿煤层反向传播的反射Rayleigh型槽波在煤巷迎头面上转换为沿煤巷底板传播的Rayleigh面波.沿煤巷底板可以接收到能量较强的反射Rayleigh型槽波产生的Rayleigh面波,其可以作为超前探测小构造面的特征波.在地震记录上反射Rayleigh型槽波产生的Rayleigh面波波至最迟,在时间域与其他波列时间间隔较大,其垂直分量能量相对于水平分量较强,在地震记录上容易识别.(3)在相同的地质条件下应用反射地震超前探测方法,标志煤巷迎头前方存在小构造面的反射地震波能量较弱,受煤巷顶、底板界面和采煤迎头面的强反射波干扰,在地震记录中难以识别.     

人工地震反射法在超前地质预报中的应用

超前地质预报关系到隧道施工的安全和进度。实践表明,采用基于人工地震反射法的TSP203超前预报系统(以下简称TSP203系统),并结合其它探测手段的综合预报方案能较好的实现超前地质预报,并可兼顾隧道施工特点和成本。文中介绍了TSP203系统的基本工作原理,并通过该系统在大瑶山铁路隧道的应用实例,说明该系统在复杂地质条件下的具体应用情况。结合多年现场实际操作经验着重分析了预报误差产生的主要原因:客观上由于岩性和构造面本身的复杂性以及TSP203系统的局限性,该系统探测与隧道轴向大角度相交的近平面状的结构面较适合,小角度或者平行结构面则不适合,探测溶洞和地下水有较大难度;主观上与操作人员的运用水平密切相关。提出了提高数据采集精度以及结合实际地质情况和其它物探方法提高对反射体解释能力的建议     

地震折射法中波场延拓技术的应用

从波动方程出发,推导出平面波场传播基本公式,阐述了利用地表观测波场反演地球内部波速结构的理论关系.观测波场可通过-p 变换分解为地表平面波场,其最大振幅的轨迹能稳定地反映出地球内部波速随深度变化的趋势,这一特征可用来对反演解空间进行约束.波场延拓技术可以充分地利用观测波场中包含的丰富信息,在迭代反演中不仅能简单快速地得到反演解,而且所得解具有良好的稳定性,较少受主观因素影响,这是一种很好的反演技术.对波场延拓进行了理论分析与数值模拟,采用了同态反褶积等改善资料信噪比的措施,使解的分辨能力得到了提高.文中对南海北部一个声纳折射剖面进行了分析和计算.结果表明:该区1.4km 深处,存在一个从1.76km/s 到2.21km/s 的速度间断面.间断面上下两层的速度梯度分别为0.54kms-1/km,0.63kms-1/km.最后,从构造演化的角度对浅海构造特征进行了探讨.      

间断有限元方法的数值频散分析及其波场模拟

数值求解波动方程是大尺度正演波场模拟、基于波动方程的地震偏移和反演成像的关键.本文针对求解二维声波方程的Runge-Kutta 间断有限元（RKDG）方法的数值频散问题,从理论推导和数值分析的角度进行了深入研究,并将其与近似解析离散化方法（Optimal Nearly Analytic Discrete Method,简称ONAD 方法）、Lax-Wendroff 修正方法、交错网格（Staggered-Grid,简称SG）方法的数值频散进行了比较研究.结果表明：RKDG方法以及近似解析离散化方法在压制数值频散方面要好于上述其他方法,特别是空间精度为3阶的RKDG方法,即使当空间步长取波长的一半,即一个波长内取2个网格点时,最大的频散误差也不超过1.67%.同时,我们也通过波场模拟对比研究了不同数值方法的数值频散问题,进一步直观地验证了数值频散的理论分析结果.