【摘要】：隨著國民經濟的快速發(fā)展與擴張,國家為了保證經濟得到可持續(xù)的發(fā)展,開展了大量的基礎交通建設工程。在經濟良好發(fā)展的勢頭下,高速鐵路和高速公路的修建取得了重大進展和成果。從最近幾年的隧道修建速度和規(guī)模來看,鐵路隧道和公路隧道以十分顯著的速度在增長,特別是在高速鐵路的建設工程之中,隨著國家高速鐵路發(fā)展戰(zhàn)略的實施,高速鐵路隧道修建數目也明顯增多,長度也明顯變得更長。隧道工程屬于地下建筑工程,其圍巖地質情況復雜多變:修建隧道的過程中,會遇到斷層破碎帶、巖溶、松散地層、孔隙軟質泥土等等不良地質體�？紤]到經濟以及技術水平的限制,想要在勘查設計階段僅僅依靠地表的地質勘察工作就準確地查明上述不良地質體的狀態(tài)、特性等,并且根據這些特性準確地預報出隧道開挖過程中可能會出現的不良地質體的位置、規(guī)模等特征是十分困難的。在這樣的情況下,施工的盲目性會導致工程上的災難。為了進行可靠的超前地質預報,在20世紀90年代初期,由瑞士安伯格測量技術有限公司研發(fā)出一套隧道地震超前地質預報系統——TSP(Tunnel Seismic Prediction),利用反射波法地震勘探的原理,使得該方法具有反射波法地震勘探的各種優(yōu)點:探測距離遠,分辨率高、資料解釋快等。并且在使用該方法進行隧道探測工程的過程中,不會對隧道修建的進程造成較大的干擾,因此該技術在歐美以及日本等發(fā)達國家都得到了廣泛的應用。但是在利用TSP進行探測的過程中,由于實際工作環(huán)境的復雜地質條件,使得地震波的傳播與轉化過程十分復雜,這往往導致TSP接收到的地震信號相對復雜。并且對于巖溶,由于不滿足反射波地震勘探的基本條件,TSP的識別率不高。地震波數值模擬對認識和研究復雜地區(qū),比如基于隧道的地震數據和成相有著重要的意義。在隧道地震中,較低的空間分辨率常常會導致解釋出現模棱兩可的情況,并且隧道施工噪音也會對采集到的數據產生一定的干擾。因此,適合隧道數值模擬的方法,必須能夠滿足適用于基于隧道情況下的任意復雜地質條件、正確的處理隧道自由邊界等要求。目前,用于地震波數值模擬的方法主要有兩大類,射線追蹤法和波動方程法。射線追蹤法雖然符合TSP的高頻情況,但是對于復雜的地質條件,并不那么適用。波動方程法中有限差分法和有限元法都是有效的方法,但若空間可以被劃分為鮮明的不同區(qū)域,那么采用有限差分法更有效,因為只要空間大小劃分的網格確定,計算時間就可以確定。在前人大量的研究基礎上,本文推導了位移方程的中心差分格式與一階應力—速度方程組的任意空間和時間精度的交錯網格有限差分格式對彈性波動方程進行求解;引入了完美匹配層(Perfectly Matched Layer)方法對數值模擬中的人工邊界進行處理,使地震波場的研究區(qū)域不受到人工邊界的干擾破壞;對于隧道邊界采取了自由邊界處理的方法,保證其與實際情況相吻合,有效地處理自由邊界是地震波數值模擬中的一個重要研究問題,處理的方法有很多,本文對這些方法進行了對比與討論。同時還進行了數值模擬中穩(wěn)定性、頻散問題的分析。并利用C++編程語言實現了基于隧道的三維地震波數值模擬軟件的編寫,并且利用該軟件對各種不良地質體進行了正演模擬。通過上述理論基礎,利用編制的軟件進行對各種常見地質體的正演模擬、并且與反演的結果進行比較,可以得出該方法精度高,適用于復雜介質模型的正演模擬,能夠比較明確的反應出地震波場中地震波傳播的運動學和動力學特征;可以為隧道地震資料數據的采集、解釋提供堅實的理論基礎,并且對促進隧道超前地質預報的方法有著重要的科學意義。
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【學位授予單位】：成都理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：U452.11;P631.4

【參考文獻】

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1 魯光銀;熊瑛;朱自強;;隧道反射波超前探測有限差分正演模擬與偏移處理[J];中南大學學報(自然科學版);2011年01期

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本文編號：2436583