基于改进型TSP观测装置的地震波场正演模拟及分离

摘要

隧道施工过程中，往往因为不了解施工前方地质情况而引发地质灾害，不仅影响施工进度，甚至造成人员伤亡等重大安全事故。超前探测是隧道地质灾害预测和防治的基础，因此，隧道超前探测的理论和实践研究意义重大。在众多隧道地震超前探测方法中，隧道地震反射波法超前探测应用最为广泛。
　　针对改进型TSP观测装置，本文主要做了以下基础性研究:
　　1、分析了传统TSP观测装置的不足，建立了易于实施、对隧道施工影响小、可获得隧道全方位波场信息的改进型TSP观测装置，且该装置易于实现地震反射的多次覆盖观测，以提高成果资料的信噪比，有利于复杂地质介质的准确成像和地质解释。
　　2、从弹性波场理论的本构方程、Cauchy方程和Navier方程出发，推导了一阶速度—应力弹性波动方程，并结合交错网格，推导了用于波场正演模拟的任意偶数阶时间—空间差分精度的交错网格差分格式。
　　3、设计了垂直断层、软弱夹层地质模型，采用MATLAB编程语言进行编程实现了正演模拟，得到了波场快照和单炮记录。模拟结果清晰显示了直达波、反射波以及转换波等全波场信息。
　　4、利用F-K滤波、τ-p滤波、基于偏振特性的纵、横波分离方法对模拟的波场进行了上、下行波分离以及纵、横波分离，对比分析了各种方法的应用效果。其中，F-K滤波和τ-p滤波均可有效分离上、下行波，但在分离纵、横波方面效果欠佳;基于偏振特性的纵、横波分离方法有其独特的优点，对横波分离效果突出，适用于复杂地质情况下的横波波场提取。
　　通过TSP观测装置的改进、波场数值正演模拟算法的构建、编程实现以及对上、下行波和纵、横波等复杂波场的有效分离方法的研究，为进一步利用该新型装置进行隧道超前探测施工及其配套的成像方法研究奠定了基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 隧道地质超前预报国内外研究现状

1．2．2 数值模拟国内外研究现状

1．2．3 波场分离国内外研究现状

1．3 研究内容及论文结构

1．3．1 研究内容

1．3．2 论文结构

2 隧道地震超前预报的基本理论

2．1 地震波的基本理论

2．1．1 地震波的类型

2．1．2 地震波的传播规律

2．2 隧道内地震波的观测系统

2．2．1 TSP观测装置的改进

2．2．2 改进后观测系统的地震波时距曲线

2．3 本章小结

3 基于改进型TSP观测装置的地震波场数值模拟

3．1 一阶弹性波速度—应力波动方程的建立

3．2 一阶交错网格差分近似

3．2．1 弹性波方程空间2N阶差分近似推导

3．2．2 弹性波方程时间2M阶差分近似推导

3．2．3 波动方程的差分离散格式

3．3 收敛性及稳定性分析

3．4 频散分析

3．4．1 空间离散对频散的影响

3．4．2 时间离散对频散的影响

3．4．3 用高阶空间差分压制频散

3．5 边界条件的处理

3．6 模型试算

3．7 本章小结

4 波场分离

4．1 上、下行波分离

4．1．1 F-K滤波

4．1．2 τ-p滤波

4．1．3 空间假频、混合以及截断效应分析

4．2 纵、横波分离

4．2．1 F-K滤波

4．2．2 τ-p滤波

4．2．3 基于散度和旋度的纵、横波分离方法

4．3 复杂模型试算

4．5 本章小结

5 结论与建议

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

致谢