隧道地质灾害反射波法探测数值模拟及围岩F-AHP分级研究

摘要

隧道工程作为一项隐蔽工程，当掌子面前方地质情况不明时，极易造成塌方、冒顶、突水突泥等突发性地质灾害，不但影响施工进度，还极易造成设备被埋、人员丧亡等重大安全事故，给国民经济和人民生命财产造成重大损失。超前探测是隧道地质灾害预测与防治的基础，围岩分级是隧道地质灾害稳定性评价与处治方案制定的依据。然而，隧道地质灾害反射波法探测中，由于地震波场异常复杂、且相互重叠，难以有效的识别与分离，无法满足隧道超前探测中高精度和高分辨率的要求；另外，隧道不良地质灾害体的处置中，传统岩体分级方法由于缺乏有效、合理的围岩级别判定体系，无法准确评价隧道围岩稳定性并指导施工，也难以满足隧道地质灾害处治需要。针对这些问题，作者在多项省部级科研课题的联合资助下，在隧道典型地质灾害模型的地震波场正演模拟、多波多分量资料的偏移成像、以及隧道围岩的动态F-AHP分级等方面进行了研究和探索，主要开展了以下工作： （1）在分析一阶速度-应力弹性波方程的任意偶数阶时间-空间精度交错网络差分格式，并探讨其稳定性条件和克服数值频散方法的基础上，针对隧道反射波法超前探测的检波观测系统，作者详细的探讨了隧道地震波场正演模拟的边界条件，系统推导了其边界条件方程及交错网络差分计算格式，并设置了震源函数，为隧道波场正演数值模拟与程序编制打下了基础。 （2）采用VisualC++和MATLAB可视化程序设计语言，编制了适用于任意复杂介质模型的隧道波场正演模拟程序，并应用于隧道掘进中断层、软弱夹层、溶洞等几种典型地质灾害模型的正演计算，获取了相应模型不同时刻的波场快照和地震合成记录。正演模拟结果清晰的反映出到初至波、反射波、透射波及多次波等各类地震波的运动学和动力学特征，总结了隧道地震波场的传播规律，加深对隧道波场快照的认识，为隧道反射波探测资料的反演解释提供理论技术基础。 （3）在详细分析目前常规隧道波场偏移成像算法中，采用传统标量波波场处理方法，由于隧道波场复杂、难以完全分离导致偏移成像准确度和精度较低，无法满足隧道地质灾害精确预报的基础上，针对隧道反射波超前探测中多波多分量数据的特点，采用矢量波波场处理方法，在隧道复杂条件下实现了全波波动方程的逆时偏移成像，较传统隧道波场偏移成像方法更适应隧道隐伏地质灾害体的超前探测与反演解释。 （4）根据隧道工程特点，作者综合利用地质地球物理资料、测井资料、隧道工程资料和地震记录，提出了构建初始速度模型的综合方法，并在导出全波波动方程逆时延拓的交错网络差分计算格式以及求取逆时偏移成像条件的基础上，编制程序实现了隧道波场逆时偏移成像算法，应用于前述几种典型地质灾害模型和隧道工程，获取了更准确和更清晰的偏移成像剖面，取得了较好的地质效果，更有利于隧道反射波超前探测资料的地质解释。 （5）在分析传统隧道围岩分级方法难以满足隧道地质灾害处置需要局限性的基础上，作者引入层次分析法（AHP法）动态调整隧道围岩分级的影响因子，提出了采用模糊数学理论来确定影响因子的模糊权重的计算方法，编制程序实现了隧道围岩动态F-AHP分级算法，并应用于隧道工程。工程应用结果表明，较传统RMR分级，隧道围岩动态F-AHP分级，提高了隧道围岩分级的准确度，为隧道地质灾害评价与处置提供更为精确的依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1隧道与隧道地质灾害

1.2隧道反射波法超前探测研究现状及趋势

1.3隧道围岩分级方法研究现状及趋势

1.4论文结构及主要工作

第二章隧道地震波方程交错网络求解及边界条件

2.1弹性介质中的波动方程

2.2一阶速度—应力弹性波方程

2.3交错网络有限差分格式推导

2.4差分方程的稳定性分析

2.5差分方程的数值频散分析

2.6边界条件

2.6.1自由边界条件

2.6.2弹性界面条件

2.6.3人工边界条件

2.7震源函数

2.8本章小节

第三章典型地质灾害模型的隧道波场正演

3.1均匀介质模型

3.2垂直断层模型

3.3垂直软弱夹层模型

3.4倾斜软弱夹层模型

3.5多层软弱夹层模型

3.6充填溶洞模型

3.7本章小结

第四章隧道地震记录逆时偏移成像

4.1多波多分量数据处理技术

4.2逆时偏移成像原理

4.3成像条件计算

4.3.1逆时偏移成像条件

4.3.2地震波旅行时计算

4.3.3算法实现过程

4.3.4模型成像条件计算

4.4弹性波逆时传播计算

4.5成像条件的应用

4.6模型逆时偏移成像

4.6.1垂直断层模型

4.6.2垂直软弱夹层模型

4.6.3倾斜软弱夹层模型

4.6.4多层软弱夹层模型

4.6.5充填溶洞模型

4.7实测数据偏移成像

4.7.1工程地质概况

4.7.2观测系统和数据采集

4.7.3速度模型构建

4.7.4逆时偏移成像与讨论

4.8本章小结

第五章隧道围岩分级的动态F-AHP法

5.1 AHP的基本原理

5.1.1基本概念

5.1.2 AHP法主要步骤

5.1.3 AHP法的局限性

5.2围岩分级的动态F-AHP法

5.2.1模糊理论基本概念

5.2.2动态F-AHP围岩分级算法

5.3工程应用

5.3.1隧道工程概况

5.3.2评估因素的选取

5.3.3模糊权重的计算

5.3.4评分准则的建立

5.3.5围岩分级结果与讨论

5.4本章小结

第六章结论与建议

6.1主要结论

6.2下一步工作建议

参考文献

致 谢

攻读博士学位期间主要的研究成果