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隧道反射界面定向地震波形成方法及波场模拟研究
| 论文题名： | 隧道反射界面定向地震波形成方法及波场模拟研究 |
| 关键词： | 隧道反射界面;定向地震波;波束形成;波场模拟 |
| 摘要： | 隧道建设与施工是交通建设的重要组成部分。为了避免或减少隧道施工中因不良地质构造引起地质灾害的发生，可以利用隧道结构所具备的反射界面进行结构预测，提前探测到隧道掌子面前方的反射界面，从而提前采取相应应对措施。基于反射地震波勘探方法的“隧道地震预测技术（Tunnel Seismic Prediction,TSP）”对于大多数岩层可以预测掌子面前方100m以内的地质结构，同时兼备数据采集相对简单、对掘进工作影响不大、预测成本较低等优点。传统TSP方法存在干扰噪声较强、能量不能集中在掌子面方向等缺点，达不到隧道探测精度要求。针对上述问题，本文拟采用定向地震波法进行隧道反射界面的波场模拟研究，本文的主要工作内容如下： (1)构建三维隧道地质模型，基于完美匹配层（Perfectly Matched Layer,PML）理论设计了模型边界条件，基于有限单元方法对模型进行了合理的网格剖分，使得模型更接近实际情况，数值模拟结果更为精确； (2)采用定向地震波法进行波场模拟，对定向地震波束的波束方向、波束宽度进行设计，通过分析定向地震波法经波场分离处理生成的地震记录，结合剖面波场快照，验证了定向地震波法的有效性。该方法不仅可以增强掌子面方向信号的能量强度，还可以减弱非掌子面方向的杂波干扰，可使信噪比增强约35.4%； (3)针对包含反射界面的隧道模型开展了研究，重点讨论了反射界面倾角、距离、曲率对波场模拟效果的影响。针对小倾角反射界面与隧道相交范围较大、隧道受到剪切力较大的情况，提出使用“多波束定向地震波法”以提高预报的准确性，该方法可使信噪比增强约43.3%。 综上所述，本文建立了三维基于反射界面的隧道地质模型并进行波场模拟，通过数值计算，验证了模型及探测方法的有效性。探究了反射界面倾角、距离、曲率等因素对定向地震波波场的影响，尤其是对于小倾角反射界面，提出使用“多波束定向地震波法”进行波场模拟，在一定程度上从理论角度提出了解决隧道中小倾角反射界面探测难题的可行性，具有一定科研意义及实际应用价值，同时为后续深入研究定向地震波法隧道超前地质预报技术提供了理论基础。 |
| 作者： | 周琪 |
| 专业： | 测试计量技术及仪器 |
| 导师： | 姜弢 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 吉林大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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