基于頻率域全波形反演的隧道前方巖體波速預測方法研究.pdf

1、隨著我國基礎設施建設的不斷發(fā)展，我國隧道建設工程逐漸向山嶺地區(qū)轉移，出現一批深長隧道，工程規(guī)模大、建設難度高，給施工安全帶來極大挑戰(zhàn)。在隧道等地下工程施工過程中，經常遭遇斷層破碎帶、軟弱地層、溶洞等不良地質，若未能提前獲知隧道沿線不良地質的準確分布情況并提前處置，在施工中易發(fā)生突水突泥、塌方等重大災害事故，輕者導致機械損毀、工期延誤，重者導致隧道改線、人員傷亡等。因此，在隧道施工期開展超前地質預報提前探明掌子面前方的地質情況，對隧道施工

2、安全和災害防控十分重要。
　　在隧道超前地質探測方法中，地震波法因其具有較長的探測距離和對界面較好的識別效果，獲得了發(fā)展并得到了廣泛應用，然而，受隧道狹小觀測空間等客觀困難所限，在波速獲取方面尚存在一些問題:①有的方法震源和檢波器在同一條測線上，這種直線式觀測方式缺少隧道徑向的偏移距，難以準確計算波速;②有的方法直接采用直達波波速近似替代前方巖體波速，只適用于簡單地質情況;③有的方法采用走時反演或層析成像的方法，只利用了地震波的到

3、時信息，本質上是一種高頻近似方法，在復雜地質條件下的波速計算精度不足。
　　針對以上問題，本文將地面地震勘探領域所用的頻率域全波形反演方法引入到隧道超前探測當中，結合隧道環(huán)境的特殊性對方法進行了相應的調整優(yōu)化，充分利用地震波場的運動學和動力學信息求取更加準確的波速結果，在此基礎上，針對隧道中較為典型的幾種不良地質體，開展了系統(tǒng)的正反演模擬和偏移成像研究，驗證了本文方法的有效性及可靠性。同時，通過室內試驗得到了適用于吉林引松供水工程

4、現場的巖體波速與抗壓強度經驗關系，以巖體波速作為橋梁，為隧道地震超前預報進行掌子面前方巖體抗壓強度評價提供了依據。通過本文研究，能夠實現隧道掌子面前方地質情況和巖體抗壓強度的超前探測，為現場施工提供指導，有助于工程安全高效建設的順利進行。
　　本文的主要研究工作及成果如下:
　　(1)基于頻率域全波形反演的隧道掌子面前方巖體波速獲取方法。針對傳統(tǒng)方法對隧道掌子面前方巖體波速計算不準的問題，將地面地震勘探領域所用的頻率域全波形

5、反演方法引入到隧道地震超前探測當中，結合隧道環(huán)境的特殊性對方法進行了相應的調整優(yōu)化，使其適用于隧道復雜環(huán)境，能夠計算得到較為準確的波速結果。
　　(2)典型不良地質體的隧道地震超前探測全波形反演及偏移成像特征。總結了隧道施工中常見的幾種典型不良地質體類型，建立了不同尺寸的巖性分界面、斷層和溶洞模型，開展了系統(tǒng)的隧道地震波超前探測正演模擬、全波形反演及偏移成像研究，驗證了本文方法的有效性及可靠性，并為實際工程中典型不良地質體的探測和

6、地質解釋提供了依據。
　　(3)基于巖體波速分布的巖體抗壓強度評價方法。依托吉林引松供水工程獲取了大量現場巖樣，開展了巖樣波速和單軸抗壓強度室內測試，基于已有關系模型得到了符合吉林引松供水工程現場的波速-抗壓強度關系，為隧道地震超前預報進行掌子面前方巖體抗壓強度評價提供了依據。
　　通過本文研究，能夠實現隧道掌子面前方地質情況和巖體抗壓強度的超前探測，相關成果在吉林引松供水工程TBM3標段開展了試驗驗證和現場應用，所得結果與