三维柱坐标下隧道复杂地质体的地震模拟与响应机理研究

The seismic advance detection method is an important means to obtain the complex geological structure in front of the tunnel, which is very important to the safety construction and disaster prevention as well as the control of tunnel engineering. In the seismic advance detection, the existence of the cylindrical cavity of the tunnel will aggravate the complexity of the wave field in the space and affect the accuracy of the detection results. This project is aimed at the problem of accurately characterizing the cylindrical space in Cartesian coordinates. It is proposed to apply the seismic wave numerical simulation method under the coordinate of the column to the tunnel advance detection to carry out the seismic response mechanism of the three-dimensional complex geological body of the tunnel. Aiming at the phenomenon that the azimuth increases with the radius, the grid interpolation method under the column coordinates is studied, and the stability of the interpolation result is evaluated. Considering the influence of the air medium in the tunnel, the treatment method of the cylindrical free boundary condition of the tunnel is studied. A typical three-dimensional geologic model of complex rock boundary, fracture zone, karst and other tunnels is constructed. The response mechanism of the columnar boundary wave field is studied and the characteristics and laws of the time domain, frequency domain and polarization of the wave field are analyzed and analyzed. The three-dimensional full-space seismic simulation and response mechanism analysis method of the tunnel can improve the accuracy of the seismic advance detection and provide the technical and theoretical basis for the observation system optimization and data processing interpretation of the advanced tunneling method.

地震超前探测方法是获取隧道前方复杂地质体结构的重要手段，对隧道工程的安全建设和灾害防治极为重要。地震超前探测中，隧道柱形空腔的存在会加剧空间内波场的复杂度、影响探测结果的准确性。本项目针对直角坐标难以准确刻画柱形空间的问题，拟将柱坐标下的地震波数值模拟方法应用于隧道超前探测中，开展隧道三维复杂地质体的地震波响应机理研究。针对方位向网格随半径增加而变大的现象，研究柱坐标下的网格插值方法，并评价插值结果的稳定性；考虑隧道内空气介质的影响，研究隧道柱状自由边界条件的处理方法；构建复杂岩性分界面、断裂破碎带、岩溶体等隧道中典型的三维地质体模型，研究柱状边界下波场的响应机理，揭示复杂地质体波场的时域、频域、极化等特征与规律。本研究建立的隧道三维全空间地震模拟与响应机理分析方法，能提高地震超前探测的准确度，为地震类隧道超前探测方法的观测系统优化与数据处理解释提供技术和理论基础。

本项目基于柱坐标系下弹性波波动方程理论，建立交错网格有限差分格式，利用分裂式完美匹配层吸收边界实现了三维柱坐标系下的弹性波有限差分数值模拟。.针对柱坐标的特点，利用周期延拓的方法消除了柱坐标系中的周向边界反射；基于声学边界替换法实现了柱坐标下的面波模拟；利用外推和插值手段，消除数值模拟中的奇点（r=0），并采用线性插值和降阶处理，实现了柱坐标系下变网格算法。在通过解析解验证正确性的基础上，建立典型的隧道不良地质体模型，并进行了数值模拟与特征分析，得到以下规律和认识： .(1) 相对于直角坐标系，在计算网格数相差不大的情况下，柱坐标系能够更好地模拟圆柱形隧道空间，能够更好地保证数值模拟的精度。.(2) 对于不同倾角的地质界面模型，在不同倾角的相同分量地震记录当中，PP波和SS波由于到达记录时间以及能量相对较强的原因，在地震记录上易于识别，而且PP波和SS波同相轴随着地质界面倾角的减小，到达接收排列的时间越来越短，而且同相轴由直线发生弯曲。PS和SP转换波随着地质界面倾角的减小，到达接收排列的时间越来越短，而且在地震记录上由于掌子面绕射波的干扰，反射波不容易被识别。因此，不能简单地根据地震记录到达的时间和波前面同相轴就判断地质界面的情况，要利用多波多分量记录和其它地质信息综合判定。.(3) 对于溶洞模型，可分别溶洞的位置最大分辨率大约等于横波菲涅尔带大小的1/4，可分辨溶洞大小的最大分辨率大约等于横波菲涅尔带大小的1/2。对于溶洞充填类型的判断，主要根据PP波的反射振幅来确定溶洞介质充填类型，同时利用SS1波可以判定的信息进行辅助分析，通过综合利用多波多分量信息加强预测结果的准确判定。.(4) 通过数值模拟分析表明，隧道三维空间类观测系统相对于传统的直线类观测系统，能够获得更多的波场信息，具有明显的优势。