三维隧道空间有限元弹性波逆时偏移成像方法研究

The accuracy of seismic advance detection method is very important to the safety construction and disaster prevention as well as control of tunnel engineering. In the wave field extrapolation of tunnel reverse time migration, it’s difficult to accurately describe the three-dimensional tunnel space by using the finite difference method with regular hexahedral mesh. Moreover, due to the complexity of actual tunnel seismic data, it is difficult to get the pure P-wave record and pure S-wave record through the wave field separation, and the remaining energy can cause imaging accuracy decreased. In view of above problems, 3D finite element reverse time extrapolation and vector-based elastic reverse time migration are applied to tunnel seismic advanced detection. Considering the characteristics of tunnel space, the 3D finite element elastic wave reverse time migration based on tunnel is realized by studying the tetrahedral mesh generation method, treatment of finite element inverse time extrapolation in tunnel space, finite element wave field separation based on tetrahedral mesh and implementation of imaging noise suppression. These can improve the accuracy of seismic advance detection and provide the technical and theoretical basis for the observation system optimization and data processing interpretation of the seismic advance detection.

地震超前探测的准确性对隧道工程的安全建设和灾害防治极为重要。本项目针对在隧道逆时偏移波场外推过程中，利用“以直代曲”的有限差分难以对三维隧道空间进行准确刻画，以及实际隧道地震资料难以彻底的进行纵横波分离，从而成像精度较低的问题，将三维有限元弹性波逆时外推应用到隧道地震超前探测中，开展隧道有限元弹性波逆时偏移成像方法研究。针对隧道柱形空腔的特点，通过研究四面体网格剖分方法、有限元逆时外推在隧道空间的处理方式以及基于四面体网格的有限元波场分离和成像噪音压制实施方法，实现隧道三维复杂地质体的有限元弹性波逆时偏移成像，提高对不良地质体超前探测的准确性；通过对比分析不同观测系统下的成像效果，优化观测系统设计，为实际资料的成像和解释提供依据。

本项目将三维有限元逆时偏移应用到隧道地震超前探测当中，基于弹性波逆时偏移流程，实现了三维隧道典型不良地质体有限元逆时偏移成像。基于完美匹配层理论，推导并建立了基于二阶位移波动方程的分裂完美匹配层（PML）边界条件的有限元方程；给出了基于有限元法的爆炸震源加载方式，实现了三维有限元弹性波全波场模拟。建立了基于Helmholtz分解波场分离、Poynting矢量压制噪音以及Laplace滤波的有限元方程，并对三维有限元逆时偏移成像中的关键步骤（波场分离、成像噪音压制）进行了分析和讨论。基于理论模型，对影响隧道成像结果的主要因素（观测系统）进行了讨论；在此基础上，建立典型的隧道不良地质体模型，开展了三维有限元逆时偏移成像研究。.结果表明：本项目所采用的三维有限元PML边界条件能有效的吸收到达截断边界的波场，获得准确的三维隧道地震波场。采用基于Helmholtz分解的方法能够有效的对隧道波场进行纵横波解耦；基于Poynting矢量和Laplace滤波的方法能够有效消除隧道逆时偏移成像中的低频噪音干扰，本项目采用的三维有限元逆时偏移能够对不良地质体进行有效的成像，获得清晰的成像结果。检波器排列的位置对于成像结果有一定的影响，采用靠近界面倾斜方向的检波器排列进行成像的结果要好于采用远离界面倾斜方向的检波器排列，而双边观测系统成像能够更好的刻画真实界面的位置；三维成像同相轴基本可以反映倾斜界面、破碎带的产状以及溶洞所对应的真实位置。.