一种基于TSP法隧道超前地质预报效果的测试方法技术

一种基于TSP法隧道超前地质预报效果的测试方法，以有效提高TSP法预报效果，为相关规范的修订完善和日常大量预报工作的开展指明方向。包括如下步骤：①建立三维空间模型，建立带隧道模型的正演数值模拟方程；将一阶应力‑运动方程进行空间离散和时间离散；将空间离散为网格后，将各个变量按照交错网格的方式赋予结点；利用雷克子波设置为震源模型；②对模型内隧道断面轮廓边界线进行处理，对位于自由边界上的网格进行处理，使其与实际情况相吻合；③对三维空间模型边界进行匹配层处理；④建立不同规模、产状的单个或多个断层破碎带、单个或多个不同规模岩溶的数值模拟模型，将模型带入有限差分数值模拟方程中进行数值模拟计算，根据正演数值模拟建立不良地质体模型；⑤将获得的正演三分量数据进行反演计算，根据反演计算结果和所建立的不良地质体模型的比对分析。

A Testing Method of Tunnel Advanced Geological Prediction Effect Based on TSP Method

【技术实现步骤摘要】
一种基于TSP法隧道超前地质预报效果的测试方法
本专利技术涉及隧道超前地质预报，特别涉及一种基于TSP法隧道超前地质预报效果的测试方法。
技术介绍
随着国民经济的发展，隧道工程20km、30km的长大隧道不断涌现。如此规模的长大隧道，难免在施工过程中遇到复杂的工程地质及水文地质问题。因隧道工程属于地下建筑工程，其工程地质、水文地质条件复杂多变，在隧道修建过程中，会遇到构造、岩溶、人为坑洞、煤系地层、高地应力等等不良地质体，易引起隧道涌水突泥、有毒有害气体溢出、软岩变形及硬岩岩爆等各种工程问题。勘察设计阶段，受到经济、工期以及现阶段勘察技术水平的限制，想要在勘察设计阶段仅仅依靠地表的地质勘察工作就准确地查明上述不良地质体的形态特性，并根据这些特性准确地预测出隧道开挖过程中可能会出现的不良地质体的位置、形态、规模等特征是十分困难的。施工阶段，为了进一步探明不良地质体的分布规律，降低隧道施工风险和运营风险，综合超前地质预报技术已经被作为一项工序贯穿隧道掘进的全过程，并且已经体现出了一定的社会效益和经济效益。我国隧道超前地质预报物探工作中，TSP(TunnelSeismicPredication)法是地震波反射法中应用最为普遍的一种地球物理探测方法。《铁路隧道超前地质预报技术规程》(Q/CR9217-2015)中，仅对地震波反射法的探测距离、可被探测的断层倾角和走向做出了规定，对断层的规模简单模糊描述为“可被探测的规模”。纵观各种文献，未见对该方法的有效探测距离、断层倾角、走向、预报分辨率、前后多个不良地质体等情况下预报效果的理论研究成果，更多的是基于大量预报案例进行的总结和统计，缺乏TSP法相应的预报效果数值模拟测试方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于TSP法隧道超前地质预报效果的测试方法，以有效提高TSP法预报效果，为相关规范的修订完善和日常大量预报工作的开展指明方向。本专利技术解决上这技术问题所采用的技术方案如下：本专利技术一种基于TSP法隧道超前地质预报效果的测试方法，包括如下步骤：①建立三维空间模型，并对模型进行交错网格有限差分，建立带隧道模型的正演数值模拟方程；将一阶应力-运动方程进行空间离散和时间离散；将空间离散为网格后，将各个变量按照交错网格的方式赋予结点；利用雷克子波设置为震源模型；②对模型内隧道断面轮廓边界线进行处理，对位于自由边界上的网格进行处理，使其与实际情况相吻合；③对三维空间模型边界进行匹配层处理；④建立不同规模、产状的单个或多个断层破碎带、单个或多个不同规模岩溶的数值模拟模型，将模型带入有限差分数值模拟方程中进行数值模拟计算，获得TSP正演三分量数据，根据正演数值模拟建立不良地质体模型；⑤将获得的正演三分量数据进行反演计算，根据反演计算结果和所建立的不良地质体模型的比对分析，对预报分辨率、断层可被探测的具体规模大小、多个不良地质体情况下的预报效果、有效探测距离等进行测试。所述步骤③中，在研究区域边界加入吸收层，厚度设置为10或者20；将速度分解为平行和垂直两个分量；将水平分量的速度按照笛卡尔坐标系的三个方向进行分解；将分解后的分量利用一阶应力-速度方程进行有限差分逼近；将分量带入速度方程和应力方程，得到三维各项同性介质中完美匹配层吸收边界条件应力方程组及速度方程组的交错网格有限差分格式。本专利技术的有益效果是，提出了一种专门针对地下隧道三维空间TSP法的三维正反演数值模拟方法，形成了典型不良地质体的正反演图谱，专利技术了提高TSP法预报效果的一整套数值模拟测试方法，为后期相关规范的修订完善和日常大量预报工作的开展指明了方向；结论准确，通过引入合适的边界处理方法，使计算结果符合地震波的传播规律；计算高效，本专利技术采用交错网格有限差分法作为计算方法，其计算效率高、易于并行，在模型大小确定的情况下，其计算消耗时间是恒定的；包含齐全的地震波场，信息含量丰富，并且计算效率高而成为了研究地震波场的一种行之有效的方法；测试重点包括有效预报距离、随预报距离远近的预报具体分辨率、不同产状下倾角走向可被预报的极限角度(临界角)、多个不良地质体情况下的预报效果计算，可利用本专利技术研究隧道超前地质预报中地震波在各种复杂地质情况下的传播特征与规律。附图说明本说明书包括如下98幅附图：图1是应力分量及速度分量分布图；图2是隧道边界网格示意图；图3～图48是典型不良地质体模型的平面示意图；图49～图94正演模型对应数据反演成果图；图95～图98是实施例的TSP法预报成果图件。具体实施方式下面结合附图和实施案例对本专利技术进一步说明。我国隧道超前地质预报物探工作中，TSP(TunnelSeismicPredication)法是地震波反射法中应用最为普遍的一种地球物理探测方法。《铁路隧道超前地质预报技术规程》(Q/CR9217-2015)中，仅对地震波反射法的探测距离、可被探测的断层倾角和走向做出了规定，对断层的规模简单模糊描述为“可被探测的规模”。纵观各种文献，未见对该方法的有效探测距离、断层倾角、走向、预报分辨率、前后多个不良地质体等情况下预报效果的理论研究成果，更多的是基于大量预报案例进行的总结和统计，缺乏TSP法相应的预报效果数值模拟测试方法。本专利技术种基于TSP法隧道超前地质预报效果的测试方法，包括如下步骤：①建立三维空间模型，并对模型进行交错网格有限差分，建立带隧道模型的正演数值模拟方程；将一阶应力-运动方程进行空间离散和时间离散；参照图1，将空间离散为网格后，将各个变量按照交错网格的方式赋予结点；利用雷克子波设置为震源模型。②对模型内隧道断面轮廓边界线进行处理，对位于自由边界上的网格进行处理，使其与实际情况相吻合。对于边界形状的描述，因为用于建模的网格是离散的，因此对网格要求有限制。图2是表示在空间4阶差分情况下，对隧道断面轮廓线凸起和凹陷所需要的最少网格数目。因为有限差分的精度是与网格细分程度以及空间差分的阶的有限差分算子相关。下面对图2边界上的离散灰色网格的七种类型分别进行说明，利用其判定规则在模拟建模的时候进行判别：(1)H-：表示水平分界面(Horizontal)的网格。判定时，在水平方向，左右都必须有H-，OL-，OR-，IL-或者IR-的灰色网格与之相邻。处理时，规则与平面自由分界面的处理完全一致，保证应力σzz为零。(2)VL-：表示真空在其正左边(Verticalboundarygrid-pointwithvacuumtotheLight)的网格。判定时，在垂直方向，上下都必须有VL-，IL-或者OL-的灰色网格与之相邻。处理时，其方式与水平分界面网格H-类似，应当保证应力为σxx为零。(3)IL-：表示真空部分的内角在其左上角(InnercornerwithvacuumabovetoTheLeft)的网格点。判定时，在垂直方向，其上方必须有OL-或者VL-的灰色网格与之相邻；在水平方向，其左边必须有H-或者OL-灰色网格与之相邻。处理时，由于σxx与σzz都属于自由边界上，因此应保证其都被设置为零。(4)OL-：表示真空部分的外角位于其左方(Outercornergrid-pointwithvacuumtotheLeft)。判定时，水平方向必须有一个IL-或者H-灰色网格位于其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.TSP超前地质预报效果测试方法，包括如下步骤：①建立三维空间模型，并对模型进行交错网格有限差分，建立带隧道模型的正演数值模拟方程；将一阶应力‑运动方程进行空间离散和时间离散；将空间离散为网格后，将各个变量按照交错网格的方式赋予结点；利用雷克子波设置为震源模型；②对模型内隧道断面轮廓边界线进行处理，对位于自由边界上的网格进行处理，使其与实际情况相吻合；③对三维空间模型边界进行匹配层处理；④建立不同规模、产状的单个或多个断层破碎带、单个或多个不同规模岩溶的数值模拟模型，将模型带入有限差分数值模拟方程中进行数值模拟计算，获得TSP正演三分量数据，根据正演数值模拟建立典型不良地质体模型；⑤将获得的正演三分量数据进行反演计算，根据反演计算结果和所建立的典型不良地质体模型的比对分析，对预报分辨率、断层可被探测的具体规模大小、多个不良地质体情况下的预报效果、有效探测距离等进行测试。

【技术特征摘要】
1.TSP超前地质预报效果测试方法，包括如下步骤：①建立三维空间模型，并对模型进行交错网格有限差分，建立带隧道模型的正演数值模拟方程；将一阶应力-运动方程进行空间离散和时间离散；将空间离散为网格后，将各个变量按照交错网格的方式赋予结点；利用雷克子波设置为震源模型；②对模型内隧道断面轮廓边界线进行处理，对位于自由边界上的网格进行处理，使其与实际情况相吻合；③对三维空间模型边界进行匹配层处理；④建立不同规模、产状的单个或多个断层破碎带、单个或多个不同规模岩溶的数值模拟模型，将模型带入有限差分数值模拟方程中进行数值模拟计算，获得TSP正演三分量数据，根据正演数值模拟建立典型不良地质体模型；⑤将获得的正演三分量数据进行反演计算，根据反演计算结果和所建立的典型不良地质体模型的比对分析，对预报分辨率、断层可被探测的具体规模大小、多个不良地质体情况下的预报效果、有效探测距离等进行测试。2.如权利要求1所述的TSP超前地质预报效果测试方法，其特征是：所述步骤③中，在研究区域边界加入吸收层，厚度设置为10或者20；将速度分解为平行和垂直两个分量；将水平分量的速度按照笛卡尔坐标系的三个方向进行分解；将分解后的分量利用一阶应力-速度方程进行有限差分逼近；将分量带入速度方程和应力方程，得到三维各项同性介质中完美匹配层吸收边界条件应力方程组及速度方程组的交错网格有限差分格式。3.如权利要求1所述的TSP超前地质预报效果测试方法，其特征是：所述步骤④，所建立典型不良地质体模型包括断层模型、溶洞模型中的至少一种。4.如权利要求3所述的TSP超前地质预报效果测试方法，其特征是：所述断层模型至少包括如下断层模型中的一种：断层模型1：断层破碎带宽度5m，位于掌子面前方50～55m处，与隧道成正交关系；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4000m/s，VS＝2312m/s，密度ρ＝2.3g/cm3；断层模型2：断层破碎带宽度5m，位于掌子面前方100～105m处，与隧道成正交关系；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4000m/s，VS＝2312m/s，密度ρ＝2.3g/cm3；断层模型3：断层破碎带宽度5m，位于掌子面前方150～155m处，与隧道成正交关系；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4000m/s，VS＝2312m/s，密度ρ＝2.3g/cm3；断层模型4：断层破碎带宽度10m，位于掌子面前方50～60m处，与隧道成正交关系；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4000m/s，VS＝2312m/s，密度ρ＝2.3g/cm3；断层模型5：断层破碎带宽度10m，位于掌子面前方100～110m处，与隧道成正交关系；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4000m/s，VS＝2312m/s，密度ρ＝2.3g/cm3；断层模型6：断层破碎带宽度10m，位于掌子面前方150～160m处，与隧道成正交关系；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4000m/s，VS＝2312m/s，密度ρ＝2.3g/cm3；；断层模型7：共有两条断层破碎带，宽度均为5m，分别位于掌子面前方50～55m、100～105m处，均与隧道成正交关系；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4000m/s，VS＝2312m/s，密度ρ＝2.3g/cm3；断层模型8：共有两条断层破碎带，宽度均为5m，分别位于掌子面前方100～105m、150～155m处，均与隧道成正交关系；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4000m/s，VS＝2312m/s，密度ρ＝2.3g/cm3；断层模型9：共有两条断层破碎带，宽度均为10m，分别位于掌子面前方50～60m、100～110m处，均与隧道成正交关系；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4000m/s，VS＝2312m/s，密度ρ＝2.3g/cm3；断层模型10：共有两条断层破碎带，宽度均为10m，分别位于掌子面前方100～110m、150～160m处，均与隧道成正交关系；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4000m/s，VS＝2312m/s，密度ρ＝2.3g/cm3；断层模型11：断层破碎带宽度为10m，位于掌子面前方50～60m处，走向与隧道轴线正交，倾角45°；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4000m/s，VS＝2312m/s，密度ρ＝2.3g/cm3；断层模型12：断层破碎带宽度为10m，位于掌子面前方50～60m处，走向与隧道轴线正交，倾角35°；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4000m/s，VS＝2312m/s，密度ρ＝2.3g/cm3；断层模型13：断层破碎带宽度为10m，位于掌子面前方50～60m处，走向与隧道轴线正交，倾角25°；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4000m/s，VS＝2312m/s，密度ρ＝2.3g/cm3；断层模型14：断层破碎带宽度为10m，位于掌子面前方50～60m处，与隧道轴线斜交55°，倾角90°；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4000m/s，VS＝2312m/s，密度ρ＝2.3g/cm3；断层模型15：断层破碎带宽度为10m，位于掌子面前方50～60m处，与隧道轴线斜交45°，倾角90°；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4000m/s，VS＝2312m/s，密度ρ＝2.3g/cm3；断层模型16：断层破碎带宽度为10m，位于掌子面前方50～60m处，与隧道轴线斜交35°，倾角90°；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4000m/s，VS＝2312m/s，密度ρ＝2.3g/cm3；断层模型17：断层破碎带宽度为10m，位于掌子面前方50～60m处，与隧道轴线斜交45°，倾角35°；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4000m/s，VS＝2312m/s，密度ρ＝2.3g/cm3；断层模型18：断层破碎带宽度为5m，位于掌子面前方50～55m处，与隧道轴线斜交60°，倾角45°，破碎带含水；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4200m/s，VS＝2246m/s，密度ρ＝2.4g/cm3；断层模型19：断层破碎带宽度为5m，位于掌子面前方100～105m处，与隧道轴线斜交60°，倾角45°，破碎带含水；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4200m/s，VS＝2246m/s，密度ρ＝2.4g/cm3；断层模型20：断层破碎带宽度为5m，位于掌子面前方150～155m处，与隧道轴线斜交60°，倾角45°，破碎带含水；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密度ρ＝2.65g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP＝4200m/s，VS＝2246m/s，密度ρ＝2.4g/cm3；断层模型21：断层破碎带宽度为10m，位于掌子面前方50～60m处，与隧道轴线斜交60°，倾角45°，破碎带含水；围岩纵、横波速度分别为VP＝5200m/s，VS＝3006m/s，密...

【专利技术属性】
技术研发人员：牟元存，王光权，王树栋，李星，高树全，王凯，舒森，汪文强，李立川，吕志强，刘博，曹强，朱夏乐，
申请(专利权)人：中铁二院工程集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川,51