深埋隧道综合地质预报理论研究及应用

　　隧道超前地质预报是通过掌子面地质调查法、地球物理和钻探等手段，探测岩土体开挖工作面前方的地质情况，以便在施工前掌握开挖工作面前方的岩土体结构、性质、状态，以及地下水、瓦斯等的赋存情况等地质信息。隧道超前地质预报涉及地质构造、围岩完整性、富水程度等工程地质和水文地质的多方面内容，岩体的构造发育程度、完整性、破碎程度和稳定性等主要表现为力学性质的差异，电阻率的差异则对围岩的富水程度反应敏感，任何单一的地球物理方法都不可能同时反映力学和电磁学两种物性参数的变化。本书首先利用时域有限差分方法对回线源激发的瞬变场进行三维数值模拟，阐述了理论及程序实现的关键点，验证了数值模拟的准确性，并对典型地电模型的响应特征进行了分析。然后对钻孔地质雷达的单孔反射和跨孔探测进行了数值模拟；通过互相关函数对初至波旅行时的提取进行优化：根据相关理论对钻孔雷达的天线对其跨孔数据初至波旅行时的影响进行了计算和分析，并根据计算结果给出了初至波旅行时的修正公式，结合初至波旅行时提取方法的改进和修正对模拟数据和实际采集的数据进行了层析成像。之后研究了EDA介质中的地震波参数反演，以多层倾斜EDA模型为例进行参数反演，利用 小二乘法对模拟记录进行相似性分析，得到动校正速度，然后根据动校正速度与各向异性参数及对称轴方位角的关系，进行参数反演，另外由地震波走时及射线追踪法，利用多项式拟合法反演地下界面的几何参数，并对反演结果进行了误差分析。 ，以云阳山隧道、沅古坪特长隧道等为例，分析了瞬变电磁法、钻孔雷达以及地震波法在超前地质预报中的应用效果，指出在具体的工作中，应根据不同的工况和需求选择合适的技术组合来进行勘查。

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第1章 绪论
1.1 研究意义
1.2 瞬变电磁法发展现状
1.3 钻孔地质雷达发展现状
1.4 各向异性介质中地震波法研究现状
1.5 本书的主要内容
第2章 矩形回线源激发的时间域电磁场
2.1 垂直磁偶源激发的频率域电磁场
2.1.1 互补解
2.1.2 特解
2.1.3 通解
2.1.4 垂直磁偶源激发的频率域电磁场
2.2 矩形回线源激发的频率域电磁场
2.2.1 空气中的电磁场
2.2.2 均匀半空间中的电磁场
2.3 矩形回线源激发的时间域电磁场
2.3.1 G-S算法
2.3.2 下阶跃电流激发的阶跃响应
2.4 本章小结
第3章 三维有限差分方法
3.1 控制方程
3.2 模型的离散化
3.3 时间剖分
3.4 初始值和时间步长的选取
3.4.1 初始时刻的确定
3.4.2 时间步长的确定
3.5 边界条件
3.5.1 地下边界条件
3.5.2 空气-地表边界条件
3.6 三维有限差分方程
3.7 本章小结
第4章 瞬变电磁法三维数值模拟
4.1 算法验证
4.1.1 均匀半空间地电模型
4.1.2 H型地电模型
4.1.3 K型地电模型
4.2 均匀网格剖分的空间步长对算法精度的影响
4.2.1 均匀半空间地电模型
4.2.2 H型地电模型
4.2.3 K型地电模型
4.3 非均匀网格空间步长对算法精度的影响
4.3.1 均匀半空间地电模型
4.3.2 H型地电模型
4.3.3 K型地电模型
4.4 时间步长对算法精度的影响
4.4.1 均匀半空间地电模型
4.4.2 H型地电模型
4.4.3 K型地电模型
4.5 模型算例
4.5.1 不同厚度相同埋深的水平低阻板状体
4.5.2 相同厚度不同埋深的低阻板状体
4.5.3 磁场垂直分量脉冲响应等值线剖面图
4.6 本章小结
第5章 钻孔地质雷达正演模拟
5.1 钻孔地质雷达电磁场特性
5.1.1 电磁波的基本特性
5.1.2 钻孔地质雷达场源
5.2 电磁波传播方程
5.2.1 Maxwell方程组
5.2.2 本构方程
5.2.3 GPR方程导出
5.3 FDTD差分方程
5.4 数值稳定条件
5.4.1 空间稳定性条件
5.4.2 时间稳定性条件
5.5 吸收边界条件
5.5.1 匹配层(PML)边界条件
5.5.2 单轴 匹配层(UPML)边界条件
5.5.3 卷积 匹配层(CPML)边界条件
5.6 吸收边界效果验证对比
5.6.1 均匀介质中吸收边界效果对比
5.6.2 非均匀介质中吸收边界效果
5.7 本章小结
第6章 钻孔地质雷达有限差分正演模拟
6.1 单孔反射数值模拟
6.1.1 均匀介质正演模拟
6.1.2 非均匀介质正演模拟
6.1.3 模拟数据与实测数据对比分析
6.2 跨孔探测数值模拟
6.2.1 均匀介质正演模拟
6.2.2 非均匀介质正演模拟
6.2.3 模拟数据与实测数据对比分析
6.3 本章小结
第7章 地质雷达层析成像算法改进
7.1 层析成像
7.1.1 直射线层析成像
7.1.2 层析成像基本方程
7.1.3 小二乘正交分解法
7.2 基于互相关法的初至波旅行时提取
7.2.1 初至波旅行时提取分析
7.2.2 互相关函数法
7.2.3 改进的初至波旅行时提取实例
7.3 钻孔地质雷达天线数值模拟
7.3.1 天线收发信号方程
7.3.2 天线收发信号数值模拟计算
7.3.3 天线数值模拟实例
7.4 初至波旅行时影响因素分析
7.4.1 钻孔地质雷达天线中电磁波速度分析
7.4.2 均匀介质中旅行时的影响分析
7.4.3 非均匀介质中旅行时影响分析
7.5 初至波旅行时修正
7.5.1 射线传播路径修正
7.5.2 电磁波传播速度数值模拟计算
7.5.3 旅行时修正方程
7.6 本章小结
第8章 EDA介质中地震波参数反演
8.1 各向异性介质基本理论
8.1.1 各向异性介质的分类体系及其弹性矩阵
8.1.2 常见的地球各向异性介质
8.1.3 Bord变换
8.2 HTI介质中水平介质的非双曲线时差分析
8.2.1 HTI介质中对称面内反射波的时距方程
8.2.2 HTI介质中水平介质的动校正速度与方位角的关系
8.2.3 数值模拟计算
8.3 均匀HTI介质中倾斜界面的非双曲线时差分析
8.3.1 HTI介质中倾斜界面的动校正速度
8.3.2 HTI介质中三维动校正速度与射线参数的关系
8.3.3 层状介质中倾斜界面的Dix公式
8.3.4 倾斜HTI介质中P波参数反演
8.3.5 倾斜地层速度分析模型计算
8.4 EDA介质中非双曲线相似分析
8.4.1 EDA介质中水平界面的非双曲线时距方程
8.4.2 EDA介质中倾斜界面的动校正速度及时距方程
8.4.3 EDA介质中三维动校正速度与射线参数的关系
8.4.4 层状EDA介质中倾斜界面的似Dix公式
8.4.5 EDA介质速度分析数值计算
8.5 EDA介质参数反演
8.5.1 反演方法及流程
8.5.2 正演模型
8.5.3 反演成果
8.5.4 裂隙密度及地下水