CN117826237A - 一种预测隧道内盾构机工作诱发地震波传播的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于隧道挖掘技术领域，具体涉及一种预测隧道内盾构机工作诱发地震波传播的方法，所述方法包括以下步骤：S1：构建盾构机工作模型，根据隧道盾构机工作机理，简化盾构机工作模型；S2：将盾构机模型网格化，在隧道横截面上构建四边形网格，以此为基础，沿着隧道方向进行网格扫描；S3：模拟震源震动，盾构机处于工作状态时，盾构机不断敲击岩壁，产生地震波；S4：当隧道充满空气时，利用时间域声波方程作为隧道的控制方程；S5：使用弹性波方程的时间显示形式描述物理规律，且岩壁中地震波的传播以弹性波传播为主。本发明能够更贴近实际工作状态，同时计算速度更快，计算效果更加良好，简化了模型，充分保留了其工作特征和预测精度。
Description
技术领域
本发明属于隧道挖掘技术领域，具体涉及一种预测隧道内盾构机工作诱发地震波传播的方法。
背景技术
盾构机是挖掘隧道的利器，但其在前进过程中无法探知前方可能存在的地质灾害。地震波传播距离远，对非均质构造有很好的勘探效果。为此，利用盾构机在工作时的震动作为震源，在岩壁上置入检波器，进而预测盾构机前方的非均质构造(如溶洞等)是研究者们长期以来致力的工作方向。
然而，由于环境的复杂性和地震信号的弱振幅特点，加之实际测试中存在非常多的噪音，根本无法利用测得的地震信号分析非均质构造，甚至无法分析其规律。为此，首先需构建模型，预测上述实际情况下地震波的特征。与此同时，通过模拟获得地震波的传播特征，进而指导研究人员在实际资料中寻找到有效信号。然而，目前几乎没有方法可以有效模拟盾构机工作时诱发的地震波的传播规律，因此，建立一个合适的有限元模型，并基于其预测隧道内盾构机工作状态是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种预测隧道内盾构机工作诱发地震波传播的方法，能够更贴近实际工作状态，同时计算速度更快，计算效果更加良好，简化了模型，充分保留了其工作特征和预测精度。
本发明采取的技术方案具体如下：
一种预测隧道内盾构机工作诱发地震波传播的方法，所述方法包括以下步骤：
S1：构建盾构机工作模型，根据隧道盾构机工作机理，简化盾构机工作模型；
S2：将盾构机模型网格化，在隧道横截面上构建四边形网格，以此为基础，沿着隧道方向进行网格扫描；
S3：模拟震源震动，盾构机处于工作状态时，盾构机不断敲击岩壁，产生地震波；
S4：当隧道充满空气时，利用时间域声波方程作为隧道的控制方程；
S5：使用弹性波方程的时间显示形式描述物理规律，且岩壁中地震波的传播以弹性波传播为主；
S6：采用压电的震动方式模拟盾构机震动；
S7：隧道模型中岩壁为圆柱形，且使用完美匹配层边界条件，应用于岩壁外侧；
S8：使用MUMPS方法作为直接求解器。
所述S1中，模型构建直径为D1，长度为L1的隧道区域；内径为D1，外直径为D2，长度为L2的岩石区域；直径为D1，长度为L3的盾构机区域，并将模型沿中心方向切分。
所述S3中，构建震动函数V(t)：
V(t)＝V0*sin(2*pi*f0*t)*rect1(t)
其中：V0为震动幅度大小，f0为震动的主频，t为时间，rect1(t)为截断函数。
所述S4中，隧道控制方程具体为：
其中，ρ是密度，pt是整体声压，ut是声音速度场扰动，c是声波速度，是声压对时间的导数，/>是声音速度场的散度，Qn是单极域源，I是单位矩阵，/>是声压乘以单位矩阵的散度，qd是偶极域源，/>·是散度算子。
所述S5中，弹性波方程具体为：
S＝C∶ε-E·e
其中，v是速度场，ρ是密度，S是应力张量，ε是应变张量，C是刚度张量，Fv是体力，是应变张量对时间的导数，/>是速度场的梯度，/>是速度场梯度的转置，E是电场，e是耦合矩阵。
所述S6中，盾构机推力产生的震动频率低，传播距离远，其控制方程具体为：
D＝∈0∈rE
其中，·D为电位移的散度，D是电位移，∈0为空气介电常数，∈r为相对介电常数。
所述S7中，将对称边界条件应用到模型中心截面，用于增强计算效率。
所述S8中，使用牛顿迭代法获得最终解，即应力张量S，应变张量ε。
本发明取得的技术效果为：
本发明的一种预测隧道内盾构机工作诱发地震波传播的方法针对传统方法中相关策略的失误，通过到现场观察实际工作状态，提出流体泵的推拉作用是产生低频地震信号的主要原因，可以利用压电效应模拟其震动效果，从而避免考虑刀盘产生的高频影响。
本发明的一种预测隧道内盾构机工作诱发地震波传播的方法在模型控制方程和边界条件设置方面，使用多场耦合作为控制方程，充分模拟了实际情况；同时，使用完美匹配层模拟岩壁的无限空间；使用对称边界条件，提高计算效率。目前没有传统方法能与上述做法契合。
附图说明
图1是本发明实施例的流程框图；
图2是本发明实施例隧道模型的结构示意图；
其中，A、隧道；B、岩壁；C、刀盘；D、匹配边界区域；
图3是本发明实施例隧道模型的网格剖分图；
图4是本发明实施例矩形截断函数示意图；
图5是本发明实施例震源震动模拟示意图；
图6是本发明实施例求解后三个检波点位置的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
实施例1：
如图1-6所示，一种预测隧道内盾构机工作诱发地震波传播的方法，所述方法包括以下步骤：
S1：构建盾构机工作模型，根据隧道盾构机工作机理，简化盾构机工作模型；模型构建直径为D1，长度为L1的隧道区域；内径为D1，外直径为D2，长度为L2的岩石区域；直径为D1，长度为L3的盾构机区域，并将模型沿中心方向切分。
S2：将盾构机模型网格化，在隧道横截面上构建四边形网格，以此为基础，沿着隧道方向进行网格扫描；
S3：模拟震源震动，盾构机处于工作状态时，为保证盾构机能够向前移动，需使用流体泵不断向前推，盾构机不断敲击岩壁，产生地震波；由于盾构机上的刀片同样会产生一些地震波，但是其频率过高，噪音非常大；所以，勘探以向前推进的震动为主，构建震动函数V(t)：
V(t)＝V0*sin(2*pi*f0*t)*rect1(t)
其中：V0为震动幅度大小，f0为震动的主频，t为时间，rect1(t)为截断函数。
S4：当隧道充满空气时，利用时间域声波方程作为隧道的控制方程；隧道控制方程具体为：
其中，ρ是密度，pt是整体声压，ut是声音速度场扰动，c是声波速度，是声压对时间的导数，/>是声音速度场的散度，Qm是单极域源，I是单位矩阵，/>是声压乘以单位矩阵的散度，qd是偶极域源，/>·是散度算子。
S5：使用弹性波方程的时间显示形式描述物理规律，且岩壁中地震波的传播以弹性波传播为主；弹性波方程具体为：
S＝C∶ε-E·e
其中，v是速度场，ρ是密度，S是应力张量，ε是应变张量，C是刚度张量，Fv是体力，是应变张量对时间的导数，/>是速度场的梯度，/>是速度场梯度的转置，E是电场，e是耦合矩阵。
S6：采用压电的震动方式模拟盾构机震动；盾构机推力产生的震动频率低，传播距离远，其控制方程具体为：
D＝∈0∈rE
其中，·D为电位移的散度，D是电位移，∈0为空气介电常数，∈r为相对介电常数。
S7：隧道模型中岩壁为圆柱形，且使用完美匹配层边界条件，应用于岩壁外侧；将对称边界条件应用到模型中心截面，用于增强计算效率。
S8：使用MUMPS方法作为直接求解器，使用牛顿迭代法获得最终解，即应力张量S，应变张量ε。
实施例2：
如图2-图3所示，基于实施例1的基础上，本实施例对具体实施方式做出清楚完整的说明：
依据S1：构建直径为5米，长度为15米的隧道；内径为5米，外径为10米，长度为7.5米的岩石区域；直径为5米，长度为2.5米的盾构机区域，其中隧道为A区，岩石区域为B区，盾构机区域为C区，D区为拓展区域；
依据S2：构建隧道模型的网格，隧道的横截面采用四边形网格，然后沿着隧道方向扫描；
依据S3：模拟盾构机的震动。其中V0取50福特，频率f0为20Hz，rect1(t)为矩形截断函数，效果如图4所示。将震动函数与矩形函数相乘获得的最终震源函数，如图5所示；
依据S4：将控制方程加载到隧道区域，即图2中所示A区，同时也包括拓展区域(图2中所示D区)；
依据S5：将岩壁控制方程加载到岩壁区域，即图2所示B区；
依据S6：将盾构机控制方程加载到盾构机区域，即图2所示C区；
依据S7：将完美匹配层条件加载到岩壁的外圈，即图2所示B区的外层部分；
依据S8：求解，结果如图4所示，可以看到，除了为考虑到的噪音外，本发明的预测结果与真正测量结果基本一致。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。
Claims (8)
1.一种预测隧道内盾构机工作诱发地震波传播的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
S1：构建盾构机工作模型，根据隧道盾构机工作机理，简化盾构机工作模型；
S2：将盾构机模型网格化，在隧道横截面上构建四边形网格，以此为基础，沿着隧道方向进行网格扫描；
S3：模拟震源震动，盾构机处于工作状态时，盾构机不断敲击岩壁，产生地震波；
S4：当隧道充满空气时，利用时间域声波方程作为隧道的控制方程；
S5：使用弹性波方程的时间显示形式描述物理规律，且岩壁中地震波的传播以弹性波传播为主；
S6：采用压电的震动方式模拟盾构机震动；
S7：隧道模型中岩壁为圆柱形，且使用完美匹配层边界条件，应用于岩壁外侧；
S8：使用MUMPS方法作为直接求解器。
2.根据权利要求1所述的一种预测隧道内盾构机工作诱发地震波传播的方法，其特征在于：所述S1中，模型构建直径为D1，长度为L1的隧道区域；内径为D1，外直径为D2，长度为L2的岩石区域；直径为D1，长度为L3的盾构机区域，并将模型沿中心方向切分。
3.根据权利要求1所述的一种预测隧道内盾构机工作诱发地震波传播的方法，其特征在于：所述S3中，构建震动函数V(t)：
V(t)＝V0*sin(2*pi*f0*t)*rect1(t)
其中：V0为震动幅度大小，f0为震动的主频，t为时间，rect1(t)为截断函数。
4.根据权利要求1所述的一种预测隧道内盾构机工作诱发地震波传播的方法，其特征在于：所述S4中，隧道控制方程具体为：
其中，ρ是密度，pt是整体声压，ut是声音速度场扰动，c是声波速度，是声压对时间的导数，/>是声音速度场的散度，Qm是单极域源，i是单位矩阵，/>是声压乘以单位矩阵的散度，qd是偶极域源，/>是散度算子。
5.根据权利要求1所述的一种预测隧道内盾构机工作诱发地震波传播的方法，其特征在于：所述S5中，弹性波方程具体为：
S＝C∶ε-E·e
其中，v是速度场，ρ是密度，S是应力张量，ε是应变张量，C是刚度张量，Fv是体力，是应变张量对时间的导数，/>是速度场的梯度，/>是速度场梯度的转置，E是电场，e是耦合矩阵。
6.根据权利要求1所述的一种预测隧道内盾构机工作诱发地震波传播的方法，其特征在于：所述S6中，盾构机推力产生的震动频率低，传播距离远，其控制方程具体为：
D＝∈0∈rE
其中，为电位移的散度，D是电位移，∈0为空气介电常数，∈r为相对介电常数。
7.根据权利要求1所述的一种预测隧道内盾构机工作诱发地震波传播的方法，其特征在于：所述S7中，将对称边界条件应用到模型中心截面，用于增强计算效率。
8.根据权利要求1所述的一种预测隧道内盾构机工作诱发地震波传播的方法，其特征在于：所述S8中，使用牛顿迭代法获得最终解，即应力张量S，应变张量ε。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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