隧道TBM机瞬变电磁响应三维并行模拟及干扰去除研究

摘要

利用瞬变电磁进行隧道超前探测工作时,在TBM机施工的隧道中会受到TBM机严重干扰,使得瞬变电磁超前探测的效果大打折扣。为了研究消除TBM机干扰响应的方法,需要首先通过三维正演来获取TBM机的瞬变电磁响应规律以及TBM机与隧道中含水不良地质构造的相互影响规律。本文利用三维时域有限差分方法对TBM机施工的隧道中不同的含水地质构造的瞬变电磁响应进行了模拟,利用0.2m的小网格对TBM机进行了精细化剖分。为了解决小网格造成的网格规模过大计算时间过长的问题,开发了基于GPU的异构并行算法,并进行了深度优化,极大地缩短了三维复杂模型正演模拟的计算时间。
　　隧道腔体中的空气在正演过程中用高阻介质近似,由于存在这种电阻率极高的介质,根据传统的稳定性条件经验公式所确定的时间迭代步长不再适用,本文根据大量的模型计算总结出了适用于这种情况的新的稳定性条件经验公式。
　　从模拟结果可以发现TBM机的干扰响应与含水地质构造所引起的响应并不会产生较强的相互作用,并且TBM机的异常响应主要集中在关断后较早的时间段内,当掌子面前方的含水地质构造与掌子面距离较远时二者所造成的响应从感应电动势曲线上即可分辨。当掌子面前方的异常体规模较小或者距离掌子面较近时,从感应电动势曲线上已经不能分辨出二者的异常响应,因此必须要先对TBM机造成的异常响应进行消除。为此本文研究探索了一种消除TBM机干扰响应的方法,首先利用三维正演获取TBM机的异常响应,然后将实测感应电动势减去TBM机的纯异常响应即可近似看作是由掌子面前方异常体所引起的响应。通过一系列的模型计算验证了这种消除方法的有效性,并对消除过程中可能存在的误差来源进行了分析。

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第一章 绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 瞬变电磁时域有限差分正演发展现状

1.3 高性能计算及其在勘探电磁领域的应用现状

1.4 论文主要研究内容

第二章 瞬变电磁并行三维时域有限差分正演原理

2.1 时域Maxwell方程组及有限差分离散

2.1.1 控制方程

2.1.2 Yee晶胞格式

2.1.3 差分方程

2.1.4非均匀网格剖分差分方程

2.2边界条件

2.3 空气层电导率近似和稳定性条件

2.4 差分方程GPU并行计算

2.4.1 OpenACC并行策略

2.4.2性能对比

第三章 TBM机施工隧道中三维模型正演及TBM机干扰消除

3.1 隧道中TBM机的瞬变电磁响应模拟

3.1.1 TBM机与隧道掌子面距离对其瞬变电磁响应的影响

3.1.2 TBM机的规模对其瞬变电磁响应的影响

3.2 TBM施工隧道中直立充水断层的正演

3.2.1 TBM机施工隧道中直立充水断层的瞬变电磁响应特征

3.2.2 直立充水断层与掌子面距离不同时的瞬变电磁响应规律

3.2.3 围岩电阻率与断层电阻率之比不同时的瞬变电磁响应规律

3.2.4 断层厚度对瞬变电磁响应影响规律

3.2.5 断层规模对瞬变电磁影响的规律

3.3 TBM机干扰的消除

3.3.1 干扰消除方法

3.3.2 TBM干扰消除模型验证

3.4 本章小结

第四章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

致谢