Сейсмическое моделирование тоннелей: метод МФТИ и прогноз рисков

Учёные из МФТИ применили сеточно-характеристический метод для численного моделирования распространения сейсмических волн в горном массиве рядом со строящимся тоннелем. Полученные результаты численных экспериментов качественно совпали с реальными сейсмограммами полевого опыта.

Работа опубликована в журнале Mathematical Models and Computer Simulations и поддержана Российским научным фондом (грант №25-71-10027).

Строительство тоннелей относится к наиболее сложным и рискованным видам подземных работ, поскольку горные породы могут скрывать тектонические разломы, водонасыщенные слои, карстовые полости и зоны трещиноватости, способные привести к обрушениям.

Сценарии распространения волн и полевой эксперимент

Для проверки метода исследователи использовали данные сейсмического опережающего зондирования, где из забоя выполнялись взрывы и регистрировались отражённые волны.

В эксперименте проводилась серия из 24 взрывов с шагом 2 метра, начиная с отметки 50 метров вглубь тоннеля. Отражённые сигналы позволили определить границу разлома между гранитом и зоной трещиноватости, которая позже подтвердилась при проходке.

Учёные рассмотрели три сценария: однородный гранит (Vp 4000 м/с, Vs 2309 м/с), тектонический разлом с пониженными скоростями (Vp 3500 м/с, Vs 2021 м/с) и водонасыщенный слой (Vp 1500 м/с, Vs 50 м/с).

В первом случае волновое поле оставалось симметричным, во втором появлялись искажения из-за разлома, а в третьем наблюдались наиболее сильные отражения волн.

Карты вероятностей и инженерное применение

Разностный анализ волновых полей позволил выделить отражения от неоднородностей и построить карты вероятности расположения границ подземных структур. Метод основан на подходах обратного времени в сейсморазведке.

Карты для P- и S-волн дополняли друг друга и точно воспроизводили положение разломов и водонасыщенных зон.

Отдельное внимание уделено химерным сеткам, которые позволяют корректно моделировать цилиндрическую геометрию тоннеля без численных искажений.

Как отметил ведущий научный сотрудник МФТИ Николай Игоревич Хохлов, «задача заглянуть за забой тоннеля — классика инженерной геофизики. Метод позволяет получать волновые поля, совпадающие с реальными сейсмограммами».

Подход может применяться при строительстве метро, подводных тоннелей и в горнодобыче, а в перспективе — интегрироваться в системы управления тоннелепроходческими машинами для оценки геологии в реальном времени.

Больше новостей и эксклюзивных видео смотрите в канале Самара Онлайн 24 в MAX.