Tunnel reconnaissance by seismic full waveform inversion

Seismische Vorauserkundung ist ein wichtiges Werkzeug für das sichere Auffahren im maschinellen Tunnelbau. Heute werden bereits verschiedene Systeme angewendet, die die Einsatzzeiten unterschiedlicher seismischer Phasen analysieren. In dieser Arbeit werden die gesamten Informationen der seismischen Signale mittels Full Waveform Inversion (FWI) analysiert, um die Ergebnisse der Vorauserkundung zu verbessern. Das Softwarepaket NEXD wird dazu um ein FWI Modul erweitert, das die adjungierte Methode anwendet. Um das Potential der FWI zu zeigen, werden numerische Simulationen verwendet, wobei synthetische Messwerte mittels Vorwärtssimulationen erzeugt werden. Ein Laborexperiment wird genutzt, um eine Inhomogenität innerhalb eines Aluminiumblocks zu finden. Die Untersuchungsergebnisse belegen das Potential der FWI zur Verbesserung der Vorauserkundung. Unterschiedliche Strukturen werden mit hoher räumlicher Auflösung und guten Abschätzungen der seismischen Wellengeschwindigkeiten detektiert.Exploration of soil properties using seismic waves is a beneficial tool for effective construction in mechanized tunneling. Seismic reconnaissance systems analyzing travel times based on seismic phase onsets are already used in various configurations. The concept of full waveform inversion (FWI) is applied to improve the exploration capabilities by analyzing the complete recorded seismograms. The software package NEXD, which solves the (visco)elastic wave equation is extended by a FWI module using the adjoint method. Numerical simulations are used to investigate the potentials of FWI on the exploration ahead of a tunnel. Synthetic measurement data are obtained from forward simulations. A laboratory experiment aiming to detect an inhomogeneity in an aluminum block is used. The investigation results show a high capability of FWI for exploration in mechanized tunneling. Different structures can be detected with a high spatial accuracy and good estimations of the wave velocity contrast