中国的高速铁路建设在引进和吸收国外先进技术的基础上,不断实现创新突破,取得了举世瞩目的辉煌成就。不久的将来,随着中国发达的现代化高速铁路网逐步完善,中国高速铁路网将步入全新时代。路基安全是高铁列车安全运行的基本保障,学者研究表明,行进中的高铁列车,实际上可作为一种全新的、可重复的宽频带分立谱“人造震源”,从而为高铁路基高精度探测提供了重要基础,对于保障高铁列车的安全运行具有非常重要的意义。此外,通过对大量高铁地震数据的分析表明,高铁震动信号中包含着丰富的地质构造信息,因此,研究利用高铁震源以充分挖掘高铁地震信号中的有效信息,对于高速铁路网附近浅地表构造和物性的高精度探测具有重要的理论和实际意义。全波形反演依据波动方程模拟的地震波场数据与观测波场数据构建数据拟合,其核心是,利用叠前地震波场中的振幅、走时、相位等运动学和动力学信息,构建模拟波场与观测波场的残差,并通过最优化算法对模拟数据与观测数据进行最佳匹配,实现对地下介质物性参数的高精度建模。经过多年的发展,全波形反演已逐渐发展成为获取地下介质物性参数信息的重要工具,在地震勘探领域应用广泛。高铁震源不同于传统的地球物理震源,其地震波场受到震源激发机制和地下介质相互作用的多重影响,为充分挖掘利用高铁震动信号中所蕴含的丰富地质构造信息,有效利用绿色高效的高铁震源,实现高铁路网附近覆盖区域的一定范围内的地下空间探测和工程防护应用研究,本文初步探索高铁地震的弹性波全波形反演方法,主要研究内容包括:1、全波形反演以实现模拟数据与观测数据的最优匹配为目标,因此,高精度模拟数据的生成也是重要的环节。在高铁地震波数值模拟中,由于使用差分算子近似微分算子会不可避免地产生数值误差,称之为数值频散。为了实现高精度的高铁地震波数值模拟,减少数值频散对模拟和反演结果的干扰,本文首先研究基于最小二乘组合自乘窗的交错网格有限差分优化方法,以减小由于使用差分算子逼近微分算子所造成的数值误差,对数值频散进行有效地压制,进而提高弹性波数值模拟的精度和效率。2、在处理高铁震源这一类复杂震源所产生的复杂地震波场时,需要针对高铁地震波的激发机制以及高铁地震波场的响应特征和规律进行研究,为实现高铁地震的全波形反演奠定基础。本文依据“和谐号”CRH5高铁列车的相关参数,构建高架桥系统下高铁列车荷载模型,基于研究组高铁地震波激发机制的前期研究,推导出可应用于全波形反演的高铁震源时间函数,并应用最小二乘组合自乘窗的交错网格有限差分算子,实现高架桥系统下高铁地震波的数值模拟及响应特征与规律分析。3、依托所推导的高铁震源时间函数,在实现高铁地震波数值模拟及响应特征和规律分析的基础上,本文基于高铁列车车厢数量及行驶速度增加会使高铁地震波出现串扰现象的认识,以单节车厢的高铁列车行驶经过高架桥为例,利用收敛速度更快,同时计算量和存储量都相对较小的共轭梯度法,实现高铁地震的弹性波全波形反演,并给出了多种模型下的全波形反演结果与分析。本文初步探索高铁地震的弹性波全波形反演方法,无论是对简单模型的异常体反演,还是对复杂模型的反演都取得了良好的效果,反演结果基本收敛,可对地下构造和物性进行高精度的刻画。本文的研究工作表明高铁地震的弹性波全波形反演方法是可行的,可以有效地从高铁地震信号中提取地下介质的物性参数信息,后期将完善高铁地震的全波形反演方法,更加充分地发掘高铁地震波场中所蕴含的丰富的地质构造信息,深化高速铁路网覆盖区域的一定范围内的地下空间探测和工程防护应用研究。