影响TSP203隧道超前地质预报系统探测准确度的因素研究

朱海龙

(中国铁路第一勘察设计院集团 陕西铁道工程勘察有限公司，陕西 宝鸡 721001)



影响TSP203隧道超前地质预报系统探测准确度的因素研究

朱海龙

(中国铁路第一勘察设计院集团 陕西铁道工程勘察有限公司，陕西 宝鸡 721001)

对隧道超前地质预报的现状及TSP(tunnel seismic prediction)203超前地质预报系统的基本原理进行了简单介绍，明确了TSP203系统在工程应用中存在的不足，在此基础上分析了影响TSP203系统探测准确度的因素，并提出了相应的对策和措施，以提高TSP203超前预报系统的准确度，为隧道工程施工提供可靠的安全保障。

TSP203；超前地质预报；准确度；影响因素

1 引 言

在隧道工程施工中，由于掌子面前方地质情况的不可预见性，经常遇到不良地质体，例如断层破碎带、含水地层、岩溶发育区、软弱夹层等，往往造成塌方、突泥、涌水等工程事故，威胁人员设备的安全，对工程进度造成影响，增加工程费用。科学、有效地对隧道施工掌子面前方地质情况进行预报显得尤为重要，目前常用的地质预报方法有水平钻孔、隧道地震超前预报系统(TSP)、地质雷达(GPR)、红外探水等[1]。其中，水平钻孔法得到的预报结果最直接、最有说服力，但预报距离太短，而且耗费工时，耽误工程进度；地质雷达预报准确度高，尤其对水、小溶洞等探测敏感，但预报距离只有20～30 m，而且在隧道里操作难度大，且易受干扰；红外探水法对探测环境要求比较苛刻，探测结果受隧道内环境影响较大，目前应用较少；TSP超前预报法是根据地震波反射原理而设计的，其预报距离长，坚硬围岩中可达200 m，并且操作简单，探测用时短，在隧道施工工序间隙可完成，对工程施工影响小，探测成本也相对较低[2]。与其他超前地质预报方法相比，TSP法在预报距离、对隧道施工的影响程度及操作可行性等方面有较大优势，因此，TSP超前地质预报法在近几年得到了广泛的应用。

2 预报原理简介

TSP203超前地质预报系统是依据地震波的反射原理进行地质预报的，地震波理论基础在这里不做详述。与常规地震勘探相比，TSP203系统具有一些特殊的技术特点，主要体现在观测方式上，这也是由隧道内勘探的特殊性决定的。一般是在隧道已开挖段距掌子面一定距离内布设一系列规则排列的震源，每次地震源激发形成一个地震波断面，地震波沿隧道中的岩体传播，当地震入射波遇到地质构造面或岩体强度发生变化时(如断层、软弱夹层、溶洞、节理裂隙面)，一部分地震波就被反射回来到达接收器被记录仪记录，反射波的强度、波形及传播时间携带了相关界面的性质产状及距接收点的距离[3-5]。采集的数据经TSPwin处理软件进行一系列处理，最终得到速度分布图、深度偏移图等，通过对处理结果的分析，并结合前期地质勘察资料、现场地质编录资料以推断隧洞前方及周围区域地质构造的位置、特性和规模。TSP系统工作原理如图1所示。

图1 TSP系统工作原理Fig.1 Principle of TSP system

3 影响TSP203系统预报准确度的因素

TSP203超前预报系统在隧道安全施工中起到了较大作用，也显示出了该系统的优越性，但在实际应用中，也经常出现误报、漏报等情况，造成预报结果准确度不高，对TSP超前预报工作造成了很多负面影响[6]。TSP预报资料的使用方，尤其是施工单位的很多人都认为，TSP准确度距离使用要求还有差距，究其原因是多方面的。抛开TSP系统本身在组成和设计方面的因素不讲，本文从原始数据、数据处理分析等方面分析影响TSP203系统准确度的因素。

3.1 原始数据方面

3.1.1 炮孔的布设

在TSP观测系统的布设过程中，很多时候由于施工工人对炮孔布设要求不了解或者隧道内环境限制，造成炮孔的几何参数(倾角、方位角、孔间距、孔深、孔高)不符合TSP观测系统要求，尤其是炮孔倾角为仰角，使后面激发无法采用水封法。使用水封法的目的在于，用水封闭炸药，使炸药爆炸产生的能量更多地转化为沿炮孔方向的横向地震波，减少因能量直接进入空气而产生的隧道管波，压制干扰波能量，增强有效波能量，提高信噪比[7]。下图是采用水封法与未用水封法的数据对比。

对比图2、图3、图4可以看出，采用水封法采集数据使数据质量有很大的提高。因此，在条件允许的情况下，采集数据一定要采用水封法，无法采用水封法时，可以采用替代措施，比如用锚固剂封堵爆破洞口，这样也能起到一些作用。

图2 原始数据Fig.2 Original data

3.1.2 激发能量大小

在TSP数据采集过程中，激发能量的大小对数据质量影响甚大。如果激发能量过小，激发的地震波在岩体中传播，经过一定的能量衰减，遇到波阻抗界面反射回的能量可能很小，使探测距离减少，同时可能导致首波不清晰，影响后期数据处理过程中初至波拾取；如果激发能量过大，激发的地震波主频将会降低，对探测的分辨率产生不利影响[8,9]；最极端的是激发能量超过系统的记载范围，出现能量溢出，导致正常数据被覆盖，进而影响数据的准确性。

图3 未采用水封法采集的低信噪比数据Fig.3 Low signal to noise data acquired without water closing

图5 激发能量过小波形Fig.5 Waveforms triggered by low explosive

图4 采用水封法采集的高信噪比数据Fig.4 High signal to noise data acquired with water closing

图6 激发能量过大波形Fig.6 Waveforms triggered by overdose explosive

根据隧道围岩的坚硬程度等情况，确定合适的炸药量。一般情况下，围岩坚硬、完整(如灰岩)，用量在40～70 g；围岩较软、破碎或松散(如泥岩、全风化花岗岩等)，用量在80～200 g。此外，其用量也与检波器到炮点的距离有很大关系。靠近掌子面，用量宜稍大；靠近传感器，用量宜稍小。没有经验时最好先试验一炮。

3.1.3 爆破延时

TSP在采集数据时，要求每一炮的延时必须一致，如果爆破延时不一致，直达波就不能准确地定位，使初至波拾取无规律，极大地影响岩体波速的计算，导致后期解译结果不准确。造成爆破延时的因素是多方面的，主要可能是雷管不是瞬发电雷管(图7)，或者瞬发电雷管过期、受潮等，炸药不合格或受潮也会造成爆破延时不一致。

3.1.4 接收器套管耦合

信号的接收是TSP探测工作中重要的一环，套管与围岩的耦合程度直接影响信号的接收质量。使用套管是为了保护接收器，但同时不能降低接收器的接收效果。因此在TSP探测中，要求接收套管与围岩耦合紧密，且耦合介质的波阻抗与围岩波阻抗尽可能相近，以减弱套管自振，这样套管的振动频率、振幅和速度才能真实地反应围岩振动频率、振幅和速度，保证接收器接收到的信号最为真实。但在实际操作中，由于多种原因可能造成套管耦合不好，一般因为：选用的耦合介质不合适；接收器孔不合适，使套管无法入底；围岩为软质岩或太破碎；操作人员操作不当等[10,11]。图8为耦合不良时采集到的数据，能明显看到信号受到套管自振影响，干扰强烈。

图7 雷管延时波Fig.7 Waveforms triggered with delayed detonators

为确保接收器耦合良好，在安置接收器前应先检查接收器孔是否合格，确保套管能够放入。应采用TSP厂家提供的套管(第三方套管质量不敢保证)，耦合介质应采用双组份环氧树脂，锚固剂等其他耦合介质的耦合效果没有环氧树脂好。操作过程要按操作规范，确保套管与围岩耦合良好。

图8 耦合不良数据Fig.8 Data of poor coupling

3.1.5 机械噪声干扰

在TSP采集过程中，如果同时隧道内有其他机械振动，TSP记录系统也会记录下这些振动。如果机械振动的能量大于有效波的能量，机械振动波就会覆盖有效波，严重降低数据的信噪比。因此，在TSP数据采集过程中要停止隧道内的其他施工活动，减少造成机械振动的因素，避免TSP数据受机械振动干扰。图9为受机械振动影响的数据。

图9 机械振动干扰数据Fig.9 Waveforms interfered by machinery vibration

3.2 数据处理分析方面

3.2.1 数据长度设定

在TSP数据处理过程中，数据长度设置过大会使数据中包含更多干扰信号，降低了预报结果的准确性；数据长度设置过小，部分有用信号会被剔除，也会对结果的准确性造成影响，同时使预报长度变短。

合理地设定数据长度是TSP数据处理的前提，一般按以下经验公式计算：

数据长度=(探测范围×2×2.5)÷Vp

(1)

式(1)中Vp(单位m/s)为纵波平均速度；2表示往返传播时间；2.5则表示考虑速度变化和横波较慢的安全因数。

相对准确的Vp值可以通过以下步骤取得：

1)先假定一数据长度(如250 ms)，运行TSPwin软件至第三步：初至拾取，进行必要的简单处理，即可得到。

2)有了相对准确的Vp值和自己确定的探测距离，用上式即可计算出合适的数据长度[12-14]。

3)然后置换先前的假定数据长度，重新开始软件处理。

3.2.2 滤波窗口的选择

数据质量对滤波窗口的选择至关重要，当采集的数据信噪比高、具有较高的地震波真振幅值时，滤波窗口的选择就相对比较容易(图10)；当数据质量较差，含有较多干扰波信号时，滤波窗口的选择就比较困难(图11)，需要我们对数据频谱进行分析，并根据以往测试得到的不同岩性的地震波频谱特性，选择合理的滤波参数，滤除干扰波，使有效波的真振幅得以恢复，提高信噪比。然而实际应用当中由于原始数据质量不高，滤波的参数选取之后，虽然信噪比有很大提高，但是在这种情况下，滤波后的地震波是一种“假振幅”，对于后续的结果分析毫无意义。在滤波选取时，主频区和干扰波频率分界点非常重要；常见的干扰波面波的频率比较低，属于次生波，频率一般都低于20 Hz；干扰波声波的特点是速度稳定(340 m/s)，频率高，延续时间长(呈现为振铃式)，在地震波记录上呈现强而尖锐的波至；主频区位置主要由激发条件决定，炸药量不一样，那么主频区也不一样。

3.2.3 反演结果的筛选

软件程序化的反演结果中一般包含有一些不合理或者是错误的信息，需要人工辨别并剔除掉这些信息。TSPwin软件反演结果中就包含有一些伪反射界面，这些伪反射界面和真反射界面混淆在一块，使反演结果的准确度下降。这就需要我们对反演结果进行筛选，剔除伪反射界面，尽量还原真实反射界面，一般需要剔除以下反射界面：

1)反射地层厚度太小，或者特性参数忽高忽低的界面；

2)超出数据长度可预报范围的数据；

3)反射界面长度较小且不在隧道线路内；

4)物性参数为负值或超出正常值范围；

5)反射界面能量较低。

图10 高质量数据频谱Fig.10 Spectrum of high quality data

图11 低质量数据频谱Fig.11 Spectrum of low quality data

4 结 语

影响TSP203系统预报准确度的因素有很多，以上仅从原始数据采集和数据的处理分析方面做了简单总结，可以看出，提高TSP系统预报准确度，首先要确保采集到高质量的原始数据，其次在数据处理分析时不能生搬硬套，要了解处理过程中每一步的意义，结合测区工程地质和水文地质，还有前期各种地面勘探资料，对每一步处理做出合理的调整，使结果最佳化。另外，对TSP203预报的结果，要根据实际隧道开挖情况积极地跟踪验证，总结经验，不断提高预报的准确度。

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Study on Factors Affecting the Accuracy of TSP203 Tunnel Advance Geological Prediction System

Zhu Hailong

(ShanxiRailwayEngineeringSurveyLtd.FSDI,BaojiShanxi721001,China)

The current situation and the basic principle of TSP(tunnel seismic prediction)203 advance geological prediction system are briefly introduced. Problems in its application are pointed out. On this basis, this paper analyzes the factors affecting the accuracy of TSP203 system and presents the improvement methods. This provides a credible security for engineering construction.

TSP203; advance geological prediction; accuracy; affecting factors

1672—7940(2016)01—0082—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.01.014

朱海龙(1988-)，男，助理工程师，主要从事地球物理勘探研究工作。E-mail:413349316@qq.com

P631.4

A

2015-06-12