基于模型正反演的TSP 有效预报距离研究

2019-03-31王凯

铁道勘察 2019年6期

王凯

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

TSP(Tunnel Seismic Prediction)法是一种较为成熟的长距离隧道超前地质预报方法，具有预报距离长、适用范围广、抗干扰能力强、费用低廉等优点[1]，在国内外地下工程建设中被广泛应用，预报效果较优。但是，对于该方法的有效预报距离众说纷纭，各执一词。TSP 设备厂商给出的有效预报范围为工作面前方100 m[2]，有人认为其探测距离可大于200 m[3]，也有人认为其探测距离可达350 m[4]或300 ～500 m[5]，实际工作中，有效预报距离的认定与预报的成败、施工安全以及经济效益都有着直接的联系。若距离过长，超出了有效距离范围，则无法分辨出远端的地质异常，容易导致不良地质漏报，增大施工风险;若距离过短，则人力、物力成本增加，必然导致经济效益下降。因此，选择合适的预报距离，对超前地质预报工作有着重要的意义。通过建立不同规模和位置的断层、溶洞模型，对模型进行正反演，分析和总结模型的反演结果，对TSP 法的有效预报距离进行探讨。

1 模型建立及正演计算

为了研究地质模型的地震响应特征，建立了若干地质模型(见表1)，分为断层破碎带和溶洞(球状)两类共16 个，其中断层破碎带模型6 个，溶洞模型10个。断层模型的参数设置为: 围岩波速 VP=5 200 m/s，VS=3 006 m/s，密度ρ=2.65 g/cm3，破碎带模型的参数设置为: 波速VP= 4 000 m/s， VS=2 312 m/s，密度ρ=2.3 g/cm3;溶洞模型的参数设置为:围岩波速VP=3 500 m/s，VS=2 023 m/s，密度ρ=2.6 g/cm3，溶洞填充物的参数为:波速VP=3 000 m/s，VS=1 604 m/s，密度ρ=1 g/cm3。

表1 模型信息

采用中铁二院与成都理工大学合作开发的三维TSP 正演模拟软件进行正演计算。该软件采用交错网格有限差分算法，具有计算速度快、精度高等特点[6]。观测系统设置为24 炮激发，间距2 m，2 道接收。检波器设置于隧道两侧边墙上，偏移距15 m，采样间隔为0.05 ms，记录长度为180 ms，正演结果采用三分量地震记录(见图1)。

图1 模型4 正演地震记录

图1 是模型4 正演模拟结果中1 号检波器的地震记录。从图1 中可看出，波的组成比较复杂，30 ms 之前主要记录的是直达波，能量很强。 30 ～55 ms 段记录有一组波，对比无异常体模型的正演结果，可发现该组波是工作面和隧道壁的反射波[7]，反射能量相对较强。 55 ms 之后，记录上有3 组反射波:第一组是反射纵波，分布于55 ～65 ms 段，该波组能量较前几个波组弱，同相轴的斜率较小，且在X 分量上最为明显;第二组是反射转换横波(由纵波转换为横波)，分布于60 ～80 ms 段;第三组是反射横波，分布于70 ～90 ms 段。反射转换横波和反射横波能量较弱，但在三个分量的记录上均可清晰地看到;二者同相轴的斜率较反射纵波大;二者的斜率一致，只是波组出现的时刻不同而已，反射横波出现的时间较反射转换横波晚。

2 数据反演

数据处理采用Amberg TSP Plus 软件，由瑞士Amberg Technologies AG 公司提供技术支持，开放了数据输入接口，使得正演结果可导入软件进行处理。

Amberg TSP Plus 的处理共有13 个步骤，每个步骤都有各自的意义，但其中频率域滤波、初至拾取和反射波提取几个步骤中，参数的调整对最终处理结果的影响非常明显，而其余步骤通常采用默认参数，依然能够得出较为可靠的结果。

2.1 频率域滤波

频率域滤波的目的是去除干扰信号，保留有效信号，是提高信噪比的有效办法。处理过程中应尽可能滤掉低频干扰(如面波)以及高频干扰(如声波)，同时保留有效信号(如反射波)，见图2。地震波信号的频率与震源本身的特性、岩性、围岩坚硬程度等因素相关[8]。因此，滤波窗口的选取应综合考虑以上因素。滤波处理须格外慎重，切不可为了去除干扰而损失大量的有用信号，也不可为保留有用信号而通过太多干扰，当数据质量不太理想时，滤波窗口的选取应仔细斟酌。

图2 频率域滤波

2.2 初至拾取

初至拾取的目的是在地震记录上寻找直达纵波，以得到其速度。众所周知，波速在地震勘探中是一个极其重要的参数，所有物性参数的计算以及界面的提取都是以波速为基础。因此，初至拾取在资料处理过程中有着十分重要的意义，甚至直接关系到预报的成败。理论上，直达波曲线是一条过零点的直线[9]，但实际工作中往往并非如此。对于主通道检波器(炮孔同侧)，地震波几乎以直线传播，其实际路径和理论路径一致，即炮点至检波点之间的时距曲线应符合理论曲线，但由于观测系统测量误差、雷管的延时误差等原因，使得零点往往存在一定漂移。因此，在进行初至拾取的时候，应适当屏蔽可信度较差的数据道，使直达波曲线经过零点(如图3)。但是，对于副通道检波器(炮孔异侧)，由于地震波的实际传播路径和理论路径可能存在较大差别，可导致其时距曲线不经过零点。因整个观测系统在一个较小的区域内，地质情况相同，两个通道测得的波速应一致，所以，拾取副通道波速时，应以主通道为参考[10]。

2.3 反射波提取

反射波提取是地震波反射法中十分重要的步骤，提取结果的优劣，直接影响异常体能否被准确地反映出来。但提取结果的质量不仅仅依赖于这一个步骤，而是其前边所有步骤处理质量的综合反映。因此，根据反射波提取的结果，在一定程度上能评估处理结果的质量，如参数是否合理、处理是否得当等。质量较好

图3 初至拾取

的提取结果，反射波清晰，同相轴连续性好[11]，能量分布符合随传播距离衰减的规律[12](如图4)。若反射波提取结果不理想，应中止后续处理，重新审视并调整前边步骤的处理参数，发现问题并解决后，方可继续下一步的工作[16]。

图4 反射波提取

3 成果分析

资料处理的结果主要以二维成果图的形式综合体现(如图5)。由图5 可见，该成果较为直观地反映了各岩石物理参数的变化趋势，通过分析，可判识异常位置、规模等。

此处选取其中一个案例进行分析。如图5 所示，模型设置的围岩纵、横波速为Vp= 5 200 m/s，Vs=3 006 m/s，破碎带纵、横波速分别是Vp=4 000 m/s，Vs=2 312 m/s，而处理结果围岩的纵、横波速分别是Vp=5 786～6 283 m/s，Vs=2 948 ～3 254 m/s，破碎带的纵、横波速分别是Vp=5 019 m/s，Vs=2 707 m/s，二者存在一定差异;就异常的位置与规模而言，在工作面前方50 ～60 m 范围内，纵、横波速降低，杨氏模量降低，异常位置、异常规模均与模型一致，这往往是最受关注的信息。

图5 二维成果

其他模型的结果(见表2)与上述模型基本一致，说明此次研究的正演模拟正确，资料处理得当，参数合理，结果可信。

表2 处理结果统计

对于宽度5 m 和10 m 两种规模的断层破碎带模型，当破碎带位于工作面前方50 m 和100 m 时，成果资料反映出明显异常，能较好地预报出不良地质，当位于工作面前方150 m 时，资料无明显异常。对于直径为4 m 的溶洞模型，当溶洞位于工作面前方50 m、75 m、100 m 时，成果资料反映出明显异常，能较好地预报出不良地质，当位于工作面前方125 m 和150 m时，资料无明显异常;对于直径10 m 的溶洞模型，溶洞位于工作面前方50～125 m 时，可较好地预报出溶洞，位于工作面前方150 m 时，资料无明显异常。综上所述，TSP 法的有效预报距离和不良地质的规模有关，规模越小，可辨别出异常体的预报距离越小，规模越大，预报距离越大。综合分析本次研究的所有模型，在不考虑围岩影响的情况下，对不良地质体的有效预报距离约为125 m。

另一方面，震源能量的强弱、围岩性质的差异等同样会影响地震波反射法的探测距离[13]。因此，在选择预报距离时，应根据炸药量、耦合关系[14]、围岩完整性与强度[15]等进行综合考虑。结合多年的预报经验，在一般情况下，TSP 预报距离宜控制在120 m 以内，对于围岩较差或能量较弱时，应适当缩短预报距离，以不超过100 m 为宜，以免漏掉规模较小的不良地质体，增加施工风险。