TSP资料处理结果的可靠性评估方法

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）法是一种比较成熟的隧道超前地质预报方法，经过多年的应用实践，在铁路、公路、水利水电的地下工程中取得了大量成果。但是实际工作中，仍然常有误报和漏报的现象发生，究其原因，原始资料的质量不佳和资料处理不合理是一方面原因，更重要的是，有些技术人员不知道处理结果正确与否，也不清楚该如何评估处理结果的可靠性，甚至将完全不可靠的处理结果作为成果资料进行解释，结论的谬误也就成了必然的结果。因此，对处理结果进行评价，选取正确、合理的处理成果，对做好超前预报工作而言是一个极其重要的课题。本文根据笔者多年的预报工作经验总结，提出了几个评估的措施，旨在抛砖引玉，希望广大超前预报工作者提出更多更好的评价方法，提高超前地质预报水平。测系统符合要求，正确安装套管和接收器，并正确选择雷管类型和炸药量[1]，同时，采集过程中必须停止所有干扰信号质量的作业，如打钻、出渣等。

另外，采集数据时应至少使用2个接收器，采用单个接收器往往难以取得令人满意的预报效果[2]。增加接收器的数量，一方面可以增加数据量，在一定程度上起到约束物探多解性的目的；另一方面便于对比分析不同通道间资料的一致性，提高预报准确性。

1 影响资料处理结果质量的因素

对资料处理质量的影响因素可概括为2大类：一是原始资料的质量；二是资料处理参数的选取。TSP资料处理软件共有11个步骤，而其中带通滤波、初至拾取和反射波提取3个步骤对处理结果的影响十分明显，其余步骤采用默认参数也能得到较可靠的处理结果。

1.1 原始资料质量

原始资料的质量对整个预报工作起着决定性的作用，关系着预报的成败，不合格的原始数据不应进入数据处理流程。较好的原始资料信有噪比高、初至波清晰、初至波同相轴连续性较好等特征，如图1所示。为采集到较好的第一手资料，数据采集现场应确保观

图1 较高质量的原始资料

1.2 带通滤波[3]

数据采集过程中，直达波、反射波等有用信号被传感器接收，但同时声波、面波等干扰信号也不可避免地会被记录。带通滤波是去除干扰信号，保留有效信号有效办法，可提高地震记录的信噪比。处理过程中应合理选取带通频率，尽可能滤掉干扰信号，保留有效信号。选取滤波参数时应对频谱进行仔细分析，结合围岩情况、以往资料的频率分布情况等进行选择，不能为了切除干扰而损失大量有用信号，也不能通过太多干扰信号影响后续处理。

1.3 初至拾取[3-4]

初至拾取是为了在地震记录上确定地震波从激发孔出发到达接收器所用时间，再根据现场测量的距离，计算得到地震波速度。在TSP超前地质预报中，地震波速度是一个非常重要的参数，成果资料中的泊松比、密度、弹性模量等弹性参数的计算以及反射界面的提取都以波速为基础。因此，通过初至拾取确定地震波的速度在资料处理过程中十分重要，而且波速正确与否将关系到预报的成败。理论上，直达波曲线是一条过零点的直线，但实际的直达波时距曲线经常并不经过原点，资料处理时应进行相应调整。对于主通道检波器而言，直达波几乎以直线传播，其路径和理论路径基本一致，即从炮点出发沿直线传播至接收器，时距关系应当符合理论曲线特征，即通过原点。但由于观测系统测量误差、雷管的延时误差等原因，使得零点存在一定漂移。因此，在初至拾取时，应适当屏蔽可信度较差的数据道，使直达波曲线归位。对于副通道检波器而言，由于软件内建立的模型同隧道真实情况存在一定差异，直达波的实际传播路径和理论路径可能存在较大差别，时距曲线通常并不经过零点。但整个观测系统在一个较小的区域，地质情况相同，2个通道测得的波速应保持一致，所以，拾取副通道波速时应以主通道为参考，使其波速与主通道相当。

1.4 反射波提取[3]

反射波提取是TSP资料处理过程中十分重要的一个环节，提取结果的好坏关系到异常体能否准确反映出来。反射波提取结果的好坏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。所以，反射波提取的结果，在一定程度上能评估处理质量的好坏，如参数是否合理、处理是否得当等。若反射波提取结果不理想，应中止后续处理，分析原因并调整前边步骤的处理参数，直至得到质量较高的结果后方可继续。

2 可靠性评估

数据处理是一个对资料反复认识，不断去伪存真的过程，在整个处理过程中，每一个步骤参数的选取都应反复斟酌，并对处理结果进行评价，前一步骤的处理结果可信时，再进行下一步处理，否则应调整参数，重新处理。笔者认为，对反射波提取、速度分析、反射界面提取这3个中间步骤的处理结果，必须进行仔细分析，确保结果的可靠性，以提高成果资料的质量，而最终的弹性参数曲线及反射界面分布情况作为资料处理的最终成果，更要仔细评估。

2.1 反射波提取

反射波提取成果如图2所示。众所周知，理论的反射波曲线为双曲线[4]，但实际工作中，信号受多方面因素的影响，反射波同相轴形态往往不规则，对提取的反射波质量进行评价时，不应以理论曲线作为标准，宜从同相轴连续性、能量分布情况、频率等几个方面进行分析，提取的反射波质量较好时，应有以下特征。

图2 反射波提取成果

反射波同相轴连续性较好。当掌子面前方存在不良体制体时，各炮孔激发的地震波都将在波阻抗界面发生反射，并被接收器接收，即在每一道地震记录的响应位置都会有反射波记录，进而形成连续的同相轴。反射波能量应符合衰减的规律。地震波在地下介质中传播时，随着传播距离的增加，能量会产生损耗，那么，在反射系数差别不大的情况下，距接收器较近的地质体产生的反射波能量较强，而远处的反射波能量相对较弱。在地震记录上就表现为早期（如前100 ms内）的反射波能量较强，随着时间增加，能量逐渐衰弱。反射信号频率应与滤波参数相当。带通滤波时已经滤掉了高频、低频的干扰信号，保留下的地震信号频率基本都在滤波参数范围内，若提取出来的反射波频率明显高于或低于滤波参数，则提取结果可信度往往较低。

2.2 速度与反射界面的分布

对于波速的分析要充分结合地质条件，计算得到的波速应与预报段落的岩性条件相吻合。

对不同接收器的处理结果，要进行对比分析，速度与反射界面的分布应具有较好的一致性。实际工作中，接收器通常布置在一个较小的范围内，地质条件不会有明显差异，而不同接收器的地震信号处理结果是对掌子面前方相同范围内地质情况的宏观反映，因此，应有相似的处理结果。若处理结果差异太大，或出现相反的结果，说明其可靠程度低，需调整处理参数重新处理。速度分布对比如图3所示。

图3 速度分布对比

2.3 弹性参数曲线

首先，弹性参数的数值应该在正确的范围内，比如泊松比应介于0～0.5之间，波速、密度、弹性模量等参数不应大面积出现负值。局部存在的不合理的计算结果，可通过关闭不合理界面来解决。

其次，不同接收器的处理结果，数值应大致相当，不宜出现太大差别，并且曲线的形态应基本一致，趋势相同。

需要说明的时，在对结果进行修饰性处理时，应保持曲线原有形态，不宜随意调整。不同通道的数据处理结果应具有相似性，并不意味者曲线要完全一致，而是在数值相当的情况下，有相同的变化趋势即可。盲目屏蔽反射界面，而强制使曲线形态一致的做法是不可取的。TSP二维成果图如图4所示。

图4 TSP二维成果图

3 结语

TSP资料处理是一项技术性较强的工作，成果质量的优劣，与技术人员的专业知识水平与经验以及对地质背景的认识程度都有着紧密联系。处理某一个资料时，采用不同的参数处理，可能会得到不同的处理结果。此时，对成果的质量进行评估，就成了一件极其重要的工作。

本文介绍的评估方法是笔者多年预报工作的经验的总结，实践表明，通过该方法对数据处理质量进行评价，甄别出较好的处理结果，可大大提高成果资料的可信度，取得良好的预报效果。不足之处在于，该方法对优劣的判别依靠人的主观意识，主观性较强。能否提出量化手段，对成果资料进行评估，仍有待进一步研究。