关于影响TSP探测准确性问题的综合分析.docx
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关于影响TSP探测准确性问题的综合分析
关于影响TSP探测准确性问题的综合分析
关于影响TSP探测准确性问题的综合分析
曹小军
（中铁一局集团集团有限公司西安710054）
摘要通过大量的TSP超前地质预报现场实践，总结了影响TSP探测系统采集原始数据的准确率的主要方面，提出了相应对策和措施，有效提高了超前地质预报的准确性，为施工安全提供先决依据。
关键词TSP耦合炸药观测系统
1、TSP地质超前预报现状分析
在隧道开挖的过程中，对掌子面前方围岩的状况进行预报，可以有效的防止工程事故的发生，加快工程进度，同时也能减少工程造价。
在铁路隧道、公路隧道的建设中，如何较好应用TSP地质超前预报系统具有非常重要的意义。
在隧道地质预报过程中，几乎所有的工程师都在为如何提高TSP探测的准确性而大费周折；同时也会遇到有时TSP准确性较差的问题，这给TSP预报工作带来了很多的负面影响；同时在隧道施工行业内（业主、设计院、监理、施工单位）许多人都认为，TSP准确性距离要求的还有差距，究其原因是多方面的。
首先从TSP基础理论入手分析，大部分非专业人员对TSP原理都是不太清楚的，所以都会很盲目的提出一些很苛刻的要求（要求围岩分级、要求探测岩溶的形状、要求探测富水区含水量的大小等等），有些是TSP很难解决的问题（地质异常体的多解性），由此许多人得出一结论TSP准确性差；所以在此要求用正确的理论去指导大家，要用科学的态度去看待它，不可夸大事实。
其次我们要从探测自身出发找原因，隧道现场的条件是非常恶劣的，而预报最主要的工作都在现场，所以这就要求大家要重视现场的数据采集；有些预报人员进了隧道以最快速度采集数据（无论准备工作的好坏），不管采集数据的质量好坏，就走人了事，其实这是一种相当不负责任的态度；质量较差的原始数据分析的结果大家可想而知，由此许多人得出一结论TSP准确性差,同时这也给TSP预报工作带来了很多不良的负面影响。
2、有关名词解释
波阻抗：
地震波在介质中传播时，作用于某个面积上的压力与单位时间内垂直通过此面积的质点流量（即面积乘质点振动速度）之比，具有阻力的含义，称为波阻抗，其数值等于介质密度ρ与波速V的乘积。
地震波：
弹性振动在地层中的传播统称地震波。
按其成因的不同，由天然地震产生的波称为天然地震波，通过人工激发的地震而产生的波则称为人工地震波。
根据质点振动的形式，地震波分成三大类：
质点振动方向和波的传播方向一致的称为纵波；质点振动方向和波的传播方向垂直的称为横波，沿界面传播的称为面波。
地震勘探中通常主要使用纵波辅助使用横波。
天然地震中很重视观测面波，但在地震勘探中面波一般成为干扰波。
信噪比：
是信号的有用成份与噪音的强弱对比，常用分贝数表示。
设备的信噪比越高表明它产生的噪音越少，有效的信号质量越高。
耦合：
可以理解为依赖、相关、对应，TSP检测中也就是传感器套管与岩体以及传感器与套管的依赖、相关的关系。
爆炸笼：
是地震勘探中的一种炸药震源装置。
将少量的炸药放入有一定深度的孔中，并用水封在水下起爆后，使爆炸所产生的气体进入水中，而不产生气泡脉冲。
这种装置不致产生重复冲击，能得到较大的地震波有效能量。
干扰波：
地震勘探中妨碍分辨有效波的振动都属于干扰波。
干扰波大体上可分为两种：
其中具有明显传播规律的称为规则干扰或干扰波，如声波、面波，多次波等等；没有明显传播规律性的振动称为随机干扰，或简称干扰，如微震等。
抗干扰的问题是关系到地震勘探中提高勘探的质量和能力的极其重要的问题。
因此，在野外工作和资料处理上采用多种措施，以提高有效波而压制干扰波。
3、TSP现场检测过程中经常出现的问题进行分析对比
3.1现场在做TSP准备工作时出现的一些问题，以及测量参数的测定时需要注意的要点：
3.1.1接收器孔的深度不得大于2米，孔直径φ45mm，钻孔的圆心点要求基本在一条直线上，接收器方位角要尽量的接近法线方向。
3.1.2炮孔深度1.5m左右，炮孔的角度要严格按照要求钻孔，角度向下10°~20°（水封震源装置必须的条件），炮孔的方位角要求尽量接近法线方向。
3.1.3现场的准备工作中确保打到上述条件是非常重要，但是在现场实际施作过程中往往都不是做的那么好的，所以这就要求我们在测量参数时要尽量准确。
3.1.3.1炮孔、炮检距的测设要求做到误差到最小，用5m的钢尺测量容易产生累计误差以及由于炮孔高度的不统一，把斜距当炮间距用，最好能用一把50m的皮尺一次测设完毕，并且可以同时测设炮孔高度，这样可以避免每个炮孔间距累计误差的产生。
3.1.3.2炮孔深度和炮孔角度的测量要求，有时候炮孔深度过深炸药放不到孔底，这时候我们要根据雷管线的总长，确定炮孔孔深参数；有时候边墙并不都是平齐的，例如避车洞位置的炮孔，就要用实际测量的炮孔深度加上避车洞的深度值，只有这样才能计算得到较准确的炮点坐标。
3.1.3.3方位角的测量可能是大家最容易忽视的问题，因为方位角的测设是比较困难的，现场准备工作中有时候难免出现方位角偏离法线方向较大的炮孔，这种情况下，一定要测设方位角，因为方位角在所有的参数中对炮检距的影响是最大的，现场最简单的方法就是用地质罗盘测设出法线方向的方位角，然后在炮孔内放一足够长的钢钎，测设钢钎的方位角，2个方位角的差值就是炮孔的方位角。
（误差分析模型图如下）
图1误差分析模型
接收器放置的坐标点和炮孔药包的坐标点用空间两点表示为为：
P1（x1,y1,z1）与P2（x2,y2,z2），则两点之间的空间直线距离为：
在上述几种参数（偏移距在软件当中都是自动计算）中不难计算得出：
炮孔高度、炮孔深度、炮孔倾斜的角度、炮孔方位角中，对炮检距计算影响最大的是方位角，方位角偏差大则炮检距的偏差就大大，这样直接就影响到地震波速度的准确性，所以在现场要特别注意方位角的测设；由于它测设的不方便所以这也是容易被忽视的地方，当然其它参数的测设也是不容忽视的。
3.2TSP套管的耦合是采集高质量数据的必要前提条件，现场的准备工作重点要放在如下几个方面：
3.2.1首先要求接收器孔深度不超过2m，并且接收器孔中心线在一条直线上，孔径45mm；在安设接收器套管前要认真检测接收器孔的质量，确保接收器套管和岩壁的耦合性能良好。
3.2.2安设套管前务必要将接收器孔内的岩末、残碴以及积水清理干净，如果没有清理干净那么在孔底位置，可能会导致接收器和岩面不能很好的耦合，导致环氧树脂在孔底处不能很好的硬化。
3.2.3套管的耦合剂最好采用厂家提供的双组份环氧树脂，采用别的材料代替时，要确保替代材料有一定的膨胀性、一定的强度（例如：
高渗透性的原子灰）以及较快的初凝时间。
3.2.4安设接收器的风枪要提前检查风压，确保有足够的压力（一般不小于（1.0MPa），确保在1min内将套管快速钻入孔底位置并迅速调整套管方向。
3.2.5现场开始检测到检测结束这段时间里，洞内要终止一切大的干扰源例如：
凿岩风枪打钻、汽车的震动、隔壁洞石爆破作业等等。
下面就采集的原始数据质量好坏情况进行对比分析：
图2X分量较好的数据图3X分量较差的数据
图4Y分量较好的数据图5Y分量较差的数据
图6Z分量较好的数据图7Z分量较差的数据
上图2、4、6采用的是双组份环氧树脂耦合较好的情况下采集的，上图3、5、7采用的是锚固剂（最后套管可以拔出来）耦合的情况下采集的一个地震波数据；一个地震波数据我们判断它好坏的依据就是：
地震波的振幅包络线呈指数衰减趋势，波形无变异情况，初至直达波明显；而采用锚固剂未耦合好（接收器和地震波不同步）所接受到的数据，大部分为声波、面波的干扰波，声波的特点是速度稳定（340m/s），频率高，延续时间长，在地震记录上呈现强而尖锐的波至，这样的数据无法读取初至波的时间，而且一切振幅都是假振幅，毫无任何意义。
图8理想状态下的地震波衰减趋势
3.2.5接收器和岩体耦合不好直接导致的就是接收器（我们可以把它当做一个质点看待）点随时间的推移，它的振动周期并不能真实的反映该质点的真实运动轨迹，都是假振幅，所以这样的数据势必会大大影响TSP探测的准确性。
3.3施做TSP检测炮孔，安放炸药震源装置时要注意如下问题，它是提高数据质量的另一个非常重要的因素：
3.3.1首先根据岩体的完整性状况确定装药量，一般岩体完整~岩体较完整地段装药量50g左右，岩体较破碎地段装药量100g左右，岩体破碎地段装150g左右；另外特殊情况特殊对待，根据不同的情况可以分级装药；另外在使用乳化炸药前，最好确认炸药是否受潮，受潮的炸药容易产生延时现象；确认雷管是否是瞬发电雷管；炸药的过多、过少都是不利的，有条件情况下，可以实际测试。
3.3.2炮孔内的炸药震源装置要求用水封法，这样做的目的在于，水封法封闭炸药后，使炸药爆炸所产生的气体进入水中，而不产生气泡脉冲。
这样不致产生重复冲击，能得到较大的地震波有效能量。
下面就各种情况下采集的原始数据质量进行对比：
雷管延时及套管耦合不好所采集的数据
图9X分量的数据图10X分量的数据
药量过大采集的数据
图11超幅的信号
上述情况对采集的数据质量有相当大的影响，有些可以说就是废炮，对后续工作很不利。
部分炮孔进行了水封，部分炮孔未进行水封的原始数据对比
图12X分量的原始数据
图13Y分量的原始数据
图14图12的24炮炮能量实测振幅值与炮孔序列号对应曲线图
图15未采用水封法采集的低信噪比的数据图16采用水封法采集的的高信噪比的数据
综上所述：
通过原始数据、振幅曲线图中的1#区域和2#区域、低信噪比以及高信噪比的对比图，可以得出在同等药量下，随着偏移距的增加在第10~24炮段，水封法能较好的大幅度提高有效地震波的振幅，再一个主要的是能够大大提升信噪比，能够有效的减小声波、面波，多次波等干扰波的影响；较低的信噪比会给后续数据的出来带来好多不利因素，导致结果的错误；太低能量的地震波探测距离是非常有限的。
4、数据处理以及结论解释当中需要注意的一些重要影响因素
4.1观测系统测量参数的准确填写建立模型，尤其是双检波器的情况下，在此就本人的一些总结得出的一些经验，在此予以叙述；测量输完参数后一定要用三维视图看看是否做到了建模正确，在此特别注意检波器1的一般情况只要参数正确，那么就可以了;而检波器2它的接收器点的坐标点和炮孔的坐标点之间地震波走的不是直线距离，而是炮孔药包震源点的地震波首先先传递到边墙底，然后经过隧底传播至另一侧边墙底，然后传递到接收器坐标点。
双检波器的模型半径=2个检波器之间距离的一半
接收器孔高=实际测量的接收器孔高
图17模型横断面图
4.2带通滤波的处理，滤波的处理这部分参数设置很重要，如果采集的数据质量较好（较高的地震波真振幅特征、高信噪比），那么滤波参数设置就很容易了；如果采集的数据信噪比不高，那么就需要我们对滤波参数就行调整，这样处理的结果首先就是最大限度的恢复地震波的真振幅，其次就是提高数据的信噪比（滤除干扰信号）。
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，但是这种情况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，它属于此生波，频率一般都低于20Hz；干扰波声波的特点是速度稳定（340m/s），频率高，延续时间长（呈现为振铃式），在地震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，药量的不一样，那么主频区也不一样。
图18高质量质量的频谱图图19数据干扰强的频谱图
频谱图异常是由于接收器未耦合好（锚固剂的耦合效果大部分都是这样的），在失真的情况下，不同步的记录了地震波数据，这样的数据都是一些假频信号，无任何参考价值。
4.3地震资料解释，在地震勘探中,资料解释占有十分重要的地位。
资料解释就是把经过处理的地震信息变成地质成果，这就要求我们要能紧密的，把地震处理后的岩石力学参数转变为地质信息。
4.3.1波速是我们资料解释当中，一个最重要和最直接的参数之一。
下面就波速的影响因素进行分类归纳：
4.3.1.1岩性对地震波速度的影响，不同的岩石由于物理性质的不同，地震波速度会不一样；一般情况下变质岩和火成岩的速度大于沉积岩的速度，沉积岩中石灰岩的波速大于页岩的速度，页岩的速度大于砂岩的速度，砂岩的速度大于水中的速度，水中的速度大于空气中的速度。
同一种岩体的速度波动较大，这是受岩石的强度、节理发育程度、风化程度等等因素的影响。
4.3.1.2孔隙度对地震波速度的影响,孔隙度是岩石速度的基本要素，对于一块固体岩石来说，由两部分组成，一部分是有颗粒本身，另一部分是由气体或液体充填。
当孔隙中充填有水或气体时，由于气体和液体的速度低于岩石骨架的速度，所以地震波速度和孔隙度成反比。
4.3.1.3岩石的密度对速度的影响，岩石的密度越大地震波速度也就越大，这里地震波速度和密度有如下的经验公式：
ρ=0.31*ν1/4。
4.3.1.4岩石的地质年代对地震波速度的影响，地质年代老的岩层比新的岩层具有较高的波速；速度的大小还与构造运动有关，在以挤压力作用为主的强烈褶皱区，经常观测到速度值偏大；而在引张力作用为主，张性断裂发育的地区往往测到的速度值偏小。
4.3.1.5地层的埋藏深度对地震波速的影响，随着埋深的增加，岩石受上部岩石压力越大，密度就越大；随着埋深的增加，地震波速度也在增加。
4.3.1.6在地震资料解释当中能够很好的和地质结合起来，将会起到事半功倍的效果。
下面就举一个大埋深大断层破碎带，地震波波速偏高的实例，本实例是本人曾和TYY的设计人员探讨的一个问题，有波速问题上有较大的分歧意见；设计院认为断层破碎带这里的计算出来的波速应该在2000m/s~3000m/s以下，但是实际TSP软件计算出的波速达到了5000m/s以上；设计院认为，前方断层的波速偏高，对围岩级别的划分不好确定，并且对检测结果有一定异议；这一点他们恰恰就是忽视了目前这个挤压破碎带断层所处的地质条件，隧道埋深930m，而且是一个挤压破碎带，所以这个断层破碎带的密度很大；因为岩石的密度越大地震波速度也就越大，所以就导致了该段地震波波速偏高；地质围岩分级我们不能仅仅依靠波速，这完全是不正确的说话；在《福建工程学院学报》2005年12月第3卷第6期中，就提到了TSP纵波波速和围岩级别不对应的一个关系，并进行了相应的分析。
4.3.2在TSP平时的应用当中，只有不断的将地震波的岩石力学参数与地质知识有机的结合起来，才能更好的提高TSP探测的准确性；只有在不断的总结当中提高自我，加强各方面理论知识的学习，才能进一步的提高探测准确性。
5、结束语
本文是本人在现场工作中的一些深刻体会，能够有效的提高地质预报的准确性，能最大限度的正确指导施工，确保施工的安全。
通过不断的总结，不断的自我学习，希望通过和大家交流的方式，能够提高自己的业务水平。
在此仅代表个人观点，有不妥之处愿与各位专家共同探讨。
作者简介：
曹小军中铁一局集团有限公司施工技术部工程师从事隧道施工与地质超前预报工作
参考文献：
1、李录明&李正文地震勘探原理、方法和解释地质出版社2005年5月
2、张玉芬反射波地震勘探原理和资料解释地质出版社2006年8月
3、单娜琳程志平&刘云祯工程地震勘探冶金工业出版社2005年10
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