提高TSP法预报效果的数据处理技巧

牟元存;王光权;李星;高树全

【摘 要】TSP是长距离超前地质预报中应用较为普遍的一种预报方法.在数据处理阶段,因关键处理参数选取不当,往往导致最终的预报效果出现较大的偏差.笔者根据近十多年的隧道超前地质预报工作经验,总结了一些提高TSP法预报效果的数据处理技巧.期望抛砖引玉,共同探讨,以便促进TSP法预报效果的提升. 【期刊名称】《铁道勘察》 【年(卷),期】2017(043)005 【总页数】3页(P76-78)

【关键词】TSP;数据处理;预报效果 【作 者】牟元存;王光权;李星;高树全

【作者单位】中铁二院工程集团有限责任公司,四川成都 610031;中铁二院工程集团有限责任公司,四川成都 610031;中铁二院工程集团有限责任公司,四川成都 610031;中铁二院工程集团有限责任公司,四川成都 610031 【正文语种】中 文 【中图分类】P631.4

隧道超前地质预报工作中，TSP(Tunnel Seismic Prediction)是长距离预报中应用较为普遍的一种方法[1]。在数据处理阶段，数据处理参数选取的不同，易导致数据处理结果出现较大的差异，尤其是关键处理参数选取不合理，往往直接导致预报失败[2]。

目前，对于面状不良地质体的预报效果优于岩溶，这点从理论上很容易理解，也是众多学者所达成的共识[3，4]。对于岩溶的预报仍然还存在着一些不一致的意见。笔者认为，TSP对岩溶完全不能预报的观点是不正确的，但是对所有的岩溶都能百分之百的预报，也是夸大其词的[5，6]。根据笔者十多年来的超前地质预报工作经验，研究分析提高TSP法的数据处理技巧，期望抛砖引玉，共同探讨，以便更好地提高TSP法的预报效果[7，8]。

TSP法数据采集，应至少保证两个通道的记录。只使用一个通道的数据往往预报效果不佳，资料的准确性难以得到有效保证，对数据处理环节的质量也难以控制。因此，以下的论述基于两个通道的数据展开。数据质量应满足规程、规范的要求，不合格的原始数据不应进入数据处理阶段 [9]。

TSP法超前地质预报数据处理过程中，关键的处理环节有：滤波参数选择、初至波拾取、反射波提取、速度分析、反射界面的提取及筛选、二维成果资料的一致性检查等。以下对这些关键环节的数据处理技巧进行探讨。 1.1 滤波参数选择

选用带通滤波器，其频谱和滤波参数见图1，横坐标为频率；纵坐标为振幅；图1中所示的频谱为检波器X、Y、Z三个分量的频谱。

在选用带通滤波参数时，需要滤波器的外沿有一定的斜率，以增加镶边函数，减少数据处理过程中波形的失真和假象的产生(矩形滤波器会引起“吉普赛”效应)。有些数据受声波干扰严重，可以调整时窗，将声波信号暂时切除，而后进行频谱分析，确定主频范围，选择滤波参数。为保证预报距离，应返回并调整足够的时窗进行数据处理。在TSP303数据后处理软件中已经加入了时变滤波器，对声波干扰信号的压制效果较为明显。

采集现场数据时，若两个检波器均在隧道的同一里程位置附近，在滤波参数的选取上，还应该注意以下问题：靠近炮孔一侧检波器滤波参数的频带宽度应高于对面一

侧(因为对面一侧接收器波的传播路径更长，受大地滤波作用影响，其信号的频率必然低于与炮孔同侧的频率)。这点从理论上容易理解，但数据处理过程中往往未被重视。

滤波参数的选取直接关系到后期的预报效果，建议在主频附近初始滤波参数范围可适当放宽，而后逐渐收缩，进行多次处理，并观察后期成果的变化情况，以确定重点预报段落和异常情况。 1.2 初至波拾取

根据理论地震波时距曲线，直达波应通过零点，但是现场采集回来的TSP资料，很多时候并不直接通过零点。可能为火工品的质量、围岩的完整程度、药包与围岩的耦合情况及仪器系统的延迟等原因引起。基于此，建议在炮孔同侧，应根据现场围岩情况选择大致合理的波速，并临时屏蔽部分地震波记录道，使该通道拾取的直达波强制通过时间零点。炮孔对面一侧的波速，建议尽量逼近炮孔同侧的初至波波速，以便使最终二维成果中，两个通道的一致性得到较好的控制。 1.3 反射波提取

受大地滤波的影响，随着信号传播距离的增加，其主频逐渐降低、波长逐渐增大，而信号的分辨率又和波长有关。在工作面近端，因其信号分辨率高，其反射波同相轴应较为密集，波幅应较大，提取的此类反射波一般较为正常。如果得到的反射波在近端没有明显的反射信号同相轴，而全部在远端出现，一般为参数选择不合理所造成。此时，应对处理参数进行调整。如经多次参数调整，密集的反射波组仍在远端，可推断远端存在较大规模的不良地质体。

反射波提取是TSP法的技术核心，其最小时差的选择尤为重要。最小时差的选择等同于倾角滤波，目的是提取出工作面前方和隧道相交的反射界面，将和隧道基本平行或来自工作面后方的反射界面剔除。为了更好地说明最小时差参数的选取对处理结果的影响，特选取某次预报数据并将最小时差分别设置为1 ms、2 ms和默

认值2.65 ms，其反射界面的聚焦情况和一致性见图2～图4(图中横坐标为预报隧道里程信息，纵坐标为所建模型的半径范围)。

由图2至图4可见，最小时差选择是否合理，直接关系到反射界面的聚焦情况和重点异常段落的划分。一般而言，该参数宜选择系统默认的计算值，不宜漫无目的地对参数进行修正。 1.4 速度分析

初至波速度的选取，只是为了给后期速度分析设定一个初始值，速度分析则是以该初始值为基准，在一定的速度范围内进行扫描，经分析后得到速度图。在资料解释参考时，可选择不同的色阶、色差，以突出重点异常区域。另外，根据速度图，还应识别出哪些区域为正常的资料，哪些区域的信号已经失真，失真的区域不应作为参考。速度失真区是指速度分析图中相对等值线比较平顺，有明显拖尾现象的区域(见图5)。

1.5 反射界面的提取及筛选

经反射波提取、速度分析、偏移处理后，就可以提取出预报范围内的反射界面。两个通道数据反射界面的疏密程度、聚焦情况、宏观一致性(含两个通道的一致性及速度分析图中低速异常区域与聚焦的反射界面处的一致性)是初步判断数据处理质量的重要依据之一。

在数据处理软件中，可以对提取的反射界面进行筛选，建议筛选条件不宜过多，可先给出反射界面筛选的半径范围，进行自动筛选，而后进行手动修饰性处理。需要注意的是，修饰性处理的目的仅仅是为了突显异常，切不可将重要的反射界面抹去。 1.6 二维成果资料的一致性检查

一般而言，两个通道的异常范围、反射界面的疏密程度、反射界面的聚焦情况、速度图中的低速区等应该有较好的一致性。如若一个通道的反射界面在近端，另一个通道的反射界面集中在远端，则这种资料的数据处理往往是失败的，会给资料解释

带来极大的难度。客观上，介质存在各向异性，但是对预报范围内的异常段落而言，两个通道提取的反射界面段落范围应具有良好的一致性。

对不良地质体能否进行成功的预报，不仅与数据处理参数的选取有关，还和预报分辨率，地质异常体与接收器的距离，不良地质体的规模大小、形态、产状等密切相关。

2.1 断层等面状结构的不良地质体预报

断层破碎带等面状结构的不良地质体能否被成功预报与纵向分辨率有关，其纵向分辨率又与波长有关。一般认为，分辨率为1/4个波长。经对50多组数据的正、反演模拟计算统计，以与隧道正交的断层破碎带为例，当断层破碎带宽度为5 m，预报距离100 m时，可对断层破碎带进行有效预报；当预报距离大于150 m，断层破碎带的宽度大于10 m时，预报失效。因此，适当控制预报距离可提高预报准确率。

当存在两个断层破碎带时，往往工作面近端处的断层破碎带易被发现，而远端断层破碎带的预报情况则不容乐观。所以，适当增加预报频次也是提高预报准确率的一个有效途径。

2.2 岩溶等“球状”不良地质体的预报

岩溶等球状不良地质体能否被成功预报，不仅和纵向分辨率有关，还和横向分辨率有关。横向分辨率的研究可根据第一菲尼尔带的半径进行计算。

岩溶预报是个极其复杂的系统性工作，与其大小、形态(尤其是迎头面的形态直接影响到反射信号能否被有效接收到)、空间位置、离接收器的距离等相关。目前，针对岩溶的预报，多采用以钻探法(含水平钻和加深炮孔法)为主的综合预报模式进行。有些复杂段落，辅以地质雷达法和瞬变电磁法，也能收到好的预报效果。 (1)为提高TSP法的预报效果，必须从现场数据采集环节开始，做好至少两个通道的数据采集工作；在数据处理阶段，必须对数据处理过程进行质量控制。

(2)一个好的数据处理结果，两个通道之间反射界面出现位置、反射界面聚焦情况及各个指标的波动应有较好的一致性。在岩溶地区探测时，二维成果图中不良地质体存在的位置还应和速度图中的低速区域有较好的对应关系，这是评价一个数据处理质量的准则。

(3)对岩溶类的预报，经过理论正、反演计算模拟研究，采用绕射法进行预报是又一个值得研究的方向。

【相关文献】

[1] 赵勇，肖书安，刘志刚.TSP超前地质预报系统在隧道工程中的应用[J].铁道建筑技术，2003 [2] 王梦恕.对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的意见[J].铁道勘察，2004(1)：7-9，18 [3] 温树林，吴世林.TSP203在云南元磨高速公路隧道超前地质预报中的应用[J].地球物理学进展，2003，18(3)：465-471

[4] 田荣.隧道的地质超前预报方法与不良地质施工措施[J].铁道勘察，2007(3)：121-124 [5] 薛斌，韩小敏.宜万铁路岩溶隧道地质综合超前预报技术[J].铁道标准设计，2010(8):72-77 [6] 智刚.TSP超前地质预报结果准确性的影响因素分析[J].路基工程，2015(5)：139-148 [7] 周大勇.向莆铁路岩溶隧道超前地质预报技术[J].铁道建筑，2010(4)：56-58

[8] 孙克国，李术才，张庆松，等.TSP在岩溶区山岭隧道预报中的应用研究[J].山东大学学报(工学版)，2008，38(1)：74-79

[9] 钟世航.TSP作隧道掌子面前方地质预报几例失误原因分析[J].岩石力学与工程学报，2003，22(S1)：2443-2446