關(guān)于影響TSP探測準(zhǔn)確性問題的綜合分析

PAGE關(guān)于影響TSP探測準(zhǔn)確性問題的綜合分析曹小軍（中鐵一局集團(tuán)集團(tuán)有限公司西安710054）摘要通過大量的TSP超前地質(zhì)預(yù)報現(xiàn)場實踐，總結(jié)了影響TSP探測系統(tǒng)采集原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率的主要方面，提出了相應(yīng)對策和措施，有效提高了超前地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確性，為施工安全提供先決依據(jù)。關(guān)鍵詞TSP耦合炸藥觀測系統(tǒng)1、TSP地質(zhì)超前預(yù)報現(xiàn)狀分析在隧道開挖的過程中，對掌子面前方圍巖的狀況進(jìn)行預(yù)報，可以有效的防止工程事故的發(fā)生，加快工程進(jìn)度，同時也能減少工程造價。在鐵路隧道、公路隧道的建設(shè)中，如何較好應(yīng)用TSP地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)具有非常重要的意義。在隧道地質(zhì)預(yù)報過程中，幾乎所有的工程師都在為如何提高TSP探測的準(zhǔn)確性而大費周折；同時也會遇到有時TSP準(zhǔn)確性較差的問題，這給TSP預(yù)報工作帶來了很多的負(fù)面影響；同時在隧道施工行業(yè)內(nèi)（業(yè)主、設(shè)計院、監(jiān)理、施工單位）許多人都認(rèn)為，TSP準(zhǔn)確性距離要求的還有差距，究其原因是多方面的。首先從TSP基礎(chǔ)理論入手分析，大部分非專業(yè)人員對TSP原理都是不太清楚的，所以都會很盲目的提出一些很苛刻的要求（要求圍巖分級、要求探測巖溶的形狀、要求探測富水區(qū)含水量的大小等等），有些是TSP很難解決的問題（地質(zhì)異常體的多解性），由此許多人得出一結(jié)論TSP準(zhǔn)確性差；所以在此要求用正確的理論去指導(dǎo)大家，要用科學(xué)的態(tài)度去看待它，不可夸大事實。其次我們要從探測自身出發(fā)找原因，隧道現(xiàn)場的條件是非常惡劣的，而預(yù)報最主要的工作都在現(xiàn)場，所以這就要求大家要重視現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集；有些預(yù)報人員進(jìn)了隧道以最快速度采集數(shù)據(jù)（無論準(zhǔn)備工作的好壞），不管采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量好壞，就走人了事，其實這是一種相當(dāng)不負(fù)責(zé)任的態(tài)度；質(zhì)量較差的原始數(shù)據(jù)分析的結(jié)果大家可想而知，由此許多人得出一結(jié)論TSP準(zhǔn)確性差,同時這也給TSP預(yù)報工作帶來了很多不良的負(fù)面影響。2、有關(guān)名詞解釋波阻抗：地震波在介質(zhì)中傳播時，作用于某個面積上的壓力與單位時間內(nèi)垂直通過此面積的質(zhì)點流量(即面積乘質(zhì)點振動速度）之比，具有阻力的含義，稱為波阻抗，其數(shù)值等于介質(zhì)密度ρ與波速V的乘積。地震波：彈性振動在地層中的傳播統(tǒng)稱地震波。按其成因的不同，由天然地震產(chǎn)生的波稱為天然地震波，通過人工激發(fā)的地震而產(chǎn)生的波則稱為人工地震波。根據(jù)質(zhì)點振動的形式，地震波分成三大類：質(zhì)點振動方向和波的傳播方向一致的稱為縱波；質(zhì)點振動方向和波的傳播方向垂直的稱為橫波，沿界面?zhèn)鞑サ姆Q為面波。地震勘探中通常主要使用縱波輔助使用橫波。天然地震中很重視觀測面波，但在地震勘探中面波一般成為干擾波。信噪比：是信號的有用成份與噪音的強(qiáng)弱對比，常用分貝數(shù)表示。設(shè)備的信噪比越高表明它產(chǎn)生的噪音越少，有效的信號質(zhì)量越高。

耦合：可以理解為依賴、相關(guān)、對應(yīng)，TSP檢測中也就是傳感器套管與巖體以及傳感器與套管的依賴、相關(guān)的關(guān)系。爆炸籠：是地震勘探中的一種炸藥震源裝置。將少量的炸藥放入有一定深度的孔中，并用水封在水下起爆后，使爆炸所產(chǎn)生的氣體進(jìn)入水中，而不產(chǎn)生氣泡脈沖。這種裝置不致產(chǎn)生重復(fù)沖擊，能得到較大的地震波有效能量。干擾波：地震勘探中妨礙分辨有效波的振動都屬于干擾波。干擾波大體上可分為兩種：其中具有明顯傳播規(guī)律的稱為規(guī)則干擾或干擾波，如聲波、面波，多次波等等；沒有明顯傳播規(guī)律性的振動稱為隨機(jī)干擾，或簡稱干擾，如微震等?？垢蓴_的問題是關(guān)系到地震勘探中提高勘探的質(zhì)量和能力的極其重要的問題。因此，在野外工作和資料處理上采用多種措施，以提高有效波而壓制干擾波。3、TSP現(xiàn)場檢測過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析對比3.1現(xiàn)場在做TSP準(zhǔn)備工作時出現(xiàn)的一些問題，以及測量參數(shù)的測定時需要注意的要點：3.1.1接收器孔的深度不得大于2米，孔直徑φ45mm，鉆孔的圓心點要求基本在一條直線上，接收器方位角要盡量的接近法線方向。3.1.2炮孔深度1.5m左右，炮孔的角度要嚴(yán)格按照要求鉆孔，角度向下10°~20°（水封震源裝置必須的條件），炮孔的方位角要求盡量接近法線方向。3.1.3現(xiàn)場的準(zhǔn)備工作中確保打到上述條件是非常重要，但是在現(xiàn)場實際施作過程中往往都不是做的那么好的，所以這就要求我們在測量參數(shù)時要盡量準(zhǔn)確。3.1.3.1炮孔、炮檢距的測設(shè)要求做到誤差到最小，用5m的鋼尺測量容易產(chǎn)生累計誤差以及由于炮孔高度的不統(tǒng)一，把斜距當(dāng)炮間距用，最好能用一把50m的皮尺一次測設(shè)完畢，并且可以同時測設(shè)炮孔高度，這樣可以避免每個炮孔間距累計誤差的產(chǎn)生。3.1.3.2炮孔深度和炮孔角度的測量要求，有時候炮孔深度過深炸藥放不到孔底，這時候我們要根據(jù)雷管線的總長，確定炮孔孔深參數(shù)；有時候邊墻并不都是平齊的，例如避車洞位置的炮孔，就要用實際測量的炮孔深度加上避車洞的深度值，只有這樣才能計算得到較準(zhǔn)確的炮點坐標(biāo)。3.1.3.3方位角的測量可能是大家最容易忽視的問題，因為方位角的測設(shè)是比較困難的，現(xiàn)場準(zhǔn)備工作中有時候難免出現(xiàn)方位角偏離法線方向較大的炮孔，這種情況下，一定要測設(shè)方位角，因為方位角在所有的參數(shù)中對炮檢距的影響是最大的，現(xiàn)場最簡單的方法就是用地質(zhì)羅盤測設(shè)出法線方向的方位角，然后在炮孔內(nèi)放一足夠長的鋼釬，測設(shè)鋼釬的方位角，2個方位角的差值就是炮孔的方位角。（誤差分析模型圖如下）圖6Z分量較好的數(shù)據(jù)圖7Z分量較差的數(shù)據(jù)上圖2、4、6采用的是雙組份環(huán)氧樹脂耦合較好的情況下采集的，上圖3、5、7采用的是錨固劑（最后套管可以拔出來）耦合的情況下采集的一個地震波數(shù)據(jù)；一個地震波數(shù)據(jù)我們判斷它好壞的依據(jù)就是：地震波的振幅包絡(luò)線呈指數(shù)衰減趨勢，波形無變異情況，初至直達(dá)波明顯；而采用錨固劑未耦合好（接收器和地震波不同步）所接受到的數(shù)據(jù)，大部分為聲波、面波的干擾波，聲波的特點是速度穩(wěn)定（340m/s），頻率高，延續(xù)時間長，在地震記錄上呈現(xiàn)強(qiáng)而尖銳的波至，這樣的數(shù)據(jù)無法讀取初至波的時間，而且一切振幅都是假振幅，毫無任何意義。圖8理想狀態(tài)下的地震波衰減趨勢3.2.5接收器和巖體耦合不好直接導(dǎo)致的就是接收器(我們可以把它當(dāng)做一個質(zhì)點看待)點隨時間的推移，它的振動周期并不能真實的反映該質(zhì)點的真實運動軌跡，都是假振幅，所以這樣的數(shù)據(jù)勢必會大大影響TSP探測的準(zhǔn)確性。3.3施做TSP檢測炮孔，安放炸藥震源裝置時要注意如下問題，它是提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的另一個非常重要的因素：3.3.1首先根據(jù)巖體的完整性狀況確定裝藥量，一般巖體完整~巖體較完整地段裝藥量50g左右，巖體較破碎地段裝藥量100g左右，巖體破碎地段裝150g左右；另外特殊情況特殊對待，根據(jù)不同的情況可以分級裝藥；另外在使用乳化炸藥前，最好確認(rèn)炸藥是否受潮，受潮的炸藥容易產(chǎn)生延時現(xiàn)象；確認(rèn)雷管是否是瞬發(fā)電雷管；炸藥的過多、過少都是不利的，有條件情況下，可以實際測試。3.3.2炮孔內(nèi)的炸藥震源裝置要求用水封法，這樣做的目的在于，水封法封閉炸藥后，使炸藥爆炸所產(chǎn)生的氣體進(jìn)入水中，而不產(chǎn)生氣泡脈沖。這樣不致產(chǎn)生重復(fù)沖擊，能得到較大的地震波有效能量。下面就各種情況下采集的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行對比：雷管延時及套管耦合不好所采集的數(shù)據(jù)圖9X分量的數(shù)據(jù)圖10X分量的數(shù)據(jù)藥量過大采集的數(shù)據(jù)圖11超幅的信號上述情況對采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量有相當(dāng)大的影響，有些可以說就是廢炮，對后續(xù)工作很不利。部分炮孔進(jìn)行了水封，部分炮孔未進(jìn)行水封的原始數(shù)據(jù)對比圖12X分量的原始數(shù)據(jù)圖13Y分量的原始數(shù)據(jù)圖14圖12的24炮炮能量實測振幅值與炮孔序列號對應(yīng)曲線圖圖15未采用水封法采集的低信噪比的數(shù)據(jù)圖16采用水封法采集的的高信噪比的數(shù)據(jù)綜上所述：通過原始數(shù)據(jù)、振幅曲線圖中的1#區(qū)域和2#區(qū)域、低信噪比以及高信噪比的對比圖，可以得出在同等藥量下，隨著偏移距的增加在第10~24炮段，水封法能較好的大幅度提高有效地震波的振幅，再一個主要的是能夠大大提升信噪比，能夠有效的減小聲波、面波，多次波等干擾波的影響；較低的信噪比會給后續(xù)數(shù)據(jù)的出來帶來好多不利因素，導(dǎo)致結(jié)果的錯誤；太低能量的地震波探測距離是非常有限的。4、數(shù)據(jù)處理以及結(jié)論解釋當(dāng)中需要注意的一些重要影響因素4.1觀測系統(tǒng)測量參數(shù)的準(zhǔn)確填寫建立模型，尤其是雙檢波器的情況下，在此就本人的一些總結(jié)得出的一些經(jīng)驗，在此予以敘述；測量輸完參數(shù)后一定要用三維視圖看看是否做到了建模正確，在此特別注意檢波器1的一般情況只要參數(shù)正確，那么就可以了;而檢波器2它的接收器點的坐標(biāo)點和炮孔的坐標(biāo)點之間地震波走的不是直線距離，而是炮孔藥包震源點的地震波首先先傳遞到邊墻底，然后經(jīng)過隧底傳播至另一側(cè)邊墻底，然后傳遞到接收器坐標(biāo)點。雙檢波器的模型半徑=2個檢波器之間距離的一半接收器孔高=實際測量的接收器孔高圖17模型橫斷面圖4.2帶通濾波的處理，濾波的處理這部分參數(shù)設(shè)置很重要，如果采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好（較高的地震波真振幅特征、高信噪比），那么濾波參數(shù)設(shè)置就很容易了；如果采集的數(shù)據(jù)信噪比不高，那么就需要我們對濾波參數(shù)就行調(diào)整，這樣處理的結(jié)果首先就是最大限度的恢復(fù)地震波的真振幅，其次就是提高數(shù)據(jù)的信噪比（濾除干擾信號）。然而實際應(yīng)用當(dāng)中由于原始數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，濾波的參數(shù)選取之后，雖然信噪比有很大提高，但是這種情況濾波后的地震波是一種“假振幅”，對于后續(xù)的結(jié)果分析毫無意義。在濾波選取時主頻區(qū)和干擾波頻率分界點非常重要；常見的干擾波面波的頻率比較低，它屬于此生波，頻率一般都低于20Hz；干擾波聲波的特點是速度穩(wěn)定（340m/s），頻率高，延續(xù)時間長（呈現(xiàn)為振鈴式），在地震記錄上呈現(xiàn)強(qiáng)而尖銳的波至；主頻區(qū)位置主要由激發(fā)條件決定，藥量的不一樣，那么主頻區(qū)也不一樣。圖18高質(zhì)量質(zhì)量的頻譜圖圖19數(shù)據(jù)干擾強(qiáng)的頻譜圖頻譜圖異常是由于接收器未耦合好（錨固劑的耦合效果大部分都是這樣的），在失真的情況下，不同步的記錄了地震波數(shù)據(jù)，這樣的數(shù)據(jù)都是一些假頻信號，無任何參考價值。4.3地震資料解釋，在地震勘探中,資料解釋占有十分重要的地位。資料解釋就是把經(jīng)過處理的地震信息變成地質(zhì)成果，這就要求我們要能緊密的，把地震處理后的巖石力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榈刭|(zhì)信息。4.3.1波速是我們資料解釋當(dāng)中，一個最重要和最直接的參數(shù)之一。下面就波速的影響因素進(jìn)行分類歸納：4.3.1.1巖性對地震波速度的影響，不同的巖石由于物理性質(zhì)的不同，地震波速度會不一樣；一般情況下變質(zhì)巖和火成巖的速度大于沉積巖的速度，沉積巖中石灰?guī)r的波速大于頁巖的速度，頁巖的速度大于砂巖的速度，砂巖的速度大于水中的速度，水中的速度大于空氣中的速度。同一種巖體的速度波動較大，這是受巖石的強(qiáng)度、節(jié)理發(fā)育程度、風(fēng)化程度等等因素的影響。4.3.1.2孔隙度對地震波速度的影響,孔隙度是巖石速度的基本要素，對于一塊固體巖石來說，由兩部分組成，一部分是有顆粒本身，另一部分是由氣體或液體充填。當(dāng)孔隙中充填有水或氣體時，由于氣體和液體的速度低于巖石骨架的速度，所以地震波速度和孔隙度成反比。4.3.1.3巖石的密度對速度的影響，巖石的密度越大地震波速度也就越大，這里地震波速度和密度有如下的經(jīng)驗公式：ρ=0.31*ν1/4。4.3.1.4巖石的地質(zhì)年代對地震波速度的影響，地質(zhì)年代老的巖層比新的巖層具有較高的波速；速度的大小還與構(gòu)造運動有關(guān)，在以擠壓力作用為主的強(qiáng)烈褶皺區(qū)，經(jīng)常觀測到速度值偏大；而在引張力作用為主，張性斷裂發(fā)育的地區(qū)往往測到的速度值偏小。4.3.1.5地層的埋藏深度對地震波速的影響，隨著埋深的增加，巖石受上部巖石壓力越大，密度就越大；隨著埋深的增加，地震波速度也在增加。4.3.1.6在地震資料解釋當(dāng)中能夠很好的和地質(zhì)結(jié)合起來，將會起到事半功倍的效果。下面就舉一個大埋深大斷層破碎帶，地震波波速偏高的實例，本實例是本人曾和TYY的設(shè)計人員探討的一個問題，有波速問題上有較大的分歧意見；設(shè)計院認(rèn)為斷層破碎帶這里的計算出來的波速應(yīng)該在2000m/s~3000m/s以下，但是實際TSP軟件計算出的波速達(dá)到了5000m/s以上；設(shè)計院認(rèn)為，前方斷層的波速偏高，對圍巖級別的劃分不好確定，并且對檢測結(jié)果有一定異議；這一點他們恰恰就是忽視了目前這個擠壓破碎帶斷層所處的地質(zhì)條件，隧道埋深930m，而且是一個擠壓破碎帶，所以這個斷層破碎帶的密度很大；因為巖石的密度越大地震波速度也就越大，所以就導(dǎo)致了該段地震波波速偏高；地質(zhì)圍巖分級我們不能僅僅依靠波速，這完全是不正確的說話；在《福建工程學(xué)院學(xué)報》2005年12月第3卷第6期中，就提到了TSP縱波波速和圍巖級別不對應(yīng)的一個關(guān)系，并進(jìn)行了相應(yīng)的分析。4.3.2在TSP平時的應(yīng)用當(dāng)中，只有不斷的將地震波的巖石力學(xué)參數(shù)與地質(zhì)知識有機(jī)的結(jié)合起來，才能更好的提高TSP探測的準(zhǔn)確性；只有在不斷的總結(jié)當(dāng)中提高自我，加強(qiáng)各方面理論知識的學(xué)習(xí)，才能進(jìn)一步的提高探測準(zhǔn)確性。5、結(jié)束語本文是本人在現(xiàn)場工作中的一些深刻體會，能夠有效