淺析TSP超前地質預報誤差原因及減小誤差方法

【摘 要】本文主要闡述了TSP超前地質預報誤差產生的原因和減小誤差的方法，目的在于提高TSP超前地質預報水平和預報的準確性。

【關鍵詞】TSP超前地質預報；誤差；原因； 減小；方法

1 概述

1.1 地質超前預報應用背景

隨著地下建筑市場的發展和施工技術的進步，長、大隧道建設已成為縮短時空距離的首選，并呈不斷增長的趨勢。因地質條件的復雜性而造成隧道工程的艱巨性，施工過程的風險大大增加；部分隧道因設計勘查不到位、地質復雜而使正常施工受阻。

以上情況使得人們越來越重視地質超前預報工作，也促進了地質超前預報的系統化應用和發展。

1.2 TSP超前地質預報系統簡介

地質超前預報的方法主要有隧道地震超前預報系統（TSP）、水平聲波剖面（HSP）法、陸地聲納法、探地雷達（GPR）法、超前鉆孔法和超前平導法幾種 。

在各種地質超前預報方法中，TSP超前地質預報系統以其使用相對簡單、預報距離長、準確性好而受到人們廣泛的認可和普及，成為有效的探測方法之一。

原理：TSP系統做為物探方法的一種，其基本原理就是利用地震波的反射原理。

應用：該系統由瑞士安伯格公司(Amberg Technologies AG.)開發研制，自1994年進入地下工程建筑市場，在意大利、法國等多個國家得到應用。1996年進入國內市場，在公路、鐵路隧道施工中得到較為廣泛的應用，其效果得到較高程度的認可。

優點：使用相對簡單、預報距離長、準確性好。預報范圍大（掌子面前方100～150米 范圍效果最佳）；數據采集耗時少、對施工過程無障礙（一切工作都在掌子面后的毛洞中進行，除采集數據時為降低環境噪聲需暫停施工半小時左右外，其他工 作可以和掘進工作同時進行）；無需利用開挖面，操作簡單；分辨率高，可靠度高等優點。能準確確定斷層、弱巖帶、巖溶、含水層等地質 體性質及空間位置，并可獲得地層變化的二維和三維圖像。

缺點：和其他超前地質預報方法一樣，受到環境、操作和數據分析等原因影響，預報結果有一定的誤差。

2 預報誤差原因分析

2.1 原始數據誤差

正確、良好的原始數據是得到正確結果的堅實基礎，這是基本操作的關鍵之一，也會使得后續的軟件處理變得簡單、容易。

原始數據誤差主要有：（1）信號質量差；（2）炮孔測量不準確。

2.1.1 信號質量差

（1）炸藥量過大或太小，造成信號超幅或太弱；

（2）洞內施工機械噪音過大，造成干擾信號太強；

（3）隧道本身噪音過大（如大量涌水時），造成干擾信號太強；

（4）電雷管存放時間長、受潮或本身制造因素，造成不同炮點爆破延時不一致。多數炮不同程度延時，像這樣的信號，處理是困難的，預報結果的準確性也是大大折扣的。

（5）裝藥深度過淺或炸藥掉入初期支護與圍巖之間的空洞，產生大量無用的面波，且無法濾掉；

（6）炮眼封堵不好，能量消耗在產生大量的干擾信號上，且有用信號微弱。

2.1.2 炮孔測量不準確

炮孔測量不準確主要是指炮孔深度、方位角、角度、高度及其間距測量不準確，其原因是沒有認真測量或沒有測量。

從理論上講，我們需要確定爆破點真正位置，即裝藥深度而非炮眼深度，兩者在裝藥到位時是一致的，在裝藥不到位時是不同的 。

炮孔測量不準確對預報結果的影響：

（1）直接影響到軟件處理結果推測的每一不良地質界面位置的準確與否。從測量原理上，后視距離（即炮孔到傳感器的距離）本來就短，再加上炮孔參數測量的較大誤差，勢必造成前視距離（即軟件計算的不良地質界面位置）的更大誤差；

（2）軟件處理本來就是24炮數據的回歸處理，如果大量炮孔的數據失真，回歸結果（即推測的不良地質界面位置）必然是不正確的。

2.2 軟件處理不當

軟件處理過程的參數選擇不恰當，其主要參數原因是：

2.2.1 數據長度選取過短或太長。數據長度是指從接收點算起所需要的最大探測范圍。過短造成數據量不夠，太長造成無用、干擾信號也大量進入軟件處理，同時造成處理時間延長。

2.2.2 初始噪音信號的消除（零切除）不合理。如較大數值的零切除，雖然使初始噪音信號全部充零，但會對后續的數據處理造成較大不利影響。

2.2.3 帶通濾波參數設置不恰當，會對后續處理和最終結果造成很大影響。

2.2.4 在信號質量不高時初至拾取困難，此時易產生定位困難或錯誤，從而導致最終結論的不準確或錯誤。

2.2.5 道切除的不合理，對最終結果有較大影響

2.3 現場地質了解不足

隧道整體和現場（掌子面）地質情況了解、觀察不夠，此方法本身就是以掌子面地質情況為參考面，推測判斷前方地質情況的相對好壞、含水等情況。因此對隧道整體和現場（掌子面）地質情況了解、觀察很重要。

2.4 結果判釋錯誤

由于地質知識、規律掌握較少或缺乏，造成對處理結果的判釋錯誤。

2.5 儀器模型設計和系統誤差（暫不分析考慮）

3 減小（避免）誤差的方法

3.1原始數據的準確收集

3.1.1 提高信號質量

（1）根據隧道圍巖的堅硬程度等情況，確定合適的炸藥量。一般情況下，圍巖堅硬、完整（如灰巖），用量在40～70g；圍巖較軟、破碎或松散（如泥巖、全風化花崗巖等），用量在80～200g；靠近掌子面，用量宜稍大；靠近傳感器，用量宜稍小。其用量也與檢波器到傳感器的距離有很大關系。沒有經驗時最好試一炮。

（2）開始放炮時，附近施工機械暫時停工。

（3）隧道本身噪音過大時，適當加大炸藥用量，以壓制其信號。

（4）使用合格的雷管。

（5）采用PVC管護孔等辦法，保證裝藥深度和不掉入初期支護與圍巖之間的空洞。

（6）當用水封堵炮眼困難時（如炮眼傾角向上或近于水平），可用炮泥或浸泡的錨固劑封堵到底。

3.1.2 提高炮孔量測質量：主要是認真測量和記錄檢波器孔、炮孔的空間位置、距離等數據。

3.2 進行合理的軟件處理

3.2.1 數據長度：數據長度是從接收點算起所需要的最大探測范圍，按以下經驗公式計算：數據長度＝(探測范圍×2×2.5)÷Vp

此公式中Vp表示縱波的平均速度，2表示往返傳播時間，2.5則表示考慮速度變化和橫波較慢的安全因數。

相對準確的 Vp值可以通過以下步驟取得：

（1）先假定一數據長度（如250毫秒），運行TSPwin軟件至第三步：初至拾取，進行必要的簡單處理，即可得到。

（2）有了相對準確的 Vp值、自己確定的探測距離，用上式即可計算出合適的數據長度。

（3）然后置換先前的假定數據長度，重新開始軟件處理。

3.2.2 零切除：選擇存在的類似地震信號的尖脈沖值充零即可，剩余的一小部分噪音信號對后續處理影響較小。

3.2.3 帶通濾波：這一步是跟據信號頻率將信號加以約束，使有用的信號從噪聲中分離出來。如果原始信號質量好，采用軟件自身計算值即可得到較好效果；如果原始信號質量差，則應進行調整，這需要掌握較多的物探知識。

3.2.4 初至拾取：在信號質量不高時，需要人工手動拾取。不好把握時，可多處理幾次，選擇合理的最終結果。

3.2.5 道切除：采用不同的道切除，多處理幾次，選擇合理的最終結果。

3.3 加強對隧道整體了解

加強對隧道整體（檢波器至掌子面的邊墻、拱部）和現場（掌子面）地質情況（地層巖性、產狀、完整性、節理、構造、地下水等）的詳細了解、觀察、記錄，找出特征。最終二維處理結果中已開挖段符合現場實際情況時，其預報地段的推測結果應該是合理、正確的。

3.4 加強地質知識的學習

加強地質知識的學習與補充，才能對軟件的處理結果作出正確判斷，并作出合理的解釋，進而作出正確的預報。

3.5 跟蹤、驗證預報結果

跟蹤、驗證預報結果，根據實際情況對數據進行重新處理，積累經驗，分析原因，提高數據處理能力和預報的準確性。

4 結束語

總體來說，TSP超前地質預報結果的準確性較高，且預報距離較長（掌子面前方100～150m效果最好），能夠較好地彌補勘查設計的不足和滿足施工的需要。

通過多次使用和經驗認為，只要按照本文所講的有關要求進行操作，善于分析原因，采取相應措施，就能充分發揮儀器的性能，有效地提高預報結果的準確性。

參考文獻:

[1]肖書安.瑞士隧道工程中的地質超前預報測量[C].中瑞公路隧道技術交流文集，2001

[2]劉志剛、趙勇編著.隧道隧道施工地質技術[M].北京:中國鐵道出版社，2001