基于模型正反演的TSP 有效預報距離研究

王 凱

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

TSP(Tunnel Seismic Prediction)法是一種較為成熟的長距離隧道超前地質預報方法，具有預報距離長、適用范圍廣、抗干擾能力強、費用低廉等優點[1]，在國內外地下工程建設中被廣泛應用，預報效果較優。 但是，對于該方法的有效預報距離眾說紛紜，各執一詞。TSP 設備廠商給出的有效預報范圍為工作面前方100 m[2]，有人認為其探測距離可大于200 m[3]，也有人認為其探測距離可達350 m[4]或300 ～500 m[5]，實際工作中，有效預報距離的認定與預報的成敗、施工安全以及經濟效益都有著直接的聯系。 若距離過長，超出了有效距離范圍，則無法分辨出遠端的地質異常，容易導致不良地質漏報，增大施工風險;若距離過短，則人力、物力成本增加，必然導致經濟效益下降。 因此，選擇合適的預報距離，對超前地質預報工作有著重要的意義。 通過建立不同規模和位置的斷層、溶洞模型，對模型進行正反演，分析和總結模型的反演結果，對TSP 法的有效預報距離進行探討。

1 模型建立及正演計算

為了研究地質模型的地震響應特征，建立了若干地質模型(見表1)，分為斷層破碎帶和溶洞(球狀)兩類共16 個，其中斷層破碎帶模型6 個，溶洞模型10個。 斷層模型的參數設置為: 圍巖波速 VP=5 200 m/s，VS=3 006 m/s，密度ρ=2.65 g/cm3，破碎帶模型的參數設置為: 波速VP= 4 000 m/s， VS=2 312 m/s，密度ρ=2.3 g/cm3;溶洞模型的參數設置為:圍巖波速VP=3 500 m/s，VS=2 023 m/s，密度ρ=2.6 g/cm3，溶洞填充物的參數為:波速VP=3 000 m/s，VS=1 604 m/s，密度ρ=1 g/cm3。

表1 模型信息

采用中鐵二院與成都理工大學合作開發的三維TSP 正演模擬軟件進行正演計算。 該軟件采用交錯網格有限差分算法，具有計算速度快、精度高等特點[6]。觀測系統設置為24 炮激發，間距2 m，2 道接收。 檢波器設置于隧道兩側邊墻上，偏移距15 m，采樣間隔為0.05 ms，記錄長度為180 ms，正演結果采用三分量地震記錄(見圖1)。

圖1 模型4 正演地震記錄

圖1 是模型4 正演模擬結果中1 號檢波器的地震記錄。 從圖1 中可看出，波的組成比較復雜，30 ms 之前主要記錄的是直達波，能量很強。 30 ～55 ms 段記錄有一組波，對比無異常體模型的正演結果，可發現該組波是工作面和隧道壁的反射波[7]，反射能量相對較強。 55 ms 之后，記錄上有3 組反射波:第一組是反射縱波，分布于55 ～65 ms 段，該波組能量較前幾個波組弱，同相軸的斜率較小，且在X 分量上最為明顯;第二組是反射轉換橫波(由縱波轉換為橫波)，分布于60 ～80 ms 段;第三組是反射橫波，分布于70 ～90 ms 段。反射轉換橫波和反射橫波能量較弱，但在三個分量的記錄上均可清晰地看到;二者同相軸的斜率較反射縱波大;二者的斜率一致，只是波組出現的時刻不同而已，反射橫波出現的時間較反射轉換橫波晚。

2 數據反演

數據處理采用Amberg TSP Plus 軟件，由瑞士Amberg Technologies AG 公司提供技術支持，開放了數據輸入接口，使得正演結果可導入軟件進行處理。

Amberg TSP Plus 的處理共有13 個步驟，每個步驟都有各自的意義，但其中頻率域濾波、初至拾取和反射波提取幾個步驟中，參數的調整對最終處理結果的影響非常明顯，而其余步驟通常采用默認參數，依然能夠得出較為可靠的結果。

2.1 頻率域濾波

頻率域濾波的目的是去除干擾信號，保留有效信號，是提高信噪比的有效辦法。 處理過程中應盡可能濾掉低頻干擾(如面波)以及高頻干擾(如聲波)，同時保留有效信號(如反射波)，見圖2。 地震波信號的頻率與震源本身的特性、巖性、圍巖堅硬程度等因素相關[8]。 因此，濾波窗口的選取應綜合考慮以上因素。濾波處理須格外慎重，切不可為了去除干擾而損失大量的有用信號，也不可為保留有用信號而通過太多干擾，當數據質量不太理想時，濾波窗口的選取應仔細斟酌。

圖2 頻率域濾波

2.2 初至拾取

初至拾取的目的是在地震記錄上尋找直達縱波，以得到其速度。 眾所周知，波速在地震勘探中是一個極其重要的參數，所有物性參數的計算以及界面的提取都是以波速為基礎。 因此，初至拾取在資料處理過程中有著十分重要的意義，甚至直接關系到預報的成敗。 理論上，直達波曲線是一條過零點的直線[9]，但實際工作中往往并非如此。 對于主通道檢波器(炮孔同側)，地震波幾乎以直線傳播，其實際路徑和理論路徑一致，即炮點至檢波點之間的時距曲線應符合理論曲線，但由于觀測系統測量誤差、雷管的延時誤差等原因，使得零點往往存在一定漂移。 因此，在進行初至拾取的時候，應適當屏蔽可信度較差的數據道，使直達波曲線經過零點(如圖3)。 但是，對于副通道檢波器(炮孔異側)，由于地震波的實際傳播路徑和理論路徑可能存在較大差別，可導致其時距曲線不經過零點。 因整個觀測系統在一個較小的區域內，地質情況相同，兩個通道測得的波速應一致，所以，拾取副通道波速時，應以主通道為參考[10]。

2.3 反射波提取

反射波提取是地震波反射法中十分重要的步驟，提取結果的優劣，直接影響異常體能否被準確地反映出來。 但提取結果的質量不僅僅依賴于這一個步驟，而是其前邊所有步驟處理質量的綜合反映。 因此，根據反射波提取的結果，在一定程度上能評估處理結果的質量，如參數是否合理、處理是否得當等。 質量較好

圖3 初至拾取

的提取結果，反射波清晰，同相軸連續性好[11]，能量分布符合隨傳播距離衰減的規律[12](如圖4)。 若反射波提取結果不理想，應中止后續處理，重新審視并調整前邊步驟的處理參數，發現問題并解決后，方可繼續下一步的工作[16]。

圖4 反射波提取

3 成果分析

資料處理的結果主要以二維成果圖的形式綜合體現(如圖5)。 由圖5 可見，該成果較為直觀地反映了各巖石物理參數的變化趨勢，通過分析，可判識異常位置、規模等。

此處選取其中一個案例進行分析。 如圖5 所示，模型設置的圍巖縱、橫波速為Vp= 5 200 m/s，Vs=3 006 m/s，破碎帶縱、橫波速分別是Vp=4 000 m/s，Vs=2 312 m/s，而處理結果圍巖的縱、橫波速分別是Vp=5 786～6 283 m/s，Vs=2 948 ～3 254 m/s，破碎帶的縱、橫波速分別是Vp=5 019 m/s，Vs=2 707 m/s，二者存在一定差異;就異常的位置與規模而言，在工作面前方50 ～60 m 范圍內，縱、橫波速降低，楊氏模量降低，異常位置、異常規模均與模型一致，這往往是最受關注的信息。

圖5 二維成果

其他模型的結果(見表2)與上述模型基本一致，說明此次研究的正演模擬正確，資料處理得當，參數合理，結果可信。

表2 處理結果統計

對于寬度5 m 和10 m 兩種規模的斷層破碎帶模型，當破碎帶位于工作面前方50 m 和100 m 時，成果資料反映出明顯異常，能較好地預報出不良地質，當位于工作面前方150 m 時，資料無明顯異常。 對于直徑為4 m 的溶洞模型，當溶洞位于工作面前方50 m、75 m、100 m 時，成果資料反映出明顯異常，能較好地預報出不良地質，當位于工作面前方125 m 和150 m時，資料無明顯異常;對于直徑10 m 的溶洞模型，溶洞位于工作面前方50～125 m 時，可較好地預報出溶洞，位于工作面前方150 m 時，資料無明顯異常。 綜上所述，TSP 法的有效預報距離和不良地質的規模有關，規模越小，可辨別出異常體的預報距離越小，規模越大，預報距離越大。 綜合分析本次研究的所有模型，在不考慮圍巖影響的情況下，對不良地質體的有效預報距離約為125 m。

另一方面，震源能量的強弱、圍巖性質的差異等同樣會影響地震波反射法的探測距離[13]。 因此，在選擇預報距離時，應根據炸藥量、耦合關系[14]、圍巖完整性與強度[15]等進行綜合考慮。 結合多年的預報經驗，在一般情況下，TSP 預報距離宜控制在120 m 以內，對于圍巖較差或能量較弱時，應適當縮短預報距離，以不超過100 m 為宜，以免漏掉規模較小的不良地質體，增加施工風險。

4 結論

(1)通過TSP 正演計算，模擬了地震波在斷層破碎帶模型與溶洞模型中的傳播過程，準確記錄了各種類型的地震波，其時距關系與理論值基本一致，表明了正演模擬的正確性，為研究不同地質模型的地震響應特征提供了依據，為超前地質預報工作提供了指導。

(2)TSP 法的有效預報距離為125 m 左右，受震源能量、圍巖完整性和強度等影響，實際預報工作中TSP的預報距離應不超過120 m，對于原始資料能量較弱或地質條件較差的情況，還應酌情縮短預報距離，以不超過100 m 為宜。

(3)資料處理得出的部分巖石物性參數與實際值存在一定差異。 因此，資料解釋時不應機械地、盲目地以計算結果數值的大小為劃分異常和判斷圍巖情況的依據，應根據參數的曲線走勢，結合已掌握的地質信息進行綜合分析，判斷地質情況的變化趨勢。