TSP資料處理結果的可靠性評估方法

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）法是一種比較成熟的隧道超前地質預報方法，經過多年的應用實踐，在鐵路、公路、水利水電的地下工程中取得了大量成果。但是實際工作中，仍然常有誤報和漏報的現象發生，究其原因，原始資料的質量不佳和資料處理不合理是一方面原因，更重要的是，有些技術人員不知道處理結果正確與否，也不清楚該如何評估處理結果的可靠性，甚至將完全不可靠的處理結果作為成果資料進行解釋，結論的謬誤也就成了必然的結果。因此，對處理結果進行評價，選取正確、合理的處理成果，對做好超前預報工作而言是一個極其重要的課題。本文根據筆者多年的預報工作經驗總結，提出了幾個評估的措施，旨在拋磚引玉，希望廣大超前預報工作者提出更多更好的評價方法，提高超前地質預報水平。測系統符合要求，正確安裝套管和接收器，并正確選擇雷管類型和炸藥量[1]，同時，采集過程中必須停止所有干擾信號質量的作業，如打鉆、出渣等。

另外，采集數據時應至少使用2個接收器，采用單個接收器往往難以取得令人滿意的預報效果[2]。增加接收器的數量，一方面可以增加數據量，在一定程度上起到約束物探多解性的目的；另一方面便于對比分析不同通道間資料的一致性，提高預報準確性。

1 影響資料處理結果質量的因素

對資料處理質量的影響因素可概括為2大類：一是原始資料的質量；二是資料處理參數的選取。TSP資料處理軟件共有11個步驟，而其中帶通濾波、初至拾取和反射波提取3個步驟對處理結果的影響十分明顯，其余步驟采用默認參數也能得到較可靠的處理結果。

1.1 原始資料質量

原始資料的質量對整個預報工作起著決定性的作用，關系著預報的成敗，不合格的原始數據不應進入數據處理流程。較好的原始資料信有噪比高、初至波清晰、初至波同相軸連續性較好等特征，如圖1所示。為采集到較好的第一手資料，數據采集現場應確保觀

圖1 較高質量的原始資料

1.2 帶通濾波[3]

數據采集過程中，直達波、反射波等有用信號被傳感器接收，但同時聲波、面波等干擾信號也不可避免地會被記錄。帶通濾波是去除干擾信號，保留有效信號有效辦法，可提高地震記錄的信噪比。處理過程中應合理選取帶通頻率，盡可能濾掉干擾信號，保留有效信號。選取濾波參數時應對頻譜進行仔細分析，結合圍巖情況、以往資料的頻率分布情況等進行選擇，不能為了切除干擾而損失大量有用信號，也不能通過太多干擾信號影響后續處理。

1.3 初至拾取[3-4]

初至拾取是為了在地震記錄上確定地震波從激發孔出發到達接收器所用時間，再根據現場測量的距離，計算得到地震波速度。在TSP超前地質預報中，地震波速度是一個非常重要的參數，成果資料中的泊松比、密度、彈性模量等彈性參數的計算以及反射界面的提取都以波速為基礎。因此，通過初至拾取確定地震波的速度在資料處理過程中十分重要，而且波速正確與否將關系到預報的成敗。理論上，直達波曲線是一條過零點的直線，但實際的直達波時距曲線經常并不經過原點，資料處理時應進行相應調整。對于主通道檢波器而言，直達波幾乎以直線傳播，其路徑和理論路徑基本一致，即從炮點出發沿直線傳播至接收器，時距關系應當符合理論曲線特征，即通過原點。但由于觀測系統測量誤差、雷管的延時誤差等原因，使得零點存在一定漂移。因此，在初至拾取時，應適當屏蔽可信度較差的數據道，使直達波曲線歸位。對于副通道檢波器而言，由于軟件內建立的模型同隧道真實情況存在一定差異，直達波的實際傳播路徑和理論路徑可能存在較大差別，時距曲線通常并不經過零點。但整個觀測系統在一個較小的區域，地質情況相同，2個通道測得的波速應保持一致，所以，拾取副通道波速時應以主通道為參考，使其波速與主通道相當。

1.4 反射波提取[3]

反射波提取是TSP資料處理過程中十分重要的一個環節，提取結果的好壞關系到異常體能否準確反映出來。反射波提取結果的好壞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。所以，反射波提取的結果，在一定程度上能評估處理質量的好壞，如參數是否合理、處理是否得當等。若反射波提取結果不理想，應中止后續處理，分析原因并調整前邊步驟的處理參數，直至得到質量較高的結果后方可繼續。

2 可靠性評估

數據處理是一個對資料反復認識，不斷去偽存真的過程，在整個處理過程中，每一個步驟參數的選取都應反復斟酌，并對處理結果進行評價，前一步驟的處理結果可信時，再進行下一步處理，否則應調整參數，重新處理。筆者認為，對反射波提取、速度分析、反射界面提取這3個中間步驟的處理結果，必須進行仔細分析，確保結果的可靠性，以提高成果資料的質量，而最終的彈性參數曲線及反射界面分布情況作為資料處理的最終成果，更要仔細評估。

2.1 反射波提取

反射波提取成果如圖2所示。眾所周知，理論的反射波曲線為雙曲線[4]，但實際工作中，信號受多方面因素的影響，反射波同相軸形態往往不規則，對提取的反射波質量進行評價時，不應以理論曲線作為標準，宜從同相軸連續性、能量分布情況、頻率等幾個方面進行分析，提取的反射波質量較好時，應有以下特征。

圖2 反射波提取成果

反射波同相軸連續性較好。當掌子面前方存在不良體制體時，各炮孔激發的地震波都將在波阻抗界面發生反射，并被接收器接收，即在每一道地震記錄的響應位置都會有反射波記錄，進而形成連續的同相軸。反射波能量應符合衰減的規律。地震波在地下介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量會產生損耗，那么，在反射系數差別不大的情況下，距接收器較近的地質體產生的反射波能量較強，而遠處的反射波能量相對較弱。在地震記錄上就表現為早期（如前100 ms內）的反射波能量較強，隨著時間增加，能量逐漸衰弱。反射信號頻率應與濾波參數相當。帶通濾波時已經濾掉了高頻、低頻的干擾信號，保留下的地震信號頻率基本都在濾波參數范圍內，若提取出來的反射波頻率明顯高于或低于濾波參數，則提取結果可信度往往較低。

2.2 速度與反射界面的分布

對于波速的分析要充分結合地質條件，計算得到的波速應與預報段落的巖性條件相吻合。

對不同接收器的處理結果，要進行對比分析，速度與反射界面的分布應具有較好的一致性。實際工作中，接收器通常布置在一個較小的范圍內，地質條件不會有明顯差異，而不同接收器的地震信號處理結果是對掌子面前方相同范圍內地質情況的宏觀反映，因此，應有相似的處理結果。若處理結果差異太大，或出現相反的結果，說明其可靠程度低，需調整處理參數重新處理。速度分布對比如圖3所示。

圖3 速度分布對比

2.3 彈性參數曲線

首先，彈性參數的數值應該在正確的范圍內，比如泊松比應介于0～0.5之間，波速、密度、彈性模量等參數不應大面積出現負值。局部存在的不合理的計算結果，可通過關閉不合理界面來解決。

其次，不同接收器的處理結果，數值應大致相當，不宜出現太大差別，并且曲線的形態應基本一致，趨勢相同。

需要說明的時，在對結果進行修飾性處理時，應保持曲線原有形態，不宜隨意調整。不同通道的數據處理結果應具有相似性，并不意味者曲線要完全一致，而是在數值相當的情況下，有相同的變化趨勢即可。盲目屏蔽反射界面，而強制使曲線形態一致的做法是不可取的。TSP二維成果圖如圖4所示。

圖4 TSP二維成果圖

3 結語

TSP資料處理是一項技術性較強的工作，成果質量的優劣，與技術人員的專業知識水平與經驗以及對地質背景的認識程度都有著緊密聯系。處理某一個資料時，采用不同的參數處理，可能會得到不同的處理結果。此時，對成果的質量進行評估，就成了一件極其重要的工作。

本文介紹的評估方法是筆者多年預報工作的經驗的總結，實踐表明，通過該方法對數據處理質量進行評價，甄別出較好的處理結果，可大大提高成果資料的可信度，取得良好的預報效果。不足之處在于，該方法對優劣的判別依靠人的主觀意識，主觀性較強。能否提出量化手段，對成果資料進行評估，仍有待進一步研究。