TSP資料處理結(jié)果的可靠性評(píng)估方法

王凱

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)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(zhì)預(yù)報(bào)方法，經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用實(shí)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(shí)際工作中，仍然常有誤報(bào)和漏報(bào)的現(xiàn)象發(fā)生，究其原因，原始資料的質(zhì)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(shù)人員不知道處理結(jié)果正確與否，也不清楚該如何評(píng)估處理結(jié)果的可靠性，甚至將完全不可靠的處理結(jié)果作為成果資料進(jìn)行解釋，結(jié)論的謬誤也就成了必然的結(jié)果。因此，對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，選取正確、合理的處理成果，對(duì)做好超前預(yù)報(bào)工作而言是一個(gè)極其重要的課題。本文根據(jù)筆者多年的預(yù)報(bào)工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，提出了幾個(gè)評(píng)估的措施，旨在拋磚引玉，希望廣大超前預(yù)報(bào)工作者提出更多更好的評(píng)價(jià)方法，提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平。測(cè)系統(tǒng)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(shí)，采集過(guò)程中必須停止所有干擾信號(hào)質(zhì)量的作業(yè)，如打鉆、出渣等。

另外，采集數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)至少使用2個(gè)接收器，采用單個(gè)接收器往往難以取得令人滿意的預(yù)報(bào)效果[2]。增加接收器的數(shù)量，一方面可以增加數(shù)據(jù)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(duì)比分析不同通道間資料的一致性，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。

1 影響資料處理結(jié)果質(zhì)量的因素

對(duì)資料處理質(zhì)量的影響因素可概括為2大類：一是原始資料的質(zhì)量；二是資料處理參數(shù)的選取。TSP資料處理軟件共有11個(gè)步驟，而其中帶通濾波、初至拾取和反射波提取3個(gè)步驟對(duì)處理結(jié)果的影響十分明顯，其余步驟采用默認(rèn)參數(shù)也能得到較可靠的處理結(jié)果。

1.1 原始資料質(zhì)量

原始資料的質(zhì)量對(duì)整個(gè)預(yù)報(bào)工作起著決定性的作用，關(guān)系著預(yù)報(bào)的成敗，不合格的原始數(shù)據(jù)不應(yīng)進(jìn)入數(shù)據(jù)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(xù)性較好等特征，如圖1所示。為采集到較好的第一手資料，數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)確保觀

圖1 較高質(zhì)量的原始資料

1.2 帶通濾波[3]

數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，直達(dá)波、反射波等有用信號(hào)被傳感器接收，但同時(shí)聲波、面波等干擾信號(hào)也不可避免地會(huì)被記錄。帶通濾波是去除干擾信號(hào)，保留有效信號(hào)有效辦法，可提高地震記錄的信噪比。處理過(guò)程中應(yīng)合理選取帶通頻率，盡可能濾掉干擾信號(hào)，保留有效信號(hào)。選取濾波參數(shù)時(shí)應(yīng)對(duì)頻譜進(jìn)行仔細(xì)分析，結(jié)合圍巖情況、以往資料的頻率分布情況等進(jìn)行選擇，不能為了切除干擾而損失大量有用信號(hào)，也不能通過(guò)太多干擾信號(hào)影響后續(xù)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(fā)孔出發(fā)到達(dá)接收器所用時(shí)間，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的距離，計(jì)算得到地震波速度。在TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，地震波速度是一個(gè)非常重要的參數(shù)，成果資料中的泊松比、密度、彈性模量等彈性參數(shù)的計(jì)算以及反射界面的提取都以波速為基礎(chǔ)。因此，通過(guò)初至拾取確定地震波的速度在資料處理過(guò)程中十分重要，而且波速正確與否將關(guān)系到預(yù)報(bào)的成敗。理論上，直達(dá)波曲線是一條過(guò)零點(diǎn)的直線，但實(shí)際的直達(dá)波時(shí)距曲線經(jīng)常并不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)，資料處理時(shí)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。對(duì)于主通道檢波器而言，直達(dá)波幾乎以直線傳播，其路徑和理論路徑基本一致，即從炮點(diǎn)出發(fā)沿直線傳播至接收器，時(shí)距關(guān)系應(yīng)當(dāng)符合理論曲線特征，即通過(guò)原點(diǎn)。但由于觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)量誤差、雷管的延時(shí)誤差等原因，使得零點(diǎn)存在一定漂移。因此，在初至拾取時(shí)，應(yīng)適當(dāng)屏蔽可信度較差的數(shù)據(jù)道，使直達(dá)波曲線歸位。對(duì)于副通道檢波器而言，由于軟件內(nèi)建立的模型同隧道真實(shí)情況存在一定差異，直達(dá)波的實(shí)際傳播路徑和理論路徑可能存在較大差別，時(shí)距曲線通常并不經(jīng)過(guò)零點(diǎn)。但整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)在一個(gè)較小的區(qū)域，地質(zhì)情況相同，2個(gè)通道測(cè)得的波速應(yīng)保持一致，所以，拾取副通道波速時(shí)應(yīng)以主通道為參考，使其波速與主通道相當(dāng)。

1.4 反射波提取[3]

反射波提取是TSP資料處理過(guò)程中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，提取結(jié)果的好壞關(guān)系到異常體能否準(zhǔn)確反映出來(lái)。反射波提取結(jié)果的好壞不僅僅依賴于這一個(gè)步驟，而是其前邊所有步驟處理質(zhì)量的綜合反映。所以，反射波提取的結(jié)果，在一定程度上能評(píng)估處理質(zhì)量的好壞，如參數(shù)是否合理、處理是否得當(dāng)?shù)取Ｈ舴瓷洳ㄌ崛〗Y(jié)果不理想，應(yīng)中止后續(xù)處理，分析原因并調(diào)整前邊步驟的處理參數(shù)，直至得到質(zhì)量較高的結(jié)果后方可繼續(xù)。

2 可靠性評(píng)估

數(shù)據(jù)處理是一個(gè)對(duì)資料反復(fù)認(rèn)識(shí)，不斷去偽存真的過(guò)程，在整個(gè)處理過(guò)程中，每一個(gè)步驟參數(shù)的選取都應(yīng)反復(fù)斟酌，并對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，前一步驟的處理結(jié)果可信時(shí)，再進(jìn)行下一步處理，否則應(yīng)調(diào)整參數(shù)，重新處理。筆者認(rèn)為，對(duì)反射波提取、速度分析、反射界面提取這3個(gè)中間步驟的處理結(jié)果，必須進(jìn)行仔細(xì)分析，確保結(jié)果的可靠性，以提高成果資料的質(zhì)量，而最終的彈性參數(shù)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(xì)評(píng)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(shí)際工作中，信號(hào)受多方面因素的影響，反射波同相軸形態(tài)往往不規(guī)則，對(duì)提取的反射波質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，不應(yīng)以理論曲線作為標(biāo)準(zhǔn)，宜從同相軸連續(xù)性、能量分布情況、頻率等幾個(gè)方面進(jìn)行分析，提取的反射波質(zhì)量較好時(shí)，應(yīng)有以下特征。

圖2 反射波提取成果

反射波同相軸連續(xù)性較好。當(dāng)掌子面前方存在不良體制體時(shí)，各炮孔激發(fā)的地震波都將在波阻抗界面發(fā)生反射，并被接收器接收，即在每一道地震記錄的響應(yīng)位置都會(huì)有反射波記錄，進(jìn)而形成連續(xù)的同相軸。反射波能量應(yīng)符合衰減的規(guī)律。地震波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量會(huì)產(chǎn)生損耗，那么，在反射系數(shù)差別不大的情況下，距接收器較近的地質(zhì)體產(chǎn)生的反射波能量較強(qiáng)，而遠(yuǎn)處的反射波能量相對(duì)較弱。在地震記錄上就表現(xiàn)為早期（如前100 ms內(nèi)）的反射波能量較強(qiáng)，隨著時(shí)間增加，能量逐漸衰弱。反射信號(hào)頻率應(yīng)與濾波參數(shù)相當(dāng)。帶通濾波時(shí)已經(jīng)濾掉了高頻、低頻的干擾信號(hào)，保留下的地震信號(hào)頻率基本都在濾波參數(shù)范圍內(nèi)，若提取出來(lái)的反射波頻率明顯高于或低于濾波參數(shù)，則提取結(jié)果可信度往往較低。

2.2 速度與反射界面的分布

對(duì)于波速的分析要充分結(jié)合地質(zhì)條件，計(jì)算得到的波速應(yīng)與預(yù)報(bào)段落的巖性條件相吻合。

對(duì)不同接收器的處理結(jié)果，要進(jìn)行對(duì)比分析，速度與反射界面的分布應(yīng)具有較好的一致性。實(shí)際工作中，接收器通常布置在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，地質(zhì)條件不會(huì)有明顯差異，而不同接收器的地震信號(hào)處理結(jié)果是對(duì)掌子面前方相同范圍內(nèi)地質(zhì)情況的宏觀反映，因此，應(yīng)有相似的處理結(jié)果。若處理結(jié)果差異太大，或出現(xiàn)相反的結(jié)果，說(shuō)明其可靠程度低，需調(diào)整處理參數(shù)重新處理。速度分布對(duì)比如圖3所示。

圖3 速度分布對(duì)比

2.3 彈性參數(shù)曲線

首先，彈性參數(shù)的數(shù)值應(yīng)該在正確的范圍內(nèi)，比如泊松比應(yīng)介于0～0.5之間，波速、密度、彈性模量等參數(shù)不應(yīng)大面積出現(xiàn)負(fù)值。局部存在的不合理的計(jì)算結(jié)果，可通過(guò)關(guān)閉不合理界面來(lái)解決。

其次，不同接收器的處理結(jié)果，數(shù)值應(yīng)大致相當(dāng)，不宜出現(xiàn)太大差別，并且曲線的形態(tài)應(yīng)基本一致，趨勢(shì)相同。

需要說(shuō)明的時(shí)，在對(duì)結(jié)果進(jìn)行修飾性處理時(shí)，應(yīng)保持曲線原有形態(tài)，不宜隨意調(diào)整。不同通道的數(shù)據(jù)處理結(jié)果應(yīng)具有相似性，并不意味者曲線要完全一致，而是在數(shù)值相當(dāng)?shù)那闆r下，有相同的變化趨勢(shì)即可。盲目屏蔽反射界面，而強(qiáng)制使曲線形態(tài)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(jié)語(yǔ)

TSP資料處理是一項(xiàng)技術(shù)性較強(qiáng)的工作，成果質(zhì)量的優(yōu)劣，與技術(shù)人員的專業(yè)知識(shí)水平與經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)地質(zhì)背景的認(rèn)識(shí)程度都有著緊密聯(lián)系。處理某一個(gè)資料時(shí)，采用不同的參數(shù)處理，可能會(huì)得到不同的處理結(jié)果。此時(shí)，對(duì)成果的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，就成了一件極其重要的工作。

本文介紹的評(píng)估方法是筆者多年預(yù)報(bào)工作的經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，實(shí)踐表明，通過(guò)該方法對(duì)數(shù)據(jù)處理質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，甄別出較好的處理結(jié)果，可大大提高成果資料的可信度，取得良好的預(yù)報(bào)效果。不足之處在于，該方法對(duì)優(yōu)劣的判別依靠人的主觀意識(shí)，主觀性較強(qiáng)。能否提出量化手段，對(duì)成果資料進(jìn)行評(píng)估，仍有待進(jìn)一步研究。