浅析TSP超前地质预报误差原因及减小误差方法

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【摘 要】本文主要阐述了tsp超前地质预报误差产生的原因和减小误差的方法，目的在于提高TSP超前地质预报水平和预报的准确性。

【关键词】TSP超前地质预报；误差；原因； 减小；方法

1 概述

1.1 地质超前预报应用背景

随着地下建筑市场的发展和施工技术的进步，长、大隧道建设已成为缩短时空距离的首选，并呈不断增长的趋势。因地质条件的复杂性而造成隧道工程的艰巨性，施工过程的风险大大增加；部分隧道因设计勘查不到位、地质复杂而使正常施工受阻。

以上情况使得人们越来越重视地质超前预报工作，也促进了地质超前预报的系统化应用和发展。

1.2 TSP超前地质预报系统简介

地质超前预报的方法主要有隧道地震超前预报系统（TSP）、水平声波剖面（HSP）法、陆地声纳法、探地雷达（GPR）法、超前钻孔法和超前平导法几种 。

在各种地质超前预报方法中，TSP超前地质预报系统以其使用相对简单、预报距离长、准确性好而受到人们广泛的认可和普及，成为有效的探测方法之一。

原理：TSP系统做为物探方法的一种，其基本原理就是利用地震波的反射原理。

应用：该系统由瑞士安伯格公司(Amberg Technologies AG.)开发研制，自1994年进入地下工程建筑市场，在意大利、法国等多个国家得到应用。1996年进入国内市场，在公路、铁路隧道施工中得到较为广泛的应用，其效果得到较高程度的认可。

优点：使用相对简单、预报距离长、准确性好。预报范围大（掌子面前方100～150米 范围效果最佳）；数据采集耗时少、对施工过程无障碍（一切工作都在掌子面后的毛洞中进行，除采集数据时为降低环境噪声需暂停施工半小时左右外，其他工 作可以和掘进工作同时进行）；无需利用开挖面,操作简单；分辨率高,可靠度高等优点。能准确确定断层、弱岩带、岩溶、含水层等地质 体性质及空间位置，并可获得地层变化的二维和三维图像。

缺点：和其他超前地质预报方法一样，受到环境、操作和数据分析等原因影响，预报结果有一定的误差。

2 预报误差原因分析

2.1 原始数据误差

正确、良好的原始数据是得到正确结果的坚实基础，这是基本操作的关键之一，也会使得后续的软件处理变得简单、容易。

原始数据误差主要有：（1）信号质量差；（2）炮孔测量不准确。

2.1.1 信号质量差

（1）炸药量过大或太小，造成信号超幅或太弱；

（2）洞内施工机械噪音过大，造成干扰信号太强；

（3）隧道本身噪音过大（如大量涌水时），造成干扰信号太强；

（4）电雷管存放时间长、受潮或本身制造因素，造成不同炮点爆破延时不一致。多数炮不同程度延时，像这样的信号，处理是困难的，预报结果的准确性也是大大折扣的。

（5）装药深度过浅或炸药掉入初期支护与围岩之间的空洞，产生大量无用的面波，且无法滤掉；

（6）炮眼封堵不好，能量消耗在产生大量的干扰信号上，且有用信号微弱。

2.1.2 炮孔测量不准确

炮孔测量不准确主要是指炮孔深度、方位角、角度、高度及其间距测量不准确，其原因是没有认真测量或没有测量。

从理论上讲，我们需要确定爆破点真正位置，即装药深度而非炮眼深度，两者在装药到位时是一致的，在装药不到位时是不同的 。

炮孔测量不准确对预报结果的影响：

（1）直接影响到软件处理结果推测的每一不良地质界面位置的准确与否。从测量原理上，后视距离（即炮孔到传感器的距离）本来就短，再加上炮孔参数测量的较大误差，势必造成前视距离（即软件计算的不良地质界面位置）的更大误差；

（2）软件处理本来就是24炮数据的回归处理，如果大量炮孔的数据失真，回归结果（即推测的不良地质界面位置）必然是不正确的。

2.2 软件处理不当

软件处理过程的参数选择不恰当,其主要参数原因是：

2.2.1 数据长度选取过短或太长。数据长度是指从接收点算起所需要的最大探测范围。过短造成数据量不够，太长造成无用、干扰信号也大量进入软件处理，同时造成处理时间延长。

2.2.2 初始噪音信号的消除（零切除）不合理。如较大数值的零切除，虽然使初始噪音信号全部充零，但会对后续的数据处理造成较大不利影响。

2.2.3 带通滤波参数设置不恰当，会对后续处理和最终结果造成很大影响。

2.2.4 在信号质量不高时初至拾取困难，此时易产生定位困难或错误，从而导致最终结论的不准确或错误。

2.2.5 道切除的不合理，对最终结果有较大影响

2.3 现场地质了解不足

隧道整体和现场（掌子面）地质情况了解、观察不够，此方法本身就是以掌子面地质情况为参考面，推测判断前方地质情况的相对好坏、含水等情况。因此对隧道整体和现场（掌子面）地质情况了解、观察很重要。

2.4 结果判释错误

由于地质知识、规律掌握较少或缺乏，造成对处理结果的判释错误。

2.5 仪器模型设计和系统误差（暂不分析考虑）

3 减小（避免）误差的方法

3.1原始数据的准确收集

3.1.1 提高信号质量

（1）根据隧道围岩的坚硬程度等情况，确定合适的炸药量。一般情况下，围岩坚硬、完整（如灰岩），用量在40～70g；围岩较软、破碎或松散（如泥岩、全风化花岗岩等），用量在80～200g；靠近掌子面，用量宜稍大；靠近传感器，用量宜稍小。其用量也与检波器到传感器的距离有很大关系。没有经验时最好试一炮。

（2）开始放炮时，附近施工机械暂时停工。

（3）隧道本身噪音过大时，适当加大炸药用量，以压制其信号。

（4）使用合格的雷管。

（5）采用PVC管护孔等办法，保证装药深度和不掉入初期支护与围岩之间的空洞。

（6）当用水封堵炮眼困难时（如炮眼倾角向上或近于水平），可用炮泥或浸泡的锚固剂封堵到底。

3.1.2 提高炮孔量测质量：主要是认真测量和记录检波器孔、炮孔的空间位置、距离等数据。

3.2 进行合理的软件处理

3.2.1 数据长度：数据长度是从接收点算起所需要的最大探测范围，按以下经验公式计算：数据长度＝(探测范围×2×2.5)÷Vp

此公式中Vp表示纵波的平均速度，2表示往返传播时间，2.5则表示考虑速度变化和横波较慢的安全因数。

相对准确的 Vp值可以通过以下步骤取得：

（1）先假定一数据长度（如250毫秒），运行TSPwin软件至第三步：初至拾取,进行必要的简单处理，即可得到。

（2）有了相对准确的 Vp值、自己确定的探测距离，用上式即可计算出合适的数据长度。

（3）然后置换先前的假定数据长度，重新开始软件处理。

3.2.2 零切除：选择存在的类似地震信号的尖脉冲值充零即可，剩余的一小部分噪音信号对后续处理影响较小。

3.2.3 带通滤波：这一步是跟据信号频率将信号加以约束，使有用的信号从噪声中分离出来。如果原始信号质量好，采用软件自身计算值即可得到较好效果；如果原始信号质量差，则应进行调整，这需要掌握较多的物探知识。

3.2.4 初至拾取：在信号质量不高时，需要人工手动拾取。不好把握时，可多处理几次，选择合理的最终结果。

3.2.5 道切除：采用不同的道切除，多处理几次，选择合理的最终结果。

3.3 加强对隧道整体了解

加强对隧道整体（检波器至掌子面的边墙、拱部）和现场（掌子面）地质情况（地层岩性、产状、完整性、节理、构造、地下水等）的详细了解、观察、记录，找出特征。最终二维处理结果中已开挖段符合现场实际情况时，其预报地段的推测结果应该是合理、正确的。

3.4 加强地质知识的学习

加强地质知识的学习与补充，才能对软件的处理结果作出正确判断，并作出合理的解释，进而作出正确的预报。

3.5 跟踪、验证预报结果

跟踪、验证预报结果，根据实际情况对数据进行重新处理，积累经验，分析原因，提高数据处理能力和预报的准确性。

4 结束语

总体来说，TSP超前地质预报结果的准确性较高，且预报距离较长（掌子面前方100～150m效果最好），能够较好地弥补勘查设计的不足和满足施工的需要。

通过多次使用和经验认为，只要按照本文所讲的有关要求进行操作，善于分析原因，采取相应措施，就能充分发挥仪器的性能，有效地提高预报结果的准确性。

参考文献:

[1]肖书安.瑞士隧道工程中的地质超前预报测量[C].中瑞公路隧道技术交流文集,2001

[2]刘志刚、赵勇编著.隧道隧道施工地质技术[M].北京:中国铁道出版社,2001