关于TSP数据采集阶段装置及参数选取的探讨

６（）　铁道勘察　文章编号：Ｉ６７２　７４７９（２０ｌ７）０３　００６０—０４　关于ＴＳ　Ｐ数据采集阶段装置及参数选取的探讨　雷　凯　（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津３００３０８）　Ａ　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　Ｃ０ｎｌｆｉｇｕｒａｔｉ０ｎ　ａｎｄ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒ　Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ＴＳＰ　Ｄａｔａ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　Ｌｅｉ　Ｋａｉ　摘　要　高质量的ＴＳＰ原始数据是预报结果；隹确有效的基本保障　介绍　ＦＳＰ系统的工作原理，并　从炸药震源、触发方式、炮孔参数及接收装置四个方面探讨　Ｉ＇ＳＰ数据采集阶段各项装置及参数的选取　方法及要点　关键词ＴＳＰ系统原始数据数据采集　中图分类号：Ｐ６３１．４　文献标识码：Ｂ　设在隧道左右边墙（距炮孔一定距离）处的高灵敏度　｜ｒｓＰ隧道地震预报系统　一　是由瑞士Ａｍｂｅｒｇ测量　公州ｔ　２（）　纪９０年代初开发研制、用于隧道超前地　地震检波器接收并传至主机，形成地震波记录　其实　质即为地震负视速度法’　．　前方反射界面与ｌ．ｒ作　面平行时，所接收到的反射波（［｛１反射界面反射旧来　的信号）　ｊＡ达波（ｆ｝Ｉ震源直接传播剑检波器的信号）　在地震波形记录上呈负视速度火系，反射波延Ｋ线与　直达波延长线的交点即为反射　的位置，　当反射　质预报的地球物理勘探设备，该系统采用地震反射波　原理，能够有效探测出施工工作面前方围岩的地质情　况，』”以指导帮助隧道安全掘进　．目前，该预报系统已　广泛心川ｆ我　隧道工程领域　。　ＦＳｔ’超前地质预报可大致分为三个步骤：数据采　集、数据处　、数据解译。预报从业人员不仅应重视如　界面倾斜时，反射波时距曲线呈双曲线形状。　该系统适用于长距离的隧道施Ｉ　超前地质预报。　何　数抓处理阶段有效提取有用信号，剔除干扰信号，　啦　税如何在源头保障原始数据的高质量。原始数　据的质　接影响着ＴＳＰ最终成果资料的有效性和　准确悱，Ｉ『ｆｆ采集阶段各项装置及采集参数的选取是获　得岛质　｝原始数据的重要保证　ＴＳＰ系统接收器接收到的反射信弓’主要包括地震波波　速、振幅、相位、传播方向、延迟时问等，通过ＴＳＰ系统　的数据分析软件处理和预报技术人　的解洋后，即可　预报推断　工作面前方存在的不良地质体的性质和分　布形念。　１　工作原理　Ｐ系统的工作原理：在隧道工作面附近边墙一　定范…内伽设２（）～２４个炮孔，放置少量炸药于炮孑Ｌ中　川以激发地震波，产牛的地震波以球面波的形式在隧　若想确定反射界面的值　，就必须获得地震波的　传播速度　以及反射波的走时７１～地震波在Ｈ司岩中　传播的速度　通常是用直达波的波速来估算、即　＝　道　Ｉ｛Ｉ传播，当遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、　㈩　破碎带干¨　性变化）时，一部分地震信号被反射回来，　一其叶１，Ｙ　为震源０到检波器　的距离（炮榆距）；　为　达波到达检波器的时问（如　１）。　部分　继续向前传播，反射回来的地震信号被布　设震源沿隧道轴线方向剑反射界面的距离为　：，　收稿日期：２０１７　０２—２８　作者简介：　【　【（１９９０　）男，２０１５年毕、Ｉｋ于中南大学地球探测与信　反射界面与隧道轴线方向的火角为Ｏ／，震源到反射界　面的距离为　，！Ｊ！ｌＪ有　息技术　ｌ　，硕｝：．助　Ｉ＿　帅、　关　Ｉ’　数据采集阶段装置及参数选取的探讨：雷凯　６ｌ　＝Ｘ２ｓｉｎ　（２）　Ｏ与震源Ｏ卡甘对于反射界面呈轴埘称关系，称Ｏ　为虚拟震源，由震源Ｏ激发的地震波向前传播到反射　界面后反射回到检波器　所走的距离，町等同于虚拟　震源Ｏ与检波器　之问的距离。根据三角函数关　系有　Ｒ＝√（２Ｈｓｉｎａ＋Ｌ．）：＋（２ｔｈ，ＯＳＯＬ）　（３）　结合式（２）　０彳丁　＼／（２Ｌ２ｓｉｎ　＋，Ｊ１）！＋（２Ｌ２ｓｉｎａｃｏｓａ）　＝　（４）　Ｏ　Ｘ：　／　：０　、　２　数据采集　要获得高质最的ＴｓＰ数据，就必须从源头对数据　质量进行把控。ＴＳＰ数据采集阶段，其实质就是地震　波信号被激发和被接收的过程。激发过程中，炸药、雷　管、炮孔、触发厅式等都不同程度地影响着地震波信号　的质量；接收过程中，检波器、套管、传输电缆等也直接　影响着地震波信号质量。　２．１　炸药震源　ＴＳＰ数据采集过程中，炮孑Ｌ中所装炸药类型及药　量，直接决定了爆炸后所产生的有效能　和信号主频　区的位置。因此，震源宜选择爆速高、防水强、密度大　的炸药，炸药量应在探测前通过试验进行确定。炸药　药艟过小、所产牛的有效能量较小时　，激发的地震　波信号在传播过程中由于能量的衰减，以致最后接收　到的反射信号相当微弱，达　到理想的探测精度及探　测距离；其次，该微弱信号也不足以压制ｆ扰信号，不　利于有效信号的提取。炸药药量过大、所产生的能量　较大时，导致接收到的地震波信号过载、能量溢出和非　线性失真，也会使激发的地震波主频降低，从而影响探　测的精度。同时，炸药量也与炮点到检波器的距离有　关，炮检距较小时．成适当减小药量，防止接收到的地　震波信号过大而溢ｎ５，炮检距较大时，应适当增加药　量，以使激发的地震波信号满足探测要求　、在ＴＳＰ数　据采集中，接收到的地震波能量最低应不低于１【）（】　ｎ　、７，最高应不高于５　０００　ｍＶ．通常认为，地震波能址在　５００～１　０００　ｍＶ之间为最佳　通过数百次ＴＳＰ探测实　践总结，住围岩较硬、岩体较完整情况下，药量宜选择　５０～ｌ２０　ｇ，围岩较软、岩体较破碎情况下，药量　选择　８０～２００　ｇ　２．２　触发方式　地震波记录剖面上的信号如果存在爆破延时，会　造成接收到的直达波信号旱现出不规律的延时现象　（　２），以致直达波的同相轴呈非线性，使初至拾取　无规律可循，导致无法准确确定直达波波速，也无法通　过商达波波速准确推算后续反射波波速。要解决ｆ　述　问题，最有效的方法就是使用高质最的瞬发电雷管，保　证地震波在被激发的同时，检波器开始接收有效信号　并记录Ｆ来　但是，受火工品申清与管理等因素制约，　往往没有合适的高质量瞬发电雷管，而只能选用延期　电雷管，如不加改进的使．｝丰ｊ延期电雷管，会极大影响地　震波波速的计算，从而带来波速误差和预报距离误差，　并　围岩地震波波速越大，预报距离误差就越大　为　此，ｆ叮以考虑改进触发方式，即不使用ＴＳＰ传统的触　发方式，而选用断路触发（　３）。断路触发方式的　原　是．｝＿｝ｊ触发线将雷管与触发器连接，起爆器　ｌ：关按　下瞬间不触发主机进行记录，而是当雷管被引爆的同　时，触发线被炸断，从而触发主机开始记录地震波数　据　、通过断路触发，可以有效解决爆破延时和信号不　规则Ｍ题，保证地震波走时的一一致性和ＴＳＰ探测的　精度　、　偏移研ｉ，ｌｌ】　２０ｆ　Ｉ　ｌ｝Ｉ　４。ｌ｝　——　ｊ　Ｉ　一　一：｜　１　ｊ　翻　ｉ：　　－Ｉ　：－．　Ｉ　１　｝　●｛　　Ｉ：　Ｉ　■　：　．＿　Ｉ　：　●　ｒ｛　ｆ　■　：　●　ｐ　《　：　《　｛　＿　●　－｝ｉｂ　１　图２存在爆破延时的波形　６２　铁道勘察　圈－咂　二匠　咂亟　恒垂至　【ａ１　ＴＳＰ传统触发方式　雨＿砸　丽　—　（ｈ）断路触发方式　图３触发方式　２．３　炮孔参数　合适的炮孔参数是激发出高质量地震波信号的前　提。炮孑Ｌ参数主要包括炮孔的倾角、方位角、孔深、孔　高以及炮问距，其中炮孔倾角、孔深以及炮间距对地震　波数据的质量起重要影响。　炮孑Ｌ倾角宜为向下倾ｌ０。～ｌ５。，炸药置于孑Ｌ底后　需对其进行水封或泥封。炮孔角度向下能保证达到较　好的水封震源效果，水封震源的日的是为了压制爆炸　时产生的噪声＿下扰波一管波　（见图４），提高信噪　比。管波具有频率高、延续Ｈ￣Ｉ＇白］长等特点，在地震记录　剖面图上表现为尖而强的波形。管波波速低于地震有　效波波速，在记录削面图上会滞后于有效波出现，能够　较明显地分辨出来。　偏移距，ｍ　偏移距，ｎ　１：５　４０　　ｌＩ　　Ｉｌ　Ｉ　图４存在管波干扰的波形　存铁路、公路等地下工程中。围岩松动圈普遍存　在。围岩松动　是围岩应力高于围岩强度而在围岩中　形成的破坏　域，开挖隧道会导致地应力和围岩强度　的变化，　岩受力状态由ｉ向变成近似二向，从而使　岩强度明娃‘Ｆ降。为避免围岩松动圈带来的影响，应　尽量使震源在正常波速区激发，炮孔深度选择１．５　ｎｌ，　叮最大限度避免围岩松动圈的干扰　’　，且孑Ｌ身须平　直顺畅，以保证炸药能放置到位　、炮点埋于围岩之中，　可以有效削弱声波和面波的干扰．　炮问距的大小对后续地震资料的处理与解释同样　影响巨大，若炮问距过大，将导致反射信号的分辨率降　低，若炮间距过小，在道数不变的情况下，观测系统距　离不够，将使有效反射波段缩短，即探测距离缩短　同　时，当存在地震波人为读时误差时，炮问距也会对预报　误差产生影响，若最大人为读时误差达到０．３　ｒｎｓ，围岩　真实波速为　，受渎时误差影响后的围岩计算波速为　，则预报的相对误差６为　＝　×１００％　（６）　图５为不同炮间距下预报相对误差对比，从　５中可以看出，当炮间距一定时，围岩地震波波速越　小，预报误差也越小，ｌ｝４岩地震波波速一定时，炮问距　越大，预报误差越小。因此，当围岩波速较小，即其为　较软岩时，炮间距宜选为１～１．５　ｎ　，当同岩波速较大，　即其为较硬岩时，炮间距宜选为１．５～２　Ｉｎ。　ｖ＝８Ｉ）００ｍ／ｓ　’，＝６（）（）ｆ】　１ｌ　、，＝４　０００　ｌ１ｔ／ｓ　地ｌｌｈＪ￣－［ｉ／ｍ　图５不同炮间距下预报相对误差对比　（ａ）耦合效果好　（ｈ）辋合效果不ｆ｛　图６原始数据　２．４接收装置　ＴＳＰ的接收装置包括检波器、传输电缆及套管　检波器是一个极度灵敏的三分量地震加速度传感器，　关于ＴＳＰ数据采集阶段装置及参数选取的探讨：雷凯　６３　频宽为１０～５　０００　Ｈｚ，包含了预报探测所需的动态范　作实践总结，偏移距选为１６～２０　ｍ时可满足探测　要求。　围，能接收弹性波的振动信号并将其转换为电信号。　该检波器为三分量传感器，可以保证全波场的数据记　录，可以很好地将不同的地震波波形分离为压缩波　（纵波）和剪切波（横波）。同时，相互问按标准排列的　３　结束语　（１）震源宜选择爆速高、防水强、密度大的炸药，　炸药量应在探测前通过试验进行确定。一般情况下，　围岩较硬、较完整时，炸药量可选择为５０～１２０　ｇ，围岩　较软、较破碎时，炸药量可选择为８０—２００　ｇ。　三个分量记录，能够计算出地震波的入射方向；传输电　缆则是将转换后的电信号传输到记录单元上。值得注　意的是，传输电缆通常缠绕在线圈上，若在ＴＳＰ探测　时电缆仍缠绕起来，由于线圈的感抗作用会产生较大　的阻抗，而记录单元所记录的正是通过Ａ／Ｄ转换而来　（２）起爆雷管宜选用高质量的瞬发电雷管；当没　有瞬发电雷管时，断路触发方式可以有效解决爆破延　的电信号，该阻抗信号会使有效电信号发生变化，从而　导致最后记录的地震波信号中因混入干扰信号而影响　数据的解释。所以数据采集时应将电缆线放开，避免　产生过大的阻抗电压；套管是为了保护检波器且不　时和地震波信号不规则的问题，断路触发器值得进一　步被推广使用。　（３）为提高原始数据质量，减小预报误差，炮孔倾　角宜为向下倾１０。～ｌ５。，孑Ｌ深宜为１．５　ｍ。围岩为较　软岩时炮间距宜选为１～１．５　ｍ，围岩为较硬岩时炮间　距宜选为１．５～２　ｍ。　降低其接收信号质量而设置的，接收器套管与围岩　的耦合程度直接关系到能否采集到高质量的数据　（见图６）。安装套管前，应将接收器孔内的残渣、积　水等清理干净，安装过程中，须保证套管与周围介质　（４）接收器套管应尽可能与围岩耦合，为防止产　生阻抗干扰，数据采集时应将传输电缆展开。　紧密接触，力求套管全部进入岩体，同时尽量采用环　氧树脂进行耦合，这样做的目的是尽可能减小套管　的不正常震颤，降低有效波能量在套管周围界面上　的能量损失。　（５）为保证接收器套管与围岩耦合最佳，接收器　孔倾角宜为上倾ｌ０。～１５。，孑Ｌ深宜为２　ｍ，为更好保　证预报长度和预报精确度，偏移距可选为１６～２０　ｍ。　参大学出版社．２００６　考文献　２．５接收器孔　与炮孔一样，接收器孔的相关参数主要包括接收　［１］何发亮，李苍松，陈成宗．隧道地质超前预报［Ｍ］．成都：西南交通　［２］　赵永贵，刘浩，孙字，等．隧道地质超前预报研究进展［Ｊ］．地球物　理学进展，２００３，１８（３）：４６０—４６４　器孔的倾角、方位角、孑Ｌ深、孑Ｌ高以及偏移距（接收器　点与最近炮点之间的距离），而影响地震波数据质量　好坏的参数主要为倾角、孔深、偏移距。　接收器孔倾角宜为向上倾１０。～１５。，其目的是防　止接收器孑Ｌ内积水、积渣，孔内积水、积渣会影响到套　管与围岩的耦合程度；孑Ｌ深宜为２　ｍ，接收器孑Ｌ过浅，　会使接收器无法全部进入围岩中（接收器长２　ｍ），导　［３］　侯伟，杨正华．负视速度超前预报倾斜界面位置确定［Ｊ］．物探与　化探．２０１５，３９（５）：１０８９—１０９３　［４］高炳魁，朱自强．ＴＳＰ地质超前预报在浅埋隧道中的应用［Ｊ］．西　部探矿工程，２００８．２０（１）：１３９—１４１　［５］　肖书安，吴世林．复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术［Ｊ］．　工程地球物理学报，２００４，１（２）：１５９—１６５　［６］　舒森．如何提高ＴＳＰ２０３系统在应用中的准确性［Ｊ］．物探与化探，　２０１　Ｉ，３５（５）：７ｌ０—７ｌ４　致套管在激发时产生不必要的震颤；接收器孔过深，超　出接收器长度，同样不利于套管的安装，导致其无法与　围岩达到最佳耦合。　偏移距与预报距离和预报精度有关。偏移距较　大，管波的到达时间也会随之增长，即地震波记录剖面　图上受管波影响的有效波长度将会增加，增大了预报　［７］　朱海龙．影响ＴＳＰ２０３隧道超前地质预报系统探测准确度的因素　研究［Ｊ］．工程地球物理学报，２０１６，１３（１）：８２—８７　［８］　李兆龙．影响ＴＳＰ２０３探测结果的若干问题探讨［Ｊ］．物探与化探，　２０１５，３９（５）：１０８５一１０８８　［９］　林义，刘争平．王朝令．围岩松动圈对ＴＳＰ预报的影响研究［Ｊ］．地　球物理学进展，２０１５，３０（２）：９１２—９１９　距离；偏移距若太小，也会造成纵波、横波到达时间相　差太小无法分辨，影响到后续计算的精确度。另外，偏　移距也不宜过大，过大意味着观测系统过长。通过工　［１Ｏ］林义．刘争平，王朝令，等．ＴＳＰ断层模型数值模拟［Ｊ］．吉林大学　学报：地球科学版，２０１５，４５（６）：１８７０—１８７８　（１　１］ＴＢ１００１２—２００７铁路工程地质勘察规范『Ｓ］