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1、 TST隧道地质超前预报技术指南蒋 辉北京同度工程物探技术有限公司 2009年8月TST隧道地质超前预报技术指南目录 1隧道地质超前预报理论基础31.1 隧道地质超前预报目标与要求31.2 隧道围岩中的三维波场31.3超前预报技术的关键技术问题51.4国内外超前预报技术现状与缺陷52TST技术的原理与特点82.1 TST的观测系统设计82.2 TST的三维波场分离技术92.3 TST的围岩波速分析技术92.4 运用散射理论提高超前预报的分辨率102.5 TST 偏移成像技术113TST技术的硬件配置与技术参数123.1TST地震记录器与技术指标123.2TST检波器与技术特点133.3信号分离
2、器及其作用133.4信号电缆144TST硬件操作要点144.1仪器连接154.2地震仪操作154.3数据采集与参数设置164.4采集与保存数据174.5仪器工作状态检验与现场标定175TST现场数据采集185.1炮点与检波器的观测布置185.2检波器的安装195.3炮点的安装205.4爆炸机与触发线的连接215.5现场测量与记录225.6现场安全注意事项226TST资料处理流程236.1TST资料处理流程236.2资料预处理246.3观测几何参数编辑与数据输入256.4围岩波速分析扫描与波速结构求取266.5偏移成像与图像色标设置286.6偏移图像与速度图像输出287TST超前预报地质解释28
3、7.1超前预报地质解释原理287.2断裂构造的判别与预报287.3含水性的判别与预报287.4岩溶的判别与预报287.5超前预报地质解释剖面288故障的诊断与排除288.1硬件故障的诊断与排除288.2软件的故障诊断与排除289结语28 1 隧道地质超前预报理论基础 隧道地质超前预报是利用地震回波预报掌子面前方的地质情况的一项专门技术。在隧道内有限的空间内观测，记录的是从不同方向的三维回波，从中提取前方回波，滤除各种干扰，可靠地确定前方围岩的波速和地质结构特征，需要有特定的技术和理论依据。在深入了解TST的预报原理和各种专业操作之前，有必要对超前预报的技术背景做清晰的了解。1.1 隧道地质超前
4、预报的目标与要求地质超前预报技术用于隧道灾害性地质对象和基本地质要素的预报。灾害性地质对象包括：断裂构造、含水体、溶洞、含瓦斯构造、岩爆地段；基本地质要素包括： 地层岩性、工程类别、力学性状变化；隧道工程施工对超前预报的精度和分辨能力提出了客观要求，预报技术应尽量满足这些要求。 预报尺度与精度要求：位置的定位精度误差小于10%, 构造规模尺度误差小于10% ,分辨尺度1m。. 超前预报技术必须围绕工程需求改进技术指标。1.2 隧道围岩中的三维波场隧道地震观测是布置在隧道内，震源发出的地震波在围岩中向四面八方传播，并且在隧道表面激发面波和声波。地震仪观测到的是三维回波，地震回波的方向、路径、震相
5、复杂，其复杂性表现在下列三个方面。1） 隧道内观测的地震回波来至各个方向，前后、上下、左右，记录到一起，从单点记录上不易区分。其中来至上方地表的回波最强。超前预报需要的是前方回波，其它方向的回波都是干扰波，应于滤除； 2）隧道内接收的地震波类型多样，有直达波、反射波、纵波、横波，以及纵横波的转换波，特别是隧道表面附近由声波、横波激发形成的面波，透入围岩深度1-2个波长，相当强烈，是主要的干扰波；3）检波器每个分量的记录都是三维波场在这一方向上的振动，包含着不同路径、不同类型的波。X、Y、Z每分量的记录都是由三部分组成的，第一部分是平行方向传播的纵波，第二、三部分是垂直方向传播的横波，三部分叠加
6、到一起，靠单道记录难于识别。各分量地震记录如下： 式中第一个下标代表振动方向，第二下标代表传播方向，第三下标p、s代表纵横波类型。公式中第1项表示平行检波器方向振动的纵波分量，第2、3项表示与检波器垂直方向的横波振动，超前预报需要的是其中从前方的回波，前方回波的纵波在平行隧道轴方向的检波器上记录中，前方回波的横波分别在垂直隧道轴向的两个检波器中，用下式表示： 图1a 隧道内地震观测接收的各方向回波示意 图1b 地震接收纵横波示意图下图表示在垂直隧道和平行隧道截面内的地震波场，从中可以看到直达P波、S波、反射的P波和S波、转换的P、S波、表面波、声波的传播规律。 图2a 纵剖面内的地震波场 图2
7、b 隧道横截面中的波场1.3超前预报技术的关键技术问题 目前国内外应用的隧道地质超前预报方法有陆地声纳、负视速度法、HSP水平剖面方法、TSP203、TGP206、TRT、TST等，都属于地震法超前预报技术，以地震反射或散射理论为基础，通过隧道内的地震观测反演掌子面前方的地质情况。要达到准确、可靠预报的目标，必须有科学的观测方案、可靠的资料处理方法、有效的反演方法和合理的技术流程，这些就构成了超前预报的技术核心，也称超前预报的理论问题。这些核心问题中最关键的是如何区分不同方向的回波，分离出前方回波，和如何可靠地确定前方围岩速度分布，准确确定地质界面位置两个问题。这些理论问题可归纳为如下5个要点
8、： 1）科学地设计观测方案，使记录资料满足掌子面前方围岩速度分析、波场分离与滤除侧向干扰波和尽量减少面波干扰的要求； 2）建立科学有效的地震三维波场分析与分离方法，滤除侧向回波与面波干扰，保证纵横波分离科学可靠； 3）建立有效的围岩波速分析方法，使围岩速度分布、地质构造的位置和规模的预报误差小于10%； 4）采用先进的地震成像技术，充分运用地震波的运动学和动力学信息； 5）运用地震散射理论，提高偏移成像与速度分析分辨率，减少斜交构造和孤立体漏报的概率；这5个基本理论问题是超前预报技术的科学基础，是地震法超前预报技术的关键组成部分。这些科学问题的解决应遵循如下的技术流程：首先进行合理的观测方案设
9、计，保证资料满足方向滤波和速度分析处理技术的要求；对观测资料进行预处理，包括带通滤波、剔除噪音；接下来最重要的步骤是进行三维波场分离，滤除侧向波和面波，保留前方回波；然后进行纵横波分离，确保纵横波是来至前方的回波；接下来是进行围岩速度扫描分析，确定围岩的速度分布；最后是在围岩波速的基础上进行地质构造的偏移成像。这样的流程可保证地质超前预报结果的真实、准确、可靠。早期开发的超前预报技术缺乏理论指导，普遍存在的技术缺陷是未考虑波场分离和波速分析问题，TST技术是在深入研究这5项理论问题的基础上开发的，率先解决了波场分离和速度分析问题，处于国际领先地位。1.4国内外超前预报技术现状与存在的缺陷国内外
10、的隧道超前预报技术的开发与应用仅有十余年的历史，是一个正在发展着的技术，特别是早期开发的技术缺乏理论指导，很不成熟。目前实验和应用的有陆地声纳、负视速度法、SHP水平剖面法、TSP203、TGP206、TRT、TST等技术。这些技术开发的时间和背景不同，良莠不齐。普遍存在技术缺陷有两方面，一个是未考虑隧道内记录的三维波场复杂性和进行分离的问题以及不能准确确定围岩波速的分布问题。这两方面的技术缺陷导致虚报、误报和预报位置不可靠的问题，增加了超前预报的风险。TST技术是以前述三维波场分析为基础，成功地解决了观测方案设计、三维波场分离、围岩波速分析等核心技术难题，发展了超前预报理论与技术。现就国内外
11、的超前预报技术进行客观的分析与评价，目的是促进超前预报技术的发展与完善。1）陆地声纳法陆地声纳法是上世纪90年代初提出的，观测方式非常简单，在隧道表面依次敲击，将记录并排在一起，称零偏移距数据。该数据面波干扰严重，不能分析波速，不能分辨波的方向，同相轴不清楚，反应深度有限，难于分析，缺乏可靠科学依据，没有应用价值，是一种非专业方法。 陆地声纳记录与解释2）负视速度法该方法的观测是垂直剖面法，在隧道侧壁打孔布置检波器和炮点，检波器和炮点在一条平行隧道轴线的直线上，利用直达波估计岩体波速，利用反射波走时曲线与直达波走时曲线的交点推测前方反射界面的位置。仅适合简单的地质条件、规模较大的地质体的预报，
12、对于构造复杂地质条件难于应用。该方法不能确定掌子面前方围岩的波速，不能区分回波的不同路径，也不能运用波的动力学信息，属于初级预报技术。 负视速度法观测与解释原理 3） HSP 水平剖面方法水平地震剖面法（HSP）的激发点和接收点布置在隧道两侧。在隧道的一个侧壁上规则设置检波点，另一侧壁上规则布置炮点，根据接收到的反射信号，确定前方不良地质体的位置。资料处理是对记录进行抽道，按等时程原则进行重排，利用重拍后记录的线性同相轴，确定反射界面的位置。该方法有一定的直观性，能确定主要反射界面。水平剖面法观测系统的横向展布较大，可进行速度分析，但是等时程资料处理方法本身不能分析速度，无法精确地确度定断层的
13、位置。在西南铁路系统中有一定应用，在台湾和日本也有一些应用实例。该方法难于区分波的不同路径和滤除干扰波，难于确定围岩波速，也不能运用波的动力学信息。 水平剖面法观测与解释原理4） TSP203超前预报技术 TSP203超前预报方法（Tunnel Seismic Prediction）是由瑞士Amberg测量技术公司上世纪90年代初开发的用于隧道超前预报的技术。该方法90年代末引入中国，有TSP202、TSP203等型号，铁路系统引进数量较大，我国成为TSP的最大用户。TSP的观测是垂直剖面法，一个三分量检波器埋入隧道侧壁岩体中1-1.5m，炮点与检波器同侧，观测方式与负视速度法基本相同。该技术
14、采用深度偏移成像方法，软件名称为TSPWIN，有11个自动处理步骤。随着近年来在中国的应用，发现TSP存在很多技术缺陷，主要问题是缺乏科学理论指导，不能准确地确定围岩波速，不能准确确定断层位置，不能进行三维波场分离，消除侧向干扰波，纵横波分离不科学，不真实，偏移成像的位置不准，包含虚假成分。TSP技术缺乏严谨的物理基础，臆造性较大，造成严重误导，预报结果与真实地质情况相差较大，造成了很多漏报、误报和工程事故，需要进行技术改造。 TSP的观测方式和预报结果 5） TGP206超前预报技术TGP206技术是模仿TSP203 技术开发的，观测方式与处理软件与TSP203基本相同，采用垂直剖面观测方式
15、，在耦合方式和触发方式方面做了一些改动。与TSP类似使用的是横向零偏移道集，不能准确地确定围岩波速，不能准确确定断层位置；缺乏三维波场识别与滤除侧向波功能；在未消除干扰波的情况下进行纵横波分离，预报图像不真实，位置不准确。下图是TGP206在青岛仰口隧道的预报结果，左右壁观测得到的XYZ分量，做了6幅预报图像。这6幅图像预报的是同一段地质情况，结果的应该一致，然而这6幅图像却各不相同，无法知道那一幅图像是真实可信的。它们之间的巨大差异可能正反映了波速分析不准和侧向回波和面波干扰严重的结果。 青岛仰口隧道左右侧观测、纵横波预报各不相同 6） TRT和TRT6000隧道超前预报技术TRT技术的全称
16、是True Reflection Tomography ，意为“真正的反射层析成像”，是由美国NSA工程公司在上世纪末本世纪初开发的，在欧洲、亚洲开始应用。TRT技术的观测方式是空间布置，资料处理方法上采用地震偏移概率成像。TRT的主要核心技术是认为反射面是在以炮点和接收点为焦点，以记录走时与速度的乘积为路径长度的椭球面上，根据椭球面的叠加强度确定反射界面，是一种概率成像方法，预报图像是一个个椭圆面。TRT缺乏围岩波速分析功能，偏移成像中需要的围岩波速需要人为假定，很难符合客观实际，预报位置不可靠。此外，TRT技术也未考虑三维波场分离和方向滤波问题，上下、左右方向的回波都被椭圆到前方，偏移图像
17、中包含很多虚假成分，可靠性存在问题。 TRT观测布置与预报偏移成像结果7） 国内外超前预报技术比较根据超前预报技术的5项科学问题，对国内外现有的超前预报技术优点和缺陷做出客观评价。评价结果列于下表。陆地声纳法缺乏技术含量，属于非专业化技术，没有应用价值；负视速度法、水平剖面法资料处理以走时分析为主，对波速分析、波场识别等方面没有技术应对，技术缺陷较多，为初级技术；TSP203 、 TGP206的资料处理采用偏移成像技术，运用了运动学和动力学信息，是其优点；但采用垂直剖面观测方式不能准确确定围岩波速，不能进行波场分离和滤除侧向波和面波干扰，纵横波分离不真实等问题，导致偏移图像位置不真实、包含虚假
18、成分等技术缺陷，属于中等技术。TRT技术采用三维观测系统，围岩波速分析准确，但是没有三维波场分析和滤除侧向波、面波的功能，偏移图像包含太多的虚假成分，应用中误报几率较大，存在一定的风险，也只能属于中级；TST满足5项科学要求，从理论的严谨性、预报的准确性、可靠性等方面都是目前最好的，属于高级技术，应该大力推广应用。下边的列表汇总了评价结果。技术名称观测方式波场分离 速度分析 资料处理理论基础评价等级陆地声纳表面敲击无 无看图解释零偏移距非专业级负视速度法垂直剖面 无 无 VSP法反射理论 初级SHP水平剖面法阵列式 无 无走时同相轴反射理论 初级TSP203 垂直剖面 无 零偏移距/不准确 偏
19、移成像反射理论中级TGP206 垂直剖面 无零偏移距/不准确 偏移成像反射理论中级TRT 阵列式 无 无 偏移成像 反射理论 中级TST 阵列式 F-K方向滤波 不同偏移距/准确偏移成像散射理论高级2 TST技术的原理与特点TST技术在深入地研究地下三维波场特征的基础上，从观测方案、三维波场分离、围岩波速分析、散射波场原理、偏移成像等方面进行了理论研究与软件技术开发，成功地解决了超前预报的5项基本理论技术问题，成就了国际领先水平。2.1 TST的观测系统设计 观测系统设计是保证超前预报可靠性的第一个重要的环节，观测系统的设计原则是要满足波速分析、方向滤波和减少面波干扰三项要求。（1）为满足掌子
20、面前方围岩波速分析的要求，观测系统必须有垂直隧道轴向的横向偏移距。为满足工程对超前预报误差小于10%的要求，横向最大偏移距必须大于预报长度的1/10。 （2）为满足三维波场分离和有效滤除侧向回波要求，隧道内地震观测系统的纵向排列长度必须大于2-3个波长，即大于40-60m，检波器间距应小于1/4波长，即小于4-5m。（3）为减少隧道表面面波的干扰，检波器和震源都应埋入围岩中，深度超过2m以上。按上述要求，TST的观测方式布置成二维阵列方式，检波器和炮点布置在一个平面内，纵向长40-60m，横向宽15-20m，分布成阵列，具有不同的横向偏移距，在满足速度分析和波场分离两项要求的前提下最为简捷。
21、TST 二维阵列观测方式2.2 TST的三维波场分离技术隧道内地震回波来至四面八方，地震波类型复杂，每一个方向的记录都包含着不同路径的纵横波信号。因此，资料处理中首要的任务是进行波场分离，滤除面波、侧向波等各种干扰波，仅保留前方的回波。经过波场分离后才能对前方回波进行纵横波分离和偏移成像。为进行三维波场分离，除了观测方案上的保证之外，需要有效的数学方法。TST技术在地震资料处理中用于F-K变换、T-P变换、Radon变换等技术进行波场分离和方向滤波。在隧道内观测的条件下，采用以线性波场分离为主的F-K或T-P变换方法更适合超前预报的特点，进行波场识别与分离的效果更好。波场分离的原理是依据不同方
22、向、不同类型的地震波的视速度不同，面波视速度最小，侧向回波视速度大，两者与前方回波的视速度容易区分。方向滤波的原理和效果如下图所示。 三维波场F-K方向滤波示意图目前国内外的超前预报技术中除了TST技术采用F-K变换进行波场分离和方向滤波外，其它的技术如TSP203、TGP206、TRT等都未进行波场分离和方向滤波，未滤除侧向波和面波，不可避免地在纵横波中包含侧向波干扰，预报图像中包含虚假成分，造成误报，这是普遍存在的较严重的技术缺陷。2.3 TST的围岩波速分析技术掌子面前方围岩波速的准确确定是十分最要的，这不但关系到对围岩工程类别的判断，更重要的是直接影响到偏移成像地质对象的准确定位，在进
23、行偏移成像之前必须准确地确定围岩波速分布。围岩波速分析首先需要有不同偏移距的观测数据，其次是必须有有效的数学方法。围岩波速的确定必须有不同横向偏移距的数据，这点很重要，可以从走时方程得到理解。隧道内地震反射波的走时方程如下：式中t表示观测的反射波走时， t0表示掌子面到前方断层的最小往返走时，(Zi,Xi)、(Zj,Xj)、（Zf,0）分别为炮点、接收点和断层的坐标。坐标原点取在掌子面中心，前方为正。式中包含3个未知量，隧道开挖段围岩的波速V1、掌子面前方围岩波速V2和最小走时t0。当不同偏移距的走时记录数据达到或超过3条时，就可以由上式组成的方程组确定出V1、V2和t0。再由t0和V2确定断
24、层位置Zf。对于负视速度法、TSP203、TGP206等超前预报技术，观测方式无横向偏移，获得的是零偏移距数据， 此时X=0, 反射走时方程变为：两个方程，包含V1、V2和t0三个未知量。由观测数据仅可确定开挖段的围岩波速V1和断层反射的最短走时t0；而t0中包含断层位置Zf和前方围岩波速V2两个变量，由一个方程无法确地，只能指定一个计算另一个，通常是指定速度计算断层位置，这就是垂直剖面法观测的缺陷。为确定围岩波速，除了使用横向偏移距数据外，还必须建立可靠地速度分析方法。TST技术使用偏移叠加能量最大化原理进行速度分布自动扫描，确定最优偏移速度。利用偏移叠加能量最大化进行速度扫描分析的数学方法
25、为： 式中AI为区内单元叠加幅值。TSP203、TGP206因为使用的是零偏移距数据，速度扫描中不存在最优速度，无法确定速度分布，只能靠直达波和经验判定，缺乏客观性，预报位置不准确。陆地声纳、负视速度法、SHP水平剖面法等都没有速度分析功能。 叠加能量最大原理速度扫描分析 2.4 运用散射理论提高超前预报的分辨率目前的超前预报中应用的理论主要为反射理论，如TSP203、TGP206、TRT等，仅TST技术使用散射理论。反射理论明显不适合于隧道超前预报，散射理论比反射理论具有更高的分辨率，减少斜交构造和孤立体的漏报几率。首先反射理论要求反射面尺度远大于波长，实际应用的波长一般是20-30m，地质
26、界面的尺度一般小于或近乎波长；其次，反射理论约定反射角等于入射角，按反射理论对斜交断层在掌子面就接收不到反射波，必然会漏报。实际上在超前预报中应该采用散射理论，当界面尺度与波长相当时(D)使用米散射理论，在界面尺度远小于波长时(D)使用瑞利散射理论。散射理论中散射波是方向分布，在很广的范围内都可以收到，不会漏掉斜交构造和孤立体。散射理论具有普遍性，反射理论仅是散射面无穷大时的一种特殊情况，散射理论具有更高的分辨率。反射与散射理论对于地震记录的理解是截然不同的。反射理论认为地震记录是发射点与接收点中间剖面的反射，而散射理论认为地震记录是发射点与接收点间椭球面内所有散射信号的等时程的叠加； 散射理
27、论与反射理论的资料处理方法是不同的，没有CDP的概念，而以射线为基本单元，用叠加能量最大化原理确定扫描速度，以偏移成像作为主要处理方法。 地震反射理论与散射论的差异示意图2.5 TST 偏移成像技术偏移成像技术是先进的地震资料处理技术，可以充分利用地震资料的运动学和动力学信息。运动学信息即地震回波的走时，用于确定围岩速度和断层的位置；动力学信息是地震波的震幅和极性。用于确定围岩波阻抗变化，提供界面两侧围岩力学性状变化的信息。目前的超前预报技术中TSP203、TRT、TGP206、TST等技术都使用偏移成像技术，而早期开发的陆地声纳、负视速度法、HSP水平剖面法等技术还仅停留在走时计算解释上，仅
28、运用了地震波的运动学信息，资料处理中根据走时同相轴预报断层位置，技术比较落后。应该引起注意的是偏移成像技术需要提供准确的速度分布和真实的回波资料，才能保证偏移成像位置的可靠性，像TSP203、TRT、TGP206等技术不能提供准确的速度，无法保证地质界面位置的准确定位。如果偏移成像之前不能正确地进行波场分离，不能滤除干扰波，则偏移图像中不可避免地包含虚假成分，造成误报。TST技术成功地解决了波速分析和波场分离两个重要问题，保证了预报结果的准确可靠。 图 TST超前预报地质构造偏移成像和围岩波速分布图像依据地震波的动力学特征，地质构造偏移图像中红色为回波极性相反，代表岩体由软变硬的界面，蓝色代表
29、回波极性为正，代表岩体由硬变软的界面，先蓝后红的组合代表岩体先由硬变软再由软变硬，这是断裂带的特性。3 TST技术的硬件配置与技术参数TST 隧道超前预报系统是由硬件和软件系统组成的，软件是技术核心。硬件的功能是实现数据采集， 软件的功能是实现数据的处理和地质构造成像。TST系统的硬件包括地震记录器、地震检波器、信号分离器和信号电缆。 TST硬件组成部分3.1 TST地震记录器与技术指标TST的地震记录器为24道地震仪， 地震仪的技术参数为：1 通道数： 24道；2 A/D转换：24位；3 最小采样间隔：25s;4 数据格式：标准SEG-2；5 数据传输： USB3.2 TST检波器与技术特点
30、TST检波器为加速度检波器，内置IC放大器，电压放大7倍，并转变为150欧姆低阻抗输出。它的作用是提高信噪比，扩大地震信号的传输距离，可使传输距离大于250m。检波器工作频带1Hz-4KHz，满足地震信号频带需要，并留有提高分辨率足够的高端频率。检波器加有阻尼，阻尼系数约0.3-0.5。检波器为拉拔式，配有2.5m长的碳纤维拉绳，采集时埋入隧道围岩中，采集完成后拉出。为检波器安装配有专用安装杆，组合式安装杆长2m，具有安装方向指示，便于安装定向。 IC加速度检波器 检波器安装杆3.3 信号分离器及其作用TST的信号分离器是为IC检波器配置的，它的作用是为检波器的 IC放大器提供直流电原，并从检
31、波电缆中取出地震交流信号，实现交直流信号分离，并对交流地震信号进行放大，提高地震信号的检测灵敏度。 信号分离器3.4 信号电缆 信号电缆是专业制造的防水电缆，满足隧道中安全使用需要。信号电缆长200m，制作成5X5m+20m+5X5m+130m，连接2X6个共12个检波器卡头，中间有20米的间隔，满足隧道宽度要求；工作人员可在100m之外进行操作，足够安全。 4 TST硬件操作要点隧道地质超前预报的地震数据采集，除了测线布置方式不同外，其他步骤与地震勘探基本相同。硬件操作重点针对地震仪操作，介绍开机、参数设置、采集数据、保存文件、状态检验等环节。关于地震仪的操作针对不同配置另备有操作手册，这里
32、重点介绍为正确地进行超前预报数据采集，如何合理地选定采集参数。4.1 仪器连接TST超前预报系统进行隧道超前预报工作正确的连接方式如下。联接时遵从下列工作程序。1 首先将12道IC检波器埋好后联入信号电缆相应卡口；2 将信号电缆联入信号分离器；3 将信号分离器通过信号线联入地震记录器；4 连接好触发线；5 接好电源并开启地震记录器，进入等待采集状态；4.2 地震仪操作 地震仪工作与WINDOWS平台，双击地震采集即可进入如下工作界面。根据界面右侧显示的功能按钮，选择相应功能。详细操作见地震仪操作说明书。选择参数设置按钮进入参数设置界面。4.3 数据采集与参数设置TST数据采集是根据预报距离、地
33、震波速估计进行设定。一般预报距离150-200m，留有余量，采集长度为预报距离的1.5倍，即深度300m；围岩波速一般在1.5km/s到4.0km/s一般保守取2.0km/s；计算得到往返时间300ms；采样率选0.05ms时，采样长度应为6K样点；采集参数设置表如下：采集通道：12样点数：6K采样率：0.05ms触发方式：外触发陷波：on高切频率：500低切频率：off延时：0偏移距：0道间距：4.0对于短距离岩溶的预报，采样率应做调整，调整为0.025ms，以提高分辨率，其它参数不变。应该特别注意参数设置完成后，要点击确定按钮保存设置。4.4 采集与保存数据 现场设备连接完成并设置好参数后
34、，要进行系统工作状态的检查。该项工作要调用噪声监测功能；通过监测各道噪声水平，了解各信道是否联通。如果一切正常，调用采集功能，进入采集等待状态，等待触发，触发后自动完成采集。切记两点：一是用单次采集，不能用叠加；第二是注意保存数据，实现编辑好存储地址；4.5 仪器工作状态检验与现场标定地震采集系统在使用前应对仪器的一致性和工作状态进行现场标定，标定方法是将检波器埋在一起，连接到记录器上，在检波器附近进行锤击和记录，察看各道记录的幅值与极性，如果发现幅值和极性异常，应进行检查分析，排除故障。5 TST现场数据采集5.1 炮点与检波器的布置 观测系统设计是保证超前预报可靠性的第一个重要的环节，观测
35、系统的设计原则是要满足波速分析、方向滤波和减少面波干扰的要求。（1）为满足掌子面前方围岩波速分析的要求，观测系统必须有垂直隧道轴向的偏移距，也称横向偏移距。为满足工程对超前预报误差小于10%的要求，横向最大偏移距必须大于预报长度的1/10。在实际观测工作中，是在隧道两侧围岩中各布置6个检波器和3个炮点，钻2m深的钻孔，埋入检波器和炸药。实际横向宽度比隧道宽4m. （2）为满足三维波场分离和有效滤除侧向回波的要求，隧道内地震观测系统的纵向排列长度必须大于2-3个波长，即大于40-60m，检波器间距应小于1/4波长，即小于4-5m。实际观测中每侧6个检波器，间距是4m，第1个炮点距检波器距离4m，
36、第一炮排列长度24m，第1、2、3炮的间距都为24m，三个排列记录合在一起的排列长度为72m。观测中地震波的频率100-200Hz左右，波速3km/s，波长约15-30m。这种设计的排列长度大于2个波长，间距小于1/4波长,满足波场分离的要求.（3）为减少隧道表面面波的干扰，检波器和震源都应埋入围岩中，深度超过2m以上。按上述要求，TST的观测布置在隧道两侧壁，每侧6个检波器，3个炮点，钻孔深2m，检波器间距4m，炮点间距24m，检波器靠近掌子面，炮点靠外，成二维阵列方式。检波器和炮点布置在一个平面内，纵向长72m，横向宽15-25m，具有不同的横向偏移距，即满足速度分析的要求,也满足波场分离
37、的要求，预报距离可达150m250m，预报误差小于10%。 图 TST 二维阵列观测方式 图 3炮合成72m排列记录示意炮点与检波点前后的分布不但对反射界面软硬性质的判断产生影响，同时对于波场分离也有影响。检波器靠近掌子面、炮点在外侧的观测方案前方回波与直达波的走时视速度相反，更有利于波场分离。 检波器靠近掌子面的观测方案示意 炮点靠近掌子面的观测方案5.2 检波器的安装检波器的安装关乎地震波接收的质量，按如下步骤进行。1） 在隧道侧壁围岩内按设计选定检波器安装位置和炮点位置，距地面高度1m，间距4m，统一做好定位；2） 使用直径6cm的钻杆，以下倾3-5度的角度钻进深度2m；3） 准备好炮泥
38、，做成直径5cm，长20-30cm的柱体，用送料杆，送入钻孔底部，并砸实；4） 用检波器专用安装杆将检波器送入钻孔底部炮泥中，轻微用力压入泥中10cm，将安装杆方向指示一侧对准掌子面一侧，保证检波器正向朝前；5） 退出安装杆，并将钻孔口用6cm直径的炮泥柱封好，隔绝声波干扰，完成安装。 图 检波器安装示意 图 控制检波器安装方向5.3 炮点的安装炮点的安装关系到地震波的激发效率，重点是装实封好。按如下步骤进行：1） 在隧道侧壁围岩内按设计选定炮点位置，距地面高度1m，间距24m，统一做好定位；2） 使用直径6cm的钻杆，以下倾3-5度的角度钻进深度2m；3） 准备好一管炸药，约500克，将电雷
39、管埋入炸药中，将引爆线接长度加长到3m将单根导线绑在炸药柱上做触发线，两端长度超过3m，保证爆炸线和触发线都能露出钻孔外1m； 4）用送料杆将准备好的炸药缓慢推到钻孔底部，轻微用力压实，切勿用力过猛损坏炸药外包装；5）准备好炮泥，做成直径6cm，长30-40cm的柱体，用送料杆送入炸药顶部，轻微用力压实，并确保砸实； 图 炸药按装示意图 5.4 爆炸机与触发线的连接爆炸与触发系统的连接与安装非常重要，是确保成功记录的重要环节。按如下步骤完成操作：1. 选定质量良好的触发连线150m，爆炸线150m，防磨、防水、抗拉；并用电表检测导电良好；尽量选用直通线，不要接头；2. 双芯触发线一端与炸药外绑
40、的导线相连，另一端与地震仪触发接头相连；3. 双芯爆炸线一段与电雷管引线相连，另一端与爆炸及相连； 图 爆炸机遇触发线连接示意5.5 现场测量与记录TST观测坐标需要较准确的位置测量，位置坐标进入资料处理过程，关系到速度和位置的计算精度。要求测量精度达到10cm足矣。坐标测量在钻孔成型和检波器、炸药按装之前进行。具体步骤如下：1 逐孔测量孔口坐标，里程和相对高程xz；2 测量钻孔深度，由此换算出孔底坐标y；3 对测量坐标数据做好记录，进行桩号统一编排，将桩号与坐标对应制表，并用图示标明炮点与检波器编号与位置； 现场观测坐标与位置记录图表5.6 现场安全注意事项在TST现场数据采集时要特别注意安
41、全，应做到如下各点：1 爆炸由专门训练人员操作，持证上岗；2 爆炸时所有人员撤离到爆炸点50米以外；3 进入隧道戴安全帽，穿防水鞋；4 放炮时必须设有安全员负责警戒，保持通讯畅通，不准任何人进入爆炸现场；5 地震观测时中断隧道内高压电源和风机；6 TST资料处理流程6.1 TST资料处理流程TST的资料处理流程分为5大步骤，包括资料预处理、观测几何系统编辑、方向滤波与波场分离、围岩波速分布扫描分析、地质构造偏移成像和地质解释预报等环节，处理流程见下图。 TST资料处理流程1) 地震资料预处理地震资料预处理的目的是从原始地震记录中提取出地震记录，进行滤波、切除噪声、剔除死道等预备处理；2) 观测
42、几何坐标系统编辑观测几何坐标系统编辑是输入桩号与坐标、排列中炮点桩号、检波器桩号等数据，目的是将炮点与检波点的几何坐标赋予每条地震射线，为波场分离、速度扫描和偏移成像做好准备；3) 波场分离 波场分离是超前预报资料处理中的重要环节，通过方向滤波技术将上下、左右方向回波及面波统统滤除，仅保留前方回波。在此之后才能进行纵横波分离，将隧道轴向分量取为纵波，两横向分量矢量合成取为横波；4) 围岩波速扫描波速扫描用于确定掌子面前方地质体的波速分布。通过选定速度范围和速度扫描增量，由计算机自动扫描完成预报区的速度分析。先进行整体区域的速度扫描，再分区进行速度调整，在取得总体最优的条件下确定速度分布；5）偏
43、移成像在完成波场分离和速度扫描处理的基础上，利用前方回波数据和速度结构资料进行偏移成像，得到反应地质构造特征的地震偏移图像；6） 地质解释利用波速图像和地质构造偏移图像，结合地质调查资料进行综合分析，可进行超期地质预报。预报岩性界面的准确位置、两侧围岩的工程类比的变化，断裂的位置。下面分述几个主要环节的包含的处理过程。6.2 资料预处理 资料预处理的功能是对地震记录进行常规处理，提高信噪比。u 地震记录数据格式转换u 地震记录选取u 地震数据预处理l 切除直达波、面波、噪声、标记坏道、频率滤波、方向滤波；l 由于地表观测时面波很强以致淹没了地下构造反射回来的信号，因此必须将面波加以滤除。在本次观测中，滤除面波的主要方法和过程如下：n 带通滤波，范围50Hz1000Hz，将噪音滤除；n 切除，将上述滤波后产生的噪音，以及地表层的信号切除；n 典型的滤波过程和结果如下：滤波处理前滤波处理后记录6.3 观测几何参数编辑与数据输入 该处理功能是将观测测量中的桩号、坐标、排列中接收点桩号、炮点桩号等三项资料出入计算机设计好的表格，计算机将这些数据直接赋给地震射线，供波场分离度、速度分析、偏移成像处理使用。6.4 方向滤波与波场分离 方向率波使用F-K变换技术，将不同方向的回波以视速度的差异分离开来。上下、左右回波视速度大，分布