高速鐵路隧道機械化施工微震監(jiān)測技術(shù)研究

■ 中鐵十九局集團礦業(yè)投資有限公司 向明清

隨著我國高速鐵路行業(yè)的快速發(fā)展，針對高速鐵路隧道的機械化施工難度逐漸增大，面對惡劣的施工環(huán)境，隧道坍塌、山體滑坡、巖移巖爆等地質(zhì)災(zāi)害威脅著工作人員的生命安全，且不利于企業(yè)對施工成本和進度的控制。微震監(jiān)測技術(shù)是一種高科技信息化的隧道工程動力監(jiān)測技術(shù)，以聲信號探測識別和地震學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過探測施工過程中施工活動產(chǎn)生的微小震動信號來判斷施工活動的影響和地下狀態(tài)，以便于管理者對地質(zhì)災(zāi)害等風(fēng)險進行預(yù)測，從而制定安全且合理的施工計劃。隨著監(jiān)測設(shè)備的不斷升級和信息處理技術(shù)的融入和發(fā)展，微震監(jiān)測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于隧道開采、礦物開采等領(lǐng)域，被認為是隧道工程最有效的監(jiān)測方法之一?；诖?，本文對高速鐵路隧道機械化施工微震監(jiān)測技術(shù)進行研究，明確高速鐵路隧道機械化施工微震監(jiān)測數(shù)據(jù)處理模塊對微震數(shù)據(jù)的監(jiān)測、采集、交換和處理功能，簡述其工作流程，通過構(gòu)建基于聲信號的高速鐵路隧道機械化施工微震定位模型，對微震信號聲源進行時差定位；為保證定位準確性，對其進行誤差分析和定位模糊消除，最后進行對比實驗，與傳統(tǒng)的震動探測技術(shù)對比，證明微震監(jiān)測技術(shù)具有較高的靈敏度和定位精確性，可以滿足高速鐵路隧道機械化施工的需求，促進我國高速鐵路建設(shè)的進一步發(fā)展。

1.高速鐵路隧道機械化施工微震監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

高速鐵路隧道機械化施工微震監(jiān)測數(shù)據(jù)處理模塊由地表監(jiān)測中心、傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)交換中心、數(shù)據(jù)處理站等五部分構(gòu)成。通過將上述工作裝置合理安裝在施工現(xiàn)場的優(yōu)化位置，從而分別實現(xiàn)對高速鐵路隧道機械化施工微震數(shù)據(jù)的監(jiān)測、采集、交換和處理功能，且各工作裝置間通過光纜進行數(shù)據(jù)傳輸。在進行安裝調(diào)試后，首先傳感器、數(shù)據(jù)采集儀進行微震信號采集，并將采集信號景象前置放大由光纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)交換中心，微震信號在數(shù)據(jù)交換中心被轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識別、計算的數(shù)字信號，由數(shù)據(jù)處理站對數(shù)字信號進行預(yù)處理，除去噪聲信號和其他冗雜數(shù)據(jù)，將處理過的數(shù)據(jù)傳輸至地表監(jiān)測中心進行數(shù)據(jù)匯總，可利用計算機等顯示設(shè)備呈現(xiàn)出實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，便于對施工現(xiàn)場作出調(diào)整。

1.1 基于傳感器的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

聲探測傳感器的主要任務(wù)是采集聲信號相關(guān)的定位信息，對于后期的聲信號定位計算和處理有決定性影響，因此必須保證聲探測傳感器的測量精度。聲探測傳感器的工作要借助半導(dǎo)體、超導(dǎo)體等器件協(xié)作完成，其本質(zhì)是將聲源的阻尼正弦波的波動信號轉(zhuǎn)化為電信號。電信號根據(jù)傳輸?shù)臅r間和強度，確定聲源的位置所在區(qū)域，然后根據(jù)反復(fù)的校驗和基準，確定聲源信號的發(fā)出位置。本文研究的高速鐵路隧道機械化施工微震監(jiān)測技術(shù)，采用諧振式聲探測傳感器，諧振式聲探傳感器的優(yōu)勢是對聲源信號的波動頻率敏感，首先探索聲音信號源的阻尼正弦波的波動頻率和幅度，簡單提出其中的噪音信號，然后根據(jù)理論知識，完成數(shù)據(jù)的采集。

1.2 微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理

微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理還包括數(shù)據(jù)的交換和預(yù)處理。數(shù)據(jù)交換是指將采集的微震信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，便于計算機的計算、顯示和存儲，其交換的原理是將采集的微震信號結(jié)果信號變換，提取并記錄微震信號中的模擬量，根據(jù)交換法則將其模擬量數(shù)字化，從而給出其量值，使其能被其他模塊識別。

數(shù)據(jù)預(yù)處理的主要作用是對采集數(shù)據(jù)進行篩選，過濾冗雜數(shù)據(jù)，通常情況下，數(shù)據(jù)的預(yù)處理采用特征提取法，提取采集數(shù)據(jù)的特征，將數(shù)據(jù)進行分類和存儲。而針對聲信號的特征提取，可以將由多種頻率組成的復(fù)合信號根據(jù)頻率大小分離出來，從而除去噪聲信號的干擾，便于系統(tǒng)根據(jù)采集數(shù)據(jù)進行相關(guān)計算。除此之外，通過對數(shù)據(jù)的特征提取，將采集數(shù)據(jù)與已知數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進行對比，能夠辨別聲信號的種類，從而判斷微震類型，對于施工現(xiàn)場安全工作的安排具有重要意義。

2.基于聲信號的高速鐵路隧道機械化施工微震定位模型

在上述對微震數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，本文采用聲信號微震時差定位技術(shù)，確定微震發(fā)生的具體位置，通過對其定位誤差進行分析，消除定位模糊，進一步提升定位的精度，從而促進高速鐵路隧道機械化施工的順利進行。

2.1 基于聲信號的時差定位

時差定位是雙曲線定位的一種方式，其優(yōu)勢在于能夠通過計算三個或三個以上傳感器采集同一微震信號的時間差，結(jié)合傳感器的位置準確定位震源，其本質(zhì)是通過在高速鐵路隧道機械化施工現(xiàn)場實現(xiàn)布置聲探測傳感器，并記錄聲探測傳感器的安裝位置。當(dāng)傳感器監(jiān)測到微震信號時，計算各個聲探測傳感器間探測到同一聲源縱波或橫波的時間差，利用距離公式計算出聲源的具體位置。針對在二維平面的聲源定位，通常采用三個聲探測傳感器進行定位；針對三維空間的聲源定位，至少需要四個聲探測傳感器才能準確定位。

2.2 定位誤差分析

由于聲信號的定位儀器和外界不可阻斷的干擾因素影響，初次的聲信號定位位置一定存在誤差。本文進一步分析了定位誤差，提高聲信號定位的精度。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，得出定位誤差與傳感器測量和幾何因子有關(guān)，并且是固定誤差。

在傳感器測量聲信號的位置時，測量時間和傳感器的測量精度是互相獨立的，設(shè)置兩者的誤差均值為零，此情況下的定位誤差為：

其中，角度a、α、β是三個傳感器相對于聲信號位置的角度，σ為誤差系數(shù)。

定位計算中的幾何因子是決定聲信號和傳感器的幾何位置參數(shù)，有三種情況：一是當(dāng)傳感器與聲信號的方位角相加等于零，并且兩個角度相同時，則表示此時傳感器的幾何因子最小，信號的定位誤差最?。欢侨绻麅蓚€傳感器的相對幾何位置重疊或者在同一直線上，表示幾何因子最大，聲信號的誤差最大；三是等腰直角的反射能力最強，所以三個傳感器的角度為等腰直角三角形時，聲源就在等腰直角三角形的中心點上，測量數(shù)據(jù)精度大，聲源的定位誤差最小。

2.3 定位模糊消除

利用聲源方位信息進行估值計算的本質(zhì)是傳感器測量的方位角的變化，方位角的確定必須由基準點和方位延伸點組成，因此，將測得的一個聲源的兩個位置點通過計算得出聲源相對于傳感器的方位位置角度，則將計算的方位位置角度和測量的方位位置角度根據(jù)上面的公式進行比較。如果計算的方位角與測量的方位角相減為正位角，那么需要消除的聲源定位位置為正位角的二倍；如果計算的方位角與測量的方位角相減為負位角，則需要消除的聲源定位位置為負位角的二分之一。

3.實驗研究

為精準評估高速鐵路隧道機械化施工微震監(jiān)測技術(shù)的實際應(yīng)用效果，設(shè)置了相應(yīng)的實驗參數(shù)和實驗環(huán)境，選用高速鐵路隧道機械化施工微震監(jiān)測技術(shù)和傳統(tǒng)的高速鐵路隧道機械化施工震動探查技術(shù)進行實驗對比，分析兩種技術(shù)的靈敏性和聲源定位精度。

針對高速鐵路隧道機械化施工環(huán)境的復(fù)雜性，為進一步體現(xiàn)兩種技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下的實際應(yīng)用效果，需對實驗環(huán)境進行相應(yīng)的布置，在保證實驗人員和實驗設(shè)備安全的情況下，最大限度地模擬高速鐵路隧道機械化施工環(huán)境，根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)要求，完成基礎(chǔ)設(shè)備的安裝并加大對實驗設(shè)備的調(diào)控力度，確保實驗設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)、實驗結(jié)果不受其他因素的影響，具體的實驗步驟如下：

第一，按照微震監(jiān)測技術(shù)和震動探查技術(shù)的應(yīng)用需求，在實驗環(huán)境中進行相應(yīng)的設(shè)備布置，確保數(shù)據(jù)的傳輸和設(shè)備的運行參數(shù)處于后臺系統(tǒng)的監(jiān)控范圍內(nèi)，模擬隧道坍塌、山體滑坡、巖移巖爆等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)出的微震信號，并記錄信號的發(fā)出位置，采用兩種技術(shù)對其進行定位和分析。

第二，收集兩種技術(shù)對該微震信號的計算過程的定位結(jié)果，與記錄的數(shù)據(jù)進行對比，在線觀察異常結(jié)果的存在狀況，判斷是否因參數(shù)異常導(dǎo)致結(jié)果不準確，并將該異常結(jié)果篩除。

第三，改變聲源微震信號的強弱和位置，進行多次實驗，記錄每次實驗的定位結(jié)果，生成統(tǒng)計圖表，分析兩種技術(shù)的靈敏度和聲源定位精確度。

針對微震監(jiān)測技術(shù)和震動探查技術(shù)的特性，為進一步提升整體的對比效果，在相同的實驗環(huán)境下設(shè)置相應(yīng)的實驗參數(shù)進行對比實驗，得到的靈敏度對比結(jié)果如圖1所示。

圖1 靈敏度對比結(jié)果

從圖1可以看出，高速鐵路隧道機械化施工微震監(jiān)測技術(shù)較傳統(tǒng)的震動探查技術(shù)靈敏度更高，造成這種差異的原因在于，微震監(jiān)測技術(shù)利用聲探測傳感器進行數(shù)據(jù)采集，探測范圍廣、精確度高，能夠獲取探測范圍較為微弱的微震信號，具有較高的識別能力，而傳統(tǒng)的振動探查技術(shù)大多采用聲波探測儀進行微震信號，所能檢測到的信號有限，對于較遠和較弱的震動信號識別力較差，使其整體的靈敏度較差。

對比二者的靈敏度后，針對兩種技術(shù)的定位精確度對比如圖2所示。根據(jù)圖2可以看出，高速鐵路隧道機械化施工微震監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)進行細致處理，去除噪聲數(shù)據(jù)和冗雜數(shù)據(jù)對定位結(jié)果的影響，可通過對信號的變化和特征提取，初步判斷微震的類型。由于采用時差定位法，精度高、定位迅速，且輔助誤差分析和誤差模糊消除技術(shù)，使其整體的定位精確率較高。而傳統(tǒng)的震動探測技術(shù)缺少對信號的處理步驟，計算結(jié)果受干擾信號的影響，再加上應(yīng)用的定位技術(shù)不夠成熟，計算步驟繁瑣，影響整體定位效率的同時使其整體的定位精確度較低。

圖2 定位精確度對比圖

4.結(jié)語

綜上所述，高速鐵路隧道機械化施工微震監(jiān)測技術(shù)具有較高的靈敏性和定位精確度，相較于傳統(tǒng)的震動探查技術(shù)，更能適應(yīng)高速鐵路隧道機械化施工的應(yīng)用和發(fā)展。本文通過深入研究高速鐵路隧道機械化施工微震監(jiān)測技術(shù)，證明了在高速鐵路隧道機械化施工中應(yīng)用微震監(jiān)測技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對施工現(xiàn)場的實時監(jiān)測，全范圍立體監(jiān)測以及空間定位，全數(shù)字化數(shù)據(jù)采集、交換和處理，更便于管理人員管控每一個施工細節(jié)，也使得微震信號的處理更簡單、快捷。應(yīng)用微震監(jiān)測不僅改善了監(jiān)測人員的監(jiān)測環(huán)境，對于預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害、制定高效率的施工計劃、確保施工人員的安全具有重要意義，更有利于促進微震監(jiān)測技術(shù)在建筑領(lǐng)域的進一步發(fā)展和應(yīng)用。