■ 中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司 向明清

隨著我國(guó)高速鐵路行業(yè)的快速發(fā)展，針對(duì)高速鐵路隧道的機(jī)械化施工難度逐漸增大，面對(duì)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(duì)施工成本和進(jìn)度的控制。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種高科技信息化的隧道工程動(dòng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)，以聲信號(hào)探測(cè)識(shí)別和地震學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過(guò)探測(cè)施工過(guò)程中施工活動(dòng)產(chǎn)生的微小震動(dòng)信號(hào)來(lái)判斷施工活動(dòng)的影響和地下?tīng)顟B(tài)，以便于管理者對(duì)地質(zhì)災(zāi)害等風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而制定安全且合理的施工計(jì)劃。隨著監(jiān)測(cè)設(shè)備的不斷升級(jí)和信息處理技術(shù)的融入和發(fā)展，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于隧道開(kāi)采、礦物開(kāi)采等領(lǐng)域，被認(rèn)為是隧道工程最有效的監(jiān)測(cè)方法之一?；诖耍疚膶?duì)高速鐵路隧道機(jī)械化施工微震監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，明確高速鐵路隧道機(jī)械化施工微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)微震數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、采集、交換和處理功能，簡(jiǎn)述其工作流程，通過(guò)構(gòu)建基于聲信號(hào)的高速鐵路隧道機(jī)械化施工微震定位模型，對(duì)微震信號(hào)聲源進(jìn)行時(shí)差定位；為保證定位準(zhǔn)確性，對(duì)其進(jìn)行誤差分析和定位模糊消除，最后進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)的震動(dòng)探測(cè)技術(shù)對(duì)比，證明微震監(jiān)測(cè)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(jī)械化施工的需求，促進(jìn)我國(guó)高速鐵路建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展。

1.高速鐵路隧道機(jī)械化施工微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

高速鐵路隧道機(jī)械化施工微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理模塊由地表監(jiān)測(cè)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(guò)將上述工作裝置合理安裝在施工現(xiàn)場(chǎng)的優(yōu)化位置，從而分別實(shí)現(xiàn)對(duì)高速鐵路隧道機(jī)械化施工微震數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、采集、交換和處理功能，且各工作裝置間通過(guò)光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在進(jìn)行安裝調(diào)試后，首先傳感器、數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行微震信號(hào)采集，并將采集信號(hào)景象前置放大由光纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)交換中心，微震信號(hào)在數(shù)據(jù)交換中心被轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識(shí)別、計(jì)算的數(shù)字信號(hào)，由數(shù)據(jù)處理站對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，除去噪聲信號(hào)和其他冗雜數(shù)據(jù)，將處理過(guò)的數(shù)據(jù)傳輸至地表監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，可利用計(jì)算機(jī)等顯示設(shè)備呈現(xiàn)出實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，便于對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)作出調(diào)整。

1.1 基于傳感器的微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

聲探測(cè)傳感器的主要任務(wù)是采集聲信號(hào)相關(guān)的定位信息，對(duì)于后期的聲信號(hào)定位計(jì)算和處理有決定性影響，因此必須保證聲探測(cè)傳感器的測(cè)量精度。聲探測(cè)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(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。電信號(hào)根據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間和強(qiáng)度，確定聲源的位置所在區(qū)域，然后根據(jù)反復(fù)的校驗(yàn)和基準(zhǔn)，確定聲源信號(hào)的發(fā)出位置。本文研究的高速鐵路隧道機(jī)械化施工微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，采用諧振式聲探測(cè)傳感器，諧振式聲探傳感器的優(yōu)勢(shì)是對(duì)聲源信號(hào)的波動(dòng)頻率敏感，首先探索聲音信號(hào)源的阻尼正弦波的波動(dòng)頻率和幅度，簡(jiǎn)單提出其中的噪音信號(hào)，然后根據(jù)理論知識(shí)，完成數(shù)據(jù)的采集。

1.2 微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理

微震監(jiān)測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，便于計(jì)算機(jī)的計(jì)算、顯示和存儲(chǔ)，其交換的原理是將采集的微震信號(hào)結(jié)果信號(hào)變換，提取并記錄微震信號(hào)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(shí)別。

數(shù)據(jù)預(yù)處理的主要作用是對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，過(guò)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(jìn)行分類和存儲(chǔ)。而針對(duì)聲信號(hào)的特征提取，可以將由多種頻率組成的復(fù)合信號(hào)根據(jù)頻率大小分離出來(lái)，從而除去噪聲信號(hào)的干擾，便于系統(tǒng)根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。除此之外，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的特征提取，將采集數(shù)據(jù)與已知數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，能夠辨別聲信號(hào)的種類，從而判斷微震類型，對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)安全工作的安排具有重要意義。

2.基于聲信號(hào)的高速鐵路隧道機(jī)械化施工微震定位模型

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

2.1 基于聲信號(hào)的時(shí)差定位

時(shí)差定位是雙曲線定位的一種方式，其優(yōu)勢(shì)在于能夠通過(guò)計(jì)算三個(gè)或三個(gè)以上傳感器采集同一微震信號(hào)的時(shí)間差，結(jié)合傳感器的位置準(zhǔn)確定位震源，其本質(zhì)是通過(guò)在高速鐵路隧道機(jī)械化施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)布置聲探測(cè)傳感器，并記錄聲探測(cè)傳感器的安裝位置。當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到微震信號(hào)時(shí)，計(jì)算各個(gè)聲探測(cè)傳感器間探測(cè)到同一聲源縱波或橫波的時(shí)間差，利用距離公式計(jì)算出聲源的具體位置。針對(duì)在二維平面的聲源定位，通常采用三個(gè)聲探測(cè)傳感器進(jìn)行定位；針對(duì)三維空間的聲源定位，至少需要四個(gè)聲探測(cè)傳感器才能準(zhǔn)確定位。

2.2 定位誤差分析

由于聲信號(hào)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(hào)定位位置一定存在誤差。本文進(jìn)一步分析了定位誤差，提高聲信號(hào)定位的精度。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，得出定位誤差與傳感器測(cè)量和幾何因子有關(guān)，并且是固定誤差。

在傳感器測(cè)量聲信號(hào)的位置時(shí)，測(cè)量時(shí)間和傳感器的測(cè)量精度是互相獨(dú)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(gè)傳感器相對(duì)于聲信號(hào)位置的角度，σ為誤差系數(shù)。

定位計(jì)算中的幾何因子是決定聲信號(hào)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(hào)的方位角相加等于零，并且兩個(gè)角度相同時(shí)，則表示此時(shí)傳感器的幾何因子最小，信號(hào)的定位誤差最小；二是如果兩個(gè)傳感器的相對(duì)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(hào)的誤差最大；三是等腰直角的反射能力最強(qiáng)，所以三個(gè)傳感器的角度為等腰直角三角形時(shí)，聲源就在等腰直角三角形的中心點(diǎn)上，測(cè)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(jìn)行估值計(jì)算的本質(zhì)是傳感器測(cè)量的方位角的變化，方位角的確定必須由基準(zhǔn)點(diǎn)和方位延伸點(diǎn)組成，因此，將測(cè)得的一個(gè)聲源的兩個(gè)位置點(diǎn)通過(guò)計(jì)算得出聲源相對(duì)于傳感器的方位位置角度，則將計(jì)算的方位位置角度和測(cè)量的方位位置角度根據(jù)上面的公式進(jìn)行比較。如果計(jì)算的方位角與測(cè)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(jì)算的方位角與測(cè)量的方位角相減為負(fù)位角，則需要消除的聲源定位位置為負(fù)位角的二分之一。

3.實(shí)驗(yàn)研究

為精準(zhǔn)評(píng)估高速鐵路隧道機(jī)械化施工微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，設(shè)置了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，選用高速鐵路隧道機(jī)械化施工微震監(jiān)測(cè)技術(shù)和傳統(tǒng)的高速鐵路隧道機(jī)械化施工震動(dòng)探查技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，分析兩種技術(shù)的靈敏性和聲源定位精度。

針對(duì)高速鐵路隧道機(jī)械化施工環(huán)境的復(fù)雜性，為進(jìn)一步體現(xiàn)兩種技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下的實(shí)際應(yīng)用效果，需對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的布置，在保證實(shí)驗(yàn)人員和實(shí)驗(yàn)設(shè)備安全的情況下，最大限度地模擬高速鐵路隧道機(jī)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(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的調(diào)控力度，確保實(shí)驗(yàn)設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果不受其他因素的影響，具體的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

第一，按照微震監(jiān)測(cè)技術(shù)和震動(dòng)探查技術(shù)的應(yīng)用需求，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)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(yùn)行參數(shù)處于后臺(tái)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(hào)，并記錄信號(hào)的發(fā)出位置，采用兩種技術(shù)對(duì)其進(jìn)行定位和分析。

第二，收集兩種技術(shù)對(duì)該微震信號(hào)的計(jì)算過(guò)程的定位結(jié)果，與記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(zhǔn)確，并將該異常結(jié)果篩除。

第三，改變聲源微震信號(hào)的強(qiáng)弱和位置，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，記錄每次實(shí)驗(yàn)的定位結(jié)果，生成統(tǒng)計(jì)圖表，分析兩種技術(shù)的靈敏度和聲源定位精確度。

針對(duì)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)和震動(dòng)探查技術(shù)的特性，為進(jìn)一步提升整體的對(duì)比效果，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到的靈敏度對(duì)比結(jié)果如圖1所示。

圖1 靈敏度對(duì)比結(jié)果

從圖1可以看出，高速鐵路隧道機(jī)械化施工微震監(jiān)測(cè)技術(shù)較傳統(tǒng)的震動(dòng)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(cè)技術(shù)利用聲探測(cè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，探測(cè)范圍廣、精確度高，能夠獲取探測(cè)范圍較為微弱的微震信號(hào)，具有較高的識(shí)別能力，而傳統(tǒng)的振動(dòng)探查技術(shù)大多采用聲波探測(cè)儀進(jìn)行微震信號(hào)，所能檢測(cè)到的信號(hào)有限，對(duì)于較遠(yuǎn)和較弱的震動(dòng)信號(hào)識(shí)別力較差，使其整體的靈敏度較差。

對(duì)比二者的靈敏度后，針對(duì)兩種技術(shù)的定位精確度對(duì)比如圖2所示。根據(jù)圖2可以看出，高速鐵路隧道機(jī)械化施工微震監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致處理，去除噪聲數(shù)據(jù)和冗雜數(shù)據(jù)對(duì)定位結(jié)果的影響，可通過(guò)對(duì)信號(hào)的變化和特征提取，初步判斷微震的類型。由于采用時(shí)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(dòng)探測(cè)技術(shù)缺少對(duì)信號(hào)的處理步驟，計(jì)算結(jié)果受干擾信號(hào)的影響，再加上應(yīng)用的定位技術(shù)不夠成熟，計(jì)算步驟繁瑣，影響整體定位效率的同時(shí)使其整體的定位精確度較低。

圖2 定位精確度對(duì)比圖

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高速鐵路隧道機(jī)械化施工微震監(jiān)測(cè)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(dòng)探查技術(shù)，更能適應(yīng)高速鐵路隧道機(jī)械化施工的應(yīng)用和發(fā)展。本文通過(guò)深入研究高速鐵路隧道機(jī)械化施工微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，證明了在高速鐵路隧道機(jī)械化施工中應(yīng)用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，全范圍立體監(jiān)測(cè)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(gè)施工細(xì)節(jié)，也使得微震信號(hào)的處理更簡(jiǎn)單、快捷。應(yīng)用微震監(jiān)測(cè)不僅改善了監(jiān)測(cè)人員的監(jiān)測(cè)環(huán)境，對(duì)于預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害、制定高效率的施工計(jì)劃、確保施工人員的安全具有重要意義，更有利于促進(jìn)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在建筑領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。