胡慧江 李利平 靳 昊 陳彥好 王 升 黃瑞哲

(1.南京水利科學(xué)研究院, 南京 210029; 2.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司, 南京 210001; 3.山東大學(xué)齊魯交通學(xué)院, 濟(jì)南 250002; 4.白俄羅斯國立技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院, 明斯克 220013)

隨著“一帶一路”“交通強(qiáng)國”等國家重大戰(zhàn)略的實(shí)施,我國公路、鐵路、水利水電、市政等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迎來黃金發(fā)展時(shí)期。[1]隧道工程作為公鐵領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的控制性工程,尤其是我國西南部的巖溶地區(qū),在其建設(shè)過程中常常遭遇具有大水壓、高流量、強(qiáng)隱蔽性特點(diǎn)的突涌水災(zāi)害,往往造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。[2-6]微振監(jiān)測技術(shù)作為一種無損監(jiān)測技術(shù),已經(jīng)被廣泛應(yīng)用與隧道巖爆、礦山?jīng)_擊地壓、邊坡失穩(wěn)、石油開采、地?zé)崮荛_發(fā)等領(lǐng)域。微振監(jiān)測技術(shù)通過監(jiān)測巖體內(nèi)部的破裂,實(shí)現(xiàn)對孕災(zāi)區(qū)位置的安全、無損監(jiān)測。在突涌水災(zāi)害演化過程中,隔水巖體受水壓、爆破等動(dòng)力擾動(dòng)伴隨產(chǎn)生微振事件,為監(jiān)測突涌水演化過程提供重要物理表征。[7-8]從微振監(jiān)測技術(shù)原理考慮,利用微振監(jiān)測技術(shù)獲取掌子面前方突水通道定位信息的重要前提是計(jì)算準(zhǔn)確的微振信號到時(shí),以提供更為精準(zhǔn)的計(jì)算事件定位的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的微振信號拾取方法主要包含了人工拾取和自動(dòng)拾取。人工拾取雖然在一定程度上有著較高的精度,但是對操作人員的拾取經(jīng)驗(yàn)要求較高,效率低,時(shí)耗大,難以應(yīng)對大量的微振數(shù)據(jù)處理;且長時(shí)間的人工拾取易使操作人員產(chǎn)生厭煩情緒,影響拾取精度甚至漏拾的情況。為了提高微振數(shù)據(jù)處理效率,實(shí)現(xiàn)全天候的災(zāi)害監(jiān)測,20世紀(jì)70年代開始開始逐漸涌現(xiàn)出一批利用微振信號與噪聲信號差異特征的自動(dòng)拾取技術(shù),如長短時(shí)窗均值比方法(STA/LTA)[9-10]、高階統(tǒng)計(jì)量偏斜度(PAI-S)[11]、赤池信息準(zhǔn)則(AIC)[11-12]、小波變換[13-14]等方法。赤池信息準(zhǔn)則是將AIC理論引入到自回歸模型中來獲取微振信號的初至?xí)r刻。但是該方法抗干擾能力差,對未經(jīng)降噪處理的微振信號拾取精度較低。高階統(tǒng)計(jì)量偏斜度方法主要是利用數(shù)學(xué)方法對微振信號進(jìn)行處理,其原理是尋找一段有限長度的微振信號偏斜度函數(shù)曲線斜率最大的位置即為微振信號的初至?xí)r刻。盡管PAI-S對含有噪聲的微振信號具有較強(qiáng)的抗干擾能力,但是該方法較為依賴滑動(dòng)時(shí)窗的大小,從而影響微振信號到時(shí)時(shí)刻的拾取效率。

針對上述問題,開展了突涌水微振事件信號到時(shí)自動(dòng)拾取算法的研究,并以室內(nèi)突涌水災(zāi)害微振監(jiān)測模型試驗(yàn)微振信號為例,對方法適用性和先進(jìn)性進(jìn)行對比分析,為事件空間定位計(jì)算提供參考。

1 PAI-S和AIC到時(shí)拾取方法

1.1 PAI-S到時(shí)拾取方法原理

高階統(tǒng)計(jì)量偏斜度(PAI-S)方法[11]是Saragiotis于2002年提出的一種基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法的微振信號自動(dòng)拾取方法。其偏斜度計(jì)算式為:

(1)

該方法原理主要是基于偏斜度函數(shù),其主要計(jì)算步驟為:

1)輸入一段長度為M的源信號h(t)=1,2,3,…,M;2)在源信號中設(shè)置一個(gè)長度為N的滑動(dòng)時(shí)窗,并假設(shè)滑動(dòng)時(shí)窗N的中心點(diǎn)為m;則滑動(dòng)時(shí)窗N可以將源信號h(t)劃分為M-N+1個(gè)具有數(shù)據(jù)重疊的信號段;3)計(jì)算每個(gè)M-N+1個(gè)信號段內(nèi)的偏斜度值,并將其賦予中心點(diǎn)m;4)將每個(gè)信號段的偏斜度依次銜接得到源信號h(t)的偏斜度曲線;5)計(jì)算所得到的源信號h(t)的偏斜度函數(shù)曲線斜率最大值,即為該信號的初至?xí)r刻。

1.2 AIC到時(shí)拾取方法原理

AIC微振信號初至?xí)r刻拾取是基于自回歸模型的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,其中最為常用的方法是Maeda提出的VRC-AIC方法。該方法基于微振信號初至?xí)r刻前后的統(tǒng)計(jì)特性差異來確定微振信號的初至?xí)r刻。其原理大致為:對于一段長度為L的微振信號,在其序列內(nèi)設(shè)置一滑動(dòng)點(diǎn)k(k=1,2,3,…,L),可以將信號劃分為[1,k]和[k+1,L]兩個(gè)信號序列,當(dāng)VRC-AIC值最小時(shí),即為初至?xí)r刻。整個(gè)信號序列的VRC-AIC算式可表示為:

αVRC-AIC(k)=klg[σ2(S[1,k])]+(L-1-k)

lg[σ2(S[m+1,m])]

(2)

式中:σ2(S[1,k])、σ2(S[m+1,m]) 分別為滑動(dòng)點(diǎn)k劃分的兩個(gè)信號序列的方差。

VRC-AIC方法屬于二階統(tǒng)計(jì)量方法,保證其初至?xí)r刻拾取精度須滿足兩個(gè)假設(shè):

1)最小的相位單元須是AIC;2)給定的原始信號中盡量只包含高斯白噪聲。

在實(shí)際應(yīng)用中,尤其是復(fù)雜隧道施工環(huán)境中,包含了大量噪聲信號(車輛行駛、噴漿、風(fēng)槍施工等),難以滿足上述兩個(gè)假設(shè),因此該方法較PAI-S方法對噪聲的抵抗能力更弱,拾取精度難以保障。

2 S-AIC到時(shí)拾取方法

針對上述兩種方法存在的問題,提出一種基于PAI-S和AIC的微振信號初至?xí)r刻拾取方法,該方法的步驟如下:

1)通過偏斜度計(jì)算出一給定長度信號的偏斜度曲線,并求出整條曲線斜率最大的時(shí)刻。

2)提取偏斜度曲線斜率最大時(shí)刻對應(yīng)的滑動(dòng)時(shí)窗中所有的偏斜度值Sk。

3)將輸出的偏斜度值Sk作為特征值,代入式(2),替換由VRC-AIC方法中由動(dòng)點(diǎn)劃分出的兩個(gè)信號序列的方差,進(jìn)行S-AIC運(yùn)算,其計(jì)算式為:

βS-AIC(k)=klg[σ2(Sk[1,k])]+(L-1-k)·

lg[σ2(Sk[k+1,L])]

(3)

4)當(dāng)βS-AIC(k)取最小值時(shí),輸出k值,即k對應(yīng)的時(shí)刻即為初至?xí)r刻。

βS-AIC(k)初至拾取方法的拾取流程如圖1所示。

圖1 S-AIC初至拾取方法流程Fig.1 The flow chart of the S-AIC first break picking method

3 突涌水微振監(jiān)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

選取已開展的高地應(yīng)力隧道突涌水模型試驗(yàn)[15]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,如圖2所示,試驗(yàn)選用監(jiān)測儀器的監(jiān)測頻率為8 kHz。試驗(yàn)設(shè)定的水平地應(yīng)力和豎向地應(yīng)力均為1.5 MPa,水壓力大小為2.5 MPa。試驗(yàn)體規(guī)格尺寸為1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm,所需材料計(jì)算用量的質(zhì)量比為,水泥∶砂∶水=284∶1 448∶278。

a—高地應(yīng)力隧道突涌水試驗(yàn)場景; b—試驗(yàn)系統(tǒng)原理。圖2 高地應(yīng)力隧道突涌水模型試驗(yàn)Fig.2 A model test of water inrush in tunnels under high crustal stress

地應(yīng)力場全部加載完成后,首先向試驗(yàn)體內(nèi)注入1 MPa的低水壓進(jìn)行初始地下水滲流環(huán)境模擬;60 min后正式開始試驗(yàn),水壓設(shè)置為2.5 MPa,待初始地應(yīng)力和水壓穩(wěn)定后,采用東成Z1C-FF03-26型手持式鉆機(jī)模擬隧道連續(xù)開挖掘進(jìn)過程,直至巖體發(fā)生完全破壞且發(fā)生突涌水。采用8支單分量速度型傳感器進(jìn)行微振事件采集。由現(xiàn)場分析可知信號源除微振事件源之外,存在水壓泵、液壓機(jī)和環(huán)境干擾等噪聲源。

選取一組高信噪比信號和一組低信噪比信號進(jìn)行驗(yàn)證。高信噪和低信噪比原始信號分別如圖3、圖4所示。

圖3 高信噪比突涌水微振信號Fig.3 Microvibration signals from water inrush with high signal-to-noise ratios

圖4 低信噪比突涌水微振信號Fig.4 Microvibration signals from water inrush with low signal-to-noise ratios

針對上述兩類信號,選取滑動(dòng)時(shí)窗N為160、170、180、190、200分析S-AIC、AIC、PAI-S及人工拾取方法初至?xí)r刻拾取精度,圖5、圖6所示為滑動(dòng)時(shí)窗N為160時(shí)高、低信噪比突涌水微振信號初至?xí)r刻拾取結(jié)果(其余滑動(dòng)時(shí)窗大小拾取結(jié)果不再單獨(dú)列出)。不同滑動(dòng)時(shí)窗下三種方法及人工拾取方法初至?xí)r刻拾取結(jié)果如圖7、圖8及表1和表2所示。其中人工拾取時(shí)間采用波形放大后觀察首波起跳位置而劃定的初至?xí)r間(圖9),存在一定經(jīng)驗(yàn)性誤差,文中按常規(guī)操作拾取值。

表1 不同方法高信噪比信號初至?xí)r刻Table 1 Initial arrival-moments of high signal-to-noise ratio signals by different methods

表2 不同方法低信噪比信號初至?xí)r刻Table 2 Initial arrival-moments of low signal-to-noise ratio signals by different methods

信號; S-AIC; AIC; PAI-S; 人工拾取。圖5 時(shí)窗160時(shí)高信噪比信號初至?xí)r刻拾取結(jié)果Fig.5 Pickup results for initial arrival-moments of high signal-to-noise ratio signals with a time window of 160

信號; S-AIC; AIC; PAI-S; 人工拾取。圖6 時(shí)窗160時(shí)低信噪比信號初至?xí)r刻拾取結(jié)果Fig.6 Pickup results for initial arrival-moments of low signal-to-noise ratio signals with a time window of 160

S-AIC; —AIC; —PAI-S。圖7 不同時(shí)窗時(shí)高信噪比信號初至?xí)r刻拾取結(jié)果Fig.7 Pickup results for initial arrival-moments of high signal-to-noise ratio signals with different sliding window sizes

S-AIC; —AIC; —PAI-S。圖8 不同時(shí)窗時(shí)低信噪比信號初至?xí)r刻拾取結(jié)果Fig.8 Pickup results for initial arrival-moments of low signal-to-noise ratio signals with different sliding window sizes

圖9 常規(guī)商業(yè)軟件人工手動(dòng)邊界拾取Fig.9 Manual boundary extraction from a conventional commercial software

可以看出:AIC方法對高信噪比突涌水微振信號能夠拾取到一個(gè)較為準(zhǔn)確的初至?xí)r刻。但當(dāng)信號為低信噪比突涌水微振信號時(shí),其拾取精度受自身的局限性,無法拾取到較為準(zhǔn)確的初至?xí)r刻。

同時(shí),從表1可以看出:對高信噪比信號而言,S-AIC和PAI-S方法在相鄰滑動(dòng)時(shí)窗大小下初至?xí)r刻的差值基本穩(wěn)定在一個(gè)固定值(S-AIC方法差值為0.625 ms,PAI-S方法差值為1.250 ms),且S-AIC方法更接近人工拾取的結(jié)果。由表2可見:對低信噪比信號而言,PAI-S方法在相鄰滑動(dòng)時(shí)窗大小下差值具有較大離散性,而S-AIC方法仍具有較高的穩(wěn)定性(S-AIC方法差值仍為0.625 ms),且初至?xí)r刻拾取更加接近人工拾取方法的結(jié)果。

為進(jìn)一步分析PAI-S與S-AIC方法對兩種突涌水微振信號的初至?xí)r刻拾取效果,以人工拾取的初至?xí)r刻為基準(zhǔn),對比不同時(shí)窗下PAI-S與S-AIC兩種方法的準(zhǔn)確性,結(jié)果如表3和表4所示。

表3 高信噪比信號PAI-S與S-AIC拾取精度分析Table 3 Analysis on pickup accuracy of PAI-S and S-AIC signals with high signal-to-noise ratios

表4 低信噪比信號PAI-S與S-AIC拾取精度分析Table 4 Analysis on pickup accuracy of PAI-S and S-AIC signals with low signal-to-noise ratios

由表3可知:當(dāng)信號為高信噪比信號時(shí),S-AIC和PAI-S兩種方法在以人工拾取為基準(zhǔn)的初至?xí)r刻的絕對誤差區(qū)間分別為0.250～1.625、2.125～5.875 ms。兩種方法的平均絕對誤差分別為0.825,3.975 ms,以平均絕對誤差為評價(jià)指標(biāo)時(shí),S-AIC方法較PAI-S方法初至?xí)r刻拾取精度提高了3.125 ms。由表4知:當(dāng)信號為低信噪比信號時(shí),S-AIC和PAI-S兩種方法在以人工拾取為基準(zhǔn)的初至?xí)r刻的絕對誤差區(qū)間分別為0.125～1.375、2.250～7.250 ms。兩種方法的平均絕對誤差分別為0.775,5.475 ms,以平均絕對誤差為評價(jià)指標(biāo)時(shí),S-AIC方法較PAI-S方法初至?xí)r刻拾取精度提高了4.700 ms。通過上述對比,驗(yàn)證了S-AIC方法較PAI-S和AIC方法具有一定的優(yōu)越性,滑動(dòng)時(shí)窗大小及信噪比對其拾取精度影響較小。

4 結(jié)束語

提出了一種基于PAI-S和AIC的突涌水微振信號到時(shí)拾取方法,分析了PAI-S和AIC兩種方法的局限性;利用已開展的模型試驗(yàn)獲取的突涌水微振信號驗(yàn)證了該S-AIC初至?xí)r刻拾取方法優(yōu)越性。研究得到了以下結(jié)論:

1)AIC方法適用于高信噪比突涌水微振信號,對于低信噪比信號初至?xí)r刻拾取精度較差。

2)PAI-S方法同時(shí)適用高信噪比和低信噪比突涌水微振信號的初至?xí)r刻拾取,但是滑動(dòng)時(shí)窗大小對其拾取精度影響較大。

3)利用PAI-S和S-AIC兩種方法對已開展的模型試驗(yàn)獲取的突涌水微振信號初至?xí)r刻進(jìn)行拾取,對于高信噪比和低信噪比信號,S-AIC方法較PAI-S方法初至?xí)r刻拾取精度分別提高了3.125,4.700 ms

4)提出的S-AIC方法對高信噪比信號和低信噪比信號的初至?xí)r刻拾取精度更佳,滑動(dòng)時(shí)窗的大小對該方法影響較小。