高速铁路隧道机械化施工微震监测技术研究

■ 中铁十九局集团矿业投资有限公司 向明清

随着我国高速铁路行业的快速发展，针对高速铁路隧道的机械化施工难度逐渐增大，面对恶劣的施工环境，隧道坍塌、山体滑坡、岩移岩爆等地质灾害威胁着工作人员的生命安全，且不利于企业对施工成本和进度的控制。微震监测技术是一种高科技信息化的隧道工程动力监测技术，以声信号探测识别和地震学理论为基础，通过探测施工过程中施工活动产生的微小震动信号来判断施工活动的影响和地下状态，以便于管理者对地质灾害等风险进行预测，从而制定安全且合理的施工计划。随着监测设备的不断升级和信息处理技术的融入和发展，微震监测技术被广泛应用于隧道开采、矿物开采等领域，被认为是隧道工程最有效的监测方法之一。基于此，本文对高速铁路隧道机械化施工微震监测技术进行研究，明确高速铁路隧道机械化施工微震监测数据处理模块对微震数据的监测、采集、交换和处理功能，简述其工作流程，通过构建基于声信号的高速铁路隧道机械化施工微震定位模型，对微震信号声源进行时差定位；为保证定位准确性，对其进行误差分析和定位模糊消除，最后进行对比实验，与传统的震动探测技术对比，证明微震监测技术具有较高的灵敏度和定位精确性，可以满足高速铁路隧道机械化施工的需求，促进我国高速铁路建设的进一步发展。

1.高速铁路隧道机械化施工微震监测数据处理

高速铁路隧道机械化施工微震监测数据处理模块由地表监测中心、传感器、数据采集仪、数据交换中心、数据处理站等五部分构成。通过将上述工作装置合理安装在施工现场的优化位置，从而分别实现对高速铁路隧道机械化施工微震数据的监测、采集、交换和处理功能，且各工作装置间通过光缆进行数据传输。在进行安装调试后，首先传感器、数据采集仪进行微震信号采集，并将采集信号景象前置放大由光缆传输到数据交换中心，微震信号在数据交换中心被转换为系统可识别、计算的数字信号，由数据处理站对数字信号进行预处理，除去噪声信号和其他冗杂数据，将处理过的数据传输至地表监测中心进行数据汇总，可利用计算机等显示设备呈现出实时监测数据，便于对施工现场作出调整。

1.1 基于传感器的微震监测数据采集

声探测传感器的主要任务是采集声信号相关的定位信息，对于后期的声信号定位计算和处理有决定性影响，因此必须保证声探测传感器的测量精度。声探测传感器的工作要借助半导体、超导体等器件协作完成，其本质是将声源的阻尼正弦波的波动信号转化为电信号。电信号根据传输的时间和强度，确定声源的位置所在区域，然后根据反复的校验和基准，确定声源信号的发出位置。本文研究的高速铁路隧道机械化施工微震监测技术，采用谐振式声探测传感器，谐振式声探传感器的优势是对声源信号的波动频率敏感，首先探索声音信号源的阻尼正弦波的波动频率和幅度，简单提出其中的噪音信号，然后根据理论知识，完成数据的采集。

1.2 微震监测数据的处理

微震监测数据的处理还包括数据的交换和预处理。数据交换是指将采集的微震信号转化为数字信号，便于计算机的计算、显示和存储，其交换的原理是将采集的微震信号结果信号变换，提取并记录微震信号中的模拟量，根据交换法则将其模拟量数字化，从而给出其量值，使其能被其他模块识别。

数据预处理的主要作用是对采集数据进行筛选，过滤冗杂数据，通常情况下，数据的预处理采用特征提取法，提取采集数据的特征，将数据进行分类和存储。而针对声信号的特征提取，可以将由多种频率组成的复合信号根据频率大小分离出来，从而除去噪声信号的干扰，便于系统根据采集数据进行相关计算。除此之外，通过对数据的特征提取，将采集数据与已知数据库内的数据进行对比，能够辨别声信号的种类，从而判断微震类型，对于施工现场安全工作的安排具有重要意义。

2.基于声信号的高速铁路隧道机械化施工微震定位模型

在上述对微震数据处理的基础上，本文采用声信号微震时差定位技术，确定微震发生的具体位置，通过对其定位误差进行分析，消除定位模糊，进一步提升定位的精度，从而促进高速铁路隧道机械化施工的顺利进行。

2.1 基于声信号的时差定位

时差定位是双曲线定位的一种方式，其优势在于能够通过计算三个或三个以上传感器采集同一微震信号的时间差，结合传感器的位置准确定位震源，其本质是通过在高速铁路隧道机械化施工现场实现布置声探测传感器，并记录声探测传感器的安装位置。当传感器监测到微震信号时，计算各个声探测传感器间探测到同一声源纵波或横波的时间差，利用距离公式计算出声源的具体位置。针对在二维平面的声源定位，通常采用三个声探测传感器进行定位；针对三维空间的声源定位，至少需要四个声探测传感器才能准确定位。

2.2 定位误差分析

由于声信号的定位仪器和外界不可阻断的干扰因素影响，初次的声信号定位位置一定存在误差。本文进一步分析了定位误差，提高声信号定位的精度。经过数据分析，得出定位误差与传感器测量和几何因子有关，并且是固定误差。

在传感器测量声信号的位置时，测量时间和传感器的测量精度是互相独立的，设置两者的误差均值为零，此情况下的定位误差为：

其中，角度a、α、β是三个传感器相对于声信号位置的角度，σ为误差系数。

定位计算中的几何因子是决定声信号和传感器的几何位置参数，有三种情况：一是当传感器与声信号的方位角相加等于零，并且两个角度相同时，则表示此时传感器的几何因子最小，信号的定位误差最小；二是如果两个传感器的相对几何位置重叠或者在同一直线上，表示几何因子最大，声信号的误差最大；三是等腰直角的反射能力最强，所以三个传感器的角度为等腰直角三角形时，声源就在等腰直角三角形的中心点上，测量数据精度大，声源的定位误差最小。

2.3 定位模糊消除

利用声源方位信息进行估值计算的本质是传感器测量的方位角的变化，方位角的确定必须由基准点和方位延伸点组成，因此，将测得的一个声源的两个位置点通过计算得出声源相对于传感器的方位位置角度，则将计算的方位位置角度和测量的方位位置角度根据上面的公式进行比较。如果计算的方位角与测量的方位角相减为正位角，那么需要消除的声源定位位置为正位角的二倍；如果计算的方位角与测量的方位角相减为负位角，则需要消除的声源定位位置为负位角的二分之一。

3.实验研究

为精准评估高速铁路隧道机械化施工微震监测技术的实际应用效果，设置了相应的实验参数和实验环境，选用高速铁路隧道机械化施工微震监测技术和传统的高速铁路隧道机械化施工震动探查技术进行实验对比，分析两种技术的灵敏性和声源定位精度。

针对高速铁路隧道机械化施工环境的复杂性，为进一步体现两种技术在复杂环境下的实际应用效果，需对实验环境进行相应的布置，在保证实验人员和实验设备安全的情况下，最大限度地模拟高速铁路隧道机械化施工环境，根据相应的技术要求，完成基础设备的安装并加大对实验设备的调控力度，确保实验设备处于良好的工作状态、实验结果不受其他因素的影响，具体的实验步骤如下：

第一，按照微震监测技术和震动探查技术的应用需求，在实验环境中进行相应的设备布置，确保数据的传输和设备的运行参数处于后台系统的监控范围内，模拟隧道坍塌、山体滑坡、岩移岩爆等地质灾害发出的微震信号，并记录信号的发出位置，采用两种技术对其进行定位和分析。

第二，收集两种技术对该微震信号的计算过程的定位结果，与记录的数据进行对比，在线观察异常结果的存在状况，判断是否因参数异常导致结果不准确，并将该异常结果筛除。

第三，改变声源微震信号的强弱和位置，进行多次实验，记录每次实验的定位结果，生成统计图表，分析两种技术的灵敏度和声源定位精确度。

针对微震监测技术和震动探查技术的特性，为进一步提升整体的对比效果，在相同的实验环境下设置相应的实验参数进行对比实验，得到的灵敏度对比结果如图1所示。

图1 灵敏度对比结果

从图1可以看出，高速铁路隧道机械化施工微震监测技术较传统的震动探查技术灵敏度更高，造成这种差异的原因在于，微震监测技术利用声探测传感器进行数据采集，探测范围广、精确度高，能够获取探测范围较为微弱的微震信号，具有较高的识别能力，而传统的振动探查技术大多采用声波探测仪进行微震信号，所能检测到的信号有限，对于较远和较弱的震动信号识别力较差，使其整体的灵敏度较差。

对比二者的灵敏度后，针对两种技术的定位精确度对比如图2所示。根据图2可以看出，高速铁路隧道机械化施工微震监测技术能够对采集数据进行细致处理，去除噪声数据和冗杂数据对定位结果的影响，可通过对信号的变化和特征提取，初步判断微震的类型。由于采用时差定位法，精度高、定位迅速，且辅助误差分析和误差模糊消除技术，使其整体的定位精确率较高。而传统的震动探测技术缺少对信号的处理步骤，计算结果受干扰信号的影响，再加上应用的定位技术不够成熟，计算步骤繁琐，影响整体定位效率的同时使其整体的定位精确度较低。

图2 定位精确度对比图

4.结语

综上所述，高速铁路隧道机械化施工微震监测技术具有较高的灵敏性和定位精确度，相较于传统的震动探查技术，更能适应高速铁路隧道机械化施工的应用和发展。本文通过深入研究高速铁路隧道机械化施工微震监测技术，证明了在高速铁路隧道机械化施工中应用微震监测技术，能够实现对施工现场的实时监测，全范围立体监测以及空间定位，全数字化数据采集、交换和处理，更便于管理人员管控每一个施工细节，也使得微震信号的处理更简单、快捷。应用微震监测不仅改善了监测人员的监测环境，对于预防地质灾害、制定高效率的施工计划、确保施工人员的安全具有重要意义，更有利于促进微震监测技术在建筑领域的进一步发展和应用。