李 衛(wèi)

(中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100083)

微震波到時(shí)拾取研究是微震監(jiān)測信號分析的首要工作，是微震定位、巖體破裂機(jī)理分析準(zhǔn)確性的前提[1]。但由于隧道等工程的監(jiān)測環(huán)境復(fù)雜，巖石破裂的有效信號極易受到爆破、打孔等現(xiàn)場施工、人員活動(dòng)、機(jī)械作業(yè)等的干擾，致使難以精確拾取微震信號的到時(shí)[2]。

本文通過分析微震波的波形特征，對比多種到時(shí)拾取方法優(yōu)缺點(diǎn)，對提高微震定位的精確性與時(shí)效性以及保證微震監(jiān)測安全預(yù)警有重要的指導(dǎo)意義。

1 依托工程簡介

云南省昆明市晉寧縣至玉溪的紅塔區(qū)的高速公路(晉紅高速公路)，線路設(shè)計(jì)寬度33.5 m，雙向六車道，走向?yàn)橛杀毕蚰?，全線長49.755 km。光山1號隧道單幅長約3 335 m，是晉紅高速的重點(diǎn)控制性工程。該隧道地質(zhì)情況復(fù)雜，施工難度大，為使隧道安全質(zhì)量以及生產(chǎn)進(jìn)度得到保障，引入“高精度微震監(jiān)測預(yù)警設(shè)備”，對復(fù)雜不良地質(zhì)段圍巖情況進(jìn)行實(shí)時(shí)反映預(yù)測。光山1號隧道穿越區(qū)地層主要為灰?guī)r、板巖，屬構(gòu)造剝蝕低中山地貌，地形起伏較大。進(jìn)口段斜坡一般坡度25°～40°，出口段斜坡一般坡度10°～20°，主要為山地，植被茂盛。在區(qū)域上位于揚(yáng)子板塊次級構(gòu)造單元康滇古隆起，位于經(jīng)向構(gòu)造體系的小江斷裂與安寧河斷裂間，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，主要表現(xiàn)為地殼抬升及地震活動(dòng)，斷裂、褶皺構(gòu)造發(fā)育。

通過現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)掌子面圍巖潮濕，碎裂狀結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，掌子面左邊部分夾雜少量土體，右邊部分圍巖稍好，拱頂較破碎，易掉塊，結(jié)合一般，巖體完整性一般，自穩(wěn)性較差，按照圍巖等級判別標(biāo)準(zhǔn)屬于Ⅳ級圍巖(見圖1)。

2 微震的波形特征

巖體內(nèi)部發(fā)生破裂時(shí)，微震波主要以應(yīng)力波的形式向外傳播能量。微震波在復(fù)雜多變的巖體介質(zhì)中傳播時(shí)，受到爆破、打孔等現(xiàn)場施工、人員活動(dòng)、機(jī)械作業(yè)等的干擾，致使微震波的頻譜存在較大的頻帶差異。

根據(jù)李智敏等[3]對微震信號的相關(guān)表述，微震信號不會(huì)穿過地層中康拉德界面與莫霍界面，信號中只存在P波與S波及其疊加，不存在面波頻散問題；并指出信號的表觀復(fù)雜性是由P波與S波的波速及兩種波疊加、巖體非線性和各種噪聲等因素引起的。在微震信號傳播過程中，P波比S波有較快的傳遞速度，最先抵達(dá)監(jiān)測站點(diǎn)，被檢波器記錄下，并用以實(shí)時(shí)定位分析及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警。因此，本文中的微震波到時(shí)拾取研究指的是P波到時(shí)拾取。

圖2給出的是晉紅高速光山1號隧道的微震監(jiān)測信號(左側(cè))及其短時(shí)傅里葉變換(漢寧窗)后頻帶分布圖(右側(cè))，圖2a)，圖2b)為受不同強(qiáng)度噪聲干擾的微震信號，圖2c)為現(xiàn)場爆破信號。朱權(quán)潔等[4，5]采用小波包分析爆破震動(dòng)信號與巖石破裂信號的頻帶能量分布特征，指出巖體破裂信號的能量多集中于低頻帶(0 Hz～125 Hz),圖2a)的信號主頻約為50 Hz；爆破震動(dòng)信號的能量多集中于高頻帶(大于200 Hz)，圖2c)的主頻約為200 Hz。檢波器接收的信號多為噪聲、爆破震動(dòng)與巖體破裂的復(fù)合信號，頻譜上同一時(shí)刻上會(huì)出現(xiàn)多個(gè)主頻帶(圖2b)，50 Hz的巖體破裂信號與200 Hz的爆破震動(dòng)干擾)。與低頻的地震信號和高頻的聲發(fā)射信號相比，微震信號的頻率范圍為0 Hz～104Hz(據(jù)李庶林[6])。

此外，微震信號在介質(zhì)傳播及檢波器接收過程中均存在頻率衰減，當(dāng)震源距離足夠大時(shí)，信號頻率近似不變。并且，巖石非線性蠕變特征使不同震級的微震波具有不同的主頻：能量小的微震波頻率相對較高，可達(dá)上百赫茲，易受到噪聲的掩蓋與頻率的干擾嚴(yán)重(見圖2b))；而能量大的微震波頻率相對較低，一般在幾赫茲到幾十赫茲之間(見圖2a))。

3 微震波到時(shí)拾取綜合分析法

為了獲得準(zhǔn)確的P波到時(shí)，單一的到時(shí)拾取方法均存在局限性，多種理論相結(jié)合的綜合拾取方法更具有廣泛適用性。通過分析運(yùn)用到時(shí)拾取方法的優(yōu)點(diǎn)，巧妙地避開各自的缺點(diǎn)，利用數(shù)學(xué)變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、分形維等理論對微震信號進(jìn)行多層次處理，結(jié)合傳統(tǒng)簡單的拾取方法(STA/LTA法、AIC法)，獲取更加精準(zhǔn)的微震到時(shí)。目前，綜合分析法有：STA/LTA閾值的AIC法，小波變換的AIC拾取法，矩形窗高階統(tǒng)計(jì)PAI-S/K法等。

圖3給出的是：a)公路隧道的微震信號，b)STA/LTA法拾取曲線，c)AIC法拾取曲線，d)三層分解近似信號與分解信號AIC拾取曲線，拾取曲線均進(jìn)行歸一化處理。從圖3可看出，相對單一的拾取方法，經(jīng)過小波多層分解后拾取的到時(shí)具有多層對比、準(zhǔn)確可靠的優(yōu)點(diǎn)，而且還可從分解后的細(xì)節(jié)信號與近似信號進(jìn)行對比分析。

表1給出的是各種到時(shí)拾取方法研究拾取精度對比數(shù)據(jù)。其中，以STA/LTA閾值的AIC法到時(shí)拾取最為準(zhǔn)確。該方法是通過設(shè)定初始能量閾值，根據(jù)STA/LTA法確定的微震到時(shí)及微震波能量寬度，確定AIC法時(shí)窗的中心位置及其寬度，采用AIC法獲取精確到時(shí)。從分析結(jié)果可以看出，閾值A(chǔ)IC法既能提高到時(shí)的準(zhǔn)確性，保證現(xiàn)場工程監(jiān)測微震定位精度，又能免除冗繁的數(shù)學(xué)變換，滿足了工程應(yīng)用上時(shí)效性要求，是公路隧道工程中微震監(jiān)測技術(shù)中首選的方法。

表1 各種到時(shí)拾取方法拾取結(jié)果對比

4 結(jié)論

綜合微震信號的波形特征、微震波到時(shí)拾取方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及依托工程的微震信號分析結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

1)以小波變換為基礎(chǔ)的分析法能夠從多尺度、多分辨率分析微震波形特征，拾取精確的微震波到時(shí)，但小波變換分解尺度的選擇以及正交基的構(gòu)造缺乏理論依據(jù)。因此，需要深入研究不同頻帶范圍微震波在不同分解尺度下的波形特征，建立以波形能量與頻率相適應(yīng)的小波正交基信號分析模型。

2)微震監(jiān)測數(shù)據(jù)量大，快速、準(zhǔn)確的處理數(shù)據(jù)成為工程應(yīng)用上的必然要求，尤其是地質(zhì)災(zāi)害(礦壓、巖爆等)預(yù)警與控制工程。以傅里葉或小波變換為基礎(chǔ)的綜合分析方法較為繁冗，適合實(shí)驗(yàn)室內(nèi)波形數(shù)據(jù)解析，不適合工程實(shí)踐應(yīng)用。STA/LTA法與AIC法處理數(shù)據(jù)速度快，但又缺乏精確度。據(jù)此，將STA/LTA法與AIC法有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理與高效微震定位，更具有工程應(yīng)用價(jià)值。