高分辨率隧道地震超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)

黎愛瓊，王春明

（1.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

高分辨率隧道地震超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)

黎愛瓊1，王春明2

（1.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

針對(duì)傳統(tǒng)超前預(yù)報(bào)方法存在占用掌子面、探測(cè)距離有限等不足，設(shè)計(jì)一種基于隧道地震超前預(yù)報(bào)方法的探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過人工震源和三分量傳感器陣列、高準(zhǔn)確度24位數(shù)模轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)地震反射信號(hào)的高準(zhǔn)確度采集；通過基于VB的上位機(jī)控制程序以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和系統(tǒng)控制。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的探測(cè)結(jié)果與實(shí)際鉆探結(jié)果基本一致，驗(yàn)證該系統(tǒng)具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、分辨率高、不占用掌子面等突出特點(diǎn)，可在公路和鐵路隧道等隱蔽工程建設(shè)中應(yīng)用。

隧道；超前預(yù)報(bào)；地震反射信號(hào)；數(shù)據(jù)采集

0　引　言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)工程建設(shè)的飛速發(fā)展，越來越多的高速公路和鐵路建設(shè)在地質(zhì)條件復(fù)雜的邊遠(yuǎn)山區(qū)開展，使得隧道施工在整個(gè)工程建設(shè)中所占的比重越來越大［1］。隧道作為隱蔽工程，在施工過程中，由于前方的地質(zhì)情況不明，經(jīng)常會(huì)遭遇破碎帶、溶洞和暗河等不良地質(zhì)體誘發(fā)的突水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害，這不僅會(huì)滯后施工進(jìn)度，也可能導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，在隧道施工期間，非常有必要對(duì)掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。

20世紀(jì)70年代，美國(guó)提出利用地球物理方法進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，包括電法和地震反射法。對(duì)于電法，通常需要占用掌子面，且探測(cè)距離一般不會(huì)超過50m。地震反射類方法是目前的主流方法，有美國(guó)NSA公司提出的反射地震層析成像方法、中國(guó)的曾昭璜提出的隧道反射成像法、瑞士Amberg公司提出的隧道地震預(yù)報(bào)法等；其中，前面兩種方法雖然定位精度較高，但需要占用掌子面，而隧道地震預(yù)報(bào)則不需要占用掌子面，對(duì)大型不良地質(zhì)體有較好的探測(cè)效果，是我國(guó)目前應(yīng)用最廣泛的方法［2-4］。

在隧道中進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探測(cè)時(shí)，考慮到安全問題，人工震源通常采用低能量的爆破微震源，因此傳感器接收到的信號(hào)非常微弱，通常要求探測(cè)系統(tǒng)具備μV級(jí)信號(hào)采集能力。此外，要實(shí)現(xiàn)高分辨探測(cè)，通常要求進(jìn)行多通道的探測(cè)。對(duì)此，本文設(shè)計(jì)了一種高精度、多通道的隧道地震超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)具有一定的推動(dòng)意義。

1　系統(tǒng)方案

隧道地震預(yù)報(bào)法是利用地震反射波原理，在隧道隧洞洞壁布置一排人工震源，經(jīng)爆破激發(fā)地震波，在傳播過程中遇到波阻抗界面產(chǎn)生反射波，通過三分量傳感器接收反射波可以實(shí)現(xiàn)掌子面前方地質(zhì)異常的探測(cè)。根據(jù)其探測(cè)原理，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示，主要由三分量地震波傳感器、數(shù)據(jù)采集站、PC上位機(jī)3部分組成。

圖1　隧道地震超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)方案

在探測(cè)過程中，一般在掌子面后方的隧道側(cè)壁上鉆取一排炮孔，每個(gè)炮孔深度1m，間距1～1.5 m，微震炸藥被布置在炮孔的底部。多個(gè)三分量地震波傳感器則被分別安裝在震源后方的側(cè)壁上，傳感器與炮孔間的相對(duì)幾何關(guān)系可以通過事前測(cè)量獲取，并導(dǎo)入到PC機(jī)中；三分量地震波傳感器接收的地震波數(shù)據(jù)分別通過信號(hào)電纜傳入數(shù)據(jù)采集站進(jìn)行高準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，采集通道之間利用觸發(fā)器進(jìn)行同步；PC機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1三分量地震波傳感器

在傳統(tǒng)的地震勘探中，多采用單分量的地震檢波器，這種傳感器難以對(duì)地震波多個(gè)分量上的信息進(jìn)行分析，因此獲取的目標(biāo)信息有限。為此，本文采用了寬頻三分量地震傳感器，能夠同時(shí)記錄縱波、橫波、轉(zhuǎn)換波［5］，對(duì)掌子面前方的地震探測(cè)靈敏度更高。該類型傳感器與傳統(tǒng)的動(dòng)圈式檢波器不同，以MEMS加速度計(jì)為核心，同時(shí)增加了極化濾波器以消除瑞雷面波等干擾波，其探測(cè)頻率范圍可達(dá)到0.5～2000Hz，橫向靈敏度＜1%。在實(shí)際探測(cè)中，傳感器一般會(huì)放置到插入測(cè)量孔的套管中，為了更好地接收地震波信號(hào)，在傳感器與套管之間會(huì)增加樹脂耦合劑。

2.2數(shù)據(jù)采集站

數(shù)據(jù)采集站的組成如圖2所示，主要分為模擬板和數(shù)字板兩部分。模擬板用于對(duì)三分量傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、降噪及模數(shù)轉(zhuǎn)換；數(shù)字板用于模擬板的控制、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)。在本設(shè)計(jì)中，每塊模擬板可連接3個(gè)三分量地震波傳感器，則共有9個(gè)采集通道。同時(shí)為了考慮系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集通道的可擴(kuò)展性，在數(shù)字板中設(shè)計(jì)了冗余接口和存儲(chǔ)空間，最多可接入3塊模擬板，則最多可接入27個(gè)采集通道。

圖2　數(shù)據(jù)采集站結(jié)構(gòu)

2.2.1模擬板

由于在隧道地震信號(hào)采集中，傳感器不僅會(huì)接收有用的縱波、橫波、轉(zhuǎn)換波，還會(huì)引入瑞雷波以及其他施工設(shè)備所導(dǎo)致的干擾波；此外，隧道內(nèi)復(fù)雜的施工現(xiàn)場(chǎng)有大量的電力與儀器設(shè)備，也會(huì)帶來50Hz市電電磁干擾，因此需要在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前利用信號(hào)放大電路提取有用信號(hào)并壓制干擾信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用的是高精度24位ADC套片，包含∑-Δ調(diào)制器CS5371/CS5372和數(shù)字濾波器CS5376［6-7］。模擬板的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　模擬板電路結(jié)構(gòu)

隧道地震超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)并不占用掌子面，因此在實(shí)際作業(yè)中，為保證工程進(jìn)度，降低停工成本，其他工程裝備也會(huì)同時(shí)開機(jī)工作，這也造成隧道施工現(xiàn)場(chǎng)存在著大量的干擾：首先，強(qiáng)電工程設(shè)備會(huì)帶來大量的50Hz電磁干擾，而且在不同的工程階段和施工時(shí)間，50Hz干擾的情況也會(huì)不一樣；其次，大型工程設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生大量振動(dòng)干擾波；此外，爆破震源也會(huì)產(chǎn)生瑞雷波等干擾波。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的電磁干擾和干擾波，在設(shè)計(jì)中利用開關(guān)電容數(shù)字濾波器MAX263來進(jìn)行抑制。該濾波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，其最大的特點(diǎn)是可以通過管腳M0和M1配置成巴特沃茲、貝塞爾、切比雪夫類型的各種低通、高通、帶通、陷波、全通濾波器［8-9］，不同類型的濾波器可以通過后級(jí)的模擬開關(guān)來進(jìn)行切換；此外，還可以通過fclk和F0～F4控制濾波器的截止頻率，通過控制Q0～Q6來確定濾波器的品質(zhì)因素。由于該濾波器所有的參數(shù)都可以通過軟件進(jìn)行配置，因此操作人員可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的干擾情況來靈活設(shè)置。

圖4　MAX263數(shù)字濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在本設(shè)計(jì)中，采用了美國(guó)Cirrus Logic公司的地震專用模數(shù)轉(zhuǎn)換套片：∑-Δ調(diào)制器CS5371/CS5372和數(shù)字濾波器CS5376。CS5371/CS5372分別為單/雙通道的4階∑-Δ調(diào)制器，采用過采樣技術(shù)，能夠以很低的采樣分辨率（1位）和極高的采樣速率將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；由于每個(gè)地震波傳感器輸出了X、Y、Z 3個(gè)分量的信號(hào)，因此每個(gè)傳感器配置CS5371和CS5372各一片即可完成3個(gè)通道的轉(zhuǎn)換?！?Δ調(diào)制器雖然將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為了數(shù)字信號(hào)，但與此同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的高頻噪聲，因此后級(jí)需要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行抽取式低通濾波以降低該噪聲的影響。由于這種數(shù)字低通濾波器會(huì)降低模數(shù)轉(zhuǎn)換器的帶寬，使得數(shù)據(jù)輸出率低于原始采樣速率。

2.2.2數(shù)字板

數(shù)字板主要起到數(shù)據(jù)采集站的控制和數(shù)據(jù)預(yù)處理的作用，由FPGA和工控機(jī)組成，其內(nèi)部的數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖5所示。

圖5　數(shù)字板架構(gòu)

FPGA主要起到接口轉(zhuǎn)換與數(shù)字濾波的作用。由于CS5376為SPI串行輸出接口，因此在設(shè)計(jì)中利用FPGA進(jìn)行SPI接口與32-bit并行接口的轉(zhuǎn)換。雖然在模擬板中有MAX263開關(guān)電容濾波器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行直接調(diào)理，但是基于硬件電路的濾波器有其固有的性能限制［10］；在模數(shù)轉(zhuǎn)換中，CS5376也會(huì)進(jìn)行數(shù)字濾波，但該部分主要起到壓制高頻量化噪聲的作用，并不能對(duì)有用地震波信號(hào)頻帶附近的干擾信號(hào)進(jìn)行抑制，因此在FPGA中設(shè)計(jì)了FIR數(shù)字濾波器來進(jìn)一步提高信噪比。FIR濾波器利用Quartus軟件中自帶的IP核來設(shè)計(jì)，僅需設(shè)置FIR濾波器類型、階數(shù)、輸入和輸出接口位數(shù)即可。

在傳統(tǒng)的地球物理勘探儀器中多采用單片機(jī)或ARM來實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制，這一類控制芯片的優(yōu)點(diǎn)是功耗較低，可用于設(shè)計(jì)小型儀器，但也存在一系列問題：由于要進(jìn)行多通道地震波信號(hào)的快速采集與存儲(chǔ)，而單片機(jī)工作速度較慢，即使采用并行接口也很難保證采樣數(shù)據(jù)不丟包；開發(fā)此類芯片的軟件需要編寫底層驅(qū)動(dòng)，增加了軟件開發(fā)的復(fù)雜度。對(duì)此，本設(shè)計(jì)采用了基于X86架構(gòu)的工控機(jī)PC104，它與FPGA之間用高速并行的PCI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而提高了系統(tǒng)的整體處理速度，利用該平臺(tái)不需要針對(duì)PCI接口開發(fā)專門的底層驅(qū)動(dòng)程序，調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用程序接口即可。FPGA中的PCI總線接口程序同樣可以利用IP核自動(dòng)生成［11］。

3　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

PC上位機(jī)能夠?yàn)椴僮髡咛峁┤穗H交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集站的控制，包括前端人機(jī)交互界面和后臺(tái)控制程序，程序采用VB語言進(jìn)行編寫，其基本工作流程如圖6所示。1）系統(tǒng)上電后，程序發(fā)出各個(gè)硬件接口的初始化指令，并對(duì)模擬板和供電電源等進(jìn)行狀態(tài)自檢。2）讀取Flash中上一次測(cè)量的系統(tǒng)配置參數(shù)，對(duì)程控放大器、數(shù)字濾波器進(jìn)行初始化。3）爆破微震源布置完畢后，系統(tǒng)首先進(jìn)行試采樣，根據(jù)采樣情況自動(dòng)調(diào)整放大電路增益和通帶范圍。4）提示用戶系統(tǒng)狀態(tài)正常、參數(shù)配置完畢，可以進(jìn)行正式的探測(cè)。

圖6　系統(tǒng)工作流程圖

前端的控制界面主要分為數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集端狀態(tài)、數(shù)據(jù)保存3部分，可以進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)置與控制。

4　測(cè)　試

本系統(tǒng)在某高鐵隧道施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖7所示，圖7（a）～圖7（c）分別為x分量地震波成像圖、P波偏移剖面、P波反射層提取結(jié)果。1）在掌子面前方110，160m處左右均有較強(qiáng)的反射同相軸，綜合分析P波、SH波、SV波反射層中的縱橫波速度，可得出在該兩點(diǎn)均出現(xiàn)了破碎帶異常，這一探測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際鉆探巖芯結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證了分析結(jié)果的有效性；與傳統(tǒng)隧道超前預(yù)報(bào)儀器僅50m的探測(cè)距離相比，本系統(tǒng)顯著提高了探測(cè)距離。2）如圖7（c）所示，A處和B處中P波反射層分層線相隔距離均小于1m，這與傳統(tǒng)方法中5m的分辨率相比，提高了地質(zhì)體探測(cè)分辨率。

圖7　某高鐵隧道施工現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)結(jié)果

5　結(jié)束語

本文在地震反射信號(hào)探測(cè)理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種高分辨率隧道地震超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)。針對(duì)三分量傳感器輸出信號(hào)微弱的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以高精度24位ADC套片CS5371/CS5372和CS5376為核心的微弱信號(hào)調(diào)理電路，并通過硬件數(shù)字濾波器MAX263、FIR軟件數(shù)字濾波器進(jìn)一步提高信號(hào)的信噪比；通過基于VB的上位機(jī)控制軟件實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)的靈活設(shè)置與控制。在某隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的探測(cè)結(jié)果表明探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)距離達(dá)到160m，地震反射層分辨率小于1 m，在傳統(tǒng)隧道預(yù)報(bào)方法基礎(chǔ)上，提高了探測(cè)距離和分辨率，且不需要占用掌子面。

此外，為了提高探測(cè)分辨率，系統(tǒng)需要在抗干擾設(shè)計(jì)方面進(jìn)行優(yōu)化，以進(jìn)一步降低施工現(xiàn)場(chǎng)市電形成的強(qiáng)干擾。

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（編輯：莫婕）

Design of tunnel seismic prediction system with high resolution

LI Aiqiong1，WANG Chunming2
（1.College of Electronic Information Engineering，Wuhan Polytechnic，Wuhan 430074，China；2.Material&Engineering College，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

To overcome the shortages of traditional tunnel prediction methods，a new detection system based on tunnel seismic prediction was designed accordingly.The design principle of the system is to realize high-resolution acquisition of seismic reflective signals with artificial seismic sources，three-component seismic sensors and a high-precision 24-bit analog-to-digital converter. Moreover，human-computer interaction and system control were realized through VB-based PC control procedure.The results of filed test show that the detection results are basically consistent with the actual drilling results，a proof for the characteristics of the system such as long detection distance，high-precision and not occupying the working face.So it can be applied in concealed works of highway tunnels，railway tunnels and other infrastructures.

tunnel；prediction；seismic reflected signal；data acquisition

A

1674-5124（2016）05-0084-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.05.018

2015-11-10；

2016-01-07

國(guó)家自然科學(xué)基金儀器專項(xiàng)（40727001）中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（CUG110822）

黎愛瓊（1978-），女，講師，碩士，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。