地鐵隧道外破事件橫向定位方法的波速影響分析

鄢國(guó)柱 胡安東

摘? 要：利用分布式光纖傳感技術(shù)采集地鐵隧道沿線的振動(dòng)信號(hào)，可對(duì)地鐵隧道外破事件進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。對(duì)地鐵隧道周邊探測(cè)到的振動(dòng)源進(jìn)行橫向距離的定位，對(duì)施工事件的威脅等級(jí)進(jìn)行劃分，可以優(yōu)化測(cè)振系統(tǒng)的報(bào)警效果。振動(dòng)波在土壤中的傳播速度，是進(jìn)行振動(dòng)源橫向距離定位的關(guān)鍵因素，文章就波速對(duì)地鐵隧道外破事件橫向定位方法的影響進(jìn)行了探究，并設(shè)計(jì)了波速校準(zhǔn)方法。

關(guān)鍵詞：分布式光纖傳感；地鐵隧道；防破壞監(jiān)測(cè)；振源定位

中圖分類號(hào)：TP212；U231? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）04-0050-04

Analysis of Wave Velocity Influence of Transverse Location Method for Subway Tunnel Breaking Event

YAN Guozhu1， HU Andong2

（1.Wuhan Wutos Co.， Ltd.， Wuhan? 430223， China;

2.Hubei Communications Investment Technology Development Co.， Ltd.， Wuhan? 430034， China）

Abstract： The distributed optical-fiber sensing technology is used to collect the vibration signals along the subway tunnel， which can give a timely warning for the subway tunnel breaking event. The alarm effect of the vibration measurement system can be optimized by locating the vibration sources detected around the subway tunnel in the horizontal distance and dividing the threat level of construction events. The propagation speed of vibration wave in the soil is the key factor to locate the lateral distance of the vibration source. This paper probes into the influence of wave speed on the horizontal location method of the subway tunnel breaking event， and designs the wave speed calibration method.

Keywords： distributed optic-fiber sensing; subway tunnel; anti-damage monitoring; vibration source location

0? 引? 言

地鐵隧道位于城市地表之下，由于城市地表環(huán)境復(fù)雜多變，隨著城市的建設(shè)發(fā)展，存在眾多的施工情況，地鐵隧道的運(yùn)營(yíng)安全面臨著眾多外界施工的威脅，近年來(lái)，我國(guó)多地都已經(jīng)發(fā)生過(guò)地鐵隧道被擊穿的事故[1-5]。因此，及早地發(fā)現(xiàn)地鐵隧道周邊的第三方施工對(duì)地鐵隧道的破壞風(fēng)險(xiǎn)，安排相關(guān)人員及時(shí)的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督，是預(yù)防地鐵隧道外破事故發(fā)生的有效措施。

利用分布式光纖傳感技術(shù)空間和時(shí)間連續(xù)測(cè)量的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)地鐵隧道沿線的所有振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集和分析，對(duì)具有威脅性的施工信號(hào)及時(shí)的進(jìn)行預(yù)警，可作為對(duì)地鐵隧道進(jìn)行防破壞監(jiān)測(cè)的有效手段。但是由于城市環(huán)境的復(fù)雜多變，存在著眾多的施工情況，并且由于施工產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)通常都是非常強(qiáng)烈的，對(duì)于距離地鐵隧道百米外的施工振動(dòng)，由于分布式光纖傳感技術(shù)的高靈敏度特性，光纖測(cè)振系統(tǒng)都能明顯地探測(cè)到這樣的遠(yuǎn)距離振源產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)并發(fā)出報(bào)警信息。這樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生大量的報(bào)警，而其中有一部分的施工其實(shí)是對(duì)地鐵隧道不具有威脅性的。因此需要對(duì)地鐵隧道周邊探測(cè)到的振動(dòng)源進(jìn)行橫向距離的定位，對(duì)施工事件的威脅等級(jí)進(jìn)行劃分，以優(yōu)化測(cè)振系統(tǒng)的報(bào)警效果。振動(dòng)波在土壤中的傳播速度，是進(jìn)行振動(dòng)源橫向距離定位的關(guān)鍵因素，會(huì)直接影響振動(dòng)源橫向距離定位的準(zhǔn)確性，本文就波速對(duì)地鐵隧道外破事件橫向定位方法的影響進(jìn)行探究。

1? 振動(dòng)源橫向距離定位

利用光纖傳感分布式連續(xù)測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)，將振動(dòng)探測(cè)光纜布設(shè)于地鐵隧道頂部，采集地鐵隧道沿線的所有振動(dòng)信號(hào)。當(dāng)全段光纜共包含N個(gè)探測(cè)單元，這N個(gè)探測(cè)單元的位置是連續(xù)的，每個(gè)探測(cè)單元的序號(hào)代表了其對(duì)應(yīng)的空間位置。因此，分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)在每一時(shí)刻采集到的數(shù)據(jù)就是一個(gè)1行N列的矩陣。將各個(gè)時(shí)刻采集的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行拼接，即得到一段時(shí)間內(nèi)的全段振動(dòng)信號(hào)矩陣，此矩陣的橫軸為距離，縱軸為時(shí)間。光纖測(cè)振系統(tǒng)所采集的光纜沿線的振動(dòng)數(shù)據(jù)，即為進(jìn)行振動(dòng)源橫向距離定位的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

振動(dòng)源橫向距離定位方法是依據(jù)振動(dòng)波延遲模型[5]，如圖1所示，振動(dòng)波在土壤中的傳播速度為v，振動(dòng)波從振源點(diǎn)o發(fā)出，最先到達(dá)傳感光纜位于振動(dòng)源垂直距離位置的探測(cè)點(diǎn)d0，即傳感光纜上距離振源點(diǎn)o最近的探測(cè)點(diǎn)，記此垂直距離為H，記振動(dòng)波到探測(cè)點(diǎn)的時(shí)間為t0，對(duì)應(yīng)的，在傳感光纜的另一處位置的探測(cè)點(diǎn)d，隨后也會(huì)探測(cè)到從振源傳來(lái)的振動(dòng)波，記振動(dòng)波到探測(cè)點(diǎn)d的時(shí)間為t，由于振動(dòng)波是以圓形波陣面?zhèn)鞑サ模⑶乙阎綔y(cè)點(diǎn)d0到探測(cè)點(diǎn)d的距離，因此可以建立幾何關(guān)系式：

H2+（d-d0）2=（H+v（t-t0））2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

由式（1）可以得到：

（2）

可得振動(dòng)源到探測(cè)光纜的垂直距離H的計(jì)算公式：

（3）

式（3）即振動(dòng)波延遲模型函數(shù)，基于此函數(shù)，在已知振動(dòng)波在土壤中的傳播速度v的前提下，通過(guò)分析光纖測(cè)振系統(tǒng)所采集的一段空間連續(xù)光纜探測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)源到探測(cè)光纜的垂直距離H，即橫向距離的估測(cè)。

2? 信號(hào)采集

于2021年6月，在某地鐵隧道沿線完成了分布式光纖測(cè)振系統(tǒng)的布設(shè)和安裝，將振動(dòng)探測(cè)光纜固定于地鐵隧道頂部，采集地鐵隧道沿線的所有振動(dòng)信號(hào)，信號(hào)解調(diào)儀表放置于地鐵隧道的中控室。系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的隧道區(qū)間長(zhǎng)度約為10 km，全段光纜共包含1 000個(gè)探測(cè)單元，這1 000個(gè)探測(cè)單元的空間位置是連續(xù)的，每個(gè)探測(cè)單元的序號(hào)代表了其對(duì)應(yīng)的空間位置。分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)在每一時(shí)刻采集到的數(shù)據(jù)就是一個(gè)1行1 000列的矩陣。將各個(gè)時(shí)刻采集的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行拼接，即得到一段時(shí)間內(nèi)的全段振動(dòng)信號(hào)矩陣，此矩陣的橫軸代表距離，縱軸代表時(shí)間。

2.1? 信號(hào)采集

需要在已搭建好的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集。結(jié)合地鐵隧道沿線的實(shí)際情況選擇一處測(cè)試點(diǎn)，位于距離中控室9 km的位置，在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)，通過(guò)挖掘機(jī)鏟斗敲擊地面的方式，模擬機(jī)械施工行為，在采集每組機(jī)械激勵(lì)數(shù)據(jù)的同時(shí)，記錄此時(shí)挖掘機(jī)距離探測(cè)光纜上方的實(shí)際橫向距離。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試步驟：

（1）實(shí)驗(yàn)人員確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（2）場(chǎng)外實(shí)驗(yàn)人員到達(dá)測(cè)試地點(diǎn)后通知場(chǎng)內(nèi)系統(tǒng)操作人員。

（3）場(chǎng)外實(shí)驗(yàn)人員在實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)聽從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)錄制人員的指揮，在光纜上方采用鐵錘進(jìn)行連續(xù)5次每次間隔2 s的敲擊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位的確認(rèn)；直到實(shí)驗(yàn)錄制人員確認(rèn)并反饋了光纖點(diǎn)位，至此實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)確定；系統(tǒng)操作人員記錄測(cè)試地點(diǎn)的光纖點(diǎn)位和對(duì)應(yīng)的地理點(diǎn)位信息。

（4）場(chǎng)外人員先對(duì)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行距離初步測(cè)量和測(cè)試點(diǎn)標(biāo)記；以管道為參考點(diǎn)，垂直于管道標(biāo)定好測(cè)試位置，機(jī)械[10，20，30，40，50]米。

（5）場(chǎng)外實(shí)驗(yàn)人員在確認(rèn)和處理完實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作后，向系統(tǒng)操作人員報(bào)告準(zhǔn)備完畢，可以開始測(cè)試工作；系統(tǒng)操作人員開始進(jìn)行數(shù)據(jù)錄制并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員下達(dá)操作指令。

（6）場(chǎng)外實(shí)驗(yàn)人員在收到指令后開始在標(biāo)記點(diǎn)處進(jìn)行激勵(lì)，并隨時(shí)等候系統(tǒng)操作員反饋的報(bào)警信息情況，系統(tǒng)操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行報(bào)警結(jié)果反饋，并作好記錄工作。

（7）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，場(chǎng)外實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)管道巡護(hù)的要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)痕跡進(jìn)行回填和打掃收尾工作，收拾完成后按照數(shù)據(jù)錄制人員的要求進(jìn)行下一步工作。

我們于2021年6月和2021年11月，分別進(jìn)行了2次挖掘機(jī)位于多個(gè)不同的橫向距離模擬機(jī)械施工數(shù)據(jù)的采集。

測(cè)試信號(hào)采集時(shí)間節(jié)點(diǎn)的選?。涸跍y(cè)試信號(hào)采集時(shí)間節(jié)點(diǎn)之前，必須連續(xù)5天為晴天，以保證土壤的干濕狀態(tài)接近。

2.2? 橫向距離估算方法

每次的距離估算方式如下：

（1）將每次激勵(lì)信號(hào)圖塊分別進(jìn)行單個(gè)提取，同時(shí)根據(jù)測(cè)試記錄，標(biāo)記這個(gè)激勵(lì)信號(hào)的參考橫向距離。

（2）對(duì)于每次機(jī)械激勵(lì)振動(dòng)信號(hào)：對(duì)一段連續(xù)空間內(nèi)振動(dòng)波到達(dá)各個(gè)位置的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行定位，并確定離振源最近的位置，即激勵(lì)中心。激勵(lì)中心判斷計(jì)算方法：在激勵(lì)時(shí)間定位最靠前的幾個(gè)探測(cè)單元中，選取空間距離處于中值的位置。

（3）根據(jù)振動(dòng)延遲模型，將一段連續(xù)空間內(nèi)振動(dòng)波到達(dá)各個(gè)位置的時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，分別與振動(dòng)波到達(dá)對(duì)應(yīng)激勵(lì)中心時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行做差，之后取絕對(duì)值，則得到多組時(shí)間-點(diǎn)位數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)分別代入式（3）進(jìn)行計(jì)算，得到多個(gè)距離估值，再取平均值作為本次的距離估值。假設(shè)H真實(shí)值為40 m，d-d0真實(shí)值為30 m，即：t·v為50 m，（t-t0）·v為10 m（即50 m～40 m）。

分別假定波速實(shí)際值為140 m/s至180 m/s，將波速計(jì)算值140 m/s～240 m/s帶入公式進(jìn)行遍歷計(jì)算，如圖2所示，當(dāng)波速計(jì)算值變化30時(shí)，距離估算結(jié)果變化≥10 m。與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相符合。

3? 波速測(cè)試

3.1? 機(jī)械激勵(lì)樣本測(cè)試

對(duì)9 km同一位置，分別采集于2021年6月和2021年11月的兩組樣本進(jìn)行波速遍歷距離估算，波速依次設(shè)置為140 m/s至240 m/s進(jìn)行遍歷，按標(biāo)記的橫向距離分別統(tǒng)計(jì)結(jié)果（橫坐標(biāo)為波速，縱坐標(biāo)為距離估值，圖中深藍(lán)色橫線標(biāo)示了參考距離±10 m的區(qū)間范圍，亮藍(lán)色部分標(biāo)示了估算值均處于各個(gè)參考距離±10 m范圍內(nèi)的波速區(qū)間）：

6月采集的數(shù)據(jù)樣本，測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖2所示。

11月采集的數(shù)據(jù)樣本，測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

將6月采集的數(shù)據(jù)樣本和11月采集的數(shù)據(jù)樣本，在各個(gè)橫向距離下的適合波速區(qū)間，分析整理結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)于9 km同一位置，六月樣本合適的速度區(qū)間為179 m/s～200 m/s，十一月樣本合適的速度區(qū)間為147 m/s～167 m/s，兩個(gè)區(qū)間不存在重疊部分，十一月波速區(qū)間明顯小于六月波速區(qū)間。

3.2? 模擬計(jì)算

由式（3）可知，在同一位置進(jìn)行激勵(lì)測(cè)試時(shí)，采用波速v的數(shù)值越大，則橫向距離H的估算結(jié)果會(huì)相應(yīng)減小。假設(shè)H真實(shí)值為40 m，d-d0真實(shí)值為30 m，即：t·v為50 m，（t-t0）·v為10 m。

分別假定波速實(shí)際值為140 m/s～180 m/s，將波速計(jì)算值140 m/s～240 m/s帶入公式進(jìn)行遍歷計(jì)算，如圖5所示，當(dāng)波速計(jì)算值變化30時(shí)，距離估算結(jié)果變化≥10 m。

根據(jù)模擬遍歷計(jì)算結(jié)果，當(dāng)波速計(jì)算值變化30時(shí)，距離估算結(jié)果變化≥10 m，此結(jié)論與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相符合。

3.3? 波速校準(zhǔn)方法設(shè)計(jì)

從不同采樣時(shí)間來(lái)看，十一月波速區(qū)間明顯小于六月波速區(qū)間，不存在重合范圍。分析其原因，十一月處于秋冬季節(jié)，而六月處于夏季，存在有明顯的溫度差異。在測(cè)試信號(hào)采集時(shí)間節(jié)點(diǎn)之前，連續(xù)5天為晴天，因此土壤的干濕狀態(tài)應(yīng)該接近。因此，當(dāng)土壤狀態(tài)因天氣、季節(jié)、溫度、濕度等因素發(fā)生變化時(shí)，需要再次采樣激勵(lì)信號(hào)，對(duì)當(dāng)?shù)赝寥啦ㄋ贁?shù)值進(jìn)行校準(zhǔn)，以提高橫向距離估算的準(zhǔn)確度。

在已知激勵(lì)位置距離光纖橫向距離的情況下，根據(jù)不同光纖橫向距離采集的激勵(lì)振動(dòng)信號(hào)樣本，可以對(duì)相應(yīng)位置此時(shí)的振動(dòng)波速進(jìn)行估算校準(zhǔn)。步驟如下：

（1）在距離光纜橫向10 m、20 m、30 m、40 m、50 m位置，依次進(jìn)行機(jī)械激勵(lì)，采集振動(dòng)信號(hào)樣本。

（2）從140 m/s～240 m/s，依次設(shè)置波速v的數(shù)值，帶入樣本信號(hào)的橫向距離估值計(jì)算。

（3）根據(jù)距離估值與參考距離之間的差異，確定合適的振動(dòng)波速區(qū)間，對(duì)此位置此時(shí)的振動(dòng)波速進(jìn)行校準(zhǔn)。

4? 結(jié)? 論

分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)具有空間和時(shí)間連續(xù)測(cè)量的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以連續(xù)實(shí)時(shí)地對(duì)地鐵隧道沿線的所有振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集和分析。對(duì)地鐵隧道周邊探測(cè)到的振動(dòng)源進(jìn)行橫向距離的定位，對(duì)施工事件的威脅等級(jí)進(jìn)行劃分，可以優(yōu)化測(cè)振系統(tǒng)的報(bào)警效果。振動(dòng)波在土壤中的傳播速度，是進(jìn)行振動(dòng)源橫向距離定位的關(guān)鍵因素，會(huì)直接影響振動(dòng)源橫向距離定位的準(zhǔn)確性，本文就波速對(duì)地鐵隧道外破事件橫向定位方法的影響進(jìn)行了探究。土壤狀態(tài)因天氣、季節(jié)、溫度、濕度等因素發(fā)生變化時(shí)，振動(dòng)波在土壤中的傳播速度也會(huì)受到影響。本文設(shè)計(jì)了波速校準(zhǔn)方法。當(dāng)土壤狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，需要再次采樣激勵(lì)信號(hào)，對(duì)當(dāng)?shù)赝寥啦ㄋ贁?shù)值進(jìn)行校準(zhǔn)，以提高橫向距離估算的準(zhǔn)確度。

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作者簡(jiǎn)介：鄢國(guó)柱（1988.10—），男，漢族，湖北天門人，中級(jí)工程師，本科，研究方向：光纖通信；胡安東（1988.12—），男，漢族，安徽安慶人，中級(jí)工程師，本科，研究方向：電子技術(shù)。

收稿日期：2022-10-03