高分辨率隧道地震超前預報系統(tǒng)

黎愛瓊，王春明

（1.武漢職業(yè)技術學院電子信息工程學院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430074）

高分辨率隧道地震超前預報系統(tǒng)

黎愛瓊1，王春明2

（1.武漢職業(yè)技術學院電子信息工程學院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430074）

針對傳統(tǒng)超前預報方法存在占用掌子面、探測距離有限等不足，設計一種基于隧道地震超前預報方法的探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過人工震源和三分量傳感器陣列、高準確度24位數(shù)模轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)地震反射信號的高準確度采集；通過基于VB的上位機控制程序以實現(xiàn)人機交互和系統(tǒng)控制。現(xiàn)場測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的探測結(jié)果與實際鉆探結(jié)果基本一致，驗證該系統(tǒng)具有探測距離遠、分辨率高、不占用掌子面等突出特點，可在公路和鐵路隧道等隱蔽工程建設中應用。

隧道；超前預報；地震反射信號；數(shù)據(jù)采集

0　引　言

隨著我國基礎工程建設的飛速發(fā)展，越來越多的高速公路和鐵路建設在地質(zhì)條件復雜的邊遠山區(qū)開展，使得隧道施工在整個工程建設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)災害，這不僅會滯后施工進度，也可能導致嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，在隧道施工期間，非常有必要對掌子面前方的地質(zhì)情況進行超前預報。

20世紀70年代，美國提出利用地球物理方法進行隧道地質(zhì)超前預報，包括電法和地震反射法。對于電法，通常需要占用掌子面，且探測距離一般不會超過50m。地震反射類方法是目前的主流方法，有美國NSA公司提出的反射地震層析成像方法、中國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報法等；其中，前面兩種方法雖然定位精度較高，但需要占用掌子面，而隧道地震預報則不需要占用掌子面，對大型不良地質(zhì)體有較好的探測效果，是我國目前應用最廣泛的方法［2-4］。

在隧道中進行地質(zhì)超前預報探測時，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非常微弱，通常要求探測系統(tǒng)具備μV級信號采集能力。此外，要實現(xiàn)高分辨探測，通常要求進行多通道的探測。對此，本文設計了一種高精度、多通道的隧道地震超前預報系統(tǒng)，對隧道地質(zhì)超前預報技術具有一定的推動意義。

1　系統(tǒng)方案

隧道地震預報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現(xiàn)掌子面前方地質(zhì)異常的探測。根據(jù)其探測原理，系統(tǒng)方案設計如圖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3部分組成。

圖1　隧道地震超前預報系統(tǒng)方案

在探測過程中，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幾何關系可以通過事前測量獲取，并導入到PC機中；三分量地震波傳感器接收的地震波數(shù)據(jù)分別通過信號電纜傳入數(shù)據(jù)采集站進行高準確度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，采集通道之間利用觸發(fā)器進行同步；PC機實現(xiàn)整個預報系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)預處理。

2　硬件設計

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，這種傳感器難以對地震波多個分量上的信息進行分析，因此獲取的目標信息有限。為此，本文采用了寬頻三分量地震傳感器，能夠同時記錄縱波、橫波、轉(zhuǎn)換波［5］，對掌子面前方的地震探測靈敏度更高。該類型傳感器與傳統(tǒng)的動圈式檢波器不同，以MEMS加速度計為核心，同時增加了極化濾波器以消除瑞雷面波等干擾波，其探測頻率范圍可達到0.5～2000Hz，橫向靈敏度＜1%。在實際探測中，傳感器一般會放置到插入測量孔的套管中，為了更好地接收地震波信號，在傳感器與套管之間會增加樹脂耦合劑。

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。模擬板用于對三分量傳感器輸出的微弱信號進行放大、降噪及模數(shù)轉(zhuǎn)換；數(shù)字板用于模擬板的控制、數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)本地存儲。在本設計中，每塊模擬板可連接3個三分量地震波傳感器，則共有9個采集通道。同時為了考慮系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集通道的可擴展性，在數(shù)字板中設計了冗余接口和存儲空間，最多可接入3塊模擬板，則最多可接入27個采集通道。

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采集中，傳感器不僅會接收有用的縱波、橫波、轉(zhuǎn)換波，還會引入瑞雷波以及其他施工設備所導致的干擾波；此外，隧道內(nèi)復雜的施工現(xiàn)場有大量的電力與儀器設備，也會帶來50Hz市電電磁干擾，因此需要在進行模數(shù)轉(zhuǎn)換前利用信號放大電路提取有用信號并壓制干擾信號。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)

隧道地震超前預報系統(tǒng)并不占用掌子面，因此在實際作業(yè)中，為保證工程進度，降低停工成本，其他工程裝備也會同時開機工作，這也造成隧道施工現(xiàn)場存在著大量的干擾：首先，強電工程設備會帶來大量的50Hz電磁干擾，而且在不同的工程階段和施工時間，50Hz干擾的情況也會不一樣；其次，大型工程設備也會產(chǎn)生大量振動干擾波；此外，爆破震源也會產(chǎn)生瑞雷波等干擾波。針對現(xiàn)場復雜的電磁干擾和干擾波，在設計中利用開關電容數(shù)字濾波器MAX263來進行抑制。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的模擬開關來進行切換；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)都可以通過軟件進行配置，因此操作人員可以根據(jù)現(xiàn)場的干擾情況來靈活設置。

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

在本設計中，采用了美國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，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轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；由于每個地震波傳感器輸出了X、Y、Z 3個分量的信號，因此每個傳感器配置CS5371和CS5372各一片即可完成3個通道的轉(zhuǎn)換。∑-Δ調(diào)制器雖然將模擬信號轉(zhuǎn)化為了數(shù)字信號，但與此同時會產(chǎn)生大量的高頻噪聲，因此后級需要對數(shù)字信號進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)預處理的作用，由FPGA和工控機組成，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，因此在設計中利用FPGA進行SPI接口與32-bit并行接口的轉(zhuǎn)換。雖然在模擬板中有MAX263開關電容濾波器對模擬信號進行直接調(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也會進行數(shù)字濾波，但該部分主要起到壓制高頻量化噪聲的作用，并不能對有用地震波信號頻帶附近的干擾信號進行抑制，因此在FPGA中設計了FIR數(shù)字濾波器來進一步提高信噪比。FIR濾波器利用Quartus軟件中自帶的IP核來設計，僅需設置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或ARM來實現(xiàn)對儀器的控制，這一類控制芯片的優(yōu)點是功耗較低，可用于設計小型儀器，但也存在一系列問題：由于要進行多通道地震波信號的快速采集與存儲，而單片機工作速度較慢，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，增加了軟件開發(fā)的復雜度。對此，本設計采用了基于X86架構(gòu)的工控機PC104，它與FPGA之間用高速并行的PCI接口進行數(shù)據(jù)傳輸，從而提高了系統(tǒng)的整體處理速度，利用該平臺不需要針對PCI接口開發(fā)專門的底層驅(qū)動程序，調(diào)用相應的應用程序接口即可。FPGA中的PCI總線接口程序同樣可以利用IP核自動生成［11］。

3　上位機軟件設計

PC上位機能夠為操作者提供人際交互界面，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集站的控制，包括前端人機交互界面和后臺控制程序，程序采用VB語言進行編寫，其基本工作流程如圖6所示。1）系統(tǒng)上電后，程序發(fā)出各個硬件接口的初始化指令，并對模擬板和供電電源等進行狀態(tài)自檢。2）讀取Flash中上一次測量的系統(tǒng)配置參數(shù)，對程控放大器、數(shù)字濾波器進行初始化。3）爆破微震源布置完畢后，系統(tǒng)首先進行試采樣，根據(jù)采樣情況自動調(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，可以進行正式的探測。

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)設置、數(shù)據(jù)采集端狀態(tài)、數(shù)據(jù)保存3部分，可以進行系統(tǒng)的設置與控制。

4　測　試

本系統(tǒng)在某高鐵隧道施工現(xiàn)場進行了測試，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，可得出在該兩點均出現(xiàn)了破碎帶異常，這一探測結(jié)果與現(xiàn)場的實際鉆探巖芯結(jié)果基本一致，從而驗證了分析結(jié)果的有效性；與傳統(tǒng)隧道超前預報儀器僅50m的探測距離相比，本系統(tǒng)顯著提高了探測距離。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)體探測分辨率。

圖7　某高鐵隧道施工現(xiàn)場探測結(jié)果

5　結(jié)束語

本文在地震反射信號探測理論的基礎上，設計了一種高分辨率隧道地震超前預報系統(tǒng)。針對三分量傳感器輸出信號微弱的特點，設計了以高精度24位ADC套片CS5371/CS5372和CS5376為核心的微弱信號調(diào)理電路，并通過硬件數(shù)字濾波器MAX263、FIR軟件數(shù)字濾波器進一步提高信號的信噪比；通過基于VB的上位機控制軟件實現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)的靈活設置與控制。在某隧道施工現(xiàn)場的探測結(jié)果表明探測系統(tǒng)的探測距離達到160m，地震反射層分辨率小于1 m，在傳統(tǒng)隧道預報方法基礎上，提高了探測距離和分辨率，且不需要占用掌子面。

此外，為了提高探測分辨率，系統(tǒng)需要在抗干擾設計方面進行優(yōu)化，以進一步降低施工現(xiàn)場市電形成的強干擾。

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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

國家自然科學基金儀器專項（40727001）中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目（CUG110822）

黎愛瓊（1978-），女，講師，碩士，研究方向為檢測技術與自動化裝置。