公路隧道微震監測信號到時拾取研究

李 衛

(中電建路橋集團有限公司，北京 100083)

微震波到時拾取研究是微震監測信號分析的首要工作，是微震定位、巖體破裂機理分析準確性的前提[1]。但由于隧道等工程的監測環境復雜，巖石破裂的有效信號極易受到爆破、打孔等現場施工、人員活動、機械作業等的干擾，致使難以精確拾取微震信號的到時[2]。

本文通過分析微震波的波形特征，對比多種到時拾取方法優缺點，對提高微震定位的精確性與時效性以及保證微震監測安全預警有重要的指導意義。

1 依托工程簡介

云南省昆明市晉寧縣至玉溪的紅塔區的高速公路(晉紅高速公路)，線路設計寬度33.5 m，雙向六車道，走向為由北向南，全線長49.755 km。光山1號隧道單幅長約3 335 m，是晉紅高速的重點控制性工程。該隧道地質情況復雜，施工難度大，為使隧道安全質量以及生產進度得到保障，引入“高精度微震監測預警設備”，對復雜不良地質段圍巖情況進行實時反映預測。光山1號隧道穿越區地層主要為灰巖、板巖，屬構造剝蝕低中山地貌，地形起伏較大。進口段斜坡一般坡度25°～40°，出口段斜坡一般坡度10°～20°，主要為山地，植被茂盛。在區域上位于揚子板塊次級構造單元康滇古隆起，位于經向構造體系的小江斷裂與安寧河斷裂間，新構造運動強烈，主要表現為地殼抬升及地震活動，斷裂、褶皺構造發育。

通過現場調查，發現掌子面圍巖潮濕，碎裂狀結構，裂隙發育，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，結合一般，巖體完整性一般，自穩性較差，按照圍巖等級判別標準屬于Ⅳ級圍巖(見圖1)。

2 微震的波形特征

巖體內部發生破裂時，微震波主要以應力波的形式向外傳播能量。微震波在復雜多變的巖體介質中傳播時，受到爆破、打孔等現場施工、人員活動、機械作業等的干擾，致使微震波的頻譜存在較大的頻帶差異。

根據李智敏等[3]對微震信號的相關表述，微震信號不會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，最先抵達監測站點，被檢波器記錄下，并用以實時定位分析及地質災害預警。因此，本文中的微震波到時拾取研究指的是P波到時拾取。

圖2給出的是晉紅高速光山1號隧道的微震監測信號(左側)及其短時傅里葉變換(漢寧窗)后頻帶分布圖(右側)，圖2a)，圖2b)為受不同強度噪聲干擾的微震信號，圖2c)為現場爆破信號。朱權潔等[4，5]采用小波包分析爆破震動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、爆破震動與巖體破裂的復合信號，頻譜上同一時刻上會出現多個主頻帶(圖2b)，50 Hz的巖體破裂信號與200 Hz的爆破震動干擾)。與低頻的地震信號和高頻的聲發射信號相比，微震信號的頻率范圍為0 Hz～104Hz(據李庶林[6])。

此外，微震信號在介質傳播及檢波器接收過程中均存在頻率衰減，當震源距離足夠大時，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，可達上百赫茲，易受到噪聲的掩蓋與頻率的干擾嚴重(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 微震波到時拾取綜合分析法

為了獲得準確的P波到時，單一的到時拾取方法均存在局限性，多種理論相結合的綜合拾取方法更具有廣泛適用性。通過分析運用到時拾取方法的優點，巧妙地避開各自的缺點，利用數學變換、神經網絡、分形維等理論對微震信號進行多層次處理，結合傳統簡單的拾取方法(STA/LTA法、AIC法)，獲取更加精準的微震到時。目前，綜合分析法有：STA/LTA閾值的AIC法，小波變換的AIC拾取法，矩形窗高階統計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，拾取曲線均進行歸一化處理。從圖3可看出，相對單一的拾取方法，經過小波多層分解后拾取的到時具有多層對比、準確可靠的優點，而且還可從分解后的細節信號與近似信號進行對比分析。

表1給出的是各種到時拾取方法研究拾取精度對比數據。其中，以STA/LTA閾值的AIC法到時拾取最為準確。該方法是通過設定初始能量閾值，根據STA/LTA法確定的微震到時及微震波能量寬度，確定AIC法時窗的中心位置及其寬度，采用AIC法獲取精確到時。從分析結果可以看出，閾值AIC法既能提高到時的準確性，保證現場工程監測微震定位精度，又能免除冗繁的數學變換，滿足了工程應用上時效性要求，是公路隧道工程中微震監測技術中首選的方法。

表1 各種到時拾取方法拾取結果對比

4 結論

綜合微震信號的波形特征、微震波到時拾取方法的優缺點以及依托工程的微震信號分析結果，可得出以下結論：

1)以小波變換為基礎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，但小波變換分解尺度的選擇以及正交基的構造缺乏理論依據。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的小波正交基信號分析模型。

2)微震監測數據量大，快速、準確的處理數據成為工程應用上的必然要求，尤其是地質災害(礦壓、巖爆等)預警與控制工程。以傅里葉或小波變換為基礎的綜合分析方法較為繁冗，適合實驗室內波形數據解析，不適合工程實踐應用。STA/LTA法與AIC法處理數據速度快，但又缺乏精確度。據此，將STA/LTA法與AIC法有機結合，實現數據的快速處理與高效微震定位，更具有工程應用價值。