隧道巖爆地質(zhì)災(zāi)害微震監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及巖爆信號分類研究

中圖分類號：TQ178；TP277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2025）07-0160-04

Abstract：The signal preprocessing and noise reduction analysis methods of tunnel rock burst were mainly discussed，aiming to extract efective sound signal informationand identifyrock burst signals.The sound signals，including steps such as pre-emphasis，framing，windowing，and endpoint detection，were pre-processed. Diferent types of noise signals，such astruck transportation noise，concretebreaking noise，blasting noise and drilling noise，were distinguishdand identified.According to the diferentamplitude ranges，the light，medium and strong rock bursts were classified，and the signal graphics after noise reduction were displayed.

Key words ：double-track tunnels;； geological hazards ;rock burst; micro-seismic monitoring;performance testing

隧道工程中，巖爆地質(zhì)災(zāi)害對工程安全和人員生命安全造成嚴(yán)重威脅，相關(guān)研究眾多。曾俊等研究了基于微震監(jiān)測的鉆爆法施工隧道圍巖穩(wěn)定性綜合判斷方法[1]。馬佳驥等基于LSTM模型預(yù)測巖爆微震參數(shù)[2]。李名川等研究了深部地下實驗室擴(kuò)挖巖爆監(jiān)測與防控技術(shù)[3]。洪開榮探討了超長深埋高地應(yīng)力TBM 隧道修建技術(shù)[4]。姚志賓等開發(fā)了巖爆數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，為深部巖體工程災(zāi)害研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和參考[5]。本研究旨在通過對聲音信號的分析和處理，實現(xiàn)對隧道巖爆地質(zhì)災(zāi)害的實時監(jiān)測與預(yù)警。

1隧道微震監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

巖爆現(xiàn)場中，不同的材料破壞和機(jī)械設(shè)備工作會產(chǎn)生多樣性的聲音信號。通過采集和分析這些聲音信號，可以確定不同類型聲音的頻率、幅度、持續(xù)時間等特征，為后續(xù)巖爆監(jiān)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。基于此，本研究根據(jù)田灣核電站5、6號機(jī)組引水隧道，設(shè)計了一套雙線隧道微震監(jiān)測系統(tǒng)，包括傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理單元和監(jiān)測中心。就此方面，也有較多先行研究分析不同類型案例項目的巖爆檢測手段。李立民研究了秦嶺輸水隧洞微震活動特征，分析了微震與巖爆風(fēng)險的關(guān)系 ^[6] 。李利平等綜述了深部重大工程災(zāi)害監(jiān)測與防控技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[7]。王強(qiáng)等設(shè)計了特長深埋隧道的無線微震實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[8]。韓侃等利用微震監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測川藏鐵路隧道巖體破裂，建立微震信息的巖爆預(yù)測評價機(jī)制[9]。肖亞勛等研究深埋隧道巖爆的微震主頻演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)TBM和鉆爆法施工下巖爆微震特征不同[10]。對本文的案例分析而言，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有：

如圖1所示，隧道微震監(jiān)測系統(tǒng)依賴于微震采集工作站工作，并將之?dāng)?shù)據(jù)匯集到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。采集系統(tǒng)對大量加速度傳感器進(jìn)行時間同步，同時利用遠(yuǎn)程無線傳輸系統(tǒng)保持信號暢通，從而檢測掌握系統(tǒng)內(nèi)的震動感知情況，基于此進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

田灣核電站5#、6#機(jī)組引水隧道為雙線隧道（1#引水洞與2#引水洞），最近點間隔6.5m。隧洞圍巖巖性大部分為微風(fēng)化二長淺粒巖，其巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為166.5MPa，屬于堅硬巖，結(jié)構(gòu)類型為塊狀。圍巖最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力相差較大，顯示出很強(qiáng)的方向性。

本文旨在創(chuàng)建的一個隧道巖爆地質(zhì)災(zāi)害雙線隧道微震監(jiān)測系統(tǒng)，是通過結(jié)合計算機(jī)自動化和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)對隧道微震情況和巖爆風(fēng)險的智能監(jiān)測和預(yù)警。為了保證系統(tǒng)的高內(nèi)聚和低耦合，系統(tǒng)將采用3層架構(gòu)，包括表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。硬件構(gòu)成方面，隧道微震監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵組件包括微震采集工作站（主機(jī)）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加速度傳感器（單軸或多軸）、時間同步源和遠(yuǎn)程無線傳輸系統(tǒng)等部分。

2 降噪分析

2.1聲音信號的區(qū)分

一系列微震信號的檢測是隧道巖爆災(zāi)害檢測的重點，這方面已有較多先行研究討論。李桐等研究深埋隧道巖爆位置偏轉(zhuǎn)過程中微震活動的特征，分析巖爆位置偏轉(zhuǎn)的原因[11]。分析支持微震信號監(jiān)測過程中，可能會受到各種其他噪聲信號的干擾，這些噪聲信號來自于深埋隧道掘進(jìn)工程中的各種施工活動，如交流聲、巖石破裂聲、電氣噪聲、鉆機(jī)聲、機(jī)械振動和材料破壞聲等。為了從這些復(fù)雜的環(huán)境噪聲中提取出巖爆信號，需要對這些噪聲進(jìn)行分析和處理，以便將巖爆信號與其他信號分離開來。

2.2 貨車運(yùn)輸噪音

隧道和地下工程施工過程中，常常伴隨著貨車運(yùn)輸工作，將材料進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)和清理。實際收集的貨車運(yùn)輸聲音信號經(jīng)過波形分析和頻譜分析后，呈現(xiàn)出一定的周期變化規(guī)律，最大幅值和周期長度會隨著車輛發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的變化而變化。

如圖2所示，貨車引擎信號的周期較短、幅值較小，這種聲音特點與車輛發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度密切相關(guān)，尤其在平直路段行駛時，周期性變化更加明顯。

2.3混凝土斷裂噪音

混凝土在隧道工程開挖支護(hù)過程中扮演重要角色，但在巖爆發(fā)生過程支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時，混凝土往往也會發(fā)生破壞，產(chǎn)生獨(dú)特的聲音信號。

如圖3所示，混凝土斷裂信號最大幅值顯著較高，持續(xù)時間相對較短，但具有顯著的單一峰上升與下降過程，提升這種破壞過程是非瞬時性的，破壞持續(xù)時間相對較長。

3 巖爆類型區(qū)分

3.1巖爆信號分類概述

從復(fù)雜的環(huán)境中分離巖爆信號需要對各種噪聲信號進(jìn)行詳細(xì)的分析和處理。這需要結(jié)合聲音信號處理的知識和技術(shù)，以及對巖爆信號和其他噪聲信號的深人理解，來實現(xiàn)有效的分離和提取。鄭恩文對長距離管道的泄露信號和檢測進(jìn)行分析[12]。岳輝對地震動信號檢測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，相應(yīng)討論其傳感器布設(shè)和信號分析[13]。于洋等通過微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析不同開挖方式下巖爆的能量分布特征，為高地應(yīng)力條件下巖爆動態(tài)預(yù)警體系的建立提供指導(dǎo)[14]。本文通過環(huán)境整體空間結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)格化處理，此類巖爆的擴(kuò)散速度、范圍和方向性均可以得到進(jìn)一步闡明，實驗中捕捉到的巖石中傳播巖爆信號如圖4所示；有限尺度內(nèi)，其擴(kuò)散過程結(jié)果如圖5所示。

×10\"2.0510520230354450 181.6區(qū)回 110.80.60.40.202004006008001000時間步數(shù)

如圖4、圖5所示，信號識別方面，系統(tǒng)展現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確率，并成功過濾了大部分噪聲，突出了巖爆信號的特征。這有助于工程人員及時采取必要措施來應(yīng)對潛在風(fēng)險。

3.2 輕微巖爆

輕微巖爆的降噪信號圖形如圖6所示。

如圖6所示，輕微巖爆通常表現(xiàn)為聲音信號的幅值相對較低，幅值低于2。降噪圖形表示對這種信號進(jìn)行降噪處理后的結(jié)果，可以過濾掉一些噪聲，突出巖爆信號的特征。在降噪圖形中，巖爆信號可能會更加清晰地顯示出來，其中少量劇烈波動可能來自于傳感器震動，整體波形則提取了巖爆后的部分持續(xù)巖層應(yīng)力釋放過程，此類降噪結(jié)果有助于準(zhǔn)確識別輕微巖爆事件。

3.3 中等巖爆

中等巖爆降噪信號如圖7所示。

如圖7所示，中等巖爆通常表現(xiàn)為聲音信號的幅值處于中等水平，在2到5之間。這種巖爆事件的信號相對較強(qiáng)，包含一些較明顯的能量成分，且捕捉較晚。通過對中等巖爆信號進(jìn)行分析，可以更準(zhǔn)確地判斷巖石破裂程度和可能的風(fēng)險程度，對于孔隙水等其他巖爆危險因素進(jìn)行預(yù)測和識別。

3.4 強(qiáng)烈?guī)r爆

強(qiáng)烈?guī)r爆降噪信號如圖8所示。

如圖8所示，強(qiáng)烈?guī)r爆通常表現(xiàn)為聲音信號的幅值較高，甚至可以達(dá)到10或更高。這種巖爆事件的信號能量非常強(qiáng)大，可能伴隨著顯著的能量釋放和巖石破裂現(xiàn)象。強(qiáng)烈?guī)r爆可能會對工程施工產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此對這種類型的巖爆信號進(jìn)行分析和預(yù)測至關(guān)重要。

4結(jié)語

本文提出的聲音信號預(yù)處理和降噪分析方法在巖爆信號監(jiān)測與分析中具有重要意義。通過預(yù)處理，有效地提取了巖爆信號的信息，為后續(xù)的分析和處理奠定了基礎(chǔ)。降噪分析方法能夠從復(fù)雜的環(huán)境噪聲中分離出巖爆信號，并通過不同類型噪聲的特征分析，為巖爆信號的識別提供了有力支持，綜合結(jié)果可以看到監(jiān)測系統(tǒng)在識別、分類和預(yù)防不同級別巖爆事件方面取得了良好表現(xiàn)。

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