高分辨率隧道地震超前預報系統

黎愛瓊，王春明

（1.武漢職業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

黎愛瓊1，王春明2

（1.武漢職業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。該系統通過人工震源和三分量傳感器陣列、高準確度24位數模轉換器來實現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人機交互和系統控制。現場測試結果表明，該系統的探測結果與實際鉆探結果基本一致，驗證該系統具有探測距離遠、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；數據采集

0　引　言

隨著我國基礎工程建設的飛速發展，越來越多的高速公路和鐵路建設在地質條件復雜的邊遠山區開展，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，由于前方的地質情況不明，經常會遭遇破碎帶、溶洞和暗河等不良地質體誘發的突水、塌方等地質災害，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，通常要求探測系統具備μV級信號采集能力。此外，要實現高分辨探測，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，對隧道地質超前預報技術具有一定的推動意義。

1　系統方案

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，經爆破激發地震波，在傳播過程中遇到波阻抗界面產生反射波，通過三分量傳感器接收反射波可以實現掌子面前方地質異常的探測。根據其探測原理，系統方案設計如圖1所示，主要由三分量地震波傳感器、數據采集站、PC上位機3部分組成。

圖1　隧道地震超前預報系統方案

在探測過程中，一般在掌子面后方的隧道側壁上鉆取一排炮孔，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據分別通過信號電纜傳入數據采集站進行高準確度數據轉換，采集通道之間利用觸發器進行同步；PC機實現整個預報系統的控制和數據預處理。

2　硬件設計

2.1三分量地震波傳感器

在傳統的地震勘探中，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數據采集站

數據采集站的組成如圖2所示，主要分為模擬板和數字板兩部分。模擬板用于對三分量傳感器輸出的微弱信號進行放大、降噪及模數轉換；數字板用于模擬板的控制、數字信號處理、數據本地存儲。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。同時為了考慮系統數據采集通道的可擴展性，在數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　數據采集站結構

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，隧道內復雜的施工現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轉換前利用信號放大電路提取有用信號并壓制干擾信號。模數轉換電路采用的是高精度24位ADC套片，包含∑-Δ調制器CS5371/CS5372和數字濾波器CS5376［6-7］。模擬板的結構如圖3所示。

圖3　模擬板電路結構

隧道地震超前預報系統并不占用掌子面，因此在實際作業中，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生大量振動干擾波；此外，爆破震源也會產生瑞雷波等干擾波。針對現場復雜的電磁干擾和干擾波，在設計中利用開關電容數字濾波器MAX263來進行抑制。該濾波器的內部結構如圖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因素。由于該濾波器所有的參數都可以通過軟件進行配置，因此操作人員可以根據現場的干擾情況來靈活設置。

圖4　MAX263數字濾波器內部結構

在本設計中，采用了美國Cirrus Logic公司的地震專用模數轉換套片：∑-Δ調制器CS5371/CS5372和數字濾波器CS5376。CS5371/CS5372分別為單/雙通道的4階∑-Δ調制器，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化為數字信號；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個通道的轉換。∑-Δ調制器雖然將模擬信號轉化為了數字信號，但與此同時會產生大量的高頻噪聲，因此后級需要對數字信號進行抽取式低通濾波以降低該噪聲的影響。由于這種數字低通濾波器會降低模數轉換器的帶寬，使得數據輸出率低于原始采樣速率。

2.2.2數字板

數字板主要起到數據采集站的控制和數據預處理的作用，由FPGA和工控機組成，其內部的數據架構如圖5所示。

圖5　數字板架構

FPGA主要起到接口轉換與數字濾波的作用。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］；在模數轉換中，CS5376也會進行數字濾波，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、輸入和輸出接口位數即可。

在傳統的地球物理勘探儀器中多采用單片機或ARM來實現對儀器的控制，這一類控制芯片的優點是功耗較低，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據不丟包；開發此類芯片的軟件需要編寫底層驅動，增加了軟件開發的復雜度。對此，本設計采用了基于X86架構的工控機PC104，它與FPGA之間用高速并行的PCI接口進行數據傳輸，從而提高了系統的整體處理速度，利用該平臺不需要針對PCI接口開發專門的底層驅動程序，調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，實現對數據采集站的控制，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）系統上電后，程序發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自檢。2）讀取Flash中上一次測量的系統配置參數，對程控放大器、數字濾波器進行初始化。3）爆破微震源布置完畢后，系統首先進行試采樣，根據采樣情況自動調整放大電路增益和通帶范圍。4）提示用戶系統狀態正常、參數配置完畢，可以進行正式的探測。

圖6　系統工作流程圖

前端的控制界面主要分為數據采集參數設置、數據采集端狀態、數據保存3部分，可以進行系統的設置與控制。

4　測　試

本系統在某高鐵隧道施工現場進行了測試，結果如圖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了破碎帶異常，這一探測結果與現場的實際鉆探巖芯結果基本一致，從而驗證了分析結果的有效性；與傳統隧道超前預報儀器僅50m的探測距離相比，本系統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，這與傳統方法中5m的分辨率相比，提高了地質體探測分辨率。

圖7　某高鐵隧道施工現場探測結果

5　結束語

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。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理電路，并通過硬件數字濾波器MAX263、FIR軟件數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了系統參數的靈活設置與控制。在某隧道施工現場的探測結果表明探測系統的探測距離達到160m，地震反射層分辨率小于1 m，在傳統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，系統需要在抗干擾設計方面進行優化，以進一步降低施工現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。