一种矩形截面单洞隧道的微震定位方法

技术领域

本发明属于地下隧道工程微震定位技术领域，具体涉及一种矩形截面单洞隧道的微震定位方法。

背景技术

矩形截面隧道广泛应用于各类矿山工程的巷道中，随着矩形盾构机的研发与推广，矩形截面隧道也逐步应用在城市地下交通、地下空间开发利用等领域。对于如今面临的人口数量增长、土地资源短缺的问题，应用矩形隧道建设的综合管廊系统、地下储藏空间等工程能够发挥重要作用。

而在深埋高地应力隧道施工过程中，岩石易发生破裂，从而导致岩爆、坍塌等工程事故发生，严重时或产生较大人员伤亡与财产损失。岩石产生宏观尺寸的破裂之前往往有岩体微裂纹的产生、扩展、汇合和贯通的前兆破坏。岩石在外载荷作用下发生微破裂时，一部分应变能会以弹性波的形式释放，是一种良好的声发射信号源。通过分析声发射信号，可以了解岩石损伤、破裂等行为信息，反演岩石破坏机制。

微震监测技术是利用岩体受力变形和破坏过程中释放出的弹性波来监测工程岩体稳定性的技术方法。在需要监测微震的区域布置传感器阵列来接收岩石微破裂时产生的声发射信号，通过数据处理软件对拾取到的各种信号进行辨别、到时拾取、降噪，得到微震事件的信号后，反演求取震源的位置信息、发生时间以及释放的能量等参数。通过微破裂的大小、集中程度、破裂密度等相关震源数据，基于一定评判标准，来预测岩石从细微破裂到宏观断裂的发展趋势并做出预警。

在实际工程应用中，微震定位计算常常视微震信号沿直线传播，对于隧道等含有地下硐室的工程而言，认为微震信号沿直线传播往往是不合理且误差较大的。因此，需要一种计算绕过隧道空洞的微震信号传播最短路径的方法进行微震定位。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提出：一种矩形截面单洞隧道的微震定位方法，包括如下步骤：

(1)根据波速残差，建立消除波速影响的适应度函数，用以表征震源潜在解的适应度；

(2)针对存在于矩形截面单洞隧道围岩中的震源点，计算微震信号从震源潜在解至某一传感器的最短传播路径长度；

(3)通过差分进化法进行微震定位计算，输出优化过程中适应度最高的潜在解作为震源定位结果。

本发明的有益效果为：

(1)考虑了微震信号传播路径绕行隧道空洞的情况，计算了均一波速模型下微震信号传播的最短路径长度，从而提升了微震定位的精度。

(2)通过解析方法获取微震信号传播最短路径长度，计算速度快，适用于实际工程大量微震事件的批量计算。

(3)计算过程避免了波速估测的影响，在均一波速模型的假设下，仅需获悉隧道截面尺寸、传感器坐标与掌子面相对位置即可进行计算，具有高泛用性。

附图说明

图1是隧道周边传感器布置示意图；

图2是二维平面投影示意图；

图3是隧道微震信号传播路径示意图1；

图4是隧道微震信号传播路径示意图2；

图5是差分进化法进行微震定位计算流程图；

图6是定位结果对比图。

具体实施方式

一种矩形截面隧道的单洞微震定位方法，包括：消除波速影响的适应度函数、计算微震信号从震源潜在解至某一传感器的最短传播路径长度、基于差分进化法进行的微震定位计算。

进一步的，一种矩形截面单洞隧道的微震定位方法，包括以下步骤：

(1)获取工程现场传感器对微震事件的拾取到时。传感器如图1红色点所示，通过钻孔安装的方式布置在隧道的围岩中。

(2)根据波速残差，建立消除波速影响的适应度函数，用以表征震源潜在解的适应度，具体包括以下步骤：

(2.1)计算传感器针对一个震源潜在解的计算到时。具体为，通过公式(1)中的已知参数计算P波从震源潜在解的位置到传感器的位置理论上需要花费的时间。

其中：c

(2.2)计算任意两个传感器i,j(i≠j)的计算到时后，将其相减。具体为，通过公式(2)获得两个传感器的计算到时相减的结果，并通过公式(3)获取计算波速c

(2.3)计算波速残差，平方相加构建优化目标。具体为，每两个不同的传感器构成的一组数据，均通过步骤(2.2)中的方式获取计算波速，将其构成波速残差优化目标如式(4)所示，理论上在定位完全精准时，f＝0。

(3)计算微震信号从震源潜在解至某一传感器的最短传播路径长度具体包括以下步骤：

(3.1)计算传感器与震源潜在解之间的连线与隧道空洞的交点数量。具体为：通过式(5)建立连线的表达式，通过式(6)-(9)建立隧道空洞壁面的表达式，联立求解交点数量w。

其中：(x

其中：p为矩形截面与x轴平行边的边长，q为矩形截面与z轴平行边的边长，隧道轴线与y轴平行，y＝h为掌子面所在平面。

(3.2)根据w值与y

(x-x

其中：(1,M,N)是微震信号传播最短路径所在平面的法向向量，N可以通过M表达为

(3.3)w＝0时，其二维平面投影如图2(a)所示，计算震源潜在解到传感器的微震信号最短传播路径长度。具体为：w＝0时，微震信号沿直线传播，通过式(11)计算最短传播路径长度L

(3.4)w≠0且y

(3.5)计算震源潜在解到传感器的微震信号最短传播路径长度。具体为：

L(M)＝L

其中：L

(3.6)计算震源潜在解到传感器的微震信号最短传播路径长度。具体为：R

L(M)＝L

其中：H(x

(3.7)计算震源潜在解到传感器的微震信号最短传播路径长度。具体为：R

L(M)＝L

其中：H(x

(3.8)w≠0且y

(3.9)求解最短路径与掌子面相交点。具体为：震源潜在解位于掌子面范围内时，最短路径由两条线段拼接成，两条线段的公共点位于掌子面的边缘上，将传感器与震源潜在解投影在隧道横截面所在的二维平面上，记二者连线与矩形的交点为(x

(3.10)计算震源潜在解到传感器的微震信号最短传播路径长度。具体为：通过式(18)建立最短传播路径长度的方程式L(M)，通过式(19)求解M＝m。代入至式(18)中获得最短路径长度L

L(M)＝L

(3.11)计算震源潜在解到传感器的微震信号最短传播路径长度。具体为：通过步骤(3.4)-(3.7)计算路径长度L

L

(4)通过差分进化法进行微震定位计算，输出优化过程中适应度最高的潜在解作为震源定位结果，其流程图如图5所示，具体包括以下步骤：

(4.1)建立初始种群。具体为：在一定范围内随机生成N个初始解构成初始种群，第i个潜在震源解记为X

(4.2)计算每个潜在震源解的适应度。具体为：对每个潜在震源解，通过步骤(3)中方式计算微震信号从其坐标至每个传感器的最短路径长度，通过步骤(2)建立的适应度函数计算其速度差作为适应度，第i个潜在震源解的适应度记为f(X

(4.3)生成变异向量。具体为：从种群随机选择三个潜在震源解，根据适应度从优到劣进行排序，得到X

V＝X

其中：F是自适应缩放因子。

(4.4)使用种群与变异向量生成交叉向量。具体为：第i个潜在震源解X

其中：j(j＝1,2,3,4)代表该向量第j维，CR为交叉概率，rand(0,1)为0-1之间的随机数。

(4.5)更新种群。具体为：第i个潜在震源解X

(4.6)当f(X

(1)获取工程现场传感器对微震事件的拾取到时。传感器如图1红色点所示，通过钻孔安装的方式布置在隧道的围岩中。

(2)根据波速残差，建立消除波速影响的适应度函数，用以表征震源潜在解的适应度。

(3)计算微震信号从震源潜在解至某一传感器的最短传播路径长度。

(4)通过差分进化法进行微震定位计算，输出优化过程中适应度最高的潜在解作为震源定位结果。如图6所示，网格节点为震源点实际位置，红点为本发明方法定位结果，与红点直线连接的点为视微震信号沿直线传播时的定位结果。

综上所述，该定位方法基于均一波速模型，在考虑隧道空洞存在的情况下求解微震信号最短传播路径，提升了微震定位的精度。且通过解析方法获取微震信号传播最短路径长度，计算速度快，适用于实际工程大量微震事件的批量计算。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。