地铁隧道外破事件横向定位方法的波速影响分析

鄢国柱 胡安东

摘  要：利用分布式光纤传感技术采集地铁隧道沿线的振动信号，可对地铁隧道外破事件进行及时预警。对地铁隧道周边探测到的振动源进行横向距离的定位，对施工事件的威胁等级进行划分，可以优化测振系统的报警效果。振动波在土壤中的传播速度，是进行振动源横向距离定位的关键因素，文章就波速对地铁隧道外破事件横向定位方法的影响进行了探究，并设计了波速校准方法。

关键词：分布式光纤传感；地铁隧道；防破坏监测；振源定位

中图分类号：TP212；U231  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）04-0050-04

Analysis of Wave Velocity Influence of Transverse Location Method for Subway Tunnel Breaking Event

YAN Guozhu1， HU Andong2

（1.Wuhan Wutos Co.， Ltd.， Wuhan  430223， China;

2.Hubei Communications Investment Technology Development Co.， Ltd.， Wuhan  430034， China）

Abstract： The distributed optical-fiber sensing technology is used to collect the vibration signals along the subway tunnel， which can give a timely warning for the subway tunnel breaking event. The alarm effect of the vibration measurement system can be optimized by locating the vibration sources detected around the subway tunnel in the horizontal distance and dividing the threat level of construction events. The propagation speed of vibration wave in the soil is the key factor to locate the lateral distance of the vibration source. This paper probes into the influence of wave speed on the horizontal location method of the subway tunnel breaking event， and designs the wave speed calibration method.

Keywords： distributed optic-fiber sensing; subway tunnel; anti-damage monitoring; vibration source location

0  引  言

地鐵隧道位于城市地表之下，由于城市地表环境复杂多变，随着城市的建设发展，存在众多的施工情况，地铁隧道的运营安全面临着众多外界施工的威胁，近年来，我国多地都已经发生过地铁隧道被击穿的事故[1-5]。因此，及早地发现地铁隧道周边的第三方施工对地铁隧道的破坏风险，安排相关人员及时的进行现场监督，是预防地铁隧道外破事故发生的有效措施。

利用分布式光纤传感技术空间和时间连续测量的技术优势，对地铁隧道沿线的所有振动信号进行采集和分析，对具有威胁性的施工信号及时的进行预警，可作为对地铁隧道进行防破坏监测的有效手段。但是由于城市环境的复杂多变，存在着众多的施工情况，并且由于施工产生的振动激励通常都是非常强烈的，对于距离地铁隧道百米外的施工振动，由于分布式光纤传感技术的高灵敏度特性，光纤测振系统都能明显地探测到这样的远距离振源产生的振动信号并发出报警信息。这样会导致系统产生大量的报警，而其中有一部分的施工其实是对地铁隧道不具有威胁性的。因此需要对地铁隧道周边探测到的振动源进行横向距离的定位，对施工事件的威胁等级进行划分，以优化测振系统的报警效果。振动波在土壤中的传播速度，是进行振动源横向距离定位的关键因素，会直接影响振动源横向距离定位的准确性，本文就波速对地铁隧道外破事件横向定位方法的影响进行探究。

1  振动源横向距离定位

利用光纤传感分布式连续测量的技术特点，将振动探测光缆布设于地铁隧道顶部，采集地铁隧道沿线的所有振动信号。当全段光缆共包含N个探测单元，这N个探测单元的位置是连续的，每个探测单元的序号代表了其对应的空间位置。因此，分布式光纤振动传感系统在每一时刻采集到的数据就是一个1行N列的矩阵。将各个时刻采集的数据矩阵进行拼接，即得到一段时间内的全段振动信号矩阵，此矩阵的横轴为距离，纵轴为时间。光纤测振系统所采集的光缆沿线的振动数据，即为进行振动源横向距离定位的数据基础。

振动源横向距离定位方法是依据振动波延迟模型[5]，如图1所示，振动波在土壤中的传播速度为v，振动波从振源点o发出，最先到达传感光缆位于振动源垂直距离位置的探测点d0，即传感光缆上距离振源点o最近的探测点，记此垂直距离为H，记振动波到探测点的时间为t0，对应的，在传感光缆的另一处位置的探测点d，随后也会探测到从振源传来的振动波，记振动波到探测点d的时间为t，由于振动波是以圆形波阵面传播的，并且已知探测点d0到探测点d的距离，因此可以建立几何关系式：

H2+（d-d0）2=（H+v（t-t0））2                     （1）

由式（1）可以得到：

（2）

可得振动源到探测光缆的垂直距离H的计算公式：

（3）

式（3）即振动波延迟模型函数，基于此函数，在已知振动波在土壤中的传播速度v的前提下，通过分析光纤测振系统所采集的一段空间连续光缆探测点的振动数据，即可实现对振动源到探测光缆的垂直距离H，即横向距离的估测。

2  信号采集

于2021年6月，在某地铁隧道沿线完成了分布式光纤测振系统的布设和安装，将振动探测光缆固定于地铁隧道顶部，采集地铁隧道沿线的所有振动信号，信号解调仪表放置于地铁隧道的中控室。系统所监测的隧道区间长度约为10 km，全段光缆共包含1 000个探测单元，这1 000个探测单元的空间位置是连续的，每个探测单元的序号代表了其对应的空间位置。分布式光纤振动传感系统在每一时刻采集到的数据就是一个1行1 000列的矩阵。将各个时刻采集的数据矩阵进行拼接，即得到一段时间内的全段振动信号矩阵，此矩阵的横轴代表距离，纵轴代表时间。

2.1  信号采集

需要在已搭建好的监测系统基础上进行相关实验和数据采集。结合地铁隧道沿线的实际情况选择一处测试点，位于距离中控室9 km的位置，在每个测试点，通过挖掘机铲斗敲击地面的方式，模拟机械施工行为，在采集每组机械激励数据的同时，记录此时挖掘机距离探测光缆上方的实际横向距离。

实验测试步骤：

（1）实验人员确保系统正常运行。

（2）场外实验人员到达测试地点后通知场内系统操作人员。

（3）场外实验人员在实验地点听从实验数据录制人员的指挥，在光缆上方采用铁锤进行连续5次每次间隔2 s的敲击进行实验点位的确认；直到实验录制人员确认并反馈了光纤点位，至此实验地点确定；系统操作人员记录测试地点的光纤点位和对应的地理点位信息。

（4）場外人员先对测试点进行距离初步测量和测试点标记；以管道为参考点，垂直于管道标定好测试位置，机械[10，20，30，40，50]米。

（5）场外实验人员在确认和处理完实验前期准备工作后，向系统操作人员报告准备完毕，可以开始测试工作；系统操作人员开始进行数据录制并对现场人员下达操作指令。

（6）场外实验人员在收到指令后开始在标记点处进行激励，并随时等候系统操作员反馈的报警信息情况，系统操作人员对现场进行报警结果反馈，并作好记录工作。

（7）实验结束后，场外实验人员根据管道巡护的要求对现场作业痕迹进行回填和打扫收尾工作，收拾完成后按照数据录制人员的要求进行下一步工作。

我们于2021年6月和2021年11月，分别进行了2次挖掘机位于多个不同的横向距离模拟机械施工数据的采集。

测试信号采集时间节点的选取：在测试信号采集时间节点之前，必须连续5天为晴天，以保证土壤的干湿状态接近。

2.2  横向距离估算方法

每次的距离估算方式如下：

（1）将每次激励信号图块分别进行单个提取，同时根据测试记录，标记这个激励信号的参考横向距离。

（2）对于每次机械激励振动信号：对一段连续空间内振动波到达各个位置的时间点进行定位，并确定离振源最近的位置，即激励中心。激励中心判断计算方法：在激励时间定位最靠前的几个探测单元中，选取空间距离处于中值的位置。

（3）根据振动延迟模型，将一段连续空间内振动波到达各个位置的时间点的数据，分别与振动波到达对应激励中心时间点的数据，进行做差，之后取绝对值，则得到多组时间-点位数据，将这些数据分别代入式（3）进行计算，得到多个距离估值，再取平均值作为本次的距离估值。假设H真实值为40 m，d-d0真实值为30 m，即：t·v为50 m，（t-t0）·v为10 m（即50 m～40 m）。

分别假定波速实际值为140 m/s至180 m/s，将波速计算值140 m/s～240 m/s带入公式进行遍历计算，如图2所示，当波速计算值变化30时，距离估算结果变化≥10 m。与实际测试结果相符合。

3  波速测试

3.1  机械激励样本测试

对9 km同一位置，分别采集于2021年6月和2021年11月的两组样本进行波速遍历距离估算，波速依次设置为140 m/s至240 m/s进行遍历，按标记的横向距离分别统计结果（横坐标为波速，纵坐标为距离估值，图中深蓝色横线标示了参考距离±10 m的区间范围，亮蓝色部分标示了估算值均处于各个参考距离±10 m范围内的波速区间）：

6月采集的数据样本，测试结果统计如图2所示。

11月采集的数据样本，测试结果统计如图3所示。

将6月采集的数据样本和11月采集的数据样本，在各个横向距离下的适合波速区间，分析整理结果如图4所示。

根据以上统计结果，对于9 km同一位置，六月样本合适的速度区间为179 m/s～200 m/s，十一月样本合适的速度区间为147 m/s～167 m/s，两个区间不存在重叠部分，十一月波速区间明显小于六月波速区间。

3.2  模拟计算

由式（3）可知，在同一位置进行激励测试时，采用波速v的数值越大，则横向距离H的估算结果会相应减小。假设H真实值为40 m，d-d0真实值为30 m，即：t·v为50 m，（t-t0）·v为10 m。

分别假定波速实际值为140 m/s～180 m/s，将波速计算值140 m/s～240 m/s带入公式进行遍历计算，如图5所示，当波速计算值变化30时，距离估算结果变化≥10 m。

根据模拟遍历计算结果，当波速计算值变化30时，距离估算结果变化≥10 m，此结论与实际测试结果相符合。

3.3  波速校准方法设计

从不同采样时间来看，十一月波速区间明显小于六月波速区间，不存在重合范围。分析其原因，十一月处于秋冬季节，而六月处于夏季，存在有明显的温度差异。在测试信号采集时间节点之前，连续5天为晴天，因此土壤的干湿状态应该接近。因此，当土壤状态因天气、季節、温度、湿度等因素发生变化时，需要再次采样激励信号，对当地土壤波速数值进行校准，以提高横向距离估算的准确度。

在已知激励位置距离光纤横向距离的情况下，根据不同光纤横向距离采集的激励振动信号样本，可以对相应位置此时的振动波速进行估算校准。步骤如下：

（1）在距离光缆横向10 m、20 m、30 m、40 m、50 m位置，依次进行机械激励，采集振动信号样本。

（2）从140 m/s～240 m/s，依次设置波速v的数值，带入样本信号的横向距离估值计算。

（3）根据距离估值与参考距离之间的差异，确定合适的振动波速区间，对此位置此时的振动波速进行校准。

4  结  论

分布式光纤振动传感系统具有空间和时间连续测量的技术优势，可以连续实时地对地铁隧道沿线的所有振动信号进行采集和分析。对地铁隧道周边探测到的振动源进行横向距离的定位，对施工事件的威胁等级进行划分，可以优化测振系统的报警效果。振动波在土壤中的传播速度，是进行振动源横向距离定位的关键因素，会直接影响振动源横向距离定位的准确性，本文就波速对地铁隧道外破事件横向定位方法的影响进行了探究。土壤状态因天气、季节、温度、湿度等因素发生变化时，振动波在土壤中的传播速度也会受到影响。本文设计了波速校准方法。当土壤状态发生改变时，需要再次采样激励信号，对当地土壤波速数值进行校准，以提高横向距离估算的准确度。

参考文献

[1] 吴文婧，冯新.基于分布式光纤传感的海底管线横向屈曲识别方法 [J].应用科学学报，2022，40（5）：779-789.

[2] 刘梦龙.分布式光纤传感技术在地铁隧道振动监测中的应用 [J].交通科技，2016（3）：106-109.

[3] 柏文锋，王一兆.多传感器联合的地铁隧道结构安全监测应用 [J].工程勘察，2019，47（6）：66-71.

[4] 郝尚青，刘建，崔振伟，等.基于光纤传感与智能识别的管道安全预警技术 [J].石油规划设计，2017，28（2）：38-42+54.

[5] 王照勇，卢斌，叶蕾，等.分布式光纤声波传感及其地震波检测应用 [J].激光与光电子学进展，2021，58（13）：83-94.

作者简介：鄢国柱（1988.10—），男，汉族，湖北天门人，中级工程师，本科，研究方向：光纤通信；胡安东（1988.12—），男，汉族，安徽安庆人，中级工程师，本科，研究方向：电子技术。

收稿日期：2022-10-03