趙子越，游元明，孟 露，汪 旭，裴子逸

(1. 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731； 2.中鐵開發(fā)投資集團有限公司，云南 昆明 650002; 3. 四川鐵科建設(shè)監(jiān)理有限公司，四川 成都 611731)

0 引言

在地鐵盾構(gòu)施工過程中，為了確保施工安全順利地進行，隧道掘進機被頻繁地應(yīng)用，但是由于貴陽地區(qū)地質(zhì)情況的特殊性，巖溶頻繁發(fā)育會對施工產(chǎn)生極大的安全隱患，因此探明盾構(gòu)前方地質(zhì)情況尤為重要[1]。傳統(tǒng)超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)如TSP探測法、TRT探測法、超前鉆探法[2-4]等方法，在盾構(gòu)內(nèi)實施均存在無法適用的環(huán)境局限性。2008 年，李蒼松等[5]首次提出了利用 TBM 刀盤剪切巖石產(chǎn)生的震動信號作為激發(fā)震源的被動源 HSP(Horizontal sonic/seismic profiling) 法探測技術(shù)；2019年，盧松等[6-7]將HSP法進一步改進，使其更適用于TBM施工，并總結(jié)出詳細(xì)的處理流程和設(shè)計思路。該技術(shù)以掘進機刀盤切割地層產(chǎn)生的彈性波作為激發(fā)信號，做到快速高效得到采集數(shù)據(jù)，但是針對現(xiàn)場環(huán)境噪聲處理的模塊依然沒有得到系統(tǒng)性的整理。本文從現(xiàn)場環(huán)境噪聲環(huán)節(jié)入手，對現(xiàn)有的HSP法探測流程進行完善。

S變換由Stockwell于1996年提出[8]，是以Morlet小波作為基本小波的連續(xù)小波變換的延伸，結(jié)合了傅里葉變換和小波變換的優(yōu)勢，由于其本身優(yōu)秀的時頻分析能力被廣泛運用于信號處理領(lǐng)域。2007年，趙淑紅等[9]提出基于S變換的地震數(shù)據(jù)去噪處理，良好地實現(xiàn)了對復(fù)雜地震數(shù)據(jù)的去噪處理； 基于S變換對地震信號良好的處理能力，2018年，曹鵬濤等[10]在S變換的基礎(chǔ)上針對地震數(shù)據(jù)的特性，提出自適應(yīng)濾波技術(shù)。本文將其理論方法應(yīng)用于HSP系統(tǒng)中，結(jié)合盾構(gòu)施工的實際情況進行相應(yīng)的閾值參數(shù)調(diào)整，完善HSP的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。

針對貴陽地區(qū)地質(zhì)條件的特殊性，必須提高現(xiàn)場測試時采集資料的質(zhì)量來保證高質(zhì)量的預(yù)報精度。本文在之前探測流程的基礎(chǔ)上，增加現(xiàn)場噪聲處理步驟，從而完善HSP探測流程。在時頻分析處理中創(chuàng)新性地引入S變換，提高HSP數(shù)據(jù)處理精度，將HSP法采集到的噪聲數(shù)據(jù)進行分析識別，選擇傳統(tǒng)的小波去噪方法[11-12]進行對比試驗，并作為典型數(shù)據(jù)樣本為后續(xù)處理人員提供參照標(biāo)準(zhǔn)，進一步完善HSP法的數(shù)據(jù)采集和分析處理能力，以期有效地提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，指導(dǎo)超前地質(zhì)預(yù)報工作。

1 基于盾構(gòu)施工的HSP法原理

HSP法地質(zhì)預(yù)報是以彈性波動力學(xué)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)彈性波場傳播的速度、幅度、形態(tài)等特征參數(shù)區(qū)分地層，并根據(jù)介質(zhì)成分、密度、彈性模量及結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行細(xì)化分析，通過與圍巖參數(shù)進行對比，總結(jié)差異結(jié)果得到不良地質(zhì)體(帶)如斷層、風(fēng)化破碎帶、巖溶、地下水富集帶等。波場傳播的反射與透射特性核心公式為:

(1)

(2)

式(1)—(2)中：R12為反射系數(shù)；T12為投射系數(shù)；ρ1為隧道掌子面前圍巖密度；ρ2為不良地質(zhì)(體)密度;v1為隧道掌子面前圍巖縱波速度；v2為不良地質(zhì)(體)縱波速度。

本文重點研究分析HSP法在貴陽軌道交通地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用和改進。HSP法是以盾構(gòu)掘進過程中刀盤滾刀剪切巖石產(chǎn)生的震源信號作為被動激震震源，以空間陣列式布置檢波器，做到采集位置不固定，可根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整檢波器位置，同時接收圍巖震動回波和盾構(gòu)機身震動信號。盾構(gòu)內(nèi)布置HSP采集儀器空間位置如圖1(a)所示，其中紅框內(nèi)為HSP采集儀器布置區(qū)域，放大后如圖1(b)所示，受現(xiàn)場施工環(huán)境條件所限，在實際采集時HSP采集儀器布置如圖1(c)所示。必須對盾構(gòu)施工中關(guān)鍵的采集環(huán)節(jié)進行改善，進一步將施工中的環(huán)境因素進行量化對比，在傳統(tǒng)HSP法探測整體流程的基礎(chǔ)上進行改進，加入對環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)的影響分析，通過建立環(huán)境模型，選擇最適用的閾值處理參數(shù)。改進后HSP法探測的整體流程如圖2所示。

(b) HSP采集儀器布置區(qū)域放大圖

(c) 實際采集時HSP采集儀器布置圖

圖2 改進后HSP探測流程圖

2 盾構(gòu)施工環(huán)境噪聲分析與處理

2.1 S變換原理

對環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)進行采集分析。傳統(tǒng)信號分析處理方法是使用傅里葉變換對采集信號進行變換分析，其針對平穩(wěn)信號處理具有成熟的理論基礎(chǔ)和廣泛的應(yīng)用前景。但是變換域僅為一維頻率域，且盾構(gòu)施工產(chǎn)生的信號較為復(fù)雜，該方法不能有效檢測非平穩(wěn)信號的頻率隨時間的變化，因此對信號的局部特性識別較為困難。為了提高對盾構(gòu)噪聲的時頻分析能力，建立良好的噪聲數(shù)據(jù)模型，本文選用S變換作為分析數(shù)據(jù)的變換方法。S變換是Stockwell等[8]結(jié)合短時傅里葉變換(STFT)和連續(xù)小波變換(WT)的特性，克服STFT時窗特性的固有缺點，并結(jié)合小波變換中多分辨率的特性，基于非平穩(wěn)信號的數(shù)據(jù)特點，提出的一種新的時頻分析方法。假設(shè)信號為h(t)，則它的S變換定義為

(3)

式中：τ為窗函數(shù)的中心點，針對窗函數(shù)的視窗位置在時間軸上進行調(diào)控；f為頻率；t為時間;i為時間函數(shù)的虛部;ω(t)為窗函數(shù)，通常選取高斯函數(shù)，見式(4)。

(4)

S反變換定義為：

(5)

2.2 實際盾構(gòu)施工噪聲分析

以貴陽軌道交通3號線某區(qū)間為試驗對象，通過前期調(diào)研分析目前盾構(gòu)施工過程中部分?jǐn)?shù)據(jù)存在質(zhì)量偏低問題的原因，總結(jié)影響超前地質(zhì)預(yù)報測試幾種常見施工情況，并通過控制變量法在單一情況下進行噪聲數(shù)據(jù)的采集，得到4組數(shù)據(jù)類型進行時頻分析。4組數(shù)據(jù)分別為在施工人員拼裝管片時產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù)、在施工人員使用各種器械安裝螺栓時的噪聲數(shù)據(jù)、正常掘進測試時包含盾構(gòu)自身噪聲的數(shù)據(jù)、正常掘進測試時抵消盾構(gòu)自身噪聲的數(shù)據(jù)。HSP系統(tǒng)建立了專門的盾體噪聲數(shù)據(jù)道，使用單分量檢波器對測試時盾體產(chǎn)生的噪聲進行接收，以此作為HSP系統(tǒng)自動化濾波的數(shù)據(jù)來源，做到實時采集時濾除由盾體產(chǎn)生的噪聲信號。利用S變換分別對4種數(shù)據(jù)特性進行詳細(xì)研究，了解整體測試工序環(huán)節(jié)中不同噪聲信號的特性，以便于提高后續(xù)處理中對有效信號的識別能力。4種不同情況下采集到的噪聲數(shù)據(jù)如圖3所示。對4種采用HSP法采集得到的噪聲數(shù)據(jù)進行S變換，分別得到4種時頻譜圖，如圖4所示。

(a) 拼裝管片時產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù) (b) 安裝螺栓時的噪聲數(shù)據(jù)

(c) 正常掘進時包含盾構(gòu)自身噪聲的數(shù)據(jù) (d) 正常掘進時抵消盾構(gòu)自身噪聲的數(shù)據(jù)

(a) 拼裝管片時產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù) (b) S變換后噪聲數(shù)據(jù)時頻圖(拼裝管片) (c) S變換后噪聲數(shù)據(jù)時頻放大圖(拼裝管片)

(d) 安裝螺栓時的噪聲數(shù)據(jù) (e) S變換后噪聲數(shù)據(jù)時頻圖(安裝螺栓) (f) S變換后噪聲數(shù)據(jù)時頻放大圖(安裝螺栓)

(g) 正常掘進時包含盾構(gòu)自身噪聲的數(shù)據(jù) (h) S變換后噪聲數(shù)據(jù)時頻圖(包含盾構(gòu)) (i) S變換后噪聲數(shù)據(jù)時頻放大圖(包含盾構(gòu))

(j) 正常掘進時抵消盾構(gòu)自身噪聲的數(shù)據(jù) (k) S變換后噪聲數(shù)據(jù)時頻圖(抵消盾構(gòu)) (l) S變換后噪聲數(shù)據(jù)時頻放大圖(抵消盾構(gòu))

通過圖4(a)—(c)可以看出，在拼裝管片時容易產(chǎn)生簡短的脈沖信號，主頻主要分布在200～400 Hz，還存在較多的背景噪聲。圖4(d)—(f)中存在著連續(xù)的中高頻信號，主要頻率分布在80～120 Hz和450～550 Hz，當(dāng)施工人員在使用鉆機或其他設(shè)備安裝螺栓時，會持續(xù)產(chǎn)生中高頻信號。其中，有效信號分布在60 Hz以內(nèi)，可以由圖4(f)看出，在60 Hz以內(nèi)依然存在著較強的干擾信號和背景噪聲，會對有效信號的識別產(chǎn)生較大影響。從整體背景噪聲對比發(fā)現(xiàn)，圖4(a)—(c)中存在更多干擾有效信號的噪聲。圖4(g)—(i)中可以識別出明顯的有效信號，主頻分布在20～80 Hz，但依然存在較強的中高頻背景噪聲，頻率主要分布在400～600 Hz。圖4(j)—(l)是HSP法在進行實際采集時得到的數(shù)據(jù)，可以看出通過采集時抵消盾構(gòu)自身噪聲將整體信號質(zhì)量提升很多，主頻明顯分布在20～40 Hz，符合有效信號的頻率范圍，少量的其他背景噪聲也可以通過后續(xù)濾波處理等手段進行去除，為后續(xù)的反演步驟提供了優(yōu)質(zhì)的現(xiàn)場采集資料。

通過4組數(shù)據(jù)對比分析，針對盾構(gòu)施工地質(zhì)超前預(yù)報數(shù)據(jù)采集，對于在施工人員拼裝管片時采集得到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，由于其主要噪聲主頻遠(yuǎn)高于有效信號的區(qū)間范圍，可以在后續(xù)處理中進行去除，不影響數(shù)據(jù)的整體質(zhì)量，保證反演后數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。而針對施工人員使用各種器械安裝螺栓時采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，存在一部分低頻干擾信號，會一定程度上干擾有效信號的識別，低頻能量相比有效信號較弱，最終依然可以反演得到有效數(shù)據(jù)，但為了保證高精度的反演結(jié)果，在遇到安裝螺栓的情況時，需要測試人員停止采集。針對正常掘進測試時包含盾構(gòu)自身噪聲的數(shù)據(jù)進行時頻分析后，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的主要信號為中低頻信號，HSP法在一定程度上會對有效信號進行干擾，所以安裝檢波器抵消盾構(gòu)自身噪聲是非常有必要的，這也是正常采集必須嚴(yán)格執(zhí)行的環(huán)節(jié)之一。目前HSP法常規(guī)采集的數(shù)據(jù)如圖3(d)和圖4(j)—(l)所示，時頻譜內(nèi)整體信號分布良好，有效信號特征明顯，背景噪聲較弱，不存在高頻噪聲，為后續(xù)反演提供了良好的現(xiàn)場初始數(shù)據(jù)資料。

2.3 去噪處理

設(shè)定變換方法為小波變換，對含有噪聲的觀測數(shù)據(jù)進行去噪處理，保留有效信號的同時盡可能壓制中高頻噪聲。輸入的離散信號f(t)的小波變換為

(6)

式中:Wf為小波變換函數(shù)；ψ為尺度函數(shù)； 其余為尺度函數(shù)的參數(shù)。

目前，應(yīng)用最廣泛的閾值降噪方法是軟、硬閾值降噪法。硬閾值法能夠?qū)Υ笥陂撝档男〔ㄏ禂?shù)進行保留，對小于閾值的小波系數(shù)進行壓制; 軟閾值法能夠避免硬閾值不連續(xù)的缺陷。

軟閾值函數(shù)為：

(7)

硬閾值函數(shù)為：

(8)

式(7)—(8)中μ為設(shè)定的閾值參數(shù)值。

使用小波變換對實際掘進數(shù)據(jù)進行去噪測試，進行濾波前的數(shù)據(jù)如圖5(a)—(b)所示，濾波后數(shù)據(jù)如圖5(c)—(d)所示。

(a) 原始數(shù)據(jù)

(b) 原始數(shù)據(jù)小波變換后時頻圖

(c) 濾波后數(shù)據(jù)

(d) 濾波后數(shù)據(jù)小波變換后時頻圖

由圖5可知，通過小波變換進行濾波是在時頻域內(nèi)將中高頻信號進行濾除，沒有改變低頻區(qū)域內(nèi)的原始數(shù)據(jù)。

為了提高去噪效果，引入S變換自適應(yīng)濾波去噪方法。根據(jù)S變換與傅里葉譜的關(guān)系，對S變換獲得的時頻域數(shù)據(jù)沿時間軸進行累加，獲得信號的傅里葉譜，再進行反傅里葉變換后，即可獲得重構(gòu)的時間域信號h(t)。在此過程中采用數(shù)據(jù)自適應(yīng)時變?yōu)V波函數(shù)去除信號中的高頻隨機噪聲成分，時變?yōu)V波函數(shù)為

(9)

式中fi為單道記錄S變換數(shù)據(jù)中某一特點區(qū)域的頻率成分。

通過式(9)計算與信號時頻區(qū)域?qū)?yīng)的系數(shù)因子。系數(shù)因子的大小具有時變性，受頻譜中時頻數(shù)據(jù)的大小影響，通過式(9)可以得到低頻部分的時頻數(shù)據(jù)系數(shù)因子比高頻部分大。再將信號時頻譜中的時頻數(shù)據(jù)與時變?yōu)V波函數(shù)相乘，使得低頻部分與較大系數(shù)因子乘積后被放大，而高頻部分與較小系數(shù)因子乘積后被壓制。噪聲的頻率主要分布于高頻區(qū)域內(nèi)，通過這一時變?yōu)V波函數(shù)可以壓制高頻噪聲。

基于S變換的自適應(yīng)濾波去噪的結(jié)果對比如圖6所示，與圖5中的小波變換濾波所使用的是同一信號數(shù)據(jù)。

(a) 原始數(shù)據(jù)

(b) 原始數(shù)據(jù)S變換后時頻圖

(c) 自適應(yīng)濾波后數(shù)據(jù)

(d) 自適應(yīng)濾波后數(shù)據(jù)S變換后時頻圖

通過圖5和圖6 2種不同方法對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，S變換自適應(yīng)濾波能較好地壓制高頻噪聲，將有效信號的頻率壓制在100 Hz以內(nèi)，比小波變換效果更佳。在實際數(shù)據(jù)采集處理時，遇到背景噪聲過強的情況，使用S變換自適應(yīng)濾波能取得更佳的效果。

3 案例分析

3.1 工程地質(zhì)概況

貴陽市軌道交通3號線一期工程線路全長約43 km，選擇貴陽市軌道交通3號線四方河路站—皂角井站區(qū)間盾構(gòu)數(shù)據(jù)進行測試。貴陽市大構(gòu)造屬川黔經(jīng)向構(gòu)造體系的南部西緣，跨黔西山字型東翼外側(cè)和黔東北新華夏隆起帶的西南端。本區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造單元屬揚子準(zhǔn)地臺(一級構(gòu)造單元)、黔北臺隆(二級構(gòu)造單元)、遵義斷拱(三級構(gòu)造單元)、貴陽復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)(四級構(gòu)造單元)，以南北向構(gòu)造為主。沿線大斷層主要有花溪斷層和六神觀斷層；附近發(fā)育的褶皺主要有貴陽復(fù)式向斜、黔靈湖向斜、中曹司向斜；擬建線路全線穿越3處小型褶皺——五里關(guān)背斜、大橋背斜和沙魚溝向斜。

擬建區(qū)間盾構(gòu)埋深16.2～35.2 m，區(qū)間地質(zhì)情況自上而下為填土(1.0～7.8 m)、紅黏土(1.5～12.5 m)，下覆為中風(fēng)化白云巖(T1a，14-2-3)、中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖(T1a，14-3-3)，巖層產(chǎn)狀為90°∠40°，9個鉆孔揭露溶洞。隧道底部位于中風(fēng)化白云巖或中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖，工程性質(zhì)良好，均可作為區(qū)間隧道的持力層。

對本區(qū)間盾構(gòu)掘進有影響的地下水主要有巖溶裂隙水。場地上部分布厚度較大的紅黏土，巖溶裂隙水具有一定的承壓性，為承壓水，承壓水位隨季節(jié)、氣候等因素有所變化。盾構(gòu)施工時應(yīng)采取有效措施防止地下水噴涌，合理選擇工作面壓力，并采取適當(dāng)?shù)母牧即胧p少地下水的不利影響； 同時，應(yīng)重視管片的防水工作，防止管片滲漏。

擬建區(qū)間穿越基巖以白云巖為主，巖石的抗壓強度不高，區(qū)間結(jié)構(gòu)底面下揭遇的溶洞數(shù)量少，故適合復(fù)合盾構(gòu)施工。但應(yīng)注意局部基巖強度較高，屬較硬—堅硬巖，對盾構(gòu)施工影響很大，盾構(gòu)選擇時需充分考慮其不利影響。

3.2 噪聲模型應(yīng)用

將建立好的噪聲模型參數(shù)與實際測試時現(xiàn)場環(huán)境進行匹配，選擇合適的參數(shù)進行頻譜分析。分析結(jié)果見表1。HSP處理軟件的頻譜分析界面如圖7所示，紅框內(nèi)是調(diào)節(jié)頻譜視窗范圍。將處理好的數(shù)據(jù)進行后續(xù)反演，對同一組數(shù)據(jù)進行對比測試，常規(guī)結(jié)果如圖8(a)和圖8(c)所示，使用S變換自適應(yīng)濾波后的結(jié)果如圖8(b)和圖8(d)所示。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況驗證和地勘資料對比分析可知，使用S變換自適應(yīng)濾波后得到的反射能譜二維成果切片和三維成果圖更加準(zhǔn)確，具體對比結(jié)果如圖9所示。探測結(jié)果顯示該段局部存在較強反射異常。其中，ZDK24+836～+844段反射能量較強，分析認(rèn)為該段范圍為巖體破碎區(qū)，圍巖穩(wěn)定性差； ZDK24+861～+870段反射能量強且范圍較大，存在強阻抗差異，分析認(rèn)為該里程段可能發(fā)育巖溶或該段圍巖破碎，圍巖穩(wěn)定性差；ZDK24+891～+894段存在弱反射異常，圍巖較破碎，圍巖穩(wěn)定性較差。其余里程段暫未發(fā)現(xiàn)明顯反射異常，分析認(rèn)為巖體較完整，圍巖穩(wěn)定性一般。

表1 實際探測揭露異常段測試分析結(jié)果

3.3 實際揭露情況對比分析

為了進一步對測試數(shù)據(jù)進行對比分析，選取同一區(qū)間內(nèi)連續(xù)2段HSP預(yù)報結(jié)果，并統(tǒng)計盾構(gòu)掘進參數(shù)和詳勘資料進行評價對比，最后結(jié)合出渣情況綜合分析。HSP結(jié)果對比綜合統(tǒng)計如圖9所示，詳細(xì)標(biāo)出各個異常段所對應(yīng)各項參數(shù)，良好地驗證了HSP法的準(zhǔn)確性。其中2段內(nèi)HSP顯示存在8處異常段，如表1所示。

預(yù)報范圍內(nèi)詳勘及補勘顯示存在3處巖溶疑似區(qū)，均與預(yù)報結(jié)果吻合。根據(jù)實際參數(shù)規(guī)律可知，當(dāng)盾構(gòu)掘進速度明顯上升，而推力不變或降低時，能明顯反映出該區(qū)域地質(zhì)條件較差，巖體破碎。掘進參數(shù)共出現(xiàn)9處較大異常變化段，整體與HSP預(yù)報吻合，再結(jié)合出渣量的變換，驗證了HSP法的準(zhǔn)確性。

圖7 HSP處理界面

(a) 常規(guī)方法得到的反射能譜二維成果切片

(b) 改進后得到的反射能譜二維成果切片

(c) 常規(guī)方法得到的三維成果圖

(d) 改進后得到的三維成果圖

(a)

(b)

4 結(jié)論與討論

1)針對盾構(gòu)內(nèi)常見的噪聲類型進行提取分析，結(jié)合S變換對比不同噪聲對實際處理的影響情況，提出在安裝螺栓時應(yīng)停止超前地質(zhì)預(yù)報的數(shù)據(jù)采集，并通過建立噪聲參數(shù)模型完善HSP處理系統(tǒng)。

2)結(jié)合圖9中實際掘進參數(shù)(推力、推進速度、轉(zhuǎn)矩)對HSP法探測結(jié)果進行揭露對比，驗證了HSP法在貴陽地區(qū)盾構(gòu)預(yù)報工作中的準(zhǔn)確性，能夠及時反饋前方地質(zhì)情況，有效預(yù)防相關(guān)施工事故的發(fā)生，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3)S變換自適應(yīng)濾波去噪的方法還未實現(xiàn)軟件化，仍需進行完善，并獲取更多數(shù)據(jù)樣本，建立相對應(yīng)的目標(biāo)數(shù)據(jù)庫提高對巖溶的識別能力。如何實現(xiàn)地質(zhì)、物探、巖機感知、出渣等信息綜合分析和聯(lián)動預(yù)警，是下一步研究的重點。