一種對隧道施工振動位置精確定位的計算方法與流程

本發明涉及一種對施工振動位置精確定位的計算方法。

背景技術：

在市政和電力隧道中經常分布各種通信和電力設施，隨著經濟發展和社會需要，隧道中各種通信和電力設備的分布密度隨之加大，隧道的安全運行已關系到城市的安全建設與發展。隧道安全受到的威脅一般是地震或者外界機械施工造成的振動破壞，如果能監控隧道受到振動的強度，提前預警并定位振源，就可以盡最大限度保證隧道的安全運行。

技術實現要素：

本發明為了解決上述問題，提出了一種施工振動所引起的地面振動位置精確定位方法，該方法可以精確計算出施工振動環境下的振源的位置，實現了施工現場振動位置精確測距和定位，為電力安全生產的先期預警、快速反應提供強有力的技術保障。

為了實現上述目的，本發明采用如下方案：

一種對隧道施工振動位置精確定位的計算方法，包括以下步驟：

(1)在隧道內以振動源為原點，每隔一定距離設置一個測試點，分別測量該點的三軸加速度：水平切向加速度X、水平徑向加速度Y和垂直向加速度Z的加速度振動曲線，根據加速度振動曲線得到加速度峰值，建立以測試點的距離和測試點處加速度峰值為集合的定標數據庫；

(2)根據不同的地基土能量吸收系數來確定地面振動衰減系數；

(3)基于定標數據庫和地面振動衰減系數，根據公式進行曲線擬合。

式中：A_r為距振源點r的加速度峰值；A₀為已經標定的距振源點r₀的振動加速度峰值；r為距振源點的距離；r₀為已標定振動加速度的點距振源點的水平距離；α為振動衰減系數。

(4)根據擬合曲線和某點三軸加速度峰值，即可對振動源做精確定位。

三個分量加速度峰值是水平切向加速度＞水平徑向加速度＞垂直向加速度。

對加速度振動曲線進行計算，得到加速度峰值的具體方法是：

(21)對所述三軸加速度振動曲線進行濾波和采樣；采用STA/LTA算法對其中滿足振動強度范圍的信號進行過濾，提取有效信號，所述振動強度范圍為3.1至7.9；

(22)分別對x軸、y軸和z軸上的有效信號進行快速傅里葉變換，得出x軸、y軸和z軸的頻域加速度振動曲線，并得到加速度峰值；

分別對不同測試點的三軸加速度作多次測量，根據得到的多個三軸加速度峰值，取各個軸的平均加速度峰值作為定標數據庫的數據。

對任一測試點一直保持測量狀態，實現該測試點的實時監測。

本發明的有益效果：

(1)通過本發明的實施，可以精確計算出施工振動環境下的距振源的距離，實現了施工現場振動位置精確測距，提前預警并定位振源，本發明為電力安全生產的先期預警、快速反應提供強有力的技術保障，可以盡最大限度保證隧道的安全運行。

(2)本發明對施工振動位置精確定位的計算方法，可以實現施工現場振動環境的實時在線監測，避免施工對電力隧道的破壞，保障了電力隧道的安全可靠運行

附圖說明

圖1為本發明定標數據采集示意圖；

圖2為本發明定標數據加速度采集圖；

圖3為本發明的一種定標數據擬合曲線圖；

圖4為本發明地基土能量吸收系數表。

圖5為本發明定位流程圖。

具體實施方式：

圖1和圖2所示，為定標數據采集過程。

圖1中，基于振動源處，在其30m，45m，60m，75m，90m處，分別選擇5個測試點，測試其三個方向的分量加速度，分別為水平切向加速度X，水平徑向加速度Y，垂直向加速度Z。三個分量加速度峰值是水平切向加速度＞水平徑向加速度＞垂直向加速度。

圖2中，對5個距離的3個方向的加速度最大值進行測試和記錄，最后計算平均值作為A₀(標定的距振源點r₀的振動加速度峰值)。

如圖3所示，基于定標數據庫的建立，根據Bornitz公式及標定數據計算得到地面振動幅度衰減值與振源距離的對應關系即可得到任意幅度值下振源到三軸振動傳感器的距離。

詳細計算公式如下：

式(1)中：A_r為距振源點r的振動加速度峰值；

A₀為已經標定的距振源點r₀的振動加速度峰值；A₀和r₀為定標值。

r為距振源點的距離；

r₀為某已標定振動加速度的點距振源點的水平距離；

a為振動衰減系數

取距離振源75米處，x軸加速度的最大振幅128代入公式1進行曲線擬合，a衰減系數取濕陷性黃土狀粉土層衰減值0.021s/m，圖5給出了一些常見的地基土能量吸收系數。現場采集振動加速度峰值A_r，根據公式就可以計算出對應的r。

代入公式1得到:

由式2知有且只有一個r與A_r一一對應，這些對應的點集即可得到一條曲線。現場實時采集的數據為濕陷性黃土狀粉土層環境下，若達到觸發值，即達到了判斷是否發生振動的閾值，可將x軸加速度傳感器實時傳回的最大振幅值一一代入式2，即可得到相對應的r值，r即為發生振動的振源實時的距離x軸傳感器的距離，同理，y軸、z軸也如此，最后便實現了三維空間的實時定位。

如圖5所示，為本發明測距流程圖，具體如下：

1、采集原始信號：依賴三軸加速度傳感器采集x、y、z三個方向的振動數據

2、提取有效信號：對步驟1采集的原始信號，進行濾波；采樣，應用STA/LTA算法對振動強度范圍內的信號進行過濾。

3、傅里葉變換計算加速度變化最大振幅：分別對提取有效信號后的每次三軸振動傳感器x軸、y軸、z軸的三個方向上的振動數據進行快速傅里葉變換，分別計算出每次x軸、y軸、z軸三個方向上的最大振幅。

4、保存定標數據振幅：對應不同距離，保存其對應的x軸、y軸、z軸三個方向上的最大振幅。

5、選擇土質對應的衰減系數：基于不同的地基土名稱和狀態，地基土能量吸收系數會不同，本測試方法會根據實際地基情況選定衰減值用于振動位置精確測距中，a₀為根據土質類型可選擇的衰減值。

6、擬合距離與振幅衰減曲線：根據定標數據與衰減系數值擬合距離與振動幅度的衰減曲線，如圖3所描述。

7、判斷距離振源距離：定標數據和對應的衰減曲線若已經擬合出，如圖3描述，帶入式2即可實時計算機出振源距離，三個方向的距離計算出即可定位出振源距離此三軸傳感器的的立體位置。

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。