一种对隧道施工振动位置精确定位的计算方法与流程

本发明涉及一种对施工振动位置精确定位的计算方法。

背景技术：

在市政和电力隧道中经常分布各种通信和电力设施，随着经济发展和社会需要，隧道中各种通信和电力设备的分布密度随之加大，隧道的安全运行已关系到城市的安全建设与发展。隧道安全受到的威胁一般是地震或者外界机械施工造成的振动破坏，如果能监控隧道受到振动的强度，提前预警并定位振源，就可以尽最大限度保证隧道的安全运行。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种施工振动所引起的地面振动位置精确定位方法，该方法可以精确计算出施工振动环境下的振源的位置，实现了施工现场振动位置精确测距和定位，为电力安全生产的先期预警、快速反应提供强有力的技术保障。

为了实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种对隧道施工振动位置精确定位的计算方法，包括以下步骤：

(1)在隧道内以振动源为原点，每隔一定距离设置一个测试点，分别测量该点的三轴加速度：水平切向加速度X、水平径向加速度Y和垂直向加速度Z的加速度振动曲线，根据加速度振动曲线得到加速度峰值，建立以测试点的距离和测试点处加速度峰值为集合的定标数据库；

(2)根据不同的地基土能量吸收系数来确定地面振动衰减系数；

(3)基于定标数据库和地面振动衰减系数，根据公式进行曲线拟合。

式中：A_r为距振源点r的加速度峰值；A₀为已经标定的距振源点r₀的振动加速度峰值；r为距振源点的距离；r₀为已标定振动加速度的点距振源点的水平距离；α为振动衰减系数。

(4)根据拟合曲线和某点三轴加速度峰值，即可对振动源做精确定位。

三个分量加速度峰值是水平切向加速度＞水平径向加速度＞垂直向加速度。

对加速度振动曲线进行计算，得到加速度峰值的具体方法是：

(21)对所述三轴加速度振动曲线进行滤波和采样；采用STA/LTA算法对其中满足振动强度范围的信号进行过滤，提取有效信号，所述振动强度范围为3.1至7.9；

(22)分别对x轴、y轴和z轴上的有效信号进行快速傅里叶变换，得出x轴、y轴和z轴的频域加速度振动曲线，并得到加速度峰值；

分别对不同测试点的三轴加速度作多次测量，根据得到的多个三轴加速度峰值，取各个轴的平均加速度峰值作为定标数据库的数据。

对任一测试点一直保持测量状态，实现该测试点的实时监测。

本发明的有益效果：

(1)通过本发明的实施，可以精确计算出施工振动环境下的距振源的距离，实现了施工现场振动位置精确测距，提前预警并定位振源，本发明为电力安全生产的先期预警、快速反应提供强有力的技术保障，可以尽最大限度保证隧道的安全运行。

(2)本发明对施工振动位置精确定位的计算方法，可以实现施工现场振动环境的实时在线监测，避免施工对电力隧道的破坏，保障了电力隧道的安全可靠运行

附图说明

图1为本发明定标数据采集示意图；

图2为本发明定标数据加速度采集图；

图3为本发明的一种定标数据拟合曲线图；

图4为本发明地基土能量吸收系数表。

图5为本发明定位流程图。

具体实施方式：

图1和图2所示，为定标数据采集过程。

图1中，基于振动源处，在其30m，45m，60m，75m，90m处，分别选择5个测试点，测试其三个方向的分量加速度，分别为水平切向加速度X，水平径向加速度Y，垂直向加速度Z。三个分量加速度峰值是水平切向加速度＞水平径向加速度＞垂直向加速度。

图2中，对5个距离的3个方向的加速度最大值进行测试和记录，最后计算平均值作为A₀(标定的距振源点r₀的振动加速度峰值)。

如图3所示，基于定标数据库的建立，根据Bornitz公式及标定数据计算得到地面振动幅度衰减值与振源距离的对应关系即可得到任意幅度值下振源到三轴振动传感器的距离。

详细计算公式如下：

式(1)中：A_r为距振源点r的振动加速度峰值；

A₀为已经标定的距振源点r₀的振动加速度峰值；A₀和r₀为定标值。

r为距振源点的距离；

r₀为某已标定振动加速度的点距振源点的水平距离；

a为振动衰减系数

取距离振源75米处，x轴加速度的最大振幅128代入公式1进行曲线拟合，a衰减系数取湿陷性黄土状粉土层衰减值0.021s/m，图5给出了一些常见的地基土能量吸收系数。现场采集振动加速度峰值A_r，根据公式就可以计算出对应的r。

代入公式1得到:

由式2知有且只有一个r与A_r一一对应，这些对应的点集即可得到一条曲线。现场实时采集的数据为湿陷性黄土状粉土层环境下，若达到触发值，即达到了判断是否发生振动的阈值，可将x轴加速度传感器实时传回的最大振幅值一一代入式2，即可得到相对应的r值，r即为发生振动的振源实时的距离x轴传感器的距离，同理，y轴、z轴也如此，最后便实现了三维空间的实时定位。

如图5所示，为本发明测距流程图，具体如下：

1、采集原始信号：依赖三轴加速度传感器采集x、y、z三个方向的振动数据

2、提取有效信号：对步骤1采集的原始信号，进行滤波；采样，应用STA/LTA算法对振动强度范围内的信号进行过滤。

3、傅里叶变换计算加速度变化最大振幅：分别对提取有效信号后的每次三轴振动传感器x轴、y轴、z轴的三个方向上的振动数据进行快速傅里叶变换，分别计算出每次x轴、y轴、z轴三个方向上的最大振幅。

4、保存定标数据振幅：对应不同距离，保存其对应的x轴、y轴、z轴三个方向上的最大振幅。

5、选择土质对应的衰减系数：基于不同的地基土名称和状态，地基土能量吸收系数会不同，本测试方法会根据实际地基情况选定衰减值用于振动位置精确测距中，a₀为根据土质类型可选择的衰减值。

6、拟合距离与振幅衰减曲线：根据定标数据与衰减系数值拟合距离与振动幅度的衰减曲线，如图3所描述。

7、判断距离振源距离：定标数据和对应的衰减曲线若已经拟合出，如图3描述，带入式2即可实时计算机出振源距离，三个方向的距离计算出即可定位出振源距离此三轴传感器的的立体位置。

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。