一种利用微震信号测量隧道围岩松动圈深度的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种利用微震信号测量隧道围岩松动圈深度的装置及方法，装置包括微震传感器、传感器布置与固定装置、微震信号激发装置、微震信号时频分析装置；传感器布置与固定装置包括多功能杆、气囊、充气装置、导管和信号传输电缆；多个微震传感器可灵活布置于多功能杆，将多功能杆插入测试孔中，采用充气装置使孔内气囊充气膨胀，通过向多功能杆施加压力使微震传感器与围岩紧密接触；微震信号激发装置用于孔口周边围岩表面产生震动波向孔内传播；微震信号时频分析装置用于梅尔时频声纹图自动生成与实时辨识。方法为采用预训练AST深度学习模型实时辨识松动圈与完整围岩之间的声纹图特征的差异，实现深部隧道围岩松动圈高效精准测量。精准测量。精准测量。

【技术实现步骤摘要】
一种利用微震信号测量隧道围岩松动圈深度的装置及方法


[0001]本专利技术属于微震监测领域，具体涉及一种利用微震信号测量隧道围岩松动圈深度的装置及方法，能够通过辨识不同深度布置微震传感器所获取微震信号的梅尔时频声纹图变化的差异度，准确测量隧道围岩松动圈，对隧道支护设计以及减灾防灾具有指导性意义。

技术介绍

[0002]深部隧道开挖卸荷后，围岩应力重分布导致开挖面附近的围岩出现明显破裂，隧道开挖面周边的破裂带称为围岩松动圈。围岩松动圈深度是深部隧道加固与支护设计的重要参数，是地质灾害减灾防灾的重要依据，其测量精度对隧道安全施工与成本控制具有重要影响，如测量值过小，导致锚杆支护效果不佳，而测量值过大，导致锚杆支护成本增大。
[0003]目前，隧道松动圈主要测量方法主要包括声波法、多点位移法、地震波法、地质雷达法、钻孔摄像法和电阻率法等；但是，上述方法均存在工作量较大、测量精度低、操作复杂等问题。目前，基于岩石破裂声信号监测的微震技术已成为深部隧道围岩稳定性的重要监测手段，能对岩体由微破裂发展为失稳破坏的裂全过程进行实时动态监测。当前，利用微震监测测量隧道围岩松动圈深度的技术处于萌芽阶段，已有技术需要以爆破信号作为测量的触发源，适用性较差；此外，已有技术依据不同深度位置的微震传感器所获取的岩石破裂信号时程曲线的差异进行围岩松动圈测量，存在着由于岩石破裂微震信号离散性较大导致信号时程曲线差异不明显进而造成松动圈深度的测量误差偏大的不足。已有研究表明，开挖面震源所产生的应力波可由松动圈围岩传输至完整围岩，松动圈内传播的微震信号的声纹特征是相似的，但与完整围岩内传播的微震信号的声纹特征有着显著差别。与微震信号时程曲线的幅值与频率等简单特征指标的差异相比，松动圈与完整围岩的微震声纹特征差异更显著，具有特征变化离散性小的特点，更易识别且可靠性更高。因此，依据不同深度位置布置微震探头所获得微震信号的声纹特征差异度进行围岩松动圈测量无疑更为合理可靠。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于，针对现有隧道围岩松动圈测量工作量大、测量准确性低以及操作复杂等问题，提出一种利用微震信号测量隧道围岩松动圈深度的装置及方法，通过此装置不仅可测量任意情况下的围岩松动圈深度；而且方法采用预训练AST深度学习模型实时辨识松动圈与完整围岩之间的梅尔时频声纹图特征的差异，实现深部隧道围岩松动圈高效精准测量。
[0005]本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案如下：第一方面，本专利技术提供一种利用微震信号测量隧道围岩松动圈深度的装置，包括微震传感器、传感器布置与固定装置、微震信号激发装置、微震信号时频分析装置。
[0006]所述微震传感器至少具有两个，用于采集测试孔内不同深度围岩的微震信号。
[0007]所述传感器布置与固定装置包括多功能杆、气囊、充气装置、导管和信号传输电缆。
[0008]进一步，所述多功能杆包括主固定杆、副连接杆组成；所述主固定杆作为气囊、微震传感器组载体，顶部具有一个安装气囊充气接口的圆形导管插槽，底部具有一个空心滑槽，并包括至少两个安装装置和至少四个固定装置；所述安装装置是一种可沿杆轴滑动的非固定式结构，其内部为一种内螺纹孔，用于与所述传感器外螺纹孔嵌合、固定微震传感器，通过滑动结构可沿杆轴方向灵活布置微震传感器；所述固定装置是一种磁性粘粘构件，用于嵌入空心滑槽锁定可滑动安装装置，固定微震传感器杆轴方向；所述副连接杆安装于主固定杆轴心位置，用于移动微震传感器测量位置点，能灵活调整围岩松动圈测量位置。
[0009]进一步，所述气囊通过导管与充气装置相通，充气装置通过产生气体，使空载气囊膨胀至足够大小的体积，进而通过向多功能杆施加压力使微震传感器与围岩紧密接触。
[0010]进一步，所述信号传输电缆一端与传感器上端接口端相连，另一端与所述微震信号时频分析装置相连，用于传输微震信号。
[0011]所述微震信号激发装置用于激发孔口周边围岩表面产生等幅度震动波，并向孔内传播。
[0012]所述微震信号时频分析装置用于将微震信号转换为梅尔时频声纹图，并通过内部嵌入AST深度学习算法以及一系列数据处理计算机程序实时辨识松动圈与完整围岩之间的梅尔时频声纹图特征的差异，测量隧道围岩松动圈深度，并将其结果绘制余显示屏上；所述微震信号时频分析装置包括一个或多个处理装置、储存装置、多媒体组件、输入装置以及输出装置，通过各组件共同作用实现微震信号时频分析装置的功能或是其他期望功能。
[0013]第二方面，本专利技术还提供一种利用微震信号测量隧道围岩松动圈深度的方法，包括：步骤1：通过所述一种利用微震信号测量隧道围岩松动圈深度的装置对测试孔外周边岩壁进行敲击测试，引起孔内围岩发生振动，进而获取各深度部位围岩的微震信号；步骤2：利用短时傅里叶变换将微震波形信号转换为具有时域和频域两种信息的梅尔时频声纹图；优选的，所述梅尔时频声纹图是一种基于梅尔刻度非线性转换的短时傅里叶声纹图，此声纹图更符合人类听觉系统的习惯，表征信号的低频成分特性。
[0014]步骤3：利用预训练AST深度学习模型实时辨识松动圈与完整围岩之间的梅尔时频声纹图特征的差异，测量围岩松动圈的深度；优选的，所述Audio Spectrogram Transformer（AST）是一个无卷积结构、纯基于注意力的音频分类模型，其特点是架构简单，性能优越，在训练过程中收敛更快，支持可变长度输入，适合应用于不同任务而不需要改变架构。
[0015]优选的，所述辨识特征梅尔时频声纹图特征差异性方式可解释为：在钻设测试孔深度足够情况下，钻设孔必存在破碎围岩松动圈（邻近岩壁）与完整围岩区域（邻近孔底），由于二者介质特征（松动圈
‑
松散、完整围岩
‑
完整）截然不同，通过敲击岩壁所激发的微震信号在围岩松动圈/完整围岩区域交界面时，会发生显著差异，因此可通过辨识两个相邻的微震信号的梅尔时频声纹图特征区域，测量围岩松动圈深度。
[0016]优选的，本专利技术所采用隧道围岩松动圈深度测量方式，是一种简便、灵活、高效、高精度等多种优势的多策略测量方案，至少包括A、B两个微震传感器；具体可解释为：步骤
①
，初步测量围岩松动圈最大深度。将A传感器位于孔口附近，B传感器在孔内向深部移动并不
断激发微震波，当声纹图特征出现显著差异时，说明A传感器到达完整围岩区域，松动圈与完整围岩的交界面在B传感器附近；步骤
②
，确定围岩松动圈深度。将A传感器向孔内不断移动，即不断靠近B传感器并不断激发微震波，期间A与B传感器的声纹图特征保持显著差异，一旦A与B传感器的声纹图特征相似时，两个传感器都在完整围岩内，这时，将A传感器稍微向外移动至A、B传感器声纹图出现显著差异时停止，松动圈与完整围岩的交界面位于两个传感器之间，由此通过传感器的位置深度得到松动圈深度 [x1, x2]；步骤
③
，提高松动圈深度测量精度。若需进一步提高测量松动圈深度，遵循声纹图特征存在明显差异原则，逐步缩小传感器之本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用微震信号测量隧道围岩松动圈深度的装置，其特征在于，包括：微震传感器（101）、传感器布置与固定装置（102）、微震信号激发装置（103）、微震信号时频分析装置（104）；所述传感器布置与固定装置（102）包括多功能杆（1022）、气囊（1021）、充气装置（1029）、导管（1027）和信号传输电缆（1028）；进一步，所述多功能杆（1022）包括主固定杆、副连接杆组成；所述主固定杆作为气囊（1021）、微震传感器（101）载体，顶部具有一个安装气囊充气接口的圆形导管插槽（1023），底部具有一个空心滑槽（1024），并包括至少两个安装装置（1025）和至少四个固定装置（1026）；所述安装装置（1025）是一种可沿杆轴滑动的非固定式结构，其内部为一种内螺纹孔，用于通过与所述传感器外螺纹孔（1012）嵌合，固定微震传感器（101），通过滑动结构可沿杆轴向方向灵活布置微震传感器（101）；所述固定装置（1026）是一种磁性粘粘构件，用于嵌入空心滑槽（1024）锁定可滑动安装装置（1025），固定微震传感器（101）轴向方向；所述副连接杆安装于主固定杆轴心位置，用于移动微震传感器（101）测量位置点，能灵活调整围岩松动圈测量位置；进一步，所述气囊（1021）通过导管（1027）与充气装置（1029）相通，充气装置（1029）通过产生气体，使空载气囊（1021）膨胀至足够大小的体积，进而通过向多功能杆（1022）施加压力使微震传感器（101）与围岩紧密接触；进一步，所述信号传输电缆（1028）一端与传感器上端接口端（1013）相连，另一端与所述微震信号时频分析装置（104）相连，用于传输微震信号；所述微震信号激发装置（103）用于激发孔口周边围岩表面产生等幅度震动波，并向孔内传播；所述微震信号时频分析装置（104）用于将微震信号转换为梅尔时频声纹图，并通过内部嵌入AST深度学习算法以及一系列数据处理计算机程序实时辨识松动圈与完整围岩之间的梅尔时频声纹图特征的差异，测量隧道围岩松动圈深度，并将其结果绘制余显示屏上；所述微震信号时频分析装置包括一个或多个处理器（1041）、储存装置（1042）、多媒体组件（1043）、输入装置（1044）以及输出装置（1045），通过各组件共同作用实现微震信号时频分析装置的功能或是其他期望功能。2.根据权利要求1所述的一种利用微震信号测量隧道围岩松动圈深度的装置，其特征在于，所述多功能杆底端空心滑槽（1024）、可滑动安装装置（1025）、锁定固定装置（1027）可完成传感器组多策略灵活布置，传感器组至少包括两个传感器（101）；其一，可通过移动可滑动安装装置（1025）调整传感器组的间距来控制测量深度范围，以此实现围岩松动圈的测量；其二，在测得围岩松动圈深度情况下，还可通过不断缩小传感器组间距来优化测量精度。3.根据权利要求1所述的一种利用微震信号测量隧道围岩松动圈装置，其特征在于，所述气囊（1021）包括气囊主体以及充气接口部分，充气接口与充气导管插槽（1023）相连，导管（1027）与充气导管插槽（1023）、充气装置（1029）相连，充气装置（1029）与导管（1027）连接方式为一种松弛或紧绷的阀门，阀门紧绷状态时保证充气装置（1029）稳定输出气体，阀门松弛状态时可使可膨胀气囊（1021）发生体积缩小的放气状态。4.根据权利要求1所述的一种利用微震信号测量隧道围岩松动圈深...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏国韶，李培峰，蓝兰，秦远卓，许华杰，刘宗辉，黄晓晴，赵斌，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：