线性岩溶路基监测预警应用 application-of-linear-karst-subgrade-monitoring-and-early-warning

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应 用 原 理 — 浅 层 地 震 法

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· 浅层地震法是隐伏岩溶探测的重要方法。传统的浅层地震法需要利用专门的激励源产生振动,专门设置多个地震波检波器拾取地震波信息。每次实验只能检测一个位置的地质信息,只能在铁路维护时进行检测,费时费力,实用性不好。

· 本方案提出一种基于光纤的浅层地震监测技术,采用高铁正常运行时的振动作为激励源,以铁路沿线铺设的光纤作为地震波检波器,高铁运行时轨道的振动作为激励源,产生的地震波被路基及地下结构反射后,到达铺设的光纤,该振动信息被设置在基站的解调仪系统捕获并记录下来。通过分析地震波的时序、频谱特征,可以获取隐伏岩溶的状态信息。该方案不干扰铁路的正常运行,能够对铁路沿线所有位置的路基进行实时监控,不仅能够发现溶洞等地质结构,而且能够及时发现路基下岩层的断裂、开缝等异常状况。

· 该浅层地震勘探系统需要同时监控数公里至数十公里范围内大量位置处的振动信息。基于光纤的分布式声波(振动)传感器是利用光纤中的瑞利背向散射效应,以光纤同时作为光信号传导媒介和振动敏感元件的传感器。光纤在制造过程中,由于掺杂不均和制作工艺限制,光纤内部介质折射率并不均匀。当光遇到上述折射率变化时,会有一部分光偏离原来传播路径而形成背向散射。基于对背向散射光的探测,可以实现对外界参量进行感知。激光器发出的探测脉冲进入传感光纤,在传感光纤中传输的同时会不停的产生瑞利背向散射光。根据从探测光脉冲产生到散射光信号到达探测器的时间,可以区别传感光纤上不同位置产生的散射光;由光纤上的各点散射光的强度和相位变化情况,分析可得传感光纤的损耗、振动等信息。

· DAS传感技术所采用的光纤体积小、柔软可弯曲,能以任意形式复合于基体结构中而不影响基体的性能。只需从光纤的一端进行监测,就可以得到整根光纤上各处的振动信息,该传感技术系统最具优势的地方还在于光纤既是传感元件又是传输介质,属于分布式监测,可以满足长距离、不间断监测的要求,便于与光纤传输系统联网,以实现系统的遥测和控制。

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应 用 方 法

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1)解调系统的开发

DAS系统解调仪的性能指标非常重要。本项目采用的HiFi-DAS系统,是由上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室的光纤传感研究团队,在其提出的TGD-OFDR型光反射仪技术基础上,利用创新技术攻克空间分辨率、衰落噪声等问题,所实现的一种高性能DAS系统。不仅测量距离长,测量灵敏度高,而且整个传感光纤内具有良好的一致性,保障了地震检波的精度。

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主 要 技 术 指 标

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2)传感光纤的布设

· 根据检测原理,高铁运行时对铁轨产生的振动冲击,地震波传播到路基和地下结构,并被部分反射回来,传播到光纤位置处,引起光纤的振动,DAS解调仪检测光纤的振动信息,据此判定路基的状态。该检测方案中传感光纤作为地震检波器,需要与地面具有良好的耦合。

· 铁轨产生的冲击振动有两种途径到达传感光纤:地面直达波和地下反射波。地下反射波包含了地质信息,为了确保光纤能正确接收到地下反射回的地震波,传感光纤需要与地质层紧密耦合。而直达波的幅度过高会影响对地下反射波的检测,需要适当屏蔽直达波的幅度。

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3) 数据处理与信号分析

· 岩溶洞主要分为空洞、充水或部分充水、部分充填沉积物三大类。无论哪一类, 其充填物的密度、波速都远比周围岩石小很多。由于密度差异,当入射波遇到充满空气的洞顶界面时, 能量将被反射回地面, 在地面上相应的观测点会接收到发生了180°相位变化的反射波。对于规模较小且充水的溶洞,反射系数将减小, 洞顶反射波能量也将相应减弱, 此时不能单纯从反射理论来识别洞顶反射信息,需要从绕射理论和“ 共鸣” 现象来识别有关反映“ 溶洞”存在的波形特征。根据绕射理论, 可把洞顶看成一个绕射点, 当入射波遇到这样的绕射点时, 记录上可能会出现绕射同相轴;所谓“共鸣”现象则把洞看成一个“次生震源”,入射波激发“次生震源”产生“共鸣”,从而在记录上出现波的“续至振荡”现象, 使连续的同相轴产生间断或杂乱。

· 对DAS系统获取的地震波信号进行分析,根据已有的溶洞、空洞等位置的声波特征,利用溶洞对地震波的反射、绕射和“共鸣”现象,能够实现对溶洞存在与否的识别。

· 此外,DAS系统可以一年四季不间断地对记录高铁经过时激起的反射波,通过比较铁路沿线的声波谱特征的变化情况,得到地质变化的信息,及时发现新形成的溶洞、冲刷出来的空腔、岩层的断裂等信息。

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优 势

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· 不影响铁路的正常运行,光纤一旦铺设好后(或者利用既有光纤,省掉铺设过程),即能够在铁路正常工作期间收集数据,不需要额外放置激励源;

· 可以对铁路沿线进行全程监控,没有盲区;

· 能够提前预警,本系统可以一年四季不间断运行,如果某区域地震波特征发生变化,则意味着该处的地质状态发生改变,能够及时发现事故隐患。