基于希尔伯特-改进小波包变换耦合方法的跨多断层破裂面隧道结构地震损伤动态识别研究

针对高烈度地震区隧道工程穿越多断层破裂面时的损伤识别难题，西安科技大学团队提出结合改进小波包阈值(IWPT)与集合经验模态分解(EEMD)的降噪方法(IDM)，耦合希尔伯特变换(HHT)构建动态损伤识别体系。通过振动台试验验证，该方法能精准捕捉隧道在断层上盘、下盘及断裂带中心的损伤程度与时点，为复杂断层区隧道抗震设计提供新技术路径。

　　

中国西部地区地处高烈度地震带，活动断层纵横交错，隧道工程在穿越大型断裂带时常因断层错动和强震作用遭受毁灭性破坏。2022年青海门源地震中距震中4.5公里的达坂山隧道出现仰拱隆起和环向开裂，2008年汶川地震导致穿越映秀断裂的龙溪隧道拱顶坍塌完全丧失功能，1999年台湾集集地震更造成断层25公里范围内11座隧道严重损毁。这些惨痛教训暴露出传统单破裂面假设与傅里叶分析的局限性——地震信号的非线性、非平稳特性要求发展更精准的时频联合分析方法(JTFA)。

西安科技大学研究团队在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》发表的研究中，创新性地将改进小波包阈值函数(IWPT)与集合经验模态分解(EEMD)降噪方法耦合，结合希尔伯特变换(HHT)构建了跨多断层破裂面隧道结构的地震损伤动态识别体系。通过设计含三条破裂面(倾角76°)的3.5m×2.5m×2.2m振动台模型箱，采集隧道响应信号后采用复合多尺度排列熵(CMPE)优化本征模态函数(IMFs)筛选，最终通过希尔伯特边际谱、瞬时功率谱和瞬时能量谱解析损伤演化规律。

关键技术方法
研究采用四阶段技术路线：(1)基于振动台试验获取跨多破裂面隧道的加速度响应信号；(2)运用改进小波包阈值(IWPT)函数解决传统软硬阈值导致的信号失真问题，通过参数μ调控小波系数衰减形式；(3)采用EEMD算法结合CMPE筛选IMFs分量，消除模态混叠；(4)对降噪后信号进行Hilbert变换，提取边际谱、瞬时能量等特征参数建立损伤指标。

研究结果

IWTP算法优势
对比传统硬阈值(均方误差MSE=0.1024)和软阈值(MSE=0.0963)，改进阈值函数在μ=0.05时信噪比(SNR)提升21.7%，且小波系数经阈值处理后仍保持连续可导特性，有效保留奇异信号特征。

多破裂面模型箱设计
振动台试验采用三块33cm宽钢板模拟断层带，通过调节螺栓预紧力控制破裂面间相互作用。测试表明上盘破裂面附近测点PGA放大系数达1.83，显著高于下盘(1.42)和断裂带中心(1.05)。

损伤识别过程
以ZDT波为例，IDM降噪后信号SNR达35.2dB。Hilbert边际谱显示主频从初始48Hz降至破坏阶段22Hz，瞬时能量峰值与肉眼可见裂纹发展高度吻合，验证了方法的准确性。

隧道损伤四阶段演化
0-0.1g阶段结构主频保持但能量谱峰值骤增；0.1-0.3g阶段主频下降5Hz并出现微裂纹；0.3-0.5g阶段主频降低40%伴随环向裂缝贯通；>0.5g阶段频谱能量向<15Hz集中，结构发生不可逆破坏。

空间损伤分布规律
希尔伯特瞬时能量谱揭示：上盘主破裂面附近损伤最严重(能量集中系数2.1)，下盘次之(1.7)，断裂带中心损伤最轻(0.8)，这与实际震害调查高度一致。

结论与意义
该研究突破传统单破裂面分析框架，首次通过IDM-HHT耦合方法实现多断层隧道损伤的时-频-空三维动态识别。提出的CMPE-IMFs筛选准则使EEMD分解误差降低62%，而IWPT算法显著提升非平稳信号的信噪比。成果为高烈度地震区隧道工程的抗震设防标准制定、损伤预警系统开发提供了理论依据和技术支撑，尤其对"一带一路"沿线复杂地质条件下的交通隧道建设具有重要指导价值。