微震監測技術在隧道開挖安全監測中的應用

王運慶

(中電建路橋集團有限公司，北京　100048)

微震監測技術在隧道開挖安全監測中的應用

王運慶

(中電建路橋集團有限公司，北京100048)

摘要:以重慶禮讓隧道為例，介紹了微震監測的原理，從設備造型、監測方案、微震監測信號濾波與消噪等方面，闡述了微震監測技術在隧道開挖中的應用，監測結果表明，微震監測技術可實現對隧道開挖的實時監測。

關鍵詞:隧道，微震監測，圍巖，穩定性

0　引言

隧道開挖過程中，受開挖擾動的影響圍巖應力重新分布，巖體力學性質的各向異性決定了巖體應力分布的不均衡，在圍巖的某些區域產生應力集中，當達到巖體的強度極限后，巖體發生斷裂破壞，這是導致巖爆、大面積塌方等隧道災害的重要原因［1，2］。

隧道開挖過程中圍巖的穩定性監測是隧道施工過程中的重要環節，隧道變形前，在巖體內部必然有大量的裂隙萌生、擴展與貫通，即圍巖失穩破壞的前兆信息，而傳統變形監測指標如圍巖變形量、圍巖應力、松動圈及支架受力與變形等，只反映隧道圍巖的當前狀態，難以提早發現其變形失穩破壞前的動態特征與發展趨勢，監測相對滯后［3-5］。

因此需要研究一種具有前瞻性、連續性等特點的隧道變形監測方法。微震監測技術是近年來發展起來的集地球物理、信號采集、信號通訊、計算機等多學科的綜合監測技術，在巖土災害監測、石油工程、軍事工程等眾多領域有著廣泛的應用［5-8］。鑒于此，重慶禮讓隧道在隧道開挖過程中引入了微震監測系統進行圍巖穩定性監測，文中重點闡述一下微震監測系統在隧道工程中的應用。

1　工程概況

禮讓隧道位于梁平縣七星鎮、禮讓鎮境內。隧道左右洞長度分別為5 517.6 m和5 520.7 m，隧道區為構造剝蝕、溶蝕形成的背斜山，山體呈北東南向延伸。根據祥勘，隧道洞身段圍巖以Ⅲ，Ⅳ級為主。隧址區三疊系中下統碳酸鹽巖類分布于背斜軸部，因受兩側碎屑巖所構成的中、低山嶺的夾持，具備有利的巖溶發育條件，形成了特有的隆脊型巖溶槽谷，巖溶發育與巖性、地貌條件關系密切;巖溶水運動和富集則受地質構造控制。三疊系上統須家河組砂、頁巖，和侏羅系下統珍珠沖組砂、泥巖分布于背斜兩翼，巖層以傾斜狀態產出，具有形成碎屑巖孔隙裂隙層間承壓水和紅層承壓水良好儲水構造條件。

2　微震監測原理

任何形式的工程災害在災變前都會引起巖土體不同程度的破裂，破裂將產生震動，稱之為微震。微震監測技術通過計算機技術、通訊技術、數據庫技術及地震學、地球物理學等學科和領域的交叉，對這些災變發生前巖體變形、斷裂所產生的微弱震動進行實時采集、分析，獲得包括微破裂時間、坐標、釋放能量、非彈性變形等在內的大量參數信息。利用這些參數，可以在三維空間中實時準確地得出微震事件的發生位置，從而分析獲得巖體獨立的實時應力狀態，對巖體微震事件的活動范圍及穩定性做出安全評價［6，7］。

定位原理:假設巖體在某一段監測區域內近似均質，地震波速度恒定，在破裂區周圍空間內布置多個檢波器進行實時采集，有破裂事件產生震動并向周圍傳播，各檢波器1號、2號、3號、4號到震源O( X0，Y0，Z0)平均傳播速度為V0，建立走時方程:

其中，Xi，Yi，Zi均為各檢波器坐標; Ti為波傳播到各檢波器拾取波形時刻; T0為震源發震時刻。理論上四個檢波器即可組建式( 1)中四個方程以求解四個未知量，震源坐標X0，Y0，Z0，發震時間T0，但現場一般會多布設幾組檢波器，通過初步分析，剔除到時紊亂的數據，余下的數據聯立可通過MATLAB程序計算求解震源參數。

3　微震監測系統現場布設

3.1設備的選型

通過各類設備比對分析，最終選用了北京科技大學獨立研發的BMS高精度微震監測系統進行現場監測。設備詳細參數如表1所示。

表1　BMS微地震監測系統性能參數

3.2現場監測方案

根據禮讓隧道的實際情況，擬采用單分站(一個分站可接12個檢波器)、“區內集中式”的測區布置方式對該隧道右線進行實時跟蹤監測，并與已有的全站儀、地質雷達及應力計監測相結合構建“震動場—應力場—位移”一體化監測預警系統。

為了能夠精確監測破裂位置，同時考慮到可靠性，前期的監測主要以掌子面至二襯范圍作為布設區，將檢波器布置于隧道初襯上。每隔15 m～20 m左右布置監測點，按初襯的長度合理、靈活布置檢波器，檢波器和分站等設備隨著掌子面的推進而即時跟進。

檢波器采用移動測點安裝方式，保證錨桿與孔壁全長錨固。安裝示意見圖1。

圖1　微地震檢波器及錨桿安裝示意圖

目前，隧道現場采用12通道采集儀，進行數據采集閾值設置時，有效事件觸發通道數為4，即當事件震動點至少同時觸發4個檢波器時，該事件被認為可用事件，如此能有效的避免局部小范圍施工中帶來的干擾震動信號。如圖2所示為現場微震監測主機與數據處理主機，顯示器中為波形信號。

圖2　現場微震監測主機與數據處理主機

3.3微震監測信號濾波與消噪

由于受信號形式和分析方法的影響，信號中廣泛存在巖石破裂等有效信號和電磁、機械振動等干擾信號，因此，對信號濾波與消噪是信號處理分析的重要步驟。

小波包變換是一種常見的信號濾波、消噪的分析方法［9］，它是傅里葉變換的發展，通過伸縮和平移等運算功能對信號進行精細化的時頻分析功能，具有時頻局部化和濾波基選擇靈活的特征。采用小波基和子波基等進行信號小波包分解，從中選擇最優基，其分解的結果最能表征信號的時頻特性。

小波包分析去噪包含幾個步驟:

1)對采集信號進行小波包分解;

2)確定最優基，通過計算熵標準，計算最優樹;

3)選擇合適的閾值并對小波包分解系數進行閾值量化;

4)信號的小波包重構，根據小波包多層分解系數和閾值量化后的系數進行小波包重構。

4　微震監測結果展示

如何將微震監測系統采集到的數據通過有效定位，直觀、形象地展示在隧道安全監測技術人員面前，用于指導實際生產時隧道微震監測的重要內容。北京科技大學BMS微震監測系統展示軟件能夠很好地將分析定位結果展現出來，其主要包含平面展示、剖面展示、時間區域統計等。微震監測巖石破裂是一個長期累積的過程，事件點越多表明此處巖石破裂點越多，由于隧道圍巖穩定性受到諸多因素的影響，如節理裂隙發育程度、滲流、爆破震動等，因此巖層破裂不代表隧道一定出現塌方等異常情況，但能表明此處巖石活動較為活躍［10］。圖3為禮讓隧道2015年6月份的微震監測統計數據剔除干擾信號后，巖石破裂的微震事件平面投影結果。

圖3　微震事件的平面投影結果

在K13 +382里程段附近，圍巖設計為Ⅲ級，較堅硬砂巖，巖體較完整，層間結合一般，采用環形導坑法開挖。從圖3可以看出，在該里程段開挖過程中，出現了圍巖破裂事件，可能是受爆破等開挖作業影響，事件主要分布在掌子面周圍，由于事件并未聚集，也未連接成破裂帶，可以初步推斷此段圍巖相對穩定。

5　結語

1)通過檢波器的布置、分站的安裝等，實現了對禮讓隧道施工過程中圍巖穩定性的微震監測。微震監測系統通過對監測數據進行初步分析、濾波及去噪等步驟提取有效的巖體破裂信號，通過后處理軟件進行定位并通過平面和剖面投影展示出來，實現了對隧道開挖的實時監測。2)通過某月份的微震監測統計結果可以看出，微震監測可直觀地呈現巖體破裂點的位置、能量大小，巖體破裂事件的疏密區域等信息，通過有效事件的時空分布關系可初步判斷區域內裂隙的發展過程，相關研究可為類似隧道工程中的微震監測提供借鑒和參考。

參考文獻:

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［4］劉寧，張春生，褚衛江.深埋大理巖破裂擴展時間效應的顆粒流模擬［J］.巖石力學與工程學報，2011，30( 10) : 1989-1996.

［5］張春生，褚衛江，侯靖.錦屏二級水電站引水隧洞大型原位試驗研究Ⅰ——試驗方案［J］.巖石力學與工程學報，2014，33( 8) :1691-1701.

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Application of micro-seismic monitoring technology in tunnel excavation security monitoring

Wang Yunqing
( China Power Construction Highway＆Bridge Group Co.，Ltd，Beijing 100048，China)

Abstract:Taking Chongqing Lirang tunnel as an example，with an introduction of micro-seismic monitoring principles，starting from aspects of equipment selection，monitoring scheme，micro-seismic monitoring signal filter and noise reducing，the paper describes the application of micro-seismic monitoring technology in tunnel excavation.The monitoring results show that: micro-seismic monitoring technology can realize timely tunnel excavation monitoring.

Key words:tunnel，micro-seismic monitoring，surrounding rock，stability

作者簡介:王運慶(1981-)，男，工程師

收稿日期:2015-11-21

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0198-03

中圖分類號:U456.3

文獻標識碼:A