微震監測技術在公路高邊坡穩定性中的應用

陳海霞

（中煤陜西中安項目管理有限責任公司，陜西西安710054）

微震監測技術在公路高邊坡穩定性中的應用

陳海霞

（中煤陜西中安項目管理有限責任公司，陜西西安710054）

依托實際工程簡要介紹微震監測技術基本原理及微震監測系統的組成和現場監測點布設情況。首先，采用數值計算方法對邊坡的施工全過程進行穩定性動態分析，確定潛在失穩邊坡的關鍵點和危險區域，為監測點的布設提供依據。其次，運用微震監測系統對邊坡開挖過程中的微震活動性進行實時監測，研究微震事件隨著邊坡開挖在時空上的分布規律。并對土質邊坡和土石過渡部位增加傳統測斜監測，與微震監測數據相互補充分析。研究結果表明：微震監測技術可對公路高邊坡失穩進行有效預測，對邊坡開挖過程進行有效監控，為邊坡提前加固提供依據。

公路高邊坡；微震監測；巖質邊坡；穩定性；預測

邊坡穩定性問題一直是巖土工程的重要研究內容[1]，是所有高速公路建設和運營過程中必須重視的重大問題，而有效監測是保證高邊坡穩定的重要技術手段。

微震監測技術作為一種先進的和行之有效的地壓監測手段，在國內外深井礦山和高地應力礦山的地壓安全監測中得到了廣泛應用，已成為深部地壓研究和地壓管理的一個基本手段[2-3]。也必將在我國相關基礎領域得到推廣應用[4-7]。

微震監測技術還能對高陡巖質邊坡巖體變形全過程和巖石微破裂情況進行全面實時監測，是一種很好的區域預測方法[8-9]。邊坡失穩前，在巖體內部必然有大量的裂隙萌生、擴展與貫通，即邊坡失穩破壞的前兆信息，而傳統失穩監測主要是以位移監測為主，只反應邊坡巖體的當前狀態，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。而微震監測系統能準確捕捉到巖石微破裂事件的大小、集中程度、破裂密度等微觀現象，因此通過微震技術在高陡巖質邊坡穩定性監測中的應用，對邊坡穩定性做出評估，實現對邊坡開挖過程的有效監控，預報邊坡失穩前兆并提前采取加固措施[8-11]。但是，目前國內外鮮有微震監測技術應用于高陡路基、路塹邊坡穩定性監測的報道。

以渝廣高速K54+369—K54+688段左側路基邊坡的穩定性實時監測為研究目標，有效地指導施工，確保工程安全。對該邊坡在開挖過程中的微震活動性進行實時監測。本文首先通過理論計算預先辨識了邊坡開挖加固過程中易失穩的關鍵部位和關鍵點，以作為制定總體監測方案的依據。然后利用建立的微震監測系統，對拾取的事件進行聚類研究，通過現場定位試驗進行微震事件精度定位誤差分析，研究微震事件隨著邊坡開挖在時空上的分布規律，并與常規監測技術進行對比研究，實現對邊坡開挖過程的有效監控，預報邊坡失穩前兆并提前采取加固措施。

1 工程概況

重慶渝北至四川廣安高速公路（重慶段）全長69.788 km，其中TJ-3工程段全長23.44 km，沿線跨越多地質地貌帶，強風化、過濕土（軟基）、砂泥巖互層、溶洞等多種不良地層疊現。由于建設周期較短，前期工程地質勘查工作具有一定的局限性，所留下的工程隱患只能通過施工過程中的有效監測來加以消除。

根據實際勘察與調研，該路段邊坡最大挖方高度60.1 m，設計坡率1∶0.75，開挖后施加錨固，開挖過程中具有以下幾個不利因素：1）巖層節理較發育，有泥化軟弱夾層；2）表層存在2～5 m的坡洪積層粉質黏土，易發生滑坡及垮塌；3）巖體整體結構不穩定，尤其在雨季，極易發生崩塌。

2 數值模擬

2.1 采用Slide軟件分析邊坡的整體穩定性

1）模型建立

針對是否施加錨桿分別建立計算模型。施加錨固：模型邊坡共分為6層臺階，由上而下，第一臺階設置4根錨桿，其余5個臺階均設置3根錨桿，錨桿共19根，排間距3 m，抗拉強度取310 kN，單位長度上水泥漿的黏結力和剛度分別為100 kN/m、200 kN/m。

2）計算結果

采用Slide軟件分析邊坡的整體穩定性，兩種情況下的計算結果如圖1所示。

圖1 計算結果Fig.1Calculation results

由圖1可知，加固前邊坡整體安全系數為1.028，處于不穩定狀態，存在一定的滑坡風險。邊坡施加錨固后，邊坡整體安全系數為2.087。錨固后的邊坡處于穩定狀態，加固效果顯著。通過理論計算預先辨識邊坡開挖加固過程中易失穩的關鍵部位和關鍵點，提前利用錨桿加固非常必要。

2.2 采用FLAC3D軟件分析邊坡的危險區域

1）模型建立

針對是否施加錨桿分別建立計算模型。施加錨固：模型邊坡共分為6層臺階，由下而上，第六臺階設置4根錨桿，其余5個臺階均設置3根錨桿，錨桿共19根（橫剖面），排間距3 m，計算模型邊坡錨桿總數114根。抗拉強度取310 kN，單位長度上水泥漿的粘結力和剛度分別為100 kN/m、200 kN/m。

2）計算結果

采用FLAC3D軟件分析邊坡的危險區域，未施加錨桿的計算結果塑性區分布如圖2所示，施加錨桿的計算結果的位移云圖如圖3所示。

圖2 塑性區分布Fig.2Plastic zone distribution

圖3 位移云圖Fig.3Cloud picture of displacement

開挖后最大位移達到8.62 cm，位于第六級臺階處。邊坡塑性區域主要集中在中下部臺階處，局部區域相對變形較大。邊坡存在一定的滑坡風險。而且，邊坡的土質及土石過渡部分變形明顯，應作為監測的重點區域。邊坡第一級臺階開挖過程中的最大位移為4.1 mm。由圖2和圖3相比可知，相比加固前邊坡最大位移為8.62 cm，加固效果顯著。錨固前是邊坡開挖過程中最危險的階段，應是監測的重點時期。

3）結果分析

邊坡開挖過程至加固工程完成前的這一階段，邊坡始終存在滑坡風險，FLAC3D軟件計算結果與Slide軟件的計算結果可相互驗證。

危險區域主要集中在邊坡的兩個部分：①邊坡上部，即邊坡的土質及土石過渡部分；②邊坡中下部，隨著開挖加深，中下部邊坡開始有失穩的跡象。此兩部分應為監測的重點。

按設計加固后的邊坡，整體安全系數達到2.087，邊坡處于穩定狀態，可不再需要持續監測。

3 微震監測技術研究

采用常規監測技術—測斜技術與微震監測結果相互驗證；同時對邊坡土質部分及土石過渡部分進行監測。

3.1 微震技術定義

微震技術是一種地球物理學方法，是對巖體在變形破壞過程中所產生的微破裂進行定時定位的一種監測技術[1]。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。微震監測儀器接收巖石微破裂產生的彈性波，將其轉換成電信號，并經數據采集系統轉換成數據信號，通過反演方法確定巖石微破裂事件產生的時間、位置和性質。根據微破裂的大小、集中程度、破裂密度，則有可能推斷巖石宏觀裂隙的發展趨勢，從而預測預報邊坡失穩前兆[1，12]。微震監測原理如圖4所示。

圖4 微震監測原理圖Fig.4Principle of microseismic monitoring

3.2 現場監測點布置

1）微震監測系統組成

當前，國際上應用的微震監測系統主要有兩種，加拿大ESG公司的微震系統和南非ISS公司的微震系統[1]。該項目監測設備采用的是加拿大ESG公司的微震系統。ESG的微震監測系統主要包括Hyperion數字信號處理系統、Paladin數字信號采集系統、加速度傳感器、電纜光纜、數據通訊調制解調器等[8]。微震監測系統網絡拓撲如圖5所示。

圖5 微震監測系統網絡拓撲圖Fig.5Network topology of microseismic monitoring system

2）微震監測設備布置

一共布設12個檢波器，其中第六臺階布設1個檢波器，第五臺階布設1個檢波器，第四臺階布設4個檢波器，第三臺階布設2個檢波器，第二臺階布設2個檢波器，第一臺階布設2個檢波器，每4個檢波器連接1個集線盒。具體位置分布如圖6所示。

圖6 微震監測設備及測斜孔位置示意圖Fig.6Spatial arrangement diagram of microseimic monitoring equipment and hole with clinometer

3）測斜孔布置

采用基康6500型測斜管和配套的6115型測斜儀探頭進行邊坡位移監測。第六臺階2個，第五臺階1個；第三臺階2個，第二臺階1個，共計6個測斜孔（與微震監測結果相互驗證）。具體測斜孔布設位置如圖6所示。

3.3 微震信號的識別

爆破信號、巖石破裂各小波包子頻帶范圍內的能力分布百分比為S5，19頻帶296.875～312.5 Hz能量占比19.12%。S5，6頻帶93.75～109.375 Hz能量占比17.41%。

3.4 定位方法

1）空間聚類定位方法

微震事件的波形處理及空間定位，是微震技術的核心內容。只有準確地區分微震事件波形、爆破事件波形、敲擊波形、噪音波形，以及正確處理微震事件波形，才能對微震事件進行正確的定位，使微震監測數據較好地反映邊坡實際穩定狀況。傳統定位方法是基于P波到時排序，以各檢波器采集信號到時和空間距離的差異，利用“到時-距離”方程求解震源在圍巖中的近似位置。

拾取P波到達時間，根據到時差和距離計算震源（破裂點）位置。但該方法用于邊坡工程等空間監測定位時，易出現異常偏差，必須進行邊界約束。

本文針對邊坡監測對象，采用空間聚類定位方法，定位精度得到大幅度提高，具體算法參照文獻[13]。空間聚類原理如圖7所示。

圖7 空間聚類示意Fig.7Schematic diagram of semi spatial clustering

2）定位試驗

2014年8月26日，渝廣高速公路高陡邊坡第三臺階開挖過程中，施工方采用炮掘方式進行開挖，炸藥量約為10 kg。改進算法后，各軸坐標的數量級逐漸減小，向真實坐標聚集。采用傳統方法的定位誤差為5.21 m，改進后的定位算法誤差為1.93 m。

3.5 微震結果

通過對微震事件的投影展示，可以直觀展示邊坡開挖過程中微震活動的演化形態，即隨著邊坡開挖的加深，微震事件的發生聚集處也會隨著向下推移，與計算結果相符。

監測到邊坡第三級臺階有大量的微震事件聚集，現場停止開挖，并立即實施坡面防護等加固措施，加固后微震事情明顯減少。說明加固措施起到了作用；微震監測可以采集到動態信息，從而實現了對開挖與加固施工的動態指導。

3.6 微震與測斜監測數據比對

2015-06-19—06-23微震事件明顯聚集，如圖8所示。現場停止開挖，并立即實施坡面防護等加固措施，加固后2015-06-28—07-02微震事件增幅趨緩，如圖9所示。

以測斜4號孔為例，對比分析微震于測斜監測數據，2015年6月12日到2015年7月14日的測斜4號監測變化速率如圖10所示。

圖8 微震事件明顯聚集Fig.8Obvious aggregation of microseismic events

圖9 微震事件增幅趨緩Fig.9The trend of increasing reduced gradually of microseismic events

圖10 測斜4號監測變化速率Fig.10Rate of change in the No.4 hole with clinometer

由圖8和圖10可以推測：邊坡發生變形（位移）前，坡體內部微震事件呈明顯增多趨勢。微震監測與測斜數據的比對分析表明，邊坡變形顯現前期，微震事件明顯增多，微震事件出現在前，邊坡失穩變形在后，兩種監測手段可互相印證和補充。

4 結語

以渝廣高速K54+369—K54+688段左側路基邊坡建立的微震監測系統，實現了公路工程中高陡邊坡穩定性的實時監測、分析和預警機制。通過研究主要得到以下認識：

1）以高邊坡路塹為監測對象，采用微震源空間聚類定位方法。該方法利用布置于邊坡不同部位的速度傳感器，基于P波到時排序，計算出震源在圍巖中的近似位置，引入半空間約束條件，并進行聚類分析，提高定位精度。

2）通過對微震事件信息的綜合分析，確定邊坡的穩定性及其與開挖深度、開挖速度、支護過程的時空關系，指導邊坡開挖與加固施工。

3）采用數值計算方法對邊坡的施工全過程進行穩定性動態分析，確定潛在失穩邊坡的關鍵點和危險區域，為監測點的布設提供依據。

4）對土質邊坡和土石過渡部位增加測斜監測，與微震監測數據相互補充分析，實現對邊坡施工過程的全覆蓋監測。

5）建立適合于邊坡工程穩定性的監測與預警體系，從根本上對邊坡失穩災害的發生進行預警和控制。依托邊坡工程從施工至今，未發生坍塌、滑坡等災害，也避免了因此造成的土方清理、工期延誤和人員設備損傷等問題。

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Application of microseismic monitoring technique on high rock slope stability of highway

CHEN Hai-xia
（China Coal Shaanxi Zhong'an Project Management Co.,Ltd.,Xi′an,Shaanxi 710054,China）

Based on the actual engineering,we briefly introduced the basic principle of the microseismic monitoring technique, the components and structure of the microseismic monitoring system and the site monitoring point layout.Firstly,the dynamic stability analysis of the whole process of the slope construction is carried out by using the numerical calculation method,and the key points and dangerous areas of the potential unstable slopes are determined,which provides the basis for the layout of monitoring points.Secondly,application of microseismic monitoring system for real-time monitoring of the seismic activity in the process of slope excavation,the distribution of microseismic events with the slope excavation in the time and space was studied.And the traditional clinometers monitoring was added in soil slope and earth-rock transition area,the data complement each other with microseismic monitoring data to analysis.The results show that the microseismic monitoring technique can effectively predict the highway high slope instability,effectively monitor the slope excavation process,and provide the basis for slope reinforcement in advance.

high slope of highway;microseismic monitoring;rock slope;stability;prediction

TU457

A

2095-7874（2017）06-0081-06

10.7640/zggwjs201706018

2016-10-21

2016-12-30

陳海霞（1976—），女，陜西西安人，高級工程師，土木工程專業。E-mail：952886008@qq.com