TBM開挖隧洞微震監測系統構建及方案優化

劉福生 唐烈先 任喜平 李立民 王劍鋒

摘要：針對TBM開挖工作面實施微震監測過程中存在的空間狹窄、鉆孔不便、線纜易損等諸多困難，為了實現微震監測系統的穩定運行，確保數據采集的連續性、完整性和數據傳輸的實時性，在引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞越嶺段3號支洞的TBM開挖工作面，經過多次數據比對、優化改進，摸索出一套更適合TBM開挖工作面開展移動式微震監測的系統構建方案。通過6個月的連續監測表明：使用該方案，監測系統與TBM徹底分離，互不影響，正常供電時數據連續采集率為100%;數據傳輸穩定可靠，外部網絡正常時僅有ld因路由器供電故障而導致數據無法傳輸，故障率為0.55%;傳感器線纜沒有出現意外損壞，故障率為0，為巖爆風險預測提供了充分的數據保障。

關鍵詞：微震監測;巖爆;TBM;引漢濟渭

中圖分類號：TV522

文獻標志碼：B

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.02.027

隨著我國經濟的發展及礦產資源逐漸進入深部開采，現代化微震監測技術在21世紀初被廣泛應用，開始主要應用在深部礦山，以煤礦為主，逐步擴展到金屬礦山、交通與水利工程的邊坡、隧道等領域[1-4]。錦屏二級水電站深埋隧洞群成功嘗試了基于微震監測技術的巖爆風險預測[5-11]，之后越來越多的深部地下工程在巖爆防治措施中開始接受并引入微震監測技術。

目前，深部隧洞開挖主要有鉆爆法與TBM兩種方式，開展微震監測工作時，監測的主要范圍是掌子面及其后300 m左右距離，需要將微震監測設備安裝到掌子面后一定范圍內，隧道左右兩側各安裝一定數量的傳感器并按照一定陣列布置。在鉆爆法開挖的工作面，安裝傳感器的鉆孔可以使用鑿巖臺車完成，快速方便，且空間相對寬敞，設備安裝與挪動、線路檢查與修復較為方便。TBM開挖工作面則不同，實施微震監測時主要面臨如下困難：①空間狹窄。TBM占據隧洞掌子面后大部分空間，設備安裝與挪動困難。②鉆孔不便。TBM錨桿鉆機鉆孔幅度有限，鉆鑿完成后容易被噴漿堵塞，造成傳感器無法按計劃安裝，而較低位置的鉆孔則需人工使用手風鉆完成。③線纜易損。常規布置方式是左右洞壁各安裝相等數量的傳感器，信號采集儀安裝在TBM上靠近某一側，另一側的傳感器電纜需要集中并過頂后與數據采集工作站連接，靠皮帶一側洞壁傳感器電纜鋪設困難，皮帶上掉落石塊易砸壞電纜，檢查與修復難度較大，且皮帶運轉期間作業人員存在一定安全風險。④TBM隨時前移且日進尺較多，監測設備和線纜安放不當易受損。常規的監測設備布置方式是將信號采集儀放置于TBM上.TBM移動時需要將傳感器電纜不斷延長，操作不當或延長不及時會造成電纜纏繞或損壞，影響數據采集。微震監測對巖爆風險的預測成功率與監測數據的連續性和完整性息息相關，以上困難容易造成數據采集不連續或破壞傳感器陣列，數據不連續可能錯失巖爆關鍵前兆，破壞傳感器陣列會影響定位精度，均直接影響監測效果。

針對以上不足，本文摸索并嘗試多種布置方案和安裝方式，經過多次數據比對、優化改進，形成了安裝方便、移動快捷、數據傳輸穩定、線纜損壞率低的微震監測系統，能夠保證數據采集的連續性、完整性和數據傳輸的實時性。

1 工程概況

引漢濟渭工程橫穿秦嶺輸水隧洞全長98.3 km，設計流量70 m/s，縱坡1/2 500，分黃三段和越嶺段。越嶺段進水口位于三河口水利樞紐壩后右岸控制閘，出口位于渭河一級支流黑河右側支溝黃池溝內，全長81.779 km，分段采用內徑為6.76 m的圓形斷面和6.92 mx7.52 m的馬蹄形斷面，其中進口段26.14 km及出口段16.55 km采用鉆爆法施工，斷面為馬蹄形，穿越秦嶺主脊段約34 km采用TBM法施工，斷面為圓形，最大埋深超過2 000 m。高埋深、超長的特點，使得地應力、涌水和通風成為秦嶺隧洞開挖面臨的主要安全問題[12]。因此，為解決高地應力引起的強巖爆風險問題，在3號支洞TBM工作面（見圖1）引入微震監測技術，24 h連續監測開挖過程中圍巖的活動規律，獲取巖爆發生的前兆信息。

2 微震監測系統

微震監測系統由洞內傳感器、地震記錄儀（信號采集儀）、洞外數據采集和存儲工作站組成。傳感器與巖體耦合，接收巖體內產生的微震信號，通過三芯屏蔽電纜與洞內信號采集系統連接。地震記錄儀將電信號轉換為數字信號后通過光纖與洞外數據采集與存儲系統連接，經過數據處理分析后通過互聯網為相關單位發送數據信息。常規的微震監測系統組成結構如圖2所示[13]。

開挖隧洞的微震監測相比礦山，監測范圍更小且需要隨著開挖不斷往前移動監測設備[6-8]，因此需要選擇機身不大、質量適中、適宜挪動的微震監測系統。由于主要監測區域為掌子面前后200～ 300 m區域，考慮傳感器的信號接收范圍和頻繁安裝回收，既要保證定位效果，又要便于安裝移動，因此選擇6通道為宜。由于在開挖隧洞工作面實施微震監測，無法形成傳感器空間陣列布置，從定位原理分析[9-10]，6個單軸傳感器分開布置比2個三軸傳感器定位效果好，因此選擇單軸傳感器為宜。由于秦嶺輸水隧洞越嶺段巖性主要以花崗巖為主，強度高，連續性較好，震動產生的彈性波往往頻率較高，衰減較少，因此選用靈敏度更高、頻響范圍更大的加速度傳感器為宜。

3 系統構建及其方案優化

微震監測系統主要包括傳感器、信號采集儀、數據采集與存儲系統、數據處理與分析中心4個部分。前3個部分運行穩定才能保證第4部分正常進行，從而對巖爆風險進行更加準確的預測預報。然而，現場復雜的施工環境常常使得微震監測系統難以正常運行，時常出現線纜損壞、傳輸故障、采集中斷等問題，大大降低了監測數據的連續性和完整性。在引漢濟渭秦嶺輸水隧洞越嶺段3號支洞TBM工作面開展微震監測工作過程中，對設備的放置、數據的傳輸、傳感器的安裝、電纜的鋪設等進行了嘗試與優化改進。

3.1 設備的放置

通常情況下，微震監測系統會按照圖2所示的組成結構進行布置和安裝，將傳感器和地震記錄儀安裝在洞內，數據采集和存儲系統放置于洞外，洞內洞外通過光纖連接。這樣安裝的優點是數據采集和處理系統、工作站等可以工作在環境較好的空間內，震動小、粉塵少、散熱好，溫度和濕度可控，且不易受損，使用壽命較長，適合于礦山、邊坡等長期微震監測項目。但對于TBM開挖隧洞，其隨著開挖不斷往前移動，目前3號支洞洞口距離TBM掌子面超過12 km.洞內溫度高、濕度大，車輛設備過往多，石塊偶有掉落等，使得光纖容易出現故障或損壞，修復少則數小時，多則數天，此時間段將中斷數據采集，而巖爆的前兆信息出現時間不定，不連續監測可能錯過關鍵信號采集，影響巖爆風險的分析判斷。

因此，將數據采集與存儲系統安裝至洞內，僅用光纖將采集到的數據傳輸到洞外，即使光纖出現故障，數據采集仍可正常進行并存儲在系統中，待光纖正常后將數據傳輸出洞即可，如此布置可保證監測數據采集的連續性和完整性。通過6個月的連續監測，監測系統與TBM徹底分離，互不影響，正常供電時數據連續采集率為100%。

3.2 監測系統與TBM分離

TBM配套設施完善，開挖、運輸、支護等主要設施都包含在內，功能齊全，但各部分均需隨著TBM開挖一起往前移動，因此幾乎所有配套設備和耗材均放置于TBM上，方便使用和存放。微震監測設備的傳感器必須安裝在洞壁巖體內，而傳感器與信號采集儀之間通過屏蔽電纜連接，在過去的TBM微震監測工作中，都是將信號采集儀、數據采集與存儲系統放置于TBM上.6根不同位置的傳感器電纜拉到信號采集儀所在位置，隨著TBM往前移動，需不斷將電纜延長并懸掛于洞壁，通常需要派人24 h值守，且洞內空間狹窄，懸掛電纜工作難度較大，稍有疏忽就會造成線纜損壞，影響定位效果。

通過現場考察和可行性論證，確定將信號采集儀、數據采集與存儲系統均安裝于運輸皮帶對面洞壁，注意防止皮帶運輸過程中石塊掉落損壞設備，設備電源通過TBM機身后的照明電獲取，傳感器電纜完全懸掛于洞壁。如此布置后，微震監測系統與TBM徹底分離，完全不受TBM開挖前移影響，可減少大量的洞內工作量并確保監測數據24 h正常采集。

3.3 數據無線傳輸

通常，為了保證數據正常傳輸，洞內外數據傳輸都使用獨立光纖，但單獨鋪設超過10 km的專用光纖工作量巨大，且需隨TBM前移不斷延長和掛設，維護成本高，因此應合理利用TBM已安裝的光纖。但使用光纖不能影響TBM重要信息的實時傳輸，另外微震監測系統與TBM完全分離后，無法通過網線或局部光纖連接洞壁安裝的數據采集與存儲系統。經過多次測試，最后實現了監測數據的無線傳輸：借用TBM操作室的光纖，將洞外網絡信號引入TBM，在TBM噴漿二區之后每隔30 m左右安裝一個無線路由器，通過橋接的方式連接上網，將無線信號覆蓋于TBM噴漿二區之后的整個TBM長度范圍，在洞壁的數據采集與存儲系統中安裝一個外置無線信號接收器，并設定自動連接各個無線路由器，當TBM移動超過150 m、無線信號無法被系統接收時，將信號采集儀和數據采集與存儲系統挪至操作室附近的洞壁，如此循環，實現監測數據與洞外的無線傳輸。

通過6個月的連續監測，使用該無線傳輸方案后，數據傳輸穩定可靠，完全不影響TBM的正常數據傳輸，外部網絡正常時僅有1 d因其中一個路由器供電故障而導致數據無法傳輸，故障率為0.55%，極大地保證了數據傳輸的實時性，大大減少了技術人員進洞維護線纜的工作量。

3.4 傳感器安裝

微震監測傳感器通常情況下安裝于松動圈外的原巖上，以避免松動圈內震動波傳遞過程中出現信號衰減[14-15]，TBM自帶錨桿鉆機，可以鉆鑿微震監測安裝傳感器的鉆孔，但其鉆鑿范圍有限。為獲得更好的定位效果，傳感器需高低交叉布置，且錨桿鉆機在噴漿區之前，為保證傳感器可以順利回收循環使用，需要噴漿后再安裝，因此鉆孔需進行較好的保護，才能在噴漿后順利安裝傳感器。TBM掘進速度、噴漿時間不固定，且車輛進出周期較長，因此比較難把握安裝傳感器的時間，容易出現鉆孔區域噴漿后透孔等情況。

經過多次嘗試和對比，對于巖體完整性較差的洞段，較高位置采用錨桿鉆機鉆孔，用一定長度的硬質塑料管堵塞，噴漿后敲碎混凝土取出塑料管后安裝傳感器：較低位置則在噴漿之后采用風動鑿巖機人工鉆孔，確保傳感器可以安裝在信號接收較好的原巖上。對于巖體完整性較好的洞段，因TBM施工對巖體的擾動相對較小，故可在噴漿后直接將傳感器固定在洞壁。經過現場測試，采用靈活的傳感器安裝方法，可避免錨桿鉆機鉆孔的局限，較好地把握安裝傳感器的時機，并且不影響監測效果。

通過以上傳感器靈活安裝方式，6個月的連續監測過程中沒有出現傳感器無法安裝、安裝后被損壞或無法回收的情況，大大提高了安裝的便捷性和傳感器的成功回收率。

3.5 電纜鋪設

開挖隧洞移動式微震監測線纜損壞是難以避免的問題之一，鉆爆法開挖時飛石、大型車輛容易對懸掛于洞壁的線纜造成損壞.TBM開挖時皮帶上掉落的石塊易造成懸掛于洞壁的傳感器線纜損壞及TBM機身易掛到過頂線纜。根據傳感器陣列布置方案，需要將傳感器分別安裝在左右洞壁甚至拱頂巖體內，信號采集儀只能安裝在某一側洞壁，因此傳感器連接信號采集儀時，必須有一部分線纜過頂和懸掛于皮帶一側洞壁。一般情況下每側安裝3個傳感器，間距30～50 m，信號采集儀一側的3個傳感器電纜無需過頂，直接懸掛于洞壁，不易受到損壞，而另一側的傳感器電纜通常集中在一起過頂，采用的主要辦法是鉆孔后安裝膨脹螺栓懸掛電纜，這樣鋪設電纜的好處是過頂次數少，安裝工作量小，但過頂線纜如果被TBM機身某處刮蹭，就會同時損壞3根線纜，造成數據采集中斷，同時在皮帶一側的洞壁也將會至少有2根線纜懸掛30～50 m，被皮帶上掉落的石塊損壞的概率會大大增加，這種損壞在監測初期頻繁出現。經過不斷總結和改進后，改變了集中過頂的安裝方式，改為傳感器安裝完成后即過頂，每個傳感器單獨過頂，基本沒有懸掛于皮帶一側的電纜，通過這個改變，沒有再出現過洞壁線纜損壞。過頂線變為1根之后，無需鉆孔安裝膨脹螺栓懸掛，采用水泥釘懸掛即可，既減少了鉆孑L安裝膨脹螺栓時連接電源、鉆孔、安裝膨脹螺栓的工作量和成本，又加大了水泥釘密度，使電纜線緊貼拱頂，減小了被TBM機身刮蹭的概率。

改進傳感器電纜鋪設方式后，在6個月的連續監測過程中，傳感器線纜沒有出現意外損壞，故障率為0.保證了數據采集的完整性和微震事件定位的準確性，為巖爆風險預測提供了充分的數據保障。

4 結語

基于微震監測技術的巖爆風險預測目前仍處于逐步發展中，尚有許多問題需要不斷解決與完善，而巖爆機理的復雜性注定其前兆信息出現的時間無明顯規律，因此監測數據的連續和完整對巖爆風險的判別尤為重要。通過對TBM開挖工作面微震監測系統構建方案的分析，摸索出一套更加適合TBM開挖工作面的系統構建方案，使得系統運行更穩定、數據采集更連續、數據傳輸更及時、儀器設備故障率更低，充分保證了監測數據的連續性和完整性，值得在類似工程中推廣使用。

基于微震監測技術的巖爆風險預測被越來越多的深部地下工程所接受和使用，但鑒于巖爆機理本身的復雜性和巖體結構的未知性，徹底解決巖爆問題仍然任重道遠，本文僅從微震監測過程中的系統運行和數據采集與傳輸角度對微震系統構建方案進行了優化和改進，對于其定位精度、巖爆時間等還有待深入研究和探索。

參考文獻：

[1] 王旭，唐紹輝，郭曉強，等，復雜群空區微震監測技術應用研究[J].礦業研究與開發，2017，37（4）：1-4.

[2] 張楚旋，李夕兵，董隴軍，等，基于微震監測的巖體失穩智能預報[J].中國安全生產科學技術，2016，12（3）：5-9.

[3] 揭秉輝，趙周能，陳炳瑞，等，基于微震監測技術的深埋長大隧洞群巖爆時空分布規律分析[J].長江科學院院報，2012，29（9）：69-73.

[4] 趙周能，馮夏庭，肖亞勛，等，不同開挖方式下深埋隧洞微震特性與巖爆風險分析[J].巖土工程學報，2016，38（5）：867-876.

[5] 于群，唐春安，李連崇，等，基于微震監測的錦屏二級水電站深埋隧洞巖爆孕育過程分析[J].巖土工程學報，2014，36（11）：2315-2322.

[6] 馬天輝，唐春安，唐烈先，等，基于微震監測技術的巖爆預測機制研究[J].巖石力學與工程學報，2016，35（3）：470-483.

[7]吳世勇，周濟芳，陳炳瑞，等，錦屏二級水電站引水隧洞TBM開挖方案對巖爆風險影響研究[J].巖石力學與工程學報，2015，34（4）：728-734.

[8] 張文東，馬天輝，唐春安，等，錦屏二級水電站引水隧洞巖爆特征及微震監測規律研究[J].巖石力學與工程學報，2014，33（2）：339-348.

[9] 陳炳瑞，馮夏庭，曾雄輝，等，深埋隧洞TBM掘進微震實時監測與特征分析[J].巖石力學與工程學報，2011，30（2）：275-283.

[10] 馮夏庭，陳炳瑞，明華軍，等，深埋隧洞巖爆孕育規律與機制：即時型巖爆[J].巖石力學與工程學報，2012，31（3）：433-444.

[11] 于群，唐春安，李連崇，等，深埋硬巖隧洞微震監測及微震活動特征分析[J].哈爾濱工程大學學報，2015，34（11）：1465-1470.

[12]趙志強，秦嶺引水隧洞TBM施工段巖爆預防與治理[J].西部探礦工程，2016（ 10）：170-172.

[13] 李元來，王俊，引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞4#施工支洞巖爆預測及預防處理措施[J].水利水電技術，2017，48（8）：96-100.

[14] 張楚旋.李夕兵，董隴軍，等，微震監測傳感器布設方案評價模型及應用[J].東北大學學報（自然科學版），2016，37（4）：594-599.

[15] 衡獻偉，微震監測系統傳感器安裝技術及應用[J].煤炭技術，2015，34（12）：213-214.