特長深埋隧道無線微震監測技術

王 強，肖亞勛，姚志賓，胡 磊

（1.東北大學a.深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室；b.資源與土木工程學院，沈陽 110819；2.中國科學院武漢巖土力學研究所巖石力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071）

0 引言

微震（Microseism，MS）監測技術是利用巖體受力變形和破壞過程中釋放出的彈性波來監測工程巖體穩定性的技術方法。目前微震監測技術已經應用到地下工程的很多領域，撫順紅透山鉛鋅銅礦已經進行了微震系統建立［1］，還有一些國內外礦山領域也已經應用微震監測技術［2-5］，隨著地下巖土工程微震監測預警的不斷發展［6］，很多隧道及水電站也開始應用微震監測技術［7-8］，并且各實際工程領域應用微震監測預警已取得相應成果。於此同時，也會帶來高巖爆、高風險、施工難度大等一系列問題出現，這就需要提出更有效的安全預警方案來應對現場復雜的施工條件。

目前國內外地下開挖建設大部分還是采用人工安全監測或有線監測技術，增加了勞動工作量，增大了施工成本，作業效率也是相對較低，沒有更好的達到安全、高效、經濟等施工作業。無線技術的投入使用日趨廣泛，隨著目前實際工程的不斷發展，已經有很多無線系統應用到實際工程中［9-13］。把無線技術應用到現實工程當中，才能真正達到實時監測和科學安全預警。

拉林鐵路施工站前6 標段起止里程KD190 +104.35～KD203 +461，隧道線路全長13.357 km，其中巴玉隧道正洞全長13.073 km，進口段平導長4.058 km，出口段平導長4.073 km，進出口平行導坑獨頭掘進近6.5 km（國內少有）。隧道最大埋深2.080 km，正洞預測巖爆段落共計12.242 km，占其長度的94%，其中輕微巖爆4.106 km，中等巖爆5.922 km，強烈巖爆2.214 km，巴玉隧道出口平導預測巖爆段落共計3.355 km，占其長度的82%，其中輕微巖爆1.460 km，中等巖爆1.895 km。本文通過巴玉隧道搭建無線微震監測和預警系統，可以更好地實時監測隧道內巖爆情況，為拉林鐵路巴玉隧道的施工提供技術支持。

1 微震監測系統的構建

1.1 工程地質

巴玉隧道施工現場巖爆風險分布如圖1 所示，目前巴玉隧道平導開挖累積完成7.954 km，正洞累積開挖完成5.859 km。據現場實際統計，平導輕微巖爆發生段落3.960 km；中等巖爆發生段落1.891 km；強巖爆發生段落362 m，巖爆發生的段落占開挖總長度的78.1%。正洞輕微巖爆發生段落3.490 km，中等巖爆發生段落665 m，強烈巖爆發生段落185 m，巖爆發生的段落占開挖總長度的74.1%。通風、運輸距離長，施工組織難度大。

圖1 巴玉隧道巖爆風險分布圖

本段線路屬高山峽谷地貌，穿越沃卡地塹東緣斷裂帶，屬全新世活動斷裂，地層以花崗巖、閃長巖等堅硬巖石為主，且地質構造復雜，存在巖爆、地熱、放射性、危巖落石等不良地質，特別是隧道巖爆問題突出，施工安全風險極大，本隧道是拉林線按一級風險管理的高風險隧道之一。

1.2 微震系統建立

本文所采用的微震監測系統為南非IMS 微震監測系統，由傳感器、信號電纜、數據采集（netADC）、微震處理器（netSP）、UPS 供電電源、服務器等硬件裝置和微震監測運行控制軟件、數據處理軟件（IMS Trace）、數據可視化軟件（Jdi）等組成。

監測區域為拉林鐵路巴玉隧道進出口正洞及平導，可以長期研究特長深埋隧道掌子面開挖活動（鑿巖、爆破、出渣、）與微震活動的關系。傳感器陳列設計如圖2（a）所示，進、出口平導隧道內分別交錯布置8 個微震傳感器，每4 個微震傳感器布置在一個隧道斷面上，2 個斷面距離相距30 m，且最近的傳感器布置斷面相距掌子面不超過70～80 m，兩排傳感器隨著掌子面開挖前移不斷交替前進。隧道斷面布置傳感器如圖2（b）所示，孔內傳感器可回收式安裝，孔深設計為2.4～3 m左右，超出松動圈，錯開式布置，同時沿洞軸線錯開，且不同組在不同高程錯開。根據大地坐標、方位角、傾角、埋深等參數，精確定位傳感器在隧道中的布置位置。

如圖3 所示，為保證傳感器與預打孔內巖壁耦合完全，接收更好的微震信號，將傳感器上方加上固定回收裝置，方便反復利用傳感器，可與隧道掌子面同時前進。

圖2 傳感器陣列設計

圖3 帶有可回收固定裝置式傳感器

2 無線微震監測技術建立

無線網橋顧名思義就是拋棄了傳統的銅線或光纖，利用無線通訊技術，以空氣作為媒介進行網絡數據傳輸，達到連接不同的網段的目的。拉林鐵路巴玉隧道使用的無線微震監測設備如圖4 所示，無線監測設備為cambium無線網橋Epmp1000，它具有強大的安全性，耐用、易于部署和維護。Epmp1000 集成型無線網橋技術規格：頻率范圍5 150～5 350 MHz，5 470～5 875 MHz；信道寬度20 MHz或40 MHz；時延17 ms；輸入電壓24～30 V；天線波束寬度24°水平和12°垂直。

圖4 無線網橋傳輸設備

巴玉隧道使用的是點對點無線網橋連接模式，通過無線通信理論可以了解到［14］：隨著網橋距離越來越遠，無線信號就越弱。隧道內Wi-LAN 無線網橋之間最大距離支持相距1.500 km，可以滿足使用需求。通過現場實際施工情況以及無線微震監測設備特點，將無線網橋監測系統布置如圖5 所示。

圖5 無線傳輸設備布置圖

如圖6 所示，通過順利搭建拉林鐵路巴玉隧道巖爆微震無線監測與預警系統，可以在辦公室實時監測現場微震設備運行情況。按照實際要求，每2 h 通過無線網橋監測設備進行系統運行監測，確保設備服務器和監測傳感器運行狀態良好。通過Team Viewer 遠程控制軟件，可以實時進行數據拷貝，方便將監測到的微震數據通過無線傳輸到達監測平臺，以便及時檢測及處理［15］。

圖6 巴玉隧道巖爆微震無線監測與預警系統

3 微震活動與隧道施工關系

拉林鐵路巴玉隧道為典型特長深埋硬巖隧道，單洞距離13.1 km，最大埋深2.080 km，巖石主要為花崗巖，具有高地應力特征。隧道91%的洞段潛在巖爆風險，超53%洞段潛在中等或強烈巖爆風險，巖爆災害頻發，施工人員工作壓力相對較大，對巴玉隧道整體施工進展具有一定制約影響。引入無線微震監測設備對特長深埋隧道開挖是非常有必要的。

通過現場爆破事件，反演出現場P 波波速為6 142.0 km/s，S波波速為3 328.0 km/s，測得巖體密度為2 800 kg/m3。通過隧道內監測到的有效事件波形，可利用P波和S波精確定位事件發生的位置，現場監測預警給出的有效范圍為：掌子面開挖前方距離10 m和掌子面開挖后方距離25 m。

3.1 現場即時型強烈巖爆典例

以2017-08-29 巴玉隧道出口正洞掌子面到后方35 m發生即時型強烈巖爆為例，隧道巖爆現場如圖7所示，巴玉隧道出口正洞掌子面開挖至DK201 +391處。基于微震監測分析及現場技術人員確認，該施工循環于7：31：44 起爆，爆破后于7：35：27 發生即時型巖爆。現場情況反映巖爆發生時該洞段有巨響，巖爆發生該洞段仍持續有較大響聲。現場踏勘發現：此次巖爆范圍為DK201 +391～DK201 +445，主爆區位于DK201 +400～DK201 +408 洞段北側邊墻，爆坑深度約1.6～1.8 m，為V 字形爆坑。主爆坑爆出大量巖塊，主要為板狀和塊狀，最大爆塊尺寸約為1.5 m ×0.8 m×0.5 m（長×寬×高），拱頂產生的淺窩狀巖爆爆坑，位于DK201 +430～ DK201 +432 洞段，寬度約為1 m，深度約為10 cm。

圖7 隧道出口正洞發生巖爆現場

不同傳感器接收到的此次巖爆信號的波形如圖8所示。通過定位分析得出該事件沿正洞軸線的位置為DK201 +398。考慮到微震系統傳感器陣列距離巖爆震源位置相距1 km，該定位結果可認為與巖爆主爆區實際位置基本一致。

圖8 微震系統傳感器捕捉到巖爆信號

如圖9 所示，巴玉隧道微震系統監測巖爆微震空間分布，圖中球體大小代表微震事件能量，球體越大，能量越大；球體顏色代表事件發生時間。布置的微震監測系統安放于巴玉隧道出口平導掌子面（CPDK200+335）附近的微震系統于2017-08-29 7：35：27 記錄到當地震級為2.0 的微震事件，見圖9（b）。根據現場巖爆反饋信息，參考強烈巖爆信號的幅值、持續時間等特征參數，確定該事件即為本次巖爆所觸發。通過分析計算得出該事件釋放能量約為：30 MJ。S波與P波能量比約為23.2。

圖9 巖爆微震空間分布

此次巖爆主爆事件為剪切型。巖爆洞段埋深超過1.0 km，地應力高，圍巖強度大，完整性較好。在開挖卸荷作用下圍巖中積聚有大量彈性應變能。主爆區受兩組結構面控制，其中一組走向100°（傾向190°，傾角70°），幾乎與正洞軸線方位角（103°）一致。即該組結構面與正洞北側邊墻幾乎平行，屬于危險結構面。

3.2 隧道微震監測預警預報

對每日的微震監測數據進行濾噪及定位分析處理，得到進、出口平導有效微震事件個數以及微震釋放能對數。出口平導每日微震事件數與微震釋放能隨時間的演化規律如圖10 所示。結合現場地質條件：掌子面是否有爆坑、掌子面是否有節理、現場巖體是否干燥、現場施工是否有響聲、對當前掌子面巖體分類等級等情況，結合微震信息進行隧道安全預警及動態調控。由圖10 可以看出，有效微震事件個數相對較少，微震釋放能量也不是很大，出口平導微震活動整體較為平靜，與現場反饋實際發生巖爆較少情況基本一致。

圖10 每日事件數及微震能隨時間演化規律

如圖11 所示，從月微震監測結果來看，巴玉隧道進口平導掌子面附近微震活動整體較活躍且事件較為集中，而且微震活動關鍵事件（M ＞2）分布也很集中，結合地質條件可知，目前進口平導開挖段為輕微巖爆風險段至中等巖爆風險洞段。此外，監測期間掌子面后方30～50 m 以外區域仍有部分微震活動事件產生，存在時滯型巖爆的風險。進口平導本月微震活動在空間上呈聚集狀態，實際發生輕微巖爆17 次，實際發生中等巖爆1 次，這說明微震活動的集核特征與巖爆實際發生情況較為一致。

巴玉隧道開挖是產生微震活動的主要誘因，微震活動緊跟掌子面開挖前移而移動，并且后方一段距離也會存在少量微震活動事件。本月出口平導微震活動關鍵事件（M ＞-2）與巖爆發生的分布特征基本一致，部分微震活動區域經過現場調控未發生巖爆，基于微震信息預警的巖爆風險區域、等級與實際巖爆發生基本一致

通過分析，巖爆發生與微震活動之間存在良好的時空相關性，基于微震信息的時空演化規律可有效預警潛在巖爆風險的區域和等級。

圖11 沿洞軸線微震活動特征及與巖爆發生對比

一個微震事件的能量指數是該事件所產生的實測地震釋放能量與區域內所有事件的平均微震能之比。在某些情況下，可通過能量指數的變化，獲取巖體災害發生前的信息與規律。如圖12 所示，為2017-06 巴玉隧道進口微震活動能量指數分布云圖，可表征的微震活特征，由圖中可知，微震活躍仍主要集中在隧道右側，這與巖爆活動的規律基本一致。從圖12 可以看出，微震活動非常活躍且事件集中，發生中等及以上巖爆的風險較高。

圖12 能量指數分布云圖

月監測期間由于多次連續預警一個區域，中鐵十二局及時采取了針對性的調控措施，有效避免或降低了巖爆的發生。監測期間未發生由巖爆造成的嚴重人員和施工設備損傷事故。對于巴玉隧道出現的巖爆及潛在巖爆情況，及時預警和采取有效措施：①釋放超前應力釋放孔；②掌子面和洞壁釋放高壓水；③發生巖爆后，使用錨網噴支護，爆區主要支護形式為噴射混凝土，噴射厚度約為8 cm，拱肩和拱頂增加有錨桿和鋼筋網支護，錨桿長度為3 m。

4 討論

利用遠程網橋方案來構建網絡互連有著有線網絡不可替代的優勢：極短的建設周期，建完即可投入使用，不受特殊地點場合的限制，只要求現場供電保證；高性價比的點對點或點對多點的廣域網連接；重塑性和擴充性強，便于重新部署網絡；可以利用無線實時監測系統的數據采集情況，有利于實時采集數據，了解復雜的洞室隧道內是否服務器及微震監測系統正常運行，數據采集穩定；安裝若干個無線網絡接入點，實現無線信號的全面覆蓋，網絡建設靈活、便捷；數據傳輸熟讀高達100 Mb/s，有效解決區間的網絡連通問題；不需要更多的布線，無線終端可以實現零配置接入，因此非常容易進行網絡維護和擴展；可以把網橋自由移動工作位置，并在任何地方可以實時實地訪問信息；安裝容易，節省建網時間。

對于已搭建好的無線網橋，在隧道內和辦公室監測平臺使用Teamvier軟件，可以及時在辦公室主機上控制隧道內的微震監測系統，實時掌握洞內微震監測情況，更快及便捷地掌握洞內信息，以便及時處理。同時，在東北大學及武漢中科院力學巖土所也可及時了解現場微震監測預警情況。

與此同時，在實際無線網橋應用過程中，也出現了無線網橋的不足：在隧道開挖爆破后，一段時間內洞內灰塵巨大，能見度極低，會暫時使無線網橋不能連上；在放炮通風后，汽車進行出礦，會影響無線網橋信號。這兩點會短時間影響無線網橋的正常運行。

5 結論

高巖爆風險在現場實際工程中是一個很難處理的問題，面對復雜的地質條件，需要相應的安全預警系統來進行動態調控。對于巴玉隧道正洞及平導地質情況進行分析，屬于特長深埋高巖爆復雜地質條件，將無線微震監測預警系統應用到巴玉隧道，對現場進行安全預警，得出如下結論：

（1）對于特長深埋高巖爆風險隧道，利用無線網橋設備進行微震監測安全預警，可以實時掌握隧道內服務器及微震監測系統運行情況，微震系統采集數據可通過無線網橋傳輸到監測平臺，以便及時處理，提高了微震監測預警工作效率。

（2）基于微震信息預警的巖爆風險區域、等級與實際巖爆發生基本一致。通過分析，巖爆發生與微震活動之間存在良好的時間與空間相關性，基于微震信息的時空演化規律可有效預警潛在巖爆風險的區域和等級，從而指導現場人員安全施工。

（3）應用無線網橋對現場微震監測預警提供了巨大的優勢：網橋的應用適用于遠距離和地面條件復雜的遠距離傳輸，抗干擾能力強，性能穩定；減少了施工成本和作業時間，后期的維護簡單，具有較高性價比；可以把無線網橋隨著隧道掌子面開挖自由移動工作位置，并在隧道內任何地方可以實時實地訪問信息；安裝容易，節省建網時間。

（4）無線監測技術應用于特長深埋隧道的實踐表明，對現場高巖爆復雜工程地質條件是有效可行的，為巴玉隧道進、出口正洞和平導提供了安全預警技術。未來無線網橋技術將更加廣泛應用到現場實際工程領域。

致謝：拉林鐵路巴玉隧道現場無線微震監測安全預警工作得到了拉林總指揮部、中鐵十二局有限公司、東北大學深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室、中科院武漢巖土力學研究所等相關單位人員的大力支持，在此表示十分感謝。