基于微震試驗(yàn)掃描監(jiān)測(cè)技術(shù)的路塹高邊坡穩(wěn)定性分析

摘要：微震試驗(yàn)掃描監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠快速識(shí)別滑坡重點(diǎn)危險(xiǎn)范圍，收集巖體微震事件集中分布區(qū)域，快速識(shí)別坡面微小塊體或小面積滑坡區(qū)域。與單一巖體表面或內(nèi)部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置不同，通過微震試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)識(shí)別微震滑坡事件集中區(qū)域，再設(shè)置掃描監(jiān)測(cè)區(qū)域與微震滑坡事件集中區(qū)域相對(duì)應(yīng)，縮小了監(jiān)測(cè)區(qū)域。通過提取信息及模型疊加與分析，獲取監(jiān)測(cè)體表面信息場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到了定量變化信息。其試驗(yàn)監(jiān)測(cè)成果為邊坡的安全評(píng)價(jià)提供了直接依據(jù)，便于有效判斷滑坡位置，能夠有效預(yù)防邊坡滑坡，解決了滑坡監(jiān)測(cè)面臨的實(shí)施困難、效率低下與精度控制困難的技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞：微震監(jiān)測(cè);滑坡;識(shí)別;預(yù)警

0" "引言

路塹的邊坡穩(wěn)定性與安全系數(shù)，一直以來是鐵路與公路路基工程設(shè)計(jì)要求的重點(diǎn)之一。長(zhǎng)期以來，邊坡穩(wěn)定性控制都是從單一巖體表面或內(nèi)部深處實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并沒有同時(shí)對(duì)巖體內(nèi)外應(yīng)力、形變實(shí)施監(jiān)測(cè)和分析。采用其進(jìn)行邊坡建模工作，很難全面檢測(cè)到邊坡巖體的穩(wěn)定性狀況[1-2]。

某新建高速鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害眾多，大多數(shù)山體呈雞爪狀，山體陡峻，部分路段巖性較差，表面崩塌、碎落情況較嚴(yán)重，巖性極其復(fù)雜，沿線存在石灰?guī)r、砂巖、頁(yè)巖、玄武巖、斷層角礫巖等。不開挖時(shí)穩(wěn)定性尚可，一開挖經(jīng)牽引后便容易發(fā)生滑塌。沿線的地形特點(diǎn)，決定了本項(xiàng)目必然存在較多的“貼山皮”挖方路基。這種情況的邊坡極易失穩(wěn)，并且由于坡頂距離山頂極遠(yuǎn)，一旦失穩(wěn)，后果無法預(yù)計(jì)。

針對(duì)大型路塹來講，隨著開挖深度的不斷擴(kuò)大，邊坡露出高度也不斷擴(kuò)大，從而導(dǎo)致巖體應(yīng)力重新分布，再加上巖層地質(zhì)的復(fù)雜性及不穩(wěn)定性，極有可能發(fā)生滑坡現(xiàn)象。這一切對(duì)路基施工人員及設(shè)備帶來極大的安全威脅[3]。因此，為更好地控制邊坡失穩(wěn)，本文提出了微震試驗(yàn)監(jiān)測(cè)掃描體系。采用該檢測(cè)體系縮小了監(jiān)測(cè)區(qū)域，能夠有效地預(yù)防邊坡滑坡，保證人生安全、設(shè)備安全，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，可廣泛用于國(guó)內(nèi)外路塹邊坡安全管理工作中。

1" "位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

在土質(zhì)、軟質(zhì)巖路塹邊坡存在順層或沿土石分界面等滑動(dòng)可能時(shí)，對(duì)其進(jìn)行深部位移監(jiān)測(cè)。位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由微震試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和邊坡掃描系統(tǒng)組成。其中微震試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括6個(gè)分量IMS傳感器、電纜、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)及蓄電池。通過對(duì)巖體打孔，使6個(gè)分量IMS傳感器定位在巖體中。邊坡微震試驗(yàn)監(jiān)測(cè)器包括遠(yuǎn)區(qū)域電源、顯示器、計(jì)算機(jī)電子箱、掃描電子箱、盤子、天線和拖車等組成[4-5]。

通過微震試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)外聯(lián)合作用，識(shí)別與監(jiān)控潛在邊坡滑坡的區(qū)域，識(shí)別微震事件集中區(qū)域。通過設(shè)置掃描監(jiān)測(cè)微震事件集中區(qū)，減小監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍和工作量，從而集中區(qū)域判斷邊坡潛在滑坡位置及時(shí)間，提高安全系數(shù)。該技術(shù)通過微震試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大幅減小了監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍和工作量，突破了傳統(tǒng)單點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法的弊端，可節(jié)省微震掃描時(shí)間，提高數(shù)據(jù)收集效率及分析數(shù)據(jù)工作效率。

2" "微震試驗(yàn)掃描監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

2.1" "微震試驗(yàn)掃描監(jiān)測(cè)原理

若預(yù)估巖石會(huì)因受應(yīng)力而發(fā)生破裂，則先在其附近安裝微震傳感器，傳感器接收到巖體彈性波信息的變化，再通過反演就可以得到巖體微破裂發(fā)生的時(shí)刻、位置和震級(jí)，即地球物理學(xué)中所謂的“時(shí)空強(qiáng)”三要素[6]。

先采用微震監(jiān)測(cè)確定微震事件的集中分布區(qū)域，再通過掃描系統(tǒng)，對(duì)該集中分布區(qū)整體收集邊坡巖體外部形變、位移數(shù)據(jù)。其準(zhǔn)確性更高，且能及時(shí)判斷識(shí)別潛在區(qū)域，縮小了微震監(jiān)測(cè)的掃描范圍。對(duì)于爆破區(qū)域可間斷性監(jiān)控，不需長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控，減小了工作時(shí)間，提高數(shù)據(jù)的收集率及工作效率，有利于判斷滑坡位置及時(shí)間，提高安全系數(shù)。

通過數(shù)據(jù)建模和多期數(shù)據(jù)疊加，可得到模型特征色度變化圖。可從不同矢量方向或點(diǎn)到面最小距離的矢量進(jìn)行分析，得到其形變速率和方向趨勢(shì)。巖石內(nèi)部能量釋放強(qiáng)度，會(huì)隨著邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的失穩(wěn)形式變化，每一次聲發(fā)射與微震過程都會(huì)涵蓋巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化信息，據(jù)此可推斷出巖體變形、巖體破裂的范圍[7]。

2.2" "微震試驗(yàn)掃描監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立

路塹邊坡成型后，運(yùn)用南方CASS GPS定點(diǎn)測(cè)量6個(gè)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)、方位角、傾角及孔深（孔徑90mm，孔深6～9m）來設(shè)置傳感器參數(shù)。縱向每10m分別將6個(gè)IMS傳感器布置在邊坡監(jiān)測(cè)區(qū)的堅(jiān)硬巖體內(nèi)。采深孔滑坡位移監(jiān)測(cè)，微震試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)24h監(jiān)控收集位移數(shù)據(jù)，并逐漸收集事件集中區(qū)域。

微震試驗(yàn)監(jiān)測(cè)傳感器的選點(diǎn)原則如下：危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)盡量在空間上被選點(diǎn)均勻包圍，具有適當(dāng)和充足的空間密度，且不能形成近似一個(gè)平面或者一條直線;待測(cè)區(qū)域附近應(yīng)該布設(shè)一部分選點(diǎn)，且不要受到破碎帶及較大斷層影響;選點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離空壓機(jī)、主扇、變壓器等大型電器或者機(jī)械設(shè)備，避免受到這些設(shè)備的干擾，并遠(yuǎn)離礦車影響和行人;為避免波的衰減，探頭盡可能布設(shè)在邊坡臺(tái)階巖石內(nèi)，且盡可能躲開破碎帶。

此外，為了延長(zhǎng)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)年限，傳感器布設(shè)位置選擇時(shí)不僅要考慮當(dāng)前路塹開挖區(qū)域，同時(shí)還要考慮下一階段內(nèi)的開挖范圍。路塹邊坡微震微震事件區(qū)域如圖1所示，路塹邊坡微震集中數(shù)據(jù)空間成像分布如圖2所示。

2.3" "微震試驗(yàn)監(jiān)測(cè)傳感器誤差控制

為滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)良好的定位精度和靈敏度，應(yīng)使傳感器站網(wǎng)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域達(dá)到三維覆蓋。保證傳感器的均勻分布，盡量避免采取很差的幾何布置形式，如扁平布置形式、近似直線或平面分布形式，以免其垂直面上的定位產(chǎn)生較大誤差。

布置方案要充分利用現(xiàn)有工程條件，考慮地質(zhì)狀況和試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)性能，保證震源定位精度和系統(tǒng)靈敏度，以達(dá)到該礦微震監(jiān)測(cè)的目的。路塹邊坡微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立是一件非常費(fèi)時(shí)和昂貴的操作。滑坡監(jiān)測(cè)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，生產(chǎn)活動(dòng)經(jīng)常在不同的地方進(jìn)行，為了最大限度減少后期對(duì)監(jiān)測(cè)方案的調(diào)整，必須兼顧到當(dāng)前及未來一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)要求。要充分考慮到傳感器所在鉆孔周圍環(huán)境情況。為提高傳感器監(jiān)測(cè)靈敏度，各傳感器之間不能安設(shè)在大的采空區(qū)或不連續(xù)面。

可將微震傳感器布置在堅(jiān)硬的巖石中，以利于傳感器的觸發(fā)和信號(hào)的真實(shí)可靠。當(dāng)傳感器整體布置方案確定后，應(yīng)進(jìn)行必要的數(shù)值模擬分析來分析其定位影響效果。IMS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可用自帶的Jdi軟件進(jìn)行靈敏度分析，給出定位精度和靈敏度，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可對(duì)布置方案進(jìn)行優(yōu)化。

路塹邊坡環(huán)境惡劣，傳感器和線纜易被掉落的巖石損壞，潮濕環(huán)境也易導(dǎo)致傳感器出現(xiàn)故障。為保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持續(xù)性，有必要對(duì)傳感器接收到信號(hào)密度進(jìn)行定期檢查，以防傳感器或線纜損壞影響監(jiān)測(cè)精度。對(duì)于出現(xiàn)信號(hào)較弱的傳感器，有必要對(duì)其進(jìn)行重新安裝，以保證足夠的信噪比。

通過微震監(jiān)測(cè)選擇的事件集中區(qū)域，來設(shè)置微震掃描監(jiān)測(cè)區(qū)域。設(shè)置掃描監(jiān)測(cè)區(qū)域與微震監(jiān)測(cè)事件集中區(qū)域相同，24h全程掃描，收集邊坡表面位移數(shù)據(jù)，及時(shí)判斷邊坡潛在位移變化，并分析數(shù)據(jù)形變量。根據(jù)路塹邊坡深孔巖體內(nèi)部事件集中區(qū)域，確定掃描監(jiān)測(cè)區(qū)域。為了防止陰雨、霧靄、灰塵以及煙霾對(duì)測(cè)量精度的影響，要對(duì)掃描監(jiān)控車重要的電控系統(tǒng)進(jìn)行覆蓋保護(hù)。路塹微震數(shù)據(jù)滑坡區(qū)區(qū)域成像如圖3所示。

由圖3可知，一、二級(jí)邊坡臺(tái)階處的巖體節(jié)理裂隙比邊坡下部的裂隙多，邊坡上部的剪切破壞較為嚴(yán)重。研究結(jié)果表明：路塹邊坡出現(xiàn)滑坡失穩(wěn)現(xiàn)象，會(huì)沿著節(jié)理裂隙或者軟弱破碎帶的走向進(jìn)行延展，且邊坡坡頂處的破裂區(qū)域比坡底處的范圍大。

3" "微震試驗(yàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)要求

嚴(yán)格按照《鐵、錳、鉻地質(zhì)勘查規(guī)范》（DZ/T-0200-2002）、《地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測(cè)量規(guī)范》（GB/T 18341-2001）、《冶金礦山地質(zhì)管理手冊(cè)》（2012）的要求組織施工。在一級(jí)邊坡平臺(tái)、中部邊坡平臺(tái)及塹頂外5.0m鉆孔，埋置（豎直孔孔深應(yīng)在穩(wěn)定地層一定深度內(nèi)）、安裝傳感器，利用微震傳感器精確地測(cè)量巖土層內(nèi)部水平位移。運(yùn)用南方GIS采集系統(tǒng)測(cè)出孔鉆的空間三維坐標(biāo)，利用地質(zhì)羅盤測(cè)出鉆孔的方位角和傾角，根據(jù)孔口的三維坐標(biāo)及測(cè)得的方位角和孔深，通過坐標(biāo)正算得到孔底的三維坐標(biāo)，從而確定傳感器坐標(biāo)。鉆孔及爆破孔施工要按照設(shè)計(jì)孔位逐孔放點(diǎn)確認(rèn)，嚴(yán)格控制孔深、角度等技術(shù)參數(shù)。測(cè)量工作應(yīng)符合《工程測(cè)量規(guī)范》等國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4" "結(jié)論

針對(duì)路塹滑坡深層位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)精度保障困難問題，本文構(gòu)建了微震試驗(yàn)掃描監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高危邊坡快速應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自主運(yùn)行，能夠快速識(shí)別滑坡重點(diǎn)危險(xiǎn)范圍，確定大面積滑坡區(qū)域，并能判斷滑坡位置，可有效地預(yù)防邊坡滑坡。與傳統(tǒng)埋設(shè)監(jiān)測(cè)元件相比較，微震試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建，能快速識(shí)別爆破區(qū)域震動(dòng)信號(hào)，收集巖體微震事件集中分布區(qū)域，快速識(shí)別坡面微小塊體或小面積滑坡區(qū)域。

邊坡微震試驗(yàn)掃描監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠快速識(shí)別小面積滑動(dòng)巖塊，是一種能快速、非接觸、高精度和高密度獲得逼近表面真實(shí)模型的全新技術(shù)，解決了滑坡監(jiān)測(cè)面臨的實(shí)施困難、效率低下與精度控制困難的技術(shù)難題，突破了點(diǎn)云數(shù)據(jù)按點(diǎn)、線、面等不同維度空間模型定量分析技術(shù)瓶頸，具有操作方便、配套設(shè)備少、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

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