微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在隧道開(kāi)挖安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王運(yùn)慶

(中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京　100048)

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在隧道開(kāi)挖安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王運(yùn)慶

(中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京100048)

摘要:以重慶禮讓隧道為例，介紹了微震監(jiān)測(cè)的原理，從設(shè)備造型、監(jiān)測(cè)方案、微震監(jiān)測(cè)信號(hào)濾波與消噪等方面，闡述了微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在隧道開(kāi)挖中的應(yīng)用，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道開(kāi)挖的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞:隧道，微震監(jiān)測(cè)，圍巖，穩(wěn)定性

0　引言

隧道開(kāi)挖過(guò)程中，受開(kāi)挖擾動(dòng)的影響圍巖應(yīng)力重新分布，巖體力學(xué)性質(zhì)的各向異性決定了巖體應(yīng)力分布的不均衡，在圍巖的某些區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)達(dá)到巖體的強(qiáng)度極限后，巖體發(fā)生斷裂破壞，這是導(dǎo)致巖爆、大面積塌方等隧道災(zāi)害的重要原因［1，2］。

隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)是隧道施工過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，隧道變形前，在巖體內(nèi)部必然有大量的裂隙萌生、擴(kuò)展與貫通，即圍巖失穩(wěn)破壞的前兆信息，而傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)指標(biāo)如圍巖變形量、圍巖應(yīng)力、松動(dòng)圈及支架受力與變形等，只反映隧道圍巖的當(dāng)前狀態(tài)，難以提早發(fā)現(xiàn)其變形失穩(wěn)破壞前的動(dòng)態(tài)特征與發(fā)展趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)相對(duì)滯后［3-5］。

因此需要研究一種具有前瞻性、連續(xù)性等特點(diǎn)的隧道變形監(jiān)測(cè)方法。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的集地球物理、信號(hào)采集、信號(hào)通訊、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)，在巖土災(zāi)害監(jiān)測(cè)、石油工程、軍事工程等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［5-8］。鑒于此，重慶禮讓隧道在隧道開(kāi)挖過(guò)程中引入了微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，文中重點(diǎn)闡述一下微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在隧道工程中的應(yīng)用。

1　工程概況

禮讓隧道位于梁平縣七星鎮(zhèn)、禮讓鎮(zhèn)境內(nèi)。隧道左右洞長(zhǎng)度分別為5 517.6 m和5 520.7 m，隧道區(qū)為構(gòu)造剝蝕、溶蝕形成的背斜山，山體呈北東南向延伸。根據(jù)祥勘，隧道洞身段圍巖以Ⅲ，Ⅳ級(jí)為主。隧址區(qū)三疊系中下統(tǒng)碳酸鹽巖類(lèi)分布于背斜軸部，因受兩側(cè)碎屑巖所構(gòu)成的中、低山嶺的夾持，具備有利的巖溶發(fā)育條件，形成了特有的隆脊型巖溶槽谷，巖溶發(fā)育與巖性、地貌條件關(guān)系密切;巖溶水運(yùn)動(dòng)和富集則受地質(zhì)構(gòu)造控制。三疊系上統(tǒng)須家河組砂、頁(yè)巖，和侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組砂、泥巖分布于背斜兩翼，巖層以?xún)A斜狀態(tài)產(chǎn)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(chǔ)水構(gòu)造條件。

2　微震監(jiān)測(cè)原理

任何形式的工程災(zāi)害在災(zāi)變前都會(huì)引起巖土體不同程度的破裂，破裂將產(chǎn)生震動(dòng)，稱(chēng)之為微震。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)及地震學(xué)、地球物理學(xué)等學(xué)科和領(lǐng)域的交叉，對(duì)這些災(zāi)變發(fā)生前巖體變形、斷裂所產(chǎn)生的微弱震動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析，獲得包括微破裂時(shí)間、坐標(biāo)、釋放能量、非彈性變形等在內(nèi)的大量參數(shù)信息。利用這些參數(shù)，可以在三維空間中實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地得出微震事件的發(fā)生位置，從而分析獲得巖體獨(dú)立的實(shí)時(shí)應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)巖體微震事件的活動(dòng)范圍及穩(wěn)定性做出安全評(píng)價(jià)［6，7］。

定位原理:假設(shè)巖體在某一段監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)近似均質(zhì)，地震波速度恒定，在破裂區(qū)周?chē)臻g內(nèi)布置多個(gè)檢波器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，有破裂事件產(chǎn)生震動(dòng)并向周?chē)鷤鞑?，各檢波器1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)到震源O( X0，Y0，Z0)平均傳播速度為V0，建立走時(shí)方程:

其中，Xi，Yi，Zi均為各檢波器坐標(biāo); Ti為波傳播到各檢波器拾取波形時(shí)刻; T0為震源發(fā)震時(shí)刻。理論上四個(gè)檢波器即可組建式( 1)中四個(gè)方程以求解四個(gè)未知量，震源坐標(biāo)X0，Y0，Z0，發(fā)震時(shí)間T0，但現(xiàn)場(chǎng)一般會(huì)多布設(shè)幾組檢波器，通過(guò)初步分析，剔除到時(shí)紊亂的數(shù)據(jù)，余下的數(shù)據(jù)聯(lián)立可通過(guò)MATLAB程序計(jì)算求解震源參數(shù)。

3　微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)

3.1設(shè)備的選型

通過(guò)各類(lèi)設(shè)備比對(duì)分析，最終選用了北京科技大學(xué)獨(dú)立研發(fā)的BMS高精度微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。設(shè)備詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1　BMS微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能參數(shù)

3.2現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)禮讓隧道的實(shí)際情況，擬采用單分站(一個(gè)分站可接12個(gè)檢波器)、“區(qū)內(nèi)集中式”的測(cè)區(qū)布置方式對(duì)該隧道右線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，并與已有的全站儀、地質(zhì)雷達(dá)及應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)相結(jié)合構(gòu)建“震動(dòng)場(chǎng)—應(yīng)力場(chǎng)—位移”一體化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

為了能夠精確監(jiān)測(cè)破裂位置，同時(shí)考慮到可靠性，前期的監(jiān)測(cè)主要以掌子面至二襯范圍作為布設(shè)區(qū)，將檢波器布置于隧道初襯上。每隔15 m～20 m左右布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，按初襯的長(zhǎng)度合理、靈活布置檢波器，檢波器和分站等設(shè)備隨著掌子面的推進(jìn)而即時(shí)跟進(jìn)。

檢波器采用移動(dòng)測(cè)點(diǎn)安裝方式，保證錨桿與孔壁全長(zhǎng)錨固。安裝示意見(jiàn)圖1。

圖1　微地震檢波器及錨桿安裝示意圖

目前，隧道現(xiàn)場(chǎng)采用12通道采集儀，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集閾值設(shè)置時(shí)，有效事件觸發(fā)通道數(shù)為4，即當(dāng)事件震動(dòng)點(diǎn)至少同時(shí)觸發(fā)4個(gè)檢波器時(shí)，該事件被認(rèn)為可用事件，如此能有效的避免局部小范圍施工中帶來(lái)的干擾震動(dòng)信號(hào)。如圖2所示為現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)主機(jī)與數(shù)據(jù)處理主機(jī)，顯示器中為波形信號(hào)。

圖2　現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)主機(jī)與數(shù)據(jù)處理主機(jī)

3.3微震監(jiān)測(cè)信號(hào)濾波與消噪

由于受信號(hào)形式和分析方法的影響，信號(hào)中廣泛存在巖石破裂等有效信號(hào)和電磁、機(jī)械振動(dòng)等干擾信號(hào)，因此，對(duì)信號(hào)濾波與消噪是信號(hào)處理分析的重要步驟。

小波包變換是一種常見(jiàn)的信號(hào)濾波、消噪的分析方法［9］，它是傅里葉變換的發(fā)展，通過(guò)伸縮和平移等運(yùn)算功能對(duì)信號(hào)進(jìn)行精細(xì)化的時(shí)頻分析功能，具有時(shí)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(jìn)行信號(hào)小波包分解，從中選擇最優(yōu)基，其分解的結(jié)果最能表征信號(hào)的時(shí)頻特性。

小波包分析去噪包含幾個(gè)步驟:

1)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行小波包分解;

2)確定最優(yōu)基，通過(guò)計(jì)算熵標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算最優(yōu)樹(shù);

3)選擇合適的閾值并對(duì)小波包分解系數(shù)進(jìn)行閾值量化;

4)信號(hào)的小波包重構(gòu)，根據(jù)小波包多層分解系數(shù)和閾值量化后的系數(shù)進(jìn)行小波包重構(gòu)。

4　微震監(jiān)測(cè)結(jié)果展示

如何將微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)有效定位，直觀、形象地展示在隧道安全監(jiān)測(cè)技術(shù)人員面前，用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)時(shí)隧道微震監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容。北京科技大學(xué)BMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)展示軟件能夠很好地將分析定位結(jié)果展現(xiàn)出來(lái)，其主要包含平面展示、剖面展示、時(shí)間區(qū)域統(tǒng)計(jì)等。微震監(jiān)測(cè)巖石破裂是一個(gè)長(zhǎng)期累積的過(guò)程，事件點(diǎn)越多表明此處巖石破裂點(diǎn)越多，由于隧道圍巖穩(wěn)定性受到諸多因素的影響，如節(jié)理裂隙發(fā)育程度、滲流、爆破震動(dòng)等，因此巖層破裂不代表隧道一定出現(xiàn)塌方等異常情況，但能表明此處巖石活動(dòng)較為活躍［10］。圖3為禮讓隧道2015年6月份的微震監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)剔除干擾信號(hào)后，巖石破裂的微震事件平面投影結(jié)果。

圖3　微震事件的平面投影結(jié)果

在K13 +382里程段附近，圍巖設(shè)計(jì)為Ⅲ級(jí)，較堅(jiān)硬砂巖，巖體較完整，層間結(jié)合一般，采用環(huán)形導(dǎo)坑法開(kāi)挖。從圖3可以看出，在該里程段開(kāi)挖過(guò)程中，出現(xiàn)了圍巖破裂事件，可能是受爆破等開(kāi)挖作業(yè)影響，事件主要分布在掌子面周?chē)?，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(duì)穩(wěn)定。

5　結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)檢波器的布置、分站的安裝等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)禮讓隧道施工過(guò)程中圍巖穩(wěn)定性的微震監(jiān)測(cè)。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析、濾波及去噪等步驟提取有效的巖體破裂信號(hào)，通過(guò)后處理軟件進(jìn)行定位并通過(guò)平面和剖面投影展示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道開(kāi)挖的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。2)通過(guò)某月份的微震監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，微震監(jiān)測(cè)可直觀地呈現(xiàn)巖體破裂點(diǎn)的位置、能量大小，巖體破裂事件的疏密區(qū)域等信息，通過(guò)有效事件的時(shí)空分布關(guān)系可初步判斷區(qū)域內(nèi)裂隙的發(fā)展過(guò)程，相關(guān)研究可為類(lèi)似隧道工程中的微震監(jiān)測(cè)提供借鑒和參考。

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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(jiǎn)介:王運(yùn)慶(1981-)，男，工程師

收稿日期:2015-11-21

文章編號(hào):1009-6825( 2016) 04-0198-03

中圖分類(lèi)號(hào):U456.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A