微震監(jiān)測技術(shù)在公路高邊坡穩(wěn)定性中的應(yīng)用

陳海霞

（中煤陜西中安項目管理有限責(zé)任公司，陜西西安710054）

微震監(jiān)測技術(shù)在公路高邊坡穩(wěn)定性中的應(yīng)用

陳海霞

（中煤陜西中安項目管理有限責(zé)任公司，陜西西安710054）

依托實際工程簡要介紹微震監(jiān)測技術(shù)基本原理及微震監(jiān)測系統(tǒng)的組成和現(xiàn)場監(jiān)測點布設(shè)情況。首先，采用數(shù)值計算方法對邊坡的施工全過程進(jìn)行穩(wěn)定性動態(tài)分析，確定潛在失穩(wěn)邊坡的關(guān)鍵點和危險區(qū)域，為監(jiān)測點的布設(shè)提供依據(jù)。其次，運用微震監(jiān)測系統(tǒng)對邊坡開挖過程中的微震活動性進(jìn)行實時監(jiān)測，研究微震事件隨著邊坡開挖在時空上的分布規(guī)律。并對土質(zhì)邊坡和土石過渡部位增加傳統(tǒng)測斜監(jiān)測，與微震監(jiān)測數(shù)據(jù)相互補(bǔ)充分析。研究結(jié)果表明：微震監(jiān)測技術(shù)可對公路高邊坡失穩(wěn)進(jìn)行有效預(yù)測，對邊坡開挖過程進(jìn)行有效監(jiān)控，為邊坡提前加固提供依據(jù)。

公路高邊坡；微震監(jiān)測；巖質(zhì)邊坡；穩(wěn)定性；預(yù)測

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

微震監(jiān)測技術(shù)作為一種先進(jìn)的和行之有效的地壓監(jiān)測手段，在國內(nèi)外深井礦山和高地應(yīng)力礦山的地壓安全監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)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(guān)基礎(chǔ)領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用[4-7]。

微震監(jiān)測技術(shù)還能對高陡巖質(zhì)邊坡巖體變形全過程和巖石微破裂情況進(jìn)行全面實時監(jiān)測，是一種很好的區(qū)域預(yù)測方法[8-9]。邊坡失穩(wěn)前，在巖體內(nèi)部必然有大量的裂隙萌生、擴(kuò)展與貫通，即邊坡失穩(wěn)破壞的前兆信息，而傳統(tǒng)失穩(wěn)監(jiān)測主要是以位移監(jiān)測為主，只反應(yīng)邊坡巖體的當(dāng)前狀態(tài)，難以提早發(fā)現(xiàn)其變形失穩(wěn)破壞前的動態(tài)特征與發(fā)展趨勢，監(jiān)測相對滯后。而微震監(jiān)測系統(tǒng)能準(zhǔn)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(xiàn)象，因此通過微震技術(shù)在高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測中的應(yīng)用，對邊坡穩(wěn)定性做出評估，實現(xiàn)對邊坡開挖過程的有效監(jiān)控，預(yù)報邊坡失穩(wěn)前兆并提前采取加固措施[8-11]。但是，目前國內(nèi)外鮮有微震監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于高陡路基、路塹邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測的報道。

以渝廣高速K54+369—K54+688段左側(cè)路基邊坡的穩(wěn)定性實時監(jiān)測為研究目標(biāo)，有效地指導(dǎo)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(jìn)行實時監(jiān)測。本文首先通過理論計算預(yù)先辨識了邊坡開挖加固過程中易失穩(wěn)的關(guān)鍵部位和關(guān)鍵點，以作為制定總體監(jiān)測方案的依據(jù)。然后利用建立的微震監(jiān)測系統(tǒng)，對拾取的事件進(jìn)行聚類研究，通過現(xiàn)場定位試驗進(jìn)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(guī)律，并與常規(guī)監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行對比研究，實現(xiàn)對邊坡開挖過程的有效監(jiān)控，預(yù)報邊坡失穩(wěn)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(zhì)地貌帶，強(qiáng)風(fēng)化、過濕土（軟基）、砂泥巖互層、溶洞等多種不良地層疊現(xiàn)。由于建設(shè)周期較短，前期工程地質(zhì)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(jiān)測來加以消除。

根據(jù)實際勘察與調(diào)研，該路段邊坡最大挖方高度60.1 m，設(shè)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(jié)理較發(fā)育，有泥化軟弱夾層；2）表層存在2～5 m的坡洪積層粉質(zhì)黏土，易發(fā)生滑坡及垮塌；3）巖體整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，尤其在雨季，極易發(fā)生崩塌。

2 數(shù)值模擬

2.1 采用Slide軟件分析邊坡的整體穩(wěn)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(shè)置4根錨桿，其余5個臺階均設(shè)置3根錨桿，錨桿共19根，排間距3 m，抗拉強(qiáng)度取310 kN，單位長度上水泥漿的黏結(jié)力和剛度分別為100 kN/m、200 kN/m。

2）計算結(jié)果

采用Slide軟件分析邊坡的整體穩(wěn)定性，兩種情況下的計算結(jié)果如圖1所示。

圖1 計算結(jié)果Fig.1Calculation results

由圖1可知，加固前邊坡整體安全系數(shù)為1.028，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，存在一定的滑坡風(fēng)險。邊坡施加錨固后，邊坡整體安全系數(shù)為2.087。錨固后的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，加固效果顯著。通過理論計算預(yù)先辨識邊坡開挖加固過程中易失穩(wěn)的關(guān)鍵部位和關(guān)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(qū)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(shè)置4根錨桿，其余5個臺階均設(shè)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(shù)114根?？估瓘?qiáng)度取310 kN，單位長度上水泥漿的粘結(jié)力和剛度分別為100 kN/m、200 kN/m。

2）計算結(jié)果

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

圖2 塑性區(qū)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(dá)到8.62 cm，位于第六級臺階處。邊坡塑性區(qū)域主要集中在中下部臺階處，局部區(qū)域相對變形較大。邊坡存在一定的滑坡風(fēng)險。而且，邊坡的土質(zhì)及土石過渡部分變形明顯，應(yīng)作為監(jiān)測的重點區(qū)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(yīng)是監(jiān)測的重點時期。

3）結(jié)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(fēng)險，F(xiàn)LAC3D軟件計算結(jié)果與Slide軟件的計算結(jié)果可相互驗證。

危險區(qū)域主要集中在邊坡的兩個部分：①邊坡上部，即邊坡的土質(zhì)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(wěn)的跡象。此兩部分應(yīng)為監(jiān)測的重點。

按設(shè)計加固后的邊坡，整體安全系數(shù)達(dá)到2.087，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，可不再需要持續(xù)監(jiān)測。

3 微震監(jiān)測技術(shù)研究

采用常規(guī)監(jiān)測技術(shù)—測斜技術(shù)與微震監(jiān)測結(jié)果相互驗證；同時對邊坡土質(zhì)部分及土石過渡部分進(jìn)行監(jiān)測。

3.1 微震技術(shù)定義

微震技術(shù)是一種地球物理學(xué)方法，是對巖體在變形破壞過程中所產(chǎn)生的微破裂進(jìn)行定時定位的一種監(jiān)測技術(shù)[1]。任何形式的工程災(zāi)害在災(zāi)變前都會引起巖土體不同程度的破裂，破裂將產(chǎn)生震動，稱之為微震。微震監(jiān)測儀器接收巖石微破裂產(chǎn)生的彈性波，將其轉(zhuǎn)換成電信號，并經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號，通過反演方法確定巖石微破裂事件產(chǎn)生的時間、位置和性質(zhì)。根據(jù)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(fā)展趨勢，從而預(yù)測預(yù)報邊坡失穩(wěn)前兆[1，12]。微震監(jiān)測原理如圖4所示。

圖4 微震監(jiān)測原理圖Fig.4Principle of microseismic monitoring

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測點布置

1）微震監(jiān)測系統(tǒng)組成

當(dāng)前，國際上應(yīng)用的微震監(jiān)測系統(tǒng)主要有兩種，加拿大ESG公司的微震系統(tǒng)和南非ISS公司的微震系統(tǒng)[1]。該項目監(jiān)測設(shè)備采用的是加拿大ESG公司的微震系統(tǒng)。ESG的微震監(jiān)測系統(tǒng)主要包括Hyperion數(shù)字信號處理系統(tǒng)、Paladin數(shù)字信號采集系統(tǒng)、加速度傳感器、電纜光纜、數(shù)據(jù)通訊調(diào)制解調(diào)器等[8]。微震監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5所示。

圖5 微震監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.5Network topology of microseismic monitoring system

2）微震監(jiān)測設(shè)備布置

一共布設(shè)12個檢波器，其中第六臺階布設(shè)1個檢波器，第五臺階布設(shè)1個檢波器，第四臺階布設(shè)4個檢波器，第三臺階布設(shè)2個檢波器，第二臺階布設(shè)2個檢波器，第一臺階布設(shè)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(jiān)測設(shè)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(jìn)行邊坡位移監(jiān)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(jiān)測結(jié)果相互驗證）。具體測斜孔布設(shè)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(nèi)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(shù)的核心內(nèi)容。只有準(zhǔn)確地區(qū)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(jìn)行正確的定位，使微震監(jiān)測數(shù)據(jù)較好地反映邊坡實際穩(wěn)定狀況。傳統(tǒng)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(dá)時間，根據(jù)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(jiān)測定位時，易出現(xiàn)異常偏差，必須進(jìn)行邊界約束。

本文針對邊坡監(jiān)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(xiàn)[13]?？臻g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(jìn)行開挖，炸藥量約為10 kg。改進(jìn)算法后，各軸坐標(biāo)的數(shù)量級逐漸減小，向真實坐標(biāo)聚集。采用傳統(tǒng)方法的定位誤差為5.21 m，改進(jìn)后的定位算法誤差為1.93 m。

3.5 微震結(jié)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(tài)，即隨著邊坡開挖的加深，微震事件的發(fā)生聚集處也會隨著向下推移，與計算結(jié)果相符。

監(jiān)測到邊坡第三級臺階有大量的微震事件聚集，現(xiàn)場停止開挖，并立即實施坡面防護(hù)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(jiān)測可以采集到動態(tài)信息，從而實現(xiàn)了對開挖與加固施工的動態(tài)指導(dǎo)。

3.6 微震與測斜監(jiān)測數(shù)據(jù)比對

2015-06-19—06-23微震事件明顯聚集，如圖8所示?，F(xiàn)場停止開挖，并立即實施坡面防護(hù)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(jiān)測數(shù)據(jù)，2015年6月12日到2015年7月14日的測斜4號監(jiān)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(jiān)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(fā)生變形（位移）前，坡體內(nèi)部微震事件呈明顯增多趨勢。微震監(jiān)測與測斜數(shù)據(jù)的比對分析表明，邊坡變形顯現(xiàn)前期，微震事件明顯增多，微震事件出現(xiàn)在前，邊坡失穩(wěn)變形在后，兩種監(jiān)測手段可互相印證和補(bǔ)充。

4 結(jié)語

以渝廣高速K54+369—K54+688段左側(cè)路基邊坡建立的微震監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了公路工程中高陡邊坡穩(wěn)定性的實時監(jiān)測、分析和預(yù)警機(jī)制。通過研究主要得到以下認(rèn)識：

1）以高邊坡路塹為監(jiān)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(jìn)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(wěn)定性及其與開挖深度、開挖速度、支護(hù)過程的時空關(guān)系，指導(dǎo)邊坡開挖與加固施工。

3）采用數(shù)值計算方法對邊坡的施工全過程進(jìn)行穩(wěn)定性動態(tài)分析，確定潛在失穩(wěn)邊坡的關(guān)鍵點和危險區(qū)域，為監(jiān)測點的布設(shè)提供依據(jù)。

4）對土質(zhì)邊坡和土石過渡部位增加測斜監(jiān)測，與微震監(jiān)測數(shù)據(jù)相互補(bǔ)充分析，實現(xiàn)對邊坡施工過程的全覆蓋監(jiān)測。

5）建立適合于邊坡工程穩(wěn)定性的監(jiān)測與預(yù)警體系，從根本上對邊坡失穩(wěn)災(zāi)害的發(fā)生進(jìn)行預(yù)警和控制。依托邊坡工程從施工至今，未發(fā)生坍塌、滑坡等災(zāi)害，也避免了因此造成的土方清理、工期延誤和人員設(shè)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(yè)。E-mail：952886008@qq.com