不同傳感器安裝方式對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)聲發(fā)射參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響

甘一雄, 吳順川，2*, 高艷華, 任 義

(1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093；3.北京城市學(xué)院城市建設(shè)學(xué)部，北京 100083)

聲發(fā)射(acoustic emission, AE)技術(shù)作為一種被動(dòng)監(jiān)測(cè)手段，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巖體內(nèi)部的破裂，對(duì)巖體失穩(wěn)進(jìn)行有效預(yù)警，因此，被越來(lái)越多地用于隧道工程的監(jiān)測(cè)與研究中[1-4]。

由于隧道工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件及施工環(huán)境復(fù)雜，根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)需求，聲發(fā)射傳感器的安裝方法多種多樣，為此，中外研究人員也設(shè)計(jì)了多種不同的安裝裝置，以適應(yīng)預(yù)埋式安裝[1]、鉆孔安裝[2]、表面安裝[3]等多種安裝方法。

然而，盡管聲發(fā)射傳感器在具體安裝方式上多種多樣，但絕大多數(shù)安裝方法及安裝裝置只是在固定、保護(hù)等方面有所差異，在信號(hào)傳輸上并無(wú)太大區(qū)別，因此，可根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，將隧道監(jiān)測(cè)中的聲發(fā)射傳感器安裝方法分為原巖表面安裝、襯砌表面安裝以及金屬介質(zhì)表面安裝3類(lèi)。

原巖表面安裝是指?jìng)鞲衅髦苯优c原巖表面接觸(僅通過(guò)真空脂等耦合劑耦合)，接收巖體中的聲發(fā)射信號(hào)[2,4]，是目前應(yīng)用最為廣泛的安裝方法；襯砌表面安裝與原巖表面安裝相似，只是安裝于襯砌表面，監(jiān)測(cè)圍巖及襯砌中的聲發(fā)射信號(hào)[3]，該方法的主要優(yōu)勢(shì)是無(wú)需鉆孔等復(fù)雜工序，也不需要破壞初襯等隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)，直接在隧道中安裝，自由度較高；金屬介質(zhì)表面安裝是指以金屬導(dǎo)波材料將傳感器與巖體耦合，如以薄鋁板作為耦合介質(zhì)[5]，或?qū)鞲衅靼惭b于錨桿(導(dǎo)波桿)端部[3]。

由于不同安裝方式所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力波傳輸介質(zhì)與傳播路徑不同，聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)效果也必然有所不同。因此，以華鎣山隧道爆破掘進(jìn)過(guò)程中的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)為例，對(duì)比了原巖表面安裝、初襯表面安裝以及錨桿端部安裝等不同安裝方式下聲發(fā)射信號(hào)特征。

1 工程背景

重慶渝北至四川廣安高速公路(重慶段)華鎣山隧道屬特長(zhǎng)隧道，設(shè)計(jì)為雙洞六車(chē)道，隧道左線(ZK23+467～ZK28+485)全長(zhǎng)5 018 m，右線(K23+467～K28+467)全長(zhǎng)5 000 m，自隧道進(jìn)口、中部、隧道出口的線間距分別為16.34 m、30 m、25.17 m，總長(zhǎng)走向約298°，左、右線最大埋深分別為438 m和448 m。隧道為雙向隧道，采用分離式雙洞結(jié)構(gòu)，左右分修。采用中壁法(無(wú)豎撐)施工，掌子面爆破在前，下導(dǎo)爆破分左右兩段分別推進(jìn)，掌子面爆破每次進(jìn)尺3 m，裝藥180～190 kg。

華鎣山隧道橫穿華鎣山觀音峽背斜山脈，并穿越三疊系須家河組煤系地層和二疊系龍?zhí)督M煤系地層，其中須家河組煤層18 處，龍?zhí)督M煤層8 處。龍?zhí)督M煤層具有煤與瓦斯強(qiáng)突出風(fēng)險(xiǎn)，須家河組煤層具有高瓦斯風(fēng)險(xiǎn)。觀音峽背斜核部發(fā)育有F1、F2、和F4壓扭性逆沖斷層。隧道存在斷層破碎帶、巖溶及巖溶水、巖溶角礫巖、軟弱圍巖、煤層、采空區(qū)、老窖水、瓦斯及H2S有毒有害氣體等不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 監(jiān)測(cè)方法選取

華鎣山隧道施工期間主要采用周邊位移計(jì)與全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但受到監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)的限制，開(kāi)挖至初期支護(hù)之間，尤其是爆破后至初期支護(hù)前，屬于常規(guī)監(jiān)測(cè)手段的灰色區(qū)段，全站儀反射點(diǎn)、收斂計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)等都難以提前布設(shè)，難以進(jìn)行及時(shí)有效監(jiān)測(cè)預(yù)警，因此考慮選取微震或聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的方式，對(duì)掌子面附近巖體破裂信息進(jìn)行無(wú)損監(jiān)測(cè)，用以補(bǔ)充隧道爆破后至初襯支護(hù)階段的監(jiān)測(cè)空白。

然而，由于兩隧道間隔不超過(guò)30 m，而微震在隧道中的監(jiān)測(cè)距離一般為50～150 m[6]，若采用微震監(jiān)測(cè)的方式，鄰洞施工可能會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)造成干擾，因此選取聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的手段對(duì)華鎣山隧道爆破過(guò)程中的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)?？紤]監(jiān)測(cè)成本與需求，不對(duì)破裂進(jìn)行準(zhǔn)確定位，選取基于參數(shù)分析的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法對(duì)華鎣山隧道掘進(jìn)爆破過(guò)程中的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

為研究不同安裝方式在信號(hào)接收上的差異，選取合理安裝方式進(jìn)行隧道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)。以華鎣山隧道K25+060～K25+160區(qū)段掘進(jìn)爆破過(guò)程中隧道聲發(fā)射響應(yīng)試驗(yàn)為依托，在相同位置采取多種傳感器安裝方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)比不同安裝方式下的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)的SH-II型聲發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，傳感器選用R.451-LP-AST型壓電陶瓷傳感器，頻率范圍為5～30 kHz，內(nèi)置前置放大器，前置放大倍數(shù)為26 dB，采樣頻率為1 MHz，采樣長(zhǎng)度為2 k，根據(jù)前期噪聲測(cè)試的結(jié)果，將門(mén)檻值設(shè)置為45 dB。

2.3 不同安裝方式

隧道截面及傳感器安裝位置主要有拱頂、拱肩與拱腰，如圖1所示。在同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)上采用3種安裝方式安裝3個(gè)聲發(fā)射傳感器，即原巖表面安裝、初襯表面安裝以及錨桿端部安裝，為盡可能避免位置不同對(duì)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，同一測(cè)點(diǎn)的3個(gè)傳感器應(yīng)盡可能靠近。

圖1 傳感器安裝位置Fig.1 Positions of sensors in the tunnel

2.3.1 原巖表面安裝

隨著隧道施工的進(jìn)行，爆破位置及危險(xiǎn)區(qū)段都在不斷推進(jìn)，而聲發(fā)射傳感器監(jiān)測(cè)距離有限，因此監(jiān)測(cè)點(diǎn)也需要不斷推進(jìn)。因此，為了方便安裝與節(jié)約成本，不采用鉆孔的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器與原巖的直接接觸，而是采用在初襯上預(yù)留安裝孔的方法進(jìn)行原巖表面安裝。

前次掘進(jìn)初襯支護(hù)階段，在初襯上預(yù)留傳感器安裝孔，拱頂附近可直接用防水布進(jìn)行遮擋如圖2(a)所示；拱腰附近需用木板加防水布做成格擋放入鋼筋網(wǎng)中，避免漿液流入預(yù)留孔中，噴漿支護(hù)完成后揭開(kāi)防水布，預(yù)留位置即可形成一個(gè)20～30 cm深的安裝孔，清理安裝孔，即可將傳感器安裝于原巖表面，如圖2(b)所示。

2.3.2 初襯表面安裝

初襯表面安裝的方法比較簡(jiǎn)便，監(jiān)測(cè)時(shí)直接將傳感器安裝于初襯表面，不論是原巖表面安裝還是初襯表面安裝，都采用相同的傳感器安裝輔助裝置，以膨脹螺栓將裝置固定于原巖或初襯表面，通過(guò)內(nèi)置彈簧提供反力固定傳感器，如圖2(c)所示，傳感器與原巖或初襯間以真空脂耦合。

2.3.3 錨桿端部安裝

在預(yù)留孔中的原巖表面鉆孔，深度0.8 m，安裝特制錨桿，以快干水泥錨固耦合，待水泥達(dá)到一定強(qiáng)度后安裝傳感器，如圖2(d)所示，除壓電陶瓷接觸面以為，傳感器與安裝套筒之間以泡沫海綿等材料隔離，充分保護(hù)傳感器，且避免傳感器及信號(hào)線保護(hù)層破損而與金屬導(dǎo)通，導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)被電信號(hào)覆蓋。傳感器與錨桿端部直接接觸，中間以少量耦合劑耦合，保證接觸充分。

圖2 傳感器安裝方式Fig.2 Attaching methods and coupling modes of sensors

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同傳感器安裝方式下的監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比主要包括兩個(gè)方面：一是同一位置的不同安裝方式結(jié)果對(duì)比，用以對(duì)比不同安裝方式的信號(hào)特征及差異；二是不同位置下相同安裝方式的對(duì)比，用以對(duì)比不同安裝方式對(duì)信號(hào)衰減的敏感性。

3.1 相同位置下不同傳感器安裝方式的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

在拱頂與拱肩處分別以3種方法安裝聲發(fā)射傳感器，監(jiān)測(cè)掌子面爆破過(guò)程中的聲發(fā)射響應(yīng)，該次爆破掌子面距監(jiān)測(cè)點(diǎn)截面15.6 m。

表1所示為不同傳感器安裝方式下的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果基本參數(shù)對(duì)比。由表1可知，從基本參數(shù)來(lái)看，同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，不同安裝方式監(jiān)測(cè)到的信號(hào)特征不同，從響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)、信號(hào)最大振鈴計(jì)數(shù)(counts)、最大絕對(duì)能量(absolute energy)來(lái)看基本上呈現(xiàn)“原巖表面安裝<初襯表面安裝<錨桿端部安裝”的規(guī)律。其中原巖表面與初襯表面安裝方式的監(jiān)測(cè)結(jié)果差異較小，而錨桿端部安裝方式所監(jiān)測(cè)到的聲發(fā)射結(jié)果與前兩者差異較大，在最大值上存在1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)的差異。

表1 不同安裝方式監(jiān)測(cè)結(jié)果基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of AE monitoring results acquired by different attaching methods of sensors

然而，根據(jù)掌子面爆破過(guò)程中的聲發(fā)射響應(yīng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，振鈴計(jì)數(shù)極大/能量極高的聲發(fā)射信號(hào)往往只有1～2 個(gè)，單純比較參數(shù)最大值不能充分反映監(jiān)測(cè)結(jié)果的差異，因此，選取振鈴計(jì)數(shù)率(counts rate)、絕對(duì)能量平均值與b值作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)來(lái)對(duì)比3 種安裝方式的監(jiān)測(cè)結(jié)果在時(shí)間軸上的變化趨勢(shì)的差異。以第一個(gè)信號(hào)到達(dá)時(shí)間作為0時(shí)刻，以每0.2 s作為一個(gè)時(shí)段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.1.1 振鈴計(jì)數(shù)率

圖3所示為拱頂與拱肩聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果振鈴計(jì)數(shù)率統(tǒng)計(jì)。由圖3可知，原巖表面與初襯表面安裝的傳感器在振鈴計(jì)數(shù)率發(fā)展規(guī)律及數(shù)量級(jí)上大致相同，初襯表面安裝的監(jiān)測(cè)結(jié)果略大于原巖表面安裝；然而，錨桿端部安裝的監(jiān)測(cè)結(jié)果與前兩者差異較大，在開(kāi)始時(shí)振鈴計(jì)數(shù)率遠(yuǎn)大于原巖表面與初襯表面安裝的監(jiān)測(cè)結(jié)果，但信號(hào)迅速消失，直至原巖與初襯表面安裝傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)消失后，錨桿端部安裝傳感器才重新接收到信號(hào)。

圖3 不同安裝方式下聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率Fig.3 Counts rate of AE monitoring results acquired by different sensor-attaching methods

初步分析造成這一現(xiàn)象的原因有兩點(diǎn)：① 由于錨桿深入巖體內(nèi)部，與巖體接觸面積較大，與傳感器接觸部分面積較小，而錨桿可視為導(dǎo)波桿，在面積減小時(shí)能夠集中能量、放大信號(hào)[7-8]，因此，在最初時(shí)間段內(nèi)，錨桿端部接收到的信號(hào)在振鈴計(jì)數(shù)率上遠(yuǎn)大于其他安裝方式，然而，因錨桿錨固過(guò)程中難以保證與巖體嚴(yán)密耦合，且水泥凝固時(shí)間較短，爆破震動(dòng)對(duì)耦合效果仍然產(chǎn)生了一定影響，因此在最初的高能信號(hào)后，錨桿端部傳感器接收信號(hào)出現(xiàn)了一個(gè)短暫的“平靜期”；此外，初襯表面安裝的傳感器由于位于預(yù)留孔附近初襯上，同樣存在橫截面積的減小，預(yù)留孔孔壁以及原巖與初襯交界面反射應(yīng)力波將導(dǎo)致一定程度上的應(yīng)力波能量集中，因而初襯表面接收到的信號(hào)在振鈴計(jì)數(shù)率上略高于原巖表面。② 爆破后錨桿錨固段或附近圍巖、初襯中出現(xiàn)了少量小破裂或摩擦，故原巖與初襯表面安裝的傳感器信號(hào)消失后(爆破響應(yīng)結(jié)束)錨桿端部安裝傳感器仍接收到少量聲發(fā)射信號(hào)。

3.1.2 平均絕對(duì)能量與b值

圖4所示為拱頂與拱肩絕對(duì)能量平均值與b值隨時(shí)間變化的規(guī)律，由于絕對(duì)能量平均值之間數(shù)量級(jí)差別過(guò)大，因此對(duì)絕對(duì)能量平均值取對(duì)數(shù)lg進(jìn)行對(duì)比。由圖4可知，絕對(duì)能量的分布規(guī)律與振鈴計(jì)數(shù)較為相近，總體而言初襯表面安裝略高于原巖表面安裝，而錨桿端部安裝的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果平均絕對(duì)能量的最大值最高。

圖4 不同安裝方式下聲發(fā)射平均絕對(duì)能量與b值Fig.4 Average absolute energy and b value of AE monitoring results acquired by different sensor-attaching methods

b值(bvalue)源于地震學(xué)中的G-R關(guān)系，即區(qū)域性地震中大于震級(jí)M的累計(jì)次數(shù)N的對(duì)數(shù)，與震級(jí)M成線性關(guān)系，即

lgN=a-bM

(1)

式(1)中：a、b為常數(shù)，在聲發(fā)射中，通?？捎谜穹?0來(lái)代表聲發(fā)射震級(jí)，即M=A/20，A為聲發(fā)射振幅[9]。

b值統(tǒng)計(jì)結(jié)果主要反映巖體內(nèi)部破裂事件的相對(duì)大小與數(shù)量的關(guān)系，b值越大，說(shuō)明事件中小破裂事件占比越大，一般而言，巖體發(fā)生破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的b值約為1(±0.5)[10-11]。需要注意的是，為對(duì)比b值與其他參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)b值的計(jì)算是基于時(shí)間分組而非基于取樣數(shù)，由于b值同樣受取樣數(shù)的影響[12]，而聲發(fā)射信號(hào)數(shù)在時(shí)間軸上的分布并非均勻的，因此在取樣數(shù)過(guò)小的時(shí)間段內(nèi)計(jì)算的b值可能未能充分反映巖體內(nèi)部破裂的實(shí)際情況，舍去某些取樣數(shù)過(guò)小(小于10)的b值計(jì)算結(jié)果，對(duì)取樣數(shù)較小(小于50)的b值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理分析與判斷。

由b值統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，前0.8 s內(nèi)，巖體發(fā)生了大規(guī)模失穩(wěn)破裂(即掘進(jìn)爆破)，3種安裝方式監(jiān)測(cè)結(jié)果較為接近，都處于0.5附近，拱頂處監(jiān)測(cè)結(jié)果略小于拱肩位置；在0.8 s后，錨桿端部安裝的傳感器雖然接收到大量聲發(fā)射信號(hào)，但b值不斷增加，說(shuō)明0.8 s以后的聲發(fā)射信號(hào)以小破裂為主，符合基于振鈴計(jì)數(shù)率分布規(guī)律的初步分析結(jié)果，即爆破后錨固段或附近圍巖、初襯中出現(xiàn)了少量小破裂信號(hào)。

3.2 信號(hào)傳播距離對(duì)不同傳感器安裝方式聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響

由于華鎣山隧道擬采用基于參數(shù)分析方法的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，缺乏對(duì)事件具體位置的信息，因此監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性受到信號(hào)衰減的限制，當(dāng)信號(hào)衰減較大或事件分布較為離散時(shí)，監(jiān)測(cè)結(jié)果往往可能未能充分反映實(shí)際破裂的劇烈程度，因此，對(duì)比不同安裝方式的監(jiān)測(cè)效果，除了同一位置的不同安裝方式的對(duì)比外，仍需要對(duì)比各安裝方式在衰減作用下的信號(hào)變化特征。

選取拱肩位置為例，選取爆破距離為5 m時(shí)的拱肩安裝位置監(jiān)測(cè)結(jié)果與15.6 m處的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。需要說(shuō)明的是，該對(duì)比是基于兩次爆破得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果，由于裝藥量相同，圍巖性質(zhì)接近，因此近似將兩次監(jiān)測(cè)過(guò)程中的震源與傳播介質(zhì)看作相同。

表2所示為掌子面爆破距離為5 m時(shí)拱肩處的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果。由表2可知：原巖表面與初襯表面安裝的監(jiān)測(cè)結(jié)果在爆破相應(yīng)時(shí)間上小于爆破距離為15.6 m時(shí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，錨桿端部監(jiān)測(cè)結(jié)果在爆破響應(yīng)時(shí)間上變化不大；從最大振鈴計(jì)數(shù)上看，三者都小于15.6 m處的監(jiān)測(cè)結(jié)果，尤其是錨桿端部安裝的監(jiān)測(cè)結(jié)果，未如15.6 m處一樣出現(xiàn)遠(yuǎn)超其他安裝方式的振鈴計(jì)數(shù)；從最大絕對(duì)能量的數(shù)量級(jí)來(lái)看，原巖表面安裝的監(jiān)測(cè)結(jié)果高于15.6 m處，初襯表面與錨桿端部安裝方式的監(jiān)測(cè)結(jié)果與15.6 m處接近。

同樣選取振鈴計(jì)數(shù)率、絕對(duì)能量平均值與b值作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)來(lái)對(duì)比3種安裝方式的監(jiān)測(cè)結(jié)果在時(shí)間軸上的變化趨勢(shì)的差異。將兩次爆破最初信號(hào)到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)作為0時(shí)刻，以每0.2 s作為一個(gè)時(shí)段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表2 震源距離5 m時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of AE monitoring results in 5 m from the blasting seismic source

3.2.1 振鈴計(jì)數(shù)率

爆破距離為5 m時(shí)拱肩聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果振鈴計(jì)數(shù)率如圖5所示，對(duì)比圖3可知，從振鈴計(jì)數(shù)率上看，原巖與初襯表面安裝的監(jiān)測(cè)結(jié)果略小于15.6 m處，而錨桿端部安裝的監(jiān)測(cè)結(jié)果則遠(yuǎn)小于15.6 m處，未出現(xiàn)振鈴計(jì)數(shù)極大的聲發(fā)射信號(hào)，但同樣在原巖與初襯表面安裝的傳感器接收到的信號(hào)消失后仍然接收到一些小規(guī)模聲發(fā)射信號(hào)。

圖5 震源距離5 m處聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率Fig.5 Counts rate statistics in 5 m from the blasting seismic source

結(jié)合動(dòng)力響應(yīng)持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，初步分析造成這一結(jié)果的原因主要是錨桿錨固情況的不同導(dǎo)致了信號(hào)接收效果的差異；此外，5 m處受到爆破震動(dòng)影響十分劇烈，試驗(yàn)過(guò)程中甚至造成拱頂處原巖表面安裝傳感器脫落，因此不論是錨固還是與原巖、初襯耦合都受到一定影響，接收到的信號(hào)數(shù)較少，從而導(dǎo)致振鈴計(jì)數(shù)率相對(duì)較小，總體的信號(hào)持續(xù)時(shí)間也較短。

3.2.2 絕對(duì)能量與b值

圖6所示為距震源不同距離下的各安裝方式監(jiān)測(cè)結(jié)果基于絕對(duì)能量與b值的對(duì)比，其中b值計(jì)算同樣舍去了樣本數(shù)過(guò)少的計(jì)算結(jié)果。

由圖6可知，從絕對(duì)能量平均值來(lái)看，距離震源較近時(shí)(5 m)，不論何種安裝方式，在爆破響應(yīng)初期的絕對(duì)能量的平均值通常高于15.6 m處的監(jiān)測(cè)結(jié)果，相應(yīng)的b值計(jì)算結(jié)果也較低；5 m處拱肩測(cè)點(diǎn)的原巖與初襯表面安裝方式的監(jiān)測(cè)結(jié)果持續(xù)時(shí)間較短，僅錨桿端部安裝方式持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且在后期監(jiān)測(cè)結(jié)果中仍表現(xiàn)出較高的平均絕對(duì)能量，但由于事件數(shù)較少，難以計(jì)算出可靠的b值。

分析可知，當(dāng)傳感器安裝距離較近時(shí)，由于爆破震動(dòng)較大，導(dǎo)致傳感器與接觸面耦合受到一定影響，接收到事件較少，導(dǎo)致振鈴計(jì)數(shù)率較低，但從平均絕對(duì)能量上看，距離震源較近的傳感器接收到的信號(hào)能量較高，說(shuō)明能量較高的聲發(fā)射事件仍然可以被傳感器接收。

圖6 不同震源距離下聲發(fā)射平均絕對(duì)能量與b值Fig.6 Average absolute energy and b value of AE in different distances from the blasting seismic source

由于爆破震動(dòng)對(duì)后續(xù)信號(hào)接收的影響較大，因此僅以前0.2 s的監(jiān)測(cè)結(jié)果為依據(jù)，分析不同安裝方式的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果受傳播距離衰減的影響。

表3所示為兩次爆破中所有位置前0.2 s內(nèi)絕對(duì)能量平均值(取對(duì)數(shù))，括號(hào)中為15.6 m處監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)于5 m處同位置同安裝方式監(jiān)測(cè)結(jié)果的下降百分比，從這兩次爆破過(guò)程聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的對(duì)比結(jié)果可知，原巖表面安裝的監(jiān)測(cè)結(jié)果受衰減影響較大，而初襯表面及錨桿端部安裝的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果受衰減影響相對(duì)較小，造成這一結(jié)果的主要原因有兩點(diǎn)：一是因?yàn)楸O(jiān)測(cè)方式或監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的信號(hào)放大效應(yīng)，10 m左右的衰減距離及各交界面對(duì)信號(hào)的衰減作用仍小于信號(hào)接觸面附近結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)的放大作用；二是由于相對(duì)初襯表面與錨桿端部，原巖表面平整度難以保證，傳感器與原巖接觸面的耦合效果可能差異較大，拱腰處監(jiān)測(cè)結(jié)果56.2%的能量差異應(yīng)該屬于這一類(lèi)情況。

表3 不同距離不同安裝方式下前0.2 s平均絕對(duì)能量Table 3 Average absolute energy of AE monitoring results in the first 0.2 s acquired by vary attaching methods in different distances from the blasting seismic source

4 結(jié)論

(1) 在基于參數(shù)分析的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)過(guò)程中，不同安裝方式對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果存在一定影響，總體而言，傳感器采用原巖表面安裝時(shí)，聲發(fā)射響應(yīng)時(shí)間較短，信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)率、聲發(fā)射能量等最低，初襯表面安裝的監(jiān)測(cè)結(jié)果次之，而錨桿端部安裝的監(jiān)測(cè)結(jié)果最高。

(2) 不同安裝方式的安裝結(jié)果差異主要與波傳播過(guò)程中穿過(guò)的交界面數(shù)量及介質(zhì)截面積變化等結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，在安裝傳感器時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近圍巖或襯砌結(jié)構(gòu)，充分考慮監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)特性對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，若采用錨桿端部安裝等人為構(gòu)造接觸面的方式，更需要注意錨桿等輔助結(jié)構(gòu)的錨固耦合情況，避免耦合效果的差異導(dǎo)致的監(jiān)測(cè)結(jié)果差異。

(3) 聲發(fā)射能量隨距離增加而發(fā)生衰減，但監(jiān)測(cè)方式或監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)的放大效應(yīng)在一定程度上能夠減輕衰減的影響。因此，在現(xiàn)場(chǎng)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)中，若不要求進(jìn)行破裂定位等精確計(jì)算，基于聲發(fā)射參數(shù)分析進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，采用錨桿端部安裝等能夠利用信號(hào)放大效應(yīng)的監(jiān)測(cè)方式，削弱衰減或環(huán)境噪聲的影響。并得到偏安全的監(jiān)測(cè)結(jié)果。