深埋特大引水隧洞巖爆微震監(jiān)測預警方法設計

董振濤

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設管理局，新疆 伊犁 835100)

隧洞監(jiān)測是建筑施工中十分煩瑣且復雜的一個環(huán)節(jié)，涉及較多的關聯(lián)結構，在一定程度上相當工程的核心位置。而在建設過程中，部分隧洞由于特殊的建設需求，需要進行特殊地處理，尤其是與深埋特大引水工程相搭接，常常會出現巖爆微震的現象。造成這一問題的主要因素是在建設時的爆破處理導致的，對于引水的效果也會形成較強的阻礙，因此，可以通過特殊的方式對微震現象進行監(jiān)測預警[1]。傳統(tǒng)的微震監(jiān)測預警一般是采用單相測定或者覆蓋性的監(jiān)測模式來實現，雖然可以完成預期的監(jiān)測預警目標，但是常常會出現不同程度的問題以及缺陷，對工程建設產生極大的消極影響，嚴重的甚至會形成不可控的經濟損失[2]。因此，本文對深埋特大引水隧洞巖爆微震監(jiān)測預警方法進行設計?？紤]到最終測試結果的穩(wěn)定性和可靠性，本文會采用較為真實的環(huán)境背景，結合互聯(lián)網、大數據等技術，構建更加靈活的檢測預警方式。需要注意的是，深埋特大引水隧洞巖爆時，若出現微震會產生極為微小的變化，對于巖石自身屬性以及特征也具有較強的關聯(lián)。所以，監(jiān)測預警的方向與規(guī)模也應該與其保持統(tǒng)一，確保最終的施工效果，為后續(xù)的建設及相關技術的發(fā)展提供理論依據。

1 深埋特大引水隧洞巖爆微震監(jiān)測預警方法

1.1 微震源監(jiān)測預警參數獲取

微震源是隧洞巖爆過程中的核心，自身具多變性，極容易受到外部環(huán)境以及因素的影響。舉例來說，地質因素、內部結構因素、承壓因素以及氣溫因素等[3]。對于微震源的把控以及測定同樣是監(jiān)測預警工作中十分關鍵的一個環(huán)節(jié)，與各個部分的指標參數具有關聯(lián)。常見的微震源指標分類如表1所示。

表1 微震源指標設定

根據表1可以完成對微震源指標的設定。在上述的指標設定工作中，結合微震源的變化情況，在劃定的范圍之內進行監(jiān)測預警覆蓋點的設定，將每一個區(qū)域內存在的覆蓋點作搭接關聯(lián)，進行監(jiān)測預警的訓練，進一步細化對應指標的參數，為后續(xù)監(jiān)測預警體系的構建奠定基礎。

1.2 雙向監(jiān)測預警結構建立

在完成對微震源監(jiān)測預警參數的獲取后，需要建立雙向監(jiān)測預警結構。傳統(tǒng)對于深埋特大引水隧洞巖爆微震的測定與預警方式一般是采用單向識別或者分辨的形式來實現監(jiān)測預警目標，這種方法雖然可以完成監(jiān)測任務，但是在實際應用的過程中，常常會出現不同程度的問題以及缺陷，對于后續(xù)的建設施工也會產生不同程度的阻礙[4]。

而雙向監(jiān)測預警的實際覆蓋范圍會更大一些，監(jiān)測預警中的限制條件也更少一些，可以預先設定基礎的識別區(qū)域，計算出監(jiān)測圈定距離，具體如式(1)所示：

(1)

式中：D為監(jiān)測圈定距離，m；n為識別常數；f為 潛在預警標定點數量[5]。

通過上述計算，可以得出實際的監(jiān)測圈定距離。結合上述的微震源監(jiān)測預警指標以及參數，再加上具體的測定標準，形成一套完整的雙向監(jiān)測預警結構，根據監(jiān)測圈定距離，劃定監(jiān)測預警的單向位置。

1.3 等效EMS監(jiān)測預警模型構建

在完成對雙向監(jiān)測預警結構的建立后，需要構建等效EMS監(jiān)測預警模型。首先，可以先提取隧洞巖爆微震的變化特征，設定具體的監(jiān)控區(qū)域，在雙向監(jiān)測預警的結構中設定多層級多目標的管控環(huán)節(jié)，并賦予其對應的比照標準[6]。

在監(jiān)測處理過程中，融入互聯(lián)網技術以及大數據平臺，構建等效的預警程序，在實際施工的過程中，依據比照標準，核算出存在的監(jiān)測預警差值[7]。采用等效EMS的協(xié)議，計算出疊合震矩應力，具體如式(2)所示：

(2)

式中：U為疊合震矩應力，Pa；x為等效距離，m。

通過上述計算，可以得出實際的疊合震矩應力。將得出的疊合震矩應力融入等效EMS模型之中，此時為了確保后續(xù)監(jiān)測預警結果的穩(wěn)定和可靠，需要更改等效測定范圍，并將引水隧洞巖爆微震的實時情況融入模型的測算以及比照之中。隨后，也需要對上述微震源監(jiān)測預警參數作出合理的調整，以此來進一步細化對應的監(jiān)測預警結果。

1.4 微震能量密度測定法實現監(jiān)測預警

在完成對等效EMS監(jiān)測預警模型的構建后，采用微震能量密度測定法來實現監(jiān)測預警。這部分的處理環(huán)節(jié)相對較為特殊、煩瑣。首先，需要累計微震事件數[8]。在隧洞巖爆破時，通過損傷力學來對所監(jiān)測預警的區(qū)域進行多方向描述，安裝關聯(lián)響應的監(jiān)測預警設備，一旦區(qū)域內出現微震波動，可以先計算出微震累積事件數，具體如式(3)所示：

(3)

式中：Y為微震累積事件數；W為微震波動頻率，Hz；k為測定極限距離，m。

通過上述計算，最終可以得出實際的微震累積事件數。此時的微震累積事件數越多，表明測定區(qū)域在不斷擴展延伸，所以在監(jiān)測預警的過程中，也需要作出對應的范圍調整。

此時利用等效EMS監(jiān)測模型來獲取微震能量的實時密度，在不同的震動狀態(tài)下，向外傳輸的震源波動也是不同的，利用監(jiān)測模型測定具體的密度變化情況，在單位體積值內，將其與巖體微破裂釋放出的能量作出關聯(lián)分析，綜合微震破裂程度，結合微震能量密度的變化范圍，進一步加強對整體監(jiān)測預警程序的控制與效果的提升，為后續(xù)的施工提供依據。

2 方法測試

考慮到最終測試結果的穩(wěn)定性和可靠性，需要劃定具體的測試區(qū)域，穩(wěn)定監(jiān)測環(huán)境。選擇三種監(jiān)測預警方法對比分析，第一組為傳統(tǒng)的多元層級監(jiān)測預警方法，將其設定為傳統(tǒng)多元層級監(jiān)測預警測試組；第二組為傳統(tǒng)的宏觀擾動監(jiān)測預警方法，將其設定為傳統(tǒng)宏觀擾動監(jiān)測預警測試組；第三組為雙向EMS監(jiān)測預警方法，將其設定為雙向EMS監(jiān)測預警測試組。三種方法在相同的環(huán)境之下同時測定，得出的結果對比分析。接下來，搭建相關的測試環(huán)境。

2.1 測試準備

在對深埋特大引水隧洞巖爆微震監(jiān)測預警效果進行驗證和分析前，需要先搭建對應的測試環(huán)境。選取P工程作為本次測試的主要目標對象，在工程建設初期，施工環(huán)境相對較為穩(wěn)定，但是由于外部因素的影響，再加上巖石爆破的覆蓋波及，造成隧洞整體的施工架構處于極度不穩(wěn)定的狀態(tài)。預設的引水洞距離設定為900 m，隧道全長12.8 km，里程長度比為0.5。本次測定的微震監(jiān)測路段為覆蓋左洞圍巖K50+220～K50+160，內部圍巖的深度為2.45 m，為了確保最終監(jiān)測結果的精準性，需要先計算出最大水平主應力，具體如式(4)所示：

(4)

式中：G為最大水平主應力，Pa；t為洞軸線長度，m；x為微震極限值。

通過上述計算，最終可以得出實際的最大水平主應力。P工程在建設中期，由于地勢較為特殊，所以對應的引水管道以及設備需要采用階梯式布設的方式來實現基底的構建。

根據隧洞發(fā)生的實時微震特征以及規(guī)律，將測定的區(qū)域段劃分為三個部分，每一個隧洞均是獨立的，第一段對應的是K50+ 250～K50+230，第二段對應的是K50+200～K55+180，第三段對應的是K50+230～K50+260，每一個圍巖在開挖的過程中，需要搭接左拱腰和左拱底，并將內部結構的最大視應力量值調整到6.45 MPa。

結合隧洞的建設實際情況，劃定具體的監(jiān)測區(qū)域，同時，調節(jié)預警的單向描述距離，計算描述初始值，具體如式(5)：

(5)

式中：Y為描述初始值;q為單相監(jiān)測范圍;d為失穩(wěn)系數。

通過上述計算，最終可以得出實際的描述初始值。設定均衡監(jiān)測預警標準，并采用“時空強”演化分布的方式在測定的區(qū)域設置監(jiān)測節(jié)點，計算出單個微震能量值，具體如式(6)：

(6)

式中：K為單個微震能量值;g為微震事件簇;v為預設監(jiān)測距離，m。

通過上述計算，最終可以得出實際的單個微震能量值。在預設的區(qū)域之中，將單個微震能量節(jié)點關聯(lián)在一起，在隧洞之中形成一個微震監(jiān)測預警網，為后續(xù)的測定打下基礎。核定測試的裝置以及設備是否處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)，確保不存在影響最終測試結果的外部因素，核定無誤后，開始具體的測試與分析。

2.2 測試過程及結果分析

在上述所搭建的測試環(huán)境之中，結合相關的技術進行更為具體的測定和分析。結合隧洞的掘進方向，在不同的測試路段中，劃定監(jiān)測預警的掌子面，具體如圖1所示。

圖1 監(jiān)測預警掌子面布設圖示

根據圖1可以完成對監(jiān)測預警掌子面的布設。隨后，結合初始設定的監(jiān)測預警節(jié)點，在隧洞路段形成一個密實的監(jiān)測網，并劃定震源監(jiān)測范圍，計算出累積常數，具體如式(7)：

(7)

式中：U為累積常數；e為預警次數；a為監(jiān)測極限值；b為微震幅度。

通過上述計算，最終可以得出實際的累積常數。以此為基礎，將不同路段的預警程序以及指令作出調節(jié)。通常情況下，累計常數值越高，對應的監(jiān)測預警效果便越好。但是這部分需要注意的是，累計常數也需要控制在合理的范圍內，上下的變化比值最好控制在1.05之內，一旦超出，便要重新設定累計監(jiān)測預警的數據，更加耗費成本與時間。隨后，在特定的監(jiān)測預警測試環(huán)境之中，結合管控系統(tǒng)或者平臺，輸入測試的指令和協(xié)議，以預設的標準作為比照目標，計算出最終的監(jiān)測預警響應時間，具體如式(8)：

(8)

式中：M為監(jiān)測預警響應時間，s；z為微震峰值；h為單相密度值，kg/m3。

通過上述計算，最終可以得出實際的監(jiān)測預警響應時間。三組方法同時獲得結果，以對比的形式分析，分析結果見表2。

表2 測試結果對比分析

根據表2可以完成對測試結果的分析。與傳統(tǒng)的多元層級監(jiān)測預警測試組和傳統(tǒng)宏觀擾動監(jiān)測預警測試組相對比，本文所設計的雙向EMS監(jiān)測預警測試組最終得出的監(jiān)測預警響應時間相對較快，僅為1.01 s，很好地控制在1.5 s以下，具有更強的實際應用價值。

3 結 語

本文對深埋特大引水隧洞巖爆微震監(jiān)測預警方法進行設計與分析。與傳統(tǒng)的建筑監(jiān)測預警模式相對比，本文結合深埋特大引水隧洞巖爆的環(huán)境，所構建的方法相對更加靈活、多變，具有更強的動態(tài)性與可修改性。另外，在復雜的建設施工背景中，對隧洞微震情況的把控也會更加精準、可靠一些，更貼合于深埋特大引水工程的建設目標。而且本文方法還從多個角度進一步分化了監(jiān)測預警的對應區(qū)域，細化預警的細節(jié)程序，能夠在確保工程進度推進的同時，提升內部結構的平衡性，為后續(xù)的施工處理奠定更堅實的基礎條件。