微震监测技术在隧道开挖安全监测中的应用

王运庆

(中电建路桥集团有限公司，北京　100048)

微震监测技术在隧道开挖安全监测中的应用

王运庆

(中电建路桥集团有限公司，北京100048)

摘要:以重庆礼让隧道为例，介绍了微震监测的原理，从设备造型、监测方案、微震监测信号滤波与消噪等方面，阐述了微震监测技术在隧道开挖中的应用，监测结果表明，微震监测技术可实现对隧道开挖的实时监测。

关键词:隧道，微震监测，围岩，稳定性

0　引言

隧道开挖过程中，受开挖扰动的影响围岩应力重新分布，岩体力学性质的各向异性决定了岩体应力分布的不均衡，在围岩的某些区域产生应力集中，当达到岩体的强度极限后，岩体发生断裂破坏，这是导致岩爆、大面积塌方等隧道灾害的重要原因［1，2］。

隧道开挖过程中围岩的稳定性监测是隧道施工过程中的重要环节，隧道变形前，在岩体内部必然有大量的裂隙萌生、扩展与贯通，即围岩失稳破坏的前兆信息，而传统变形监测指标如围岩变形量、围岩应力、松动圈及支架受力与变形等，只反映隧道围岩的当前状态，难以提早发现其变形失稳破坏前的动态特征与发展趋势，监测相对滞后［3-5］。

因此需要研究一种具有前瞻性、连续性等特点的隧道变形监测方法。微震监测技术是近年来发展起来的集地球物理、信号采集、信号通讯、计算机等多学科的综合监测技术，在岩土灾害监测、石油工程、军事工程等众多领域有着广泛的应用［5-8］。鉴于此，重庆礼让隧道在隧道开挖过程中引入了微震监测系统进行围岩稳定性监测，文中重点阐述一下微震监测系统在隧道工程中的应用。

1　工程概况

礼让隧道位于梁平县七星镇、礼让镇境内。隧道左右洞长度分别为5 517.6 m和5 520.7 m，隧道区为构造剥蚀、溶蚀形成的背斜山，山体呈北东南向延伸。根据祥勘，隧道洞身段围岩以Ⅲ，Ⅳ级为主。隧址区三叠系中下统碳酸盐岩类分布于背斜轴部，因受两侧碎屑岩所构成的中、低山岭的夹持，具备有利的岩溶发育条件，形成了特有的隆脊型岩溶槽谷，岩溶发育与岩性、地貌条件关系密切;岩溶水运动和富集则受地质构造控制。三叠系上统须家河组砂、页岩，和侏罗系下统珍珠冲组砂、泥岩分布于背斜两翼，岩层以倾斜状态产出，具有形成碎屑岩孔隙裂隙层间承压水和红层承压水良好储水构造条件。

2　微震监测原理

任何形式的工程灾害在灾变前都会引起岩土体不同程度的破裂，破裂将产生震动，称之为微震。微震监测技术通过计算机技术、通讯技术、数据库技术及地震学、地球物理学等学科和领域的交叉，对这些灾变发生前岩体变形、断裂所产生的微弱震动进行实时采集、分析，获得包括微破裂时间、坐标、释放能量、非弹性变形等在内的大量参数信息。利用这些参数，可以在三维空间中实时准确地得出微震事件的发生位置，从而分析获得岩体独立的实时应力状态，对岩体微震事件的活动范围及稳定性做出安全评价［6，7］。

定位原理:假设岩体在某一段监测区域内近似均质，地震波速度恒定，在破裂区周围空间内布置多个检波器进行实时采集，有破裂事件产生震动并向周围传播，各检波器1号、2号、3号、4号到震源O( X0，Y0，Z0)平均传播速度为V0，建立走时方程:

其中，Xi，Yi，Zi均为各检波器坐标; Ti为波传播到各检波器拾取波形时刻; T0为震源发震时刻。理论上四个检波器即可组建式( 1)中四个方程以求解四个未知量，震源坐标X0，Y0，Z0，发震时间T0，但现场一般会多布设几组检波器，通过初步分析，剔除到时紊乱的数据，余下的数据联立可通过MATLAB程序计算求解震源参数。

3　微震监测系统现场布设

3.1设备的选型

通过各类设备比对分析，最终选用了北京科技大学独立研发的BMS高精度微震监测系统进行现场监测。设备详细参数如表1所示。

表1　BMS微地震监测系统性能参数

3.2现场监测方案

根据礼让隧道的实际情况，拟采用单分站(一个分站可接12个检波器)、“区内集中式”的测区布置方式对该隧道右线进行实时跟踪监测，并与已有的全站仪、地质雷达及应力计监测相结合构建“震动场—应力场—位移”一体化监测预警系统。

为了能够精确监测破裂位置，同时考虑到可靠性，前期的监测主要以掌子面至二衬范围作为布设区，将检波器布置于隧道初衬上。每隔15 m～20 m左右布置监测点，按初衬的长度合理、灵活布置检波器，检波器和分站等设备随着掌子面的推进而即时跟进。

检波器采用移动测点安装方式，保证锚杆与孔壁全长锚固。安装示意见图1。

图1　微地震检波器及锚杆安装示意图

目前，隧道现场采用12通道采集仪，进行数据采集阈值设置时，有效事件触发通道数为4，即当事件震动点至少同时触发4个检波器时，该事件被认为可用事件，如此能有效的避免局部小范围施工中带来的干扰震动信号。如图2所示为现场微震监测主机与数据处理主机，显示器中为波形信号。

图2　现场微震监测主机与数据处理主机

3.3微震监测信号滤波与消噪

由于受信号形式和分析方法的影响，信号中广泛存在岩石破裂等有效信号和电磁、机械振动等干扰信号，因此，对信号滤波与消噪是信号处理分析的重要步骤。

小波包变换是一种常见的信号滤波、消噪的分析方法［9］，它是傅里叶变换的发展，通过伸缩和平移等运算功能对信号进行精细化的时频分析功能，具有时频局部化和滤波基选择灵活的特征。采用小波基和子波基等进行信号小波包分解，从中选择最优基，其分解的结果最能表征信号的时频特性。

小波包分析去噪包含几个步骤:

1)对采集信号进行小波包分解;

2)确定最优基，通过计算熵标准，计算最优树;

3)选择合适的阈值并对小波包分解系数进行阈值量化;

4)信号的小波包重构，根据小波包多层分解系数和阈值量化后的系数进行小波包重构。

4　微震监测结果展示

如何将微震监测系统采集到的数据通过有效定位，直观、形象地展示在隧道安全监测技术人员面前，用于指导实际生产时隧道微震监测的重要内容。北京科技大学BMS微震监测系统展示软件能够很好地将分析定位结果展现出来，其主要包含平面展示、剖面展示、时间区域统计等。微震监测岩石破裂是一个长期累积的过程，事件点越多表明此处岩石破裂点越多，由于隧道围岩稳定性受到诸多因素的影响，如节理裂隙发育程度、渗流、爆破震动等，因此岩层破裂不代表隧道一定出现塌方等异常情况，但能表明此处岩石活动较为活跃［10］。图3为礼让隧道2015年6月份的微震监测统计数据剔除干扰信号后，岩石破裂的微震事件平面投影结果。

图3　微震事件的平面投影结果

在K13 +382里程段附近，围岩设计为Ⅲ级，较坚硬砂岩，岩体较完整，层间结合一般，采用环形导坑法开挖。从图3可以看出，在该里程段开挖过程中，出现了围岩破裂事件，可能是受爆破等开挖作业影响，事件主要分布在掌子面周围，由于事件并未聚集，也未连接成破裂带，可以初步推断此段围岩相对稳定。

5　结语

1)通过检波器的布置、分站的安装等，实现了对礼让隧道施工过程中围岩稳定性的微震监测。微震监测系统通过对监测数据进行初步分析、滤波及去噪等步骤提取有效的岩体破裂信号，通过后处理软件进行定位并通过平面和剖面投影展示出来，实现了对隧道开挖的实时监测。2)通过某月份的微震监测统计结果可以看出，微震监测可直观地呈现岩体破裂点的位置、能量大小，岩体破裂事件的疏密区域等信息，通过有效事件的时空分布关系可初步判断区域内裂隙的发展过程，相关研究可为类似隧道工程中的微震监测提供借鉴和参考。

参考文献:

［1］谢连城.大瑶山隧道复合式衬砌模型试验研究——超挖回填层对复合式衬砌承载能力的影响［J］.铁道科学与工程学报，1987，5( 2) :77.

［2］杨奎.铜锣山隧道围岩变形及稳定性研究［D］.成都:西南交通大学，2007.

［3］王震.正阳隧道围岩变形与支护结构受力特性研究［D］.重庆:重庆交通大学，2009.

［4］刘宁，张春生，褚卫江.深埋大理岩破裂扩展时间效应的颗粒流模拟［J］.岩石力学与工程学报，2011，30( 10) : 1989-1996.

［5］张春生，褚卫江，侯靖.锦屏二级水电站引水隧洞大型原位试验研究Ⅰ——试验方案［J］.岩石力学与工程学报，2014，33( 8) :1691-1701.

［6］于承峰.基于微震监测技术的注浆帷幕区稳定性研究［D］.沈阳:东北大学，2007.

［7］徐奴文，唐春安，周钟，等.岩石边坡潜在失稳区域微震识别方法［J］.岩石力学与工程学报，2011，30( 5) :893-900.

［8］张伯虎，邓建辉，高明忠，等.基于微震监测的水电站地下厂房安全性评价研究［J］.岩石力学与工程学报，2012，31( 5) : 937-944.

［9］朱权洁，姜福兴，于正兴，等.爆破震动与岩石破裂微震信号能量分布特征研究［J］.岩石力学与工程学报，2012，31( 4) : 723-730.

［10］陈炳瑞，冯夏庭，曾雄辉，等.深埋隧洞TBM掘进微震实时监测与特征分析［J］.岩石力学与工程学报，2011，30( 2) : 275-283.

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

作者简介:王运庆(1981-)，男，工程师

收稿日期:2015-11-21

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0198-03

中图分类号:U456.3

文献标识码:A