微震监测技术在公路高边坡稳定性中的应用

陈海霞

（中煤陕西中安项目管理有限责任公司，陕西西安710054）

微震监测技术在公路高边坡稳定性中的应用

陈海霞

（中煤陕西中安项目管理有限责任公司，陕西西安710054）

依托实际工程简要介绍微震监测技术基本原理及微震监测系统的组成和现场监测点布设情况。首先，采用数值计算方法对边坡的施工全过程进行稳定性动态分析，确定潜在失稳边坡的关键点和危险区域，为监测点的布设提供依据。其次，运用微震监测系统对边坡开挖过程中的微震活动性进行实时监测，研究微震事件随着边坡开挖在时空上的分布规律。并对土质边坡和土石过渡部位增加传统测斜监测，与微震监测数据相互补充分析。研究结果表明：微震监测技术可对公路高边坡失稳进行有效预测，对边坡开挖过程进行有效监控，为边坡提前加固提供依据。

公路高边坡；微震监测；岩质边坡；稳定性；预测

边坡稳定性问题一直是岩土工程的重要研究内容[1]，是所有高速公路建设和运营过程中必须重视的重大问题，而有效监测是保证高边坡稳定的重要技术手段。

微震监测技术作为一种先进的和行之有效的地压监测手段，在国内外深井矿山和高地应力矿山的地压安全监测中得到了广泛应用，已成为深部地压研究和地压管理的一个基本手段[2-3]。也必将在我国相关基础领域得到推广应用[4-7]。

微震监测技术还能对高陡岩质边坡岩体变形全过程和岩石微破裂情况进行全面实时监测，是一种很好的区域预测方法[8-9]。边坡失稳前，在岩体内部必然有大量的裂隙萌生、扩展与贯通，即边坡失稳破坏的前兆信息，而传统失稳监测主要是以位移监测为主，只反应边坡岩体的当前状态，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。而微震监测系统能准确捕捉到岩石微破裂事件的大小、集中程度、破裂密度等微观现象，因此通过微震技术在高陡岩质边坡稳定性监测中的应用，对边坡稳定性做出评估，实现对边坡开挖过程的有效监控，预报边坡失稳前兆并提前采取加固措施[8-11]。但是，目前国内外鲜有微震监测技术应用于高陡路基、路堑边坡稳定性监测的报道。

以渝广高速K54+369—K54+688段左侧路基边坡的稳定性实时监测为研究目标，有效地指导施工，确保工程安全。对该边坡在开挖过程中的微震活动性进行实时监测。本文首先通过理论计算预先辨识了边坡开挖加固过程中易失稳的关键部位和关键点，以作为制定总体监测方案的依据。然后利用建立的微震监测系统，对拾取的事件进行聚类研究，通过现场定位试验进行微震事件精度定位误差分析，研究微震事件随着边坡开挖在时空上的分布规律，并与常规监测技术进行对比研究，实现对边坡开挖过程的有效监控，预报边坡失稳前兆并提前采取加固措施。

1 工程概况

重庆渝北至四川广安高速公路（重庆段）全长69.788 km，其中TJ-3工程段全长23.44 km，沿线跨越多地质地貌带，强风化、过湿土（软基）、砂泥岩互层、溶洞等多种不良地层叠现。由于建设周期较短，前期工程地质勘查工作具有一定的局限性，所留下的工程隐患只能通过施工过程中的有效监测来加以消除。

根据实际勘察与调研，该路段边坡最大挖方高度60.1 m，设计坡率1∶0.75，开挖后施加锚固，开挖过程中具有以下几个不利因素：1）岩层节理较发育，有泥化软弱夹层；2）表层存在2～5 m的坡洪积层粉质黏土，易发生滑坡及垮塌；3）岩体整体结构不稳定，尤其在雨季，极易发生崩塌。

2 数值模拟

2.1 采用Slide软件分析边坡的整体稳定性

1）模型建立

针对是否施加锚杆分别建立计算模型。施加锚固：模型边坡共分为6层台阶，由上而下，第一台阶设置4根锚杆，其余5个台阶均设置3根锚杆，锚杆共19根，排间距3 m，抗拉强度取310 kN，单位长度上水泥浆的黏结力和刚度分别为100 kN/m、200 kN/m。

2）计算结果

采用Slide软件分析边坡的整体稳定性，两种情况下的计算结果如图1所示。

图1 计算结果Fig.1Calculation results

由图1可知，加固前边坡整体安全系数为1.028，处于不稳定状态，存在一定的滑坡风险。边坡施加锚固后，边坡整体安全系数为2.087。锚固后的边坡处于稳定状态，加固效果显著。通过理论计算预先辨识边坡开挖加固过程中易失稳的关键部位和关键点，提前利用锚杆加固非常必要。

2.2 采用FLAC3D软件分析边坡的危险区域

1）模型建立

针对是否施加锚杆分别建立计算模型。施加锚固：模型边坡共分为6层台阶，由下而上，第六台阶设置4根锚杆，其余5个台阶均设置3根锚杆，锚杆共19根（横剖面），排间距3 m，计算模型边坡锚杆总数114根。抗拉强度取310 kN，单位长度上水泥浆的粘结力和刚度分别为100 kN/m、200 kN/m。

2）计算结果

采用FLAC3D软件分析边坡的危险区域，未施加锚杆的计算结果塑性区分布如图2所示，施加锚杆的计算结果的位移云图如图3所示。

图2 塑性区分布Fig.2Plastic zone distribution

图3 位移云图Fig.3Cloud picture of displacement

开挖后最大位移达到8.62 cm，位于第六级台阶处。边坡塑性区域主要集中在中下部台阶处，局部区域相对变形较大。边坡存在一定的滑坡风险。而且，边坡的土质及土石过渡部分变形明显，应作为监测的重点区域。边坡第一级台阶开挖过程中的最大位移为4.1 mm。由图2和图3相比可知，相比加固前边坡最大位移为8.62 cm，加固效果显著。锚固前是边坡开挖过程中最危险的阶段，应是监测的重点时期。

3）结果分析

边坡开挖过程至加固工程完成前的这一阶段，边坡始终存在滑坡风险，FLAC3D软件计算结果与Slide软件的计算结果可相互验证。

危险区域主要集中在边坡的两个部分：①边坡上部，即边坡的土质及土石过渡部分；②边坡中下部，随着开挖加深，中下部边坡开始有失稳的迹象。此两部分应为监测的重点。

按设计加固后的边坡，整体安全系数达到2.087，边坡处于稳定状态，可不再需要持续监测。

3 微震监测技术研究

采用常规监测技术—测斜技术与微震监测结果相互验证；同时对边坡土质部分及土石过渡部分进行监测。

3.1 微震技术定义

微震技术是一种地球物理学方法，是对岩体在变形破坏过程中所产生的微破裂进行定时定位的一种监测技术[1]。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。微震监测仪器接收岩石微破裂产生的弹性波，将其转换成电信号，并经数据采集系统转换成数据信号，通过反演方法确定岩石微破裂事件产生的时间、位置和性质。根据微破裂的大小、集中程度、破裂密度，则有可能推断岩石宏观裂隙的发展趋势，从而预测预报边坡失稳前兆[1，12]。微震监测原理如图4所示。

图4 微震监测原理图Fig.4Principle of microseismic monitoring

3.2 现场监测点布置

1）微震监测系统组成

当前，国际上应用的微震监测系统主要有两种，加拿大ESG公司的微震系统和南非ISS公司的微震系统[1]。该项目监测设备采用的是加拿大ESG公司的微震系统。ESG的微震监测系统主要包括Hyperion数字信号处理系统、Paladin数字信号采集系统、加速度传感器、电缆光缆、数据通讯调制解调器等[8]。微震监测系统网络拓扑如图5所示。

图5 微震监测系统网络拓扑图Fig.5Network topology of microseismic monitoring system

2）微震监测设备布置

一共布设12个检波器，其中第六台阶布设1个检波器，第五台阶布设1个检波器，第四台阶布设4个检波器，第三台阶布设2个检波器，第二台阶布设2个检波器，第一台阶布设2个检波器，每4个检波器连接1个集线盒。具体位置分布如图6所示。

图6 微震监测设备及测斜孔位置示意图Fig.6Spatial arrangement diagram of microseimic monitoring equipment and hole with clinometer

3）测斜孔布置

采用基康6500型测斜管和配套的6115型测斜仪探头进行边坡位移监测。第六台阶2个，第五台阶1个；第三台阶2个，第二台阶1个，共计6个测斜孔（与微震监测结果相互验证）。具体测斜孔布设位置如图6所示。

3.3 微震信号的识别

爆破信号、岩石破裂各小波包子频带范围内的能力分布百分比为S5，19频带296.875～312.5 Hz能量占比19.12%。S5，6频带93.75～109.375 Hz能量占比17.41%。

3.4 定位方法

1）空间聚类定位方法

微震事件的波形处理及空间定位，是微震技术的核心内容。只有准确地区分微震事件波形、爆破事件波形、敲击波形、噪音波形，以及正确处理微震事件波形，才能对微震事件进行正确的定位，使微震监测数据较好地反映边坡实际稳定状况。传统定位方法是基于P波到时排序，以各检波器采集信号到时和空间距离的差异，利用“到时-距离”方程求解震源在围岩中的近似位置。

拾取P波到达时间，根据到时差和距离计算震源（破裂点）位置。但该方法用于边坡工程等空间监测定位时，易出现异常偏差，必须进行边界约束。

本文针对边坡监测对象，采用空间聚类定位方法，定位精度得到大幅度提高，具体算法参照文献[13]。空间聚类原理如图7所示。

图7 空间聚类示意Fig.7Schematic diagram of semi spatial clustering

2）定位试验

2014年8月26日，渝广高速公路高陡边坡第三台阶开挖过程中，施工方采用炮掘方式进行开挖，炸药量约为10 kg。改进算法后，各轴坐标的数量级逐渐减小，向真实坐标聚集。采用传统方法的定位误差为5.21 m，改进后的定位算法误差为1.93 m。

3.5 微震结果

通过对微震事件的投影展示，可以直观展示边坡开挖过程中微震活动的演化形态，即随着边坡开挖的加深，微震事件的发生聚集处也会随着向下推移，与计算结果相符。

监测到边坡第三级台阶有大量的微震事件聚集，现场停止开挖，并立即实施坡面防护等加固措施，加固后微震事情明显减少。说明加固措施起到了作用；微震监测可以采集到动态信息，从而实现了对开挖与加固施工的动态指导。

3.6 微震与测斜监测数据比对

2015-06-19—06-23微震事件明显聚集，如图8所示。现场停止开挖，并立即实施坡面防护等加固措施，加固后2015-06-28—07-02微震事件增幅趋缓，如图9所示。

以测斜4号孔为例，对比分析微震于测斜监测数据，2015年6月12日到2015年7月14日的测斜4号监测变化速率如图10所示。

图8 微震事件明显聚集Fig.8Obvious aggregation of microseismic events

图9 微震事件增幅趋缓Fig.9The trend of increasing reduced gradually of microseismic events

图10 测斜4号监测变化速率Fig.10Rate of change in the No.4 hole with clinometer

由图8和图10可以推测：边坡发生变形（位移）前，坡体内部微震事件呈明显增多趋势。微震监测与测斜数据的比对分析表明，边坡变形显现前期，微震事件明显增多，微震事件出现在前，边坡失稳变形在后，两种监测手段可互相印证和补充。

4 结语

以渝广高速K54+369—K54+688段左侧路基边坡建立的微震监测系统，实现了公路工程中高陡边坡稳定性的实时监测、分析和预警机制。通过研究主要得到以下认识：

1）以高边坡路堑为监测对象，采用微震源空间聚类定位方法。该方法利用布置于边坡不同部位的速度传感器，基于P波到时排序，计算出震源在围岩中的近似位置，引入半空间约束条件，并进行聚类分析，提高定位精度。

2）通过对微震事件信息的综合分析，确定边坡的稳定性及其与开挖深度、开挖速度、支护过程的时空关系，指导边坡开挖与加固施工。

3）采用数值计算方法对边坡的施工全过程进行稳定性动态分析，确定潜在失稳边坡的关键点和危险区域，为监测点的布设提供依据。

4）对土质边坡和土石过渡部位增加测斜监测，与微震监测数据相互补充分析，实现对边坡施工过程的全覆盖监测。

5）建立适合于边坡工程稳定性的监测与预警体系，从根本上对边坡失稳灾害的发生进行预警和控制。依托边坡工程从施工至今，未发生坍塌、滑坡等灾害，也避免了因此造成的土方清理、工期延误和人员设备损伤等问题。

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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

陈海霞（1976—），女，陕西西安人，高级工程师，土木工程专业。E-mail：952886008@qq.com