特长深埋隧道无线微震监测技术

王 强，肖亚勋，姚志宾，胡 磊

（1.东北大学a.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室；b.资源与土木工程学院，沈阳 110819；2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩石力学与工程国家重点实验室，武汉 430071）

0 引言

微震（Microseism，MS）监测技术是利用岩体受力变形和破坏过程中释放出的弹性波来监测工程岩体稳定性的技术方法。目前微震监测技术已经应用到地下工程的很多领域，抚顺红透山铅锌铜矿已经进行了微震系统建立［1］，还有一些国内外矿山领域也已经应用微震监测技术［2-5］，随着地下岩土工程微震监测预警的不断发展［6］，很多隧道及水电站也开始应用微震监测技术［7-8］，并且各实际工程领域应用微震监测预警已取得相应成果。於此同时，也会带来高岩爆、高风险、施工难度大等一系列问题出现，这就需要提出更有效的安全预警方案来应对现场复杂的施工条件。

目前国内外地下开挖建设大部分还是采用人工安全监测或有线监测技术，增加了劳动工作量，增大了施工成本，作业效率也是相对较低，没有更好的达到安全、高效、经济等施工作业。无线技术的投入使用日趋广泛，随着目前实际工程的不断发展，已经有很多无线系统应用到实际工程中［9-13］。把无线技术应用到现实工程当中，才能真正达到实时监测和科学安全预警。

拉林铁路施工站前6 标段起止里程KD190 +104.35～KD203 +461，隧道线路全长13.357 km，其中巴玉隧道正洞全长13.073 km，进口段平导长4.058 km，出口段平导长4.073 km，进出口平行导坑独头掘进近6.5 km（国内少有）。隧道最大埋深2.080 km，正洞预测岩爆段落共计12.242 km，占其长度的94%，其中轻微岩爆4.106 km，中等岩爆5.922 km，强烈岩爆2.214 km，巴玉隧道出口平导预测岩爆段落共计3.355 km，占其长度的82%，其中轻微岩爆1.460 km，中等岩爆1.895 km。本文通过巴玉隧道搭建无线微震监测和预警系统，可以更好地实时监测隧道内岩爆情况，为拉林铁路巴玉隧道的施工提供技术支持。

1 微震监测系统的构建

1.1 工程地质

巴玉隧道施工现场岩爆风险分布如图1 所示，目前巴玉隧道平导开挖累积完成7.954 km，正洞累积开挖完成5.859 km。据现场实际统计，平导轻微岩爆发生段落3.960 km；中等岩爆发生段落1.891 km；强岩爆发生段落362 m，岩爆发生的段落占开挖总长度的78.1%。正洞轻微岩爆发生段落3.490 km，中等岩爆发生段落665 m，强烈岩爆发生段落185 m，岩爆发生的段落占开挖总长度的74.1%。通风、运输距离长，施工组织难度大。

图1 巴玉隧道岩爆风险分布图

本段线路属高山峡谷地貌，穿越沃卡地堑东缘断裂带，属全新世活动断裂，地层以花岗岩、闪长岩等坚硬岩石为主，且地质构造复杂，存在岩爆、地热、放射性、危岩落石等不良地质，特别是隧道岩爆问题突出，施工安全风险极大，本隧道是拉林线按一级风险管理的高风险隧道之一。

1.2 微震系统建立

本文所采用的微震监测系统为南非IMS 微震监测系统，由传感器、信号电缆、数据采集（netADC）、微震处理器（netSP）、UPS 供电电源、服务器等硬件装置和微震监测运行控制软件、数据处理软件（IMS Trace）、数据可视化软件（Jdi）等组成。

监测区域为拉林铁路巴玉隧道进出口正洞及平导，可以长期研究特长深埋隧道掌子面开挖活动（凿岩、爆破、出渣、）与微震活动的关系。传感器陈列设计如图2（a）所示，进、出口平导隧道内分别交错布置8 个微震传感器，每4 个微震传感器布置在一个隧道断面上，2 个断面距离相距30 m，且最近的传感器布置断面相距掌子面不超过70～80 m，两排传感器随着掌子面开挖前移不断交替前进。隧道断面布置传感器如图2（b）所示，孔内传感器可回收式安装，孔深设计为2.4～3 m左右，超出松动圈，错开式布置，同时沿洞轴线错开，且不同组在不同高程错开。根据大地坐标、方位角、倾角、埋深等参数，精确定位传感器在隧道中的布置位置。

如图3 所示，为保证传感器与预打孔内岩壁耦合完全，接收更好的微震信号，将传感器上方加上固定回收装置，方便反复利用传感器，可与隧道掌子面同时前进。

图2 传感器阵列设计

图3 带有可回收固定装置式传感器

2 无线微震监测技术建立

无线网桥顾名思义就是抛弃了传统的铜线或光纤，利用无线通讯技术，以空气作为媒介进行网络数据传输，达到连接不同的网段的目的。拉林铁路巴玉隧道使用的无线微震监测设备如图4 所示，无线监测设备为cambium无线网桥Epmp1000，它具有强大的安全性，耐用、易于部署和维护。Epmp1000 集成型无线网桥技术规格：频率范围5 150～5 350 MHz，5 470～5 875 MHz；信道宽度20 MHz或40 MHz；时延17 ms；输入电压24～30 V；天线波束宽度24°水平和12°垂直。

图4 无线网桥传输设备

巴玉隧道使用的是点对点无线网桥连接模式，通过无线通信理论可以了解到［14］：随着网桥距离越来越远，无线信号就越弱。隧道内Wi-LAN 无线网桥之间最大距离支持相距1.500 km，可以满足使用需求。通过现场实际施工情况以及无线微震监测设备特点，将无线网桥监测系统布置如图5 所示。

图5 无线传输设备布置图

如图6 所示，通过顺利搭建拉林铁路巴玉隧道岩爆微震无线监测与预警系统，可以在办公室实时监测现场微震设备运行情况。按照实际要求，每2 h 通过无线网桥监测设备进行系统运行监测，确保设备服务器和监测传感器运行状态良好。通过Team Viewer 远程控制软件，可以实时进行数据拷贝，方便将监测到的微震数据通过无线传输到达监测平台，以便及时检测及处理［15］。

图6 巴玉隧道岩爆微震无线监测与预警系统

3 微震活动与隧道施工关系

拉林铁路巴玉隧道为典型特长深埋硬岩隧道，单洞距离13.1 km，最大埋深2.080 km，岩石主要为花岗岩，具有高地应力特征。隧道91%的洞段潜在岩爆风险，超53%洞段潜在中等或强烈岩爆风险，岩爆灾害频发，施工人员工作压力相对较大，对巴玉隧道整体施工进展具有一定制约影响。引入无线微震监测设备对特长深埋隧道开挖是非常有必要的。

通过现场爆破事件，反演出现场P 波波速为6 142.0 km/s，S波波速为3 328.0 km/s，测得岩体密度为2 800 kg/m3。通过隧道内监测到的有效事件波形，可利用P波和S波精确定位事件发生的位置，现场监测预警给出的有效范围为：掌子面开挖前方距离10 m和掌子面开挖后方距离25 m。

3.1 现场即时型强烈岩爆典例

以2017-08-29 巴玉隧道出口正洞掌子面到后方35 m发生即时型强烈岩爆为例，隧道岩爆现场如图7所示，巴玉隧道出口正洞掌子面开挖至DK201 +391处。基于微震监测分析及现场技术人员确认，该施工循环于7：31：44 起爆，爆破后于7：35：27 发生即时型岩爆。现场情况反映岩爆发生时该洞段有巨响，岩爆发生该洞段仍持续有较大响声。现场踏勘发现：此次岩爆范围为DK201 +391～DK201 +445，主爆区位于DK201 +400～DK201 +408 洞段北侧边墙，爆坑深度约1.6～1.8 m，为V 字形爆坑。主爆坑爆出大量岩块，主要为板状和块状，最大爆块尺寸约为1.5 m ×0.8 m×0.5 m（长×宽×高），拱顶产生的浅窝状岩爆爆坑，位于DK201 +430～ DK201 +432 洞段，宽度约为1 m，深度约为10 cm。

图7 隧道出口正洞发生岩爆现场

不同传感器接收到的此次岩爆信号的波形如图8所示。通过定位分析得出该事件沿正洞轴线的位置为DK201 +398。考虑到微震系统传感器阵列距离岩爆震源位置相距1 km，该定位结果可认为与岩爆主爆区实际位置基本一致。

图8 微震系统传感器捕捉到岩爆信号

如图9 所示，巴玉隧道微震系统监测岩爆微震空间分布，图中球体大小代表微震事件能量，球体越大，能量越大；球体颜色代表事件发生时间。布置的微震监测系统安放于巴玉隧道出口平导掌子面（CPDK200+335）附近的微震系统于2017-08-29 7：35：27 记录到当地震级为2.0 的微震事件，见图9（b）。根据现场岩爆反馈信息，参考强烈岩爆信号的幅值、持续时间等特征参数，确定该事件即为本次岩爆所触发。通过分析计算得出该事件释放能量约为：30 MJ。S波与P波能量比约为23.2。

图9 岩爆微震空间分布

此次岩爆主爆事件为剪切型。岩爆洞段埋深超过1.0 km，地应力高，围岩强度大，完整性较好。在开挖卸荷作用下围岩中积聚有大量弹性应变能。主爆区受两组结构面控制，其中一组走向100°（倾向190°，倾角70°），几乎与正洞轴线方位角（103°）一致。即该组结构面与正洞北侧边墙几乎平行，属于危险结构面。

3.2 隧道微震监测预警预报

对每日的微震监测数据进行滤噪及定位分析处理，得到进、出口平导有效微震事件个数以及微震释放能对数。出口平导每日微震事件数与微震释放能随时间的演化规律如图10 所示。结合现场地质条件：掌子面是否有爆坑、掌子面是否有节理、现场岩体是否干燥、现场施工是否有响声、对当前掌子面岩体分类等级等情况，结合微震信息进行隧道安全预警及动态调控。由图10 可以看出，有效微震事件个数相对较少，微震释放能量也不是很大，出口平导微震活动整体较为平静，与现场反馈实际发生岩爆较少情况基本一致。

图10 每日事件数及微震能随时间演化规律

如图11 所示，从月微震监测结果来看，巴玉隧道进口平导掌子面附近微震活动整体较活跃且事件较为集中，而且微震活动关键事件（M ＞2）分布也很集中，结合地质条件可知，目前进口平导开挖段为轻微岩爆风险段至中等岩爆风险洞段。此外，监测期间掌子面后方30～50 m 以外区域仍有部分微震活动事件产生，存在时滞型岩爆的风险。进口平导本月微震活动在空间上呈聚集状态，实际发生轻微岩爆17 次，实际发生中等岩爆1 次，这说明微震活动的集核特征与岩爆实际发生情况较为一致。

巴玉隧道开挖是产生微震活动的主要诱因，微震活动紧跟掌子面开挖前移而移动，并且后方一段距离也会存在少量微震活动事件。本月出口平导微震活动关键事件（M ＞-2）与岩爆发生的分布特征基本一致，部分微震活动区域经过现场调控未发生岩爆，基于微震信息预警的岩爆风险区域、等级与实际岩爆发生基本一致

通过分析，岩爆发生与微震活动之间存在良好的时空相关性，基于微震信息的时空演化规律可有效预警潜在岩爆风险的区域和等级。

图11 沿洞轴线微震活动特征及与岩爆发生对比

一个微震事件的能量指数是该事件所产生的实测地震释放能量与区域内所有事件的平均微震能之比。在某些情况下，可通过能量指数的变化，获取岩体灾害发生前的信息与规律。如图12 所示，为2017-06 巴玉隧道进口微震活动能量指数分布云图，可表征的微震活特征，由图中可知，微震活跃仍主要集中在隧道右侧，这与岩爆活动的规律基本一致。从图12 可以看出，微震活动非常活跃且事件集中，发生中等及以上岩爆的风险较高。

图12 能量指数分布云图

月监测期间由于多次连续预警一个区域，中铁十二局及时采取了针对性的调控措施，有效避免或降低了岩爆的发生。监测期间未发生由岩爆造成的严重人员和施工设备损伤事故。对于巴玉隧道出现的岩爆及潜在岩爆情况，及时预警和采取有效措施：①释放超前应力释放孔；②掌子面和洞壁释放高压水；③发生岩爆后，使用锚网喷支护，爆区主要支护形式为喷射混凝土，喷射厚度约为8 cm，拱肩和拱顶增加有锚杆和钢筋网支护，锚杆长度为3 m。

4 讨论

利用远程网桥方案来构建网络互连有着有线网络不可替代的优势：极短的建设周期，建完即可投入使用，不受特殊地点场合的限制，只要求现场供电保证；高性价比的点对点或点对多点的广域网连接；重塑性和扩充性强，便于重新部署网络；可以利用无线实时监测系统的数据采集情况，有利于实时采集数据，了解复杂的洞室隧道内是否服务器及微震监测系统正常运行，数据采集稳定；安装若干个无线网络接入点，实现无线信号的全面覆盖，网络建设灵活、便捷；数据传输熟读高达100 Mb/s，有效解决区间的网络连通问题；不需要更多的布线，无线终端可以实现零配置接入，因此非常容易进行网络维护和扩展；可以把网桥自由移动工作位置，并在任何地方可以实时实地访问信息；安装容易，节省建网时间。

对于已搭建好的无线网桥，在隧道内和办公室监测平台使用Teamvier软件，可以及时在办公室主机上控制隧道内的微震监测系统，实时掌握洞内微震监测情况，更快及便捷地掌握洞内信息，以便及时处理。同时，在东北大学及武汉中科院力学岩土所也可及时了解现场微震监测预警情况。

与此同时，在实际无线网桥应用过程中，也出现了无线网桥的不足：在隧道开挖爆破后，一段时间内洞内灰尘巨大，能见度极低，会暂时使无线网桥不能连上；在放炮通风后，汽车进行出矿，会影响无线网桥信号。这两点会短时间影响无线网桥的正常运行。

5 结论

高岩爆风险在现场实际工程中是一个很难处理的问题，面对复杂的地质条件，需要相应的安全预警系统来进行动态调控。对于巴玉隧道正洞及平导地质情况进行分析，属于特长深埋高岩爆复杂地质条件，将无线微震监测预警系统应用到巴玉隧道，对现场进行安全预警，得出如下结论：

（1）对于特长深埋高岩爆风险隧道，利用无线网桥设备进行微震监测安全预警，可以实时掌握隧道内服务器及微震监测系统运行情况，微震系统采集数据可通过无线网桥传输到监测平台，以便及时处理，提高了微震监测预警工作效率。

（2）基于微震信息预警的岩爆风险区域、等级与实际岩爆发生基本一致。通过分析，岩爆发生与微震活动之间存在良好的时间与空间相关性，基于微震信息的时空演化规律可有效预警潜在岩爆风险的区域和等级，从而指导现场人员安全施工。

（3）应用无线网桥对现场微震监测预警提供了巨大的优势：网桥的应用适用于远距离和地面条件复杂的远距离传输，抗干扰能力强，性能稳定；减少了施工成本和作业时间，后期的维护简单，具有较高性价比；可以把无线网桥随着隧道掌子面开挖自由移动工作位置，并在隧道内任何地方可以实时实地访问信息；安装容易，节省建网时间。

（4）无线监测技术应用于特长深埋隧道的实践表明，对现场高岩爆复杂工程地质条件是有效可行的，为巴玉隧道进、出口正洞和平导提供了安全预警技术。未来无线网桥技术将更加广泛应用到现场实际工程领域。

致谢：拉林铁路巴玉隧道现场无线微震监测安全预警工作得到了拉林总指挥部、中铁十二局有限公司、东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室、中科院武汉岩土力学研究所等相关单位人员的大力支持，在此表示十分感谢。