那板水库引水隧洞塌方灾害微震监测与预警

冯思宁，蓝 兰，韦君恩，黄京华

（1.广西壮族自治区水利厅那板水库管理中心，广西 上思 535500；2.广西大学，南宁 530004）

1 工程概况

广西上思县那板水库位于左江支流明江河上游，坝址距上思县城4 km，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾发电、城镇供水、养殖等综合利用的大（2）型水利工程。新建1#灌溉发电放水系统引水隧洞是那板水库除险加固工程的关键性控制工程。该隧洞分为隧洞进口渐变段、进口段、中间段及出口段，全长500 m。隧洞进口渐变段紧接放水塔，长5.0 m；隧洞段长495 m，隧洞起点底高程201.00 m，终点底高程197.486 m；隧洞出口位于北灌渠渠首放水闸旁。隧洞为圆型断面，衬砌后断面直径为3 m。隧洞开挖采用手风钻钻孔爆破，全段面开挖[1]。

2 微震监测的技术特点

拟建输水隧洞沿线共发育2组背斜、1组向斜与2 条断层，岩层产状变化较大。隧洞进口渐变段围岩为Ⅴ类，进出口段围岩为Ⅴ类，洞身围岩为Ⅳ～Ⅴ类。隧洞位于地下水位以下，洞身地下水以线状流水为主，除洞身弱风化石英砂岩段为Ⅳ类围岩外，其余均为Ⅴ类围岩，隧洞施工过程中容易发生塌方地质灾害[2]。塌方地质灾害一旦发生，易导致人员伤亡、施工设备损毁、工期延误等严重安全事故，为此，需加强隧洞围岩稳定监测。常规监测主要针对围岩变形，但围岩变形监测不适用于围岩失稳前变形较小的情形，无法有效获取变形监测设备安装前的围岩变形，当围岩已经发生严重破裂变形后量测仪器才能发挥作用，无法实时提供监测与预警信息等。近年来，一种被喻为“岩石破裂听诊器”的微震监测新技术日益受到岩石力学与工程领域学术界与工程界的关注。微震监测通过在隧洞内部布置一定数量的微震传感器，探测并实时记录岩体中微破裂产生的弹性波，利用算法对其特征参数进行分析并作出评估，进而为灾害预报和控制提供依据的监测技术[3]。它具备以下优点：

（1）围岩破裂过程的时间感知。微震信号是硬脆性岩石破裂过程中伴随产生的一种微震动信号，系统频带范围达到10～5 kHz，既保证了全隧洞范围的微震监测，又能对重点掌子面开挖区域进行强化监测，并确保对监测到的微震信号有高的线性度。通过微震监测软件进行数据预处理，对微震信号进行除噪，获取真实岩体破裂微震信号。

（2）围岩破裂位置的空间感知。通过微震监测设备可手动（自动）捡取通道信息进行震源定位，并可显示震源在图上的位置，及自动计算震动能量。震源定位点、能量可精确地显示在微震事件的空间分布与辐射能图中，可在图中放大和平移，方便观察震动源点。

（3）围岩破裂的剧烈程度感知。微震监测能够直接反映隧洞围岩内部破裂过程，通过数据分析，可以得到岩体微破裂的发展趋势，聚集程度以及能量释放大小，能对潜在或是即将发生的围岩失稳现象进行提前有效预警。

（4）围岩破裂失稳的实时预知。微震监测系统的高频采样率以及P 波和S 波的全波形实时显示，使得对微震信号的频谱分析和事件的判别直观方便，实现全天候24 小时不间断的连续化、数字化及自动化。

3 塌方微震监测与预警的技术要点

采用广西大学微震监测系统进行该隧洞围岩塌方微震监测。微震监测与预警的主要流程包括设备安装、数据收集、数据分析、设定预警管理等级及其预警信息发布[4]。

3.1 设备安装

该隧洞采用钻爆法开挖，为避免传感器因爆破波损坏，传感器布置时须距离开挖掌子面一定距离。此外，为了实现震源三维定位，传感器布置在空间上需尽可能错开。该隧洞布置了5 个传感器，相邻传感器相距10 m，传感器钻孔深度0.5～1.0 m，钻孔直径约为安装传感器直径的1.5倍。微震传感器列阵布置示意图见图1。

当掌子面向前推进时，需将距离掌子面最远的探头如探头e移动到距离掌子面最近的探头如探头a 前方10 m 处，使得传感器与掌子面的距离基本保持不变，这样的列阵布置方案，不仅有利于解决围岩破裂微震信号的空间衰减问题，而且有利于提高震源空间定位精度，并实现围岩破裂微震信号的无间断连续监测。

3.2 数据采集

微震监测探头紧跟着掌子面掘进而向前移动，24 小时不间断监测隧洞施工过程中掌子面附近岩体破裂活动。采用8个传感器同时进行微震信号采集，通过2 芯线传至铺设在与隧洞轴线平行的8 芯线，经8芯线传至隧洞洞口的数据采集仪，通过无线网桥将数据传输至隧洞附近的微震监测工作室的服务器（见图2）。最后，通过互联网将微震数据传输至广西大学微震智慧监测云平台，实现监测数据的远程随时随地获取与云平台智能自动分析。

3.3 数据分析

对原始的微震信号进行环境噪声滤除处理，获取真实岩体破裂微震信号。基于动态更新的隧洞分组速度模型，采用阵列外破裂源定位方法快速准确地对每个岩体破裂微震事件进行定位，获取每个微震事件发生的时间和空间位置。计算微震事件的震源参数，包括微震释放能、视体积、地震矩、矩震级、累计微震事件数、累计微震释放能、累计视体积、微震事件数率、微震释放能率和微震视体积率等，分析其时空演化特征与规律。

3.4 设定预警管理等级

综合考虑那板水库引水隧洞微震活动空间分布特征、开挖扰动区域和施工方案特点，将掌子面后方5倍洞径的塌方高风险区域作为预警区域。提取预警区域内微震活动特征参数，特征参数的选取需考虑破裂活动活跃程度、破裂微震源特性以及破裂活动时效特征，由此建立适用于本工程特点的基于微震监测的围岩塌方风险等级。

3.5 预警信息发布

（1）塌方高风险事件自动报警。智慧微震预警云平台的计算机程序可自动滤除现场爆破信号、施工机械等噪音，自动判别是否出现高塌方风险等级情况；现场监测人员须24 h打开微震预警手机移动端App以随时接受预警信号。

（2）塌方高风险事件复核。接到App 报警后，后方监测人员迅速复核预警信号是否来源于岩石破裂、岩石破裂发生位置和塌方风险。

（3）塌方预警信息发布。塌方高风险事件一旦复核通过，监测人员打开现场声光报警灯，及时通知现场施工人员迅速撤离，并通过手机通话或手机短信，立即通知现场施工负责人、现场施工监理和项目技术负责人。若24 h内无塌方高风险事件，则以日报的形式发布预警结果。

（4）塌方后返工时间确定。当微震监测系统连续3 h不再出现具有塌方高风险事件，监测人员通知现场施工总负责人、现场总监理和项目总工程师，为现场工人返洞复工的时间点确定提供科学依据。

4 工程应用效果

2021 年4 月至2022 年4 月隧洞开挖贯通，共发生了4 次小规模塌方事件，现场施工人员均能及时撤离，无一次安全事故发生，微震监测与预警系统在安全施工中发挥了关键作用。以下为其中的两个塌方成功预警案例。

4.1 案例1

2021 年6 月4 日07：11，微震信号开始活跃（见图3），手机App自动报警提示S0+142.5开挖断面附近可能有塌方高风险事件，监测人员对预警信息进行复核后，及时通知了现场施工人员迅速撤出。截至4 日中午13：00，微震监测系统波形趋于平稳，无明显起伏段，工人可返回洞中进行塌方处加固以及后续处理。事后查明，该次塌方发生在掌子面后方1 m 范围，围岩为紫红色泥岩，埋深约56 m，其中上覆砂岩层厚度28 m，上覆紫红色泥岩层厚度28 m，为泥岩埋深最深段，岩体节理裂隙较为发育，为Ⅴ类围岩。塌方发生的控制因素为开挖至泥岩与砂岩交界处发育一条充填岩性交界面，因卸荷作用而产生的塌方。掌子面上侧拱肩至拱顶发生的塌方坑，此次塌方坑为浅窝状，爆坑平均深度约为0.2 m，塌方体积达1.2 m3（见图4）。

4.2 案例2

2022年3月31日07：15，微震信号开始活跃（见图5），手机App自动报警提示掌子面附近可能有塌方高风险事件，监测人员对预警信息进行复核后，及时通知了现场施工人员迅速撤出。截至31 日中午12：00，微震监测系统波形趋于平稳，无明显起伏段，工人可返回洞中进行塌方处加固以及后续处理。事后查明，隧洞下游出口段S0+163.49 开挖断面掌子面后方2 m范围的围岩发生了中等塌方事件（见图6），附近围岩处于J1b1-3岩组，主要为黄色弱风化砂岩，夹杂少量红褐色泥岩，岩体节理裂隙较为发育，属Ⅳ类围岩。

5 结论

针对目前浅埋隧洞微震监测技术应用经验较少的问题，提出了适用于浅埋隧洞钻爆法施工的微震监测系统和技术方法，给出了适用于Ⅳ、Ⅴ类围岩的微震监测传感器阵列布置的优化方案，实现了隧洞风险区域岩体微震活动的全天候实时监测，取得了良好成果。微震监测技术所监测的对象是隧洞围岩内部的变化，是直接对围岩本身的损伤进行监测，而非间接地通过观测支护的位移或受力判断围岩是否有失稳的可能，具有直接、实时、准确的特点。那板引水隧洞围岩塌方预警，是微震技术在广西水利工程中的首次应用。工程实践表明，浅埋隧洞塌方灾害的微震监测与预警技术是可行、可靠的，应用效果良好，具有推广应用价值与广泛工程应用前景。