微震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)巖爆技術(shù)在錦屏引水隧洞施工中的應(yīng)用

胡守斌

(中鐵二局第二工程有限公司, 四川成都 610091)

巖爆是隧道及地下工程掘進(jìn)過(guò)程中，由于圍巖被擾動(dòng)后應(yīng)力重新調(diào)整分布，在調(diào)整過(guò)程中巖體內(nèi)聚積的彈性應(yīng)變能大于巖體破壞所消耗的應(yīng)變能量而突然釋放，導(dǎo)致巖體爆裂并彈射的現(xiàn)象。巖爆的發(fā)生不但損壞施工設(shè)備，導(dǎo)致作業(yè)人員傷亡，而且嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，是隧道及地下工程建設(shè)領(lǐng)域破壞性極強(qiáng)的地質(zhì)災(zāi)害。隨著國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)的深入推進(jìn)，川藏鐵路中段、滇藏鐵路即將開(kāi)工建設(shè)，線路均跨越青藏高原東沿臺(tái)階，在崇山峻嶺中展線，深埋隧道項(xiàng)目成控制性工程，巖爆的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與治理已成為項(xiàng)目建設(shè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

巖爆的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作內(nèi)容包括趨勢(shì)預(yù)測(cè)與短期日常預(yù)報(bào)，趨勢(shì)預(yù)測(cè)是用理論分析和經(jīng)驗(yàn)類比，預(yù)測(cè)在較長(zhǎng)的施工里程范圍或未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)發(fā)生巖爆的可能性；短期預(yù)報(bào)方法有鉆屑法、物探法、地音與微震監(jiān)測(cè)法(即微震監(jiān)測(cè)法)。本文重點(diǎn)介紹微震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)巖爆技術(shù)在錦屏水電工程C2標(biāo)段深埋引水隧洞項(xiàng)目中運(yùn)用情況。

1 巖爆發(fā)生的條件及實(shí)施監(jiān)測(cè)段

根據(jù)西南交通大學(xué)張志強(qiáng)、關(guān)寶樹(shù)在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)眾多超深埋隧道巖爆發(fā)生的條件，總結(jié)提出的判斷巖爆發(fā)生的條件和等級(jí)見(jiàn)表1[1]。

表1 巖爆等級(jí)劃分

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)判斷，在施工排水洞、1#～4#引水洞有可能出現(xiàn)中等以上巖爆洞段，開(kāi)展微震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)巖爆技術(shù)，范圍里程見(jiàn)表2。

2 微震源時(shí)空要素測(cè)試原理

巖體在外力作用下或在開(kāi)挖隧道、硐室過(guò)程中，應(yīng)力平衡被破壞，在應(yīng)力重新調(diào)整聚集過(guò)程中其內(nèi)部出現(xiàn)局部彈塑性能集中現(xiàn)象，當(dāng)能量積聚到某一臨界值之后，就會(huì)引起微裂隙的產(chǎn)生與擴(kuò)展，微裂隙的產(chǎn)生與擴(kuò)展伴隨有彈性波或應(yīng)力波在周圍巖體內(nèi)快速釋放和傳播，即巖石的聲發(fā)射，相對(duì)于尺寸較大的巖體，在地質(zhì)上也稱為微震(Microseism, MS)。微震的孕育與發(fā)展會(huì)導(dǎo)致巖體內(nèi)彈性應(yīng)變能不斷聚集，當(dāng)這種能量大于巖體破壞所需要的能量時(shí)，巖體被破壞。因此巖爆產(chǎn)生根本誘因是巖體內(nèi)原有地應(yīng)力平衡被破壞，在應(yīng)力重新調(diào)整平衡過(guò)程中，巖體內(nèi)產(chǎn)生微裂隙，微裂隙的孕育與發(fā)展導(dǎo)致巖爆。由此可知，要對(duì)巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，可以通過(guò)對(duì)巖體內(nèi)微裂隙的孕育與發(fā)展來(lái)實(shí)現(xiàn)。

表2 出現(xiàn)中等以上巖爆洞段里程匯總

每一次微裂隙的產(chǎn)生都是以聲發(fā)射信號(hào)即彈性波形式表現(xiàn)的，將每一次的微裂隙視為一次微震事件，通過(guò)利用多個(gè)傳感器對(duì)微震產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集、數(shù)據(jù)濾波處理和反演分析，就能監(jiān)測(cè)到微裂隙發(fā)生的時(shí)刻、位置和震級(jí)，即地球物理學(xué)中所謂的“時(shí)空強(qiáng)”三要素。根據(jù)微破裂的大小、集中程度、破裂密度，則有可能推斷巖石宏觀破裂的發(fā)展趨勢(shì)，特別是微破裂分布及其叢集規(guī)律，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，達(dá)到預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)巖爆防災(zāi)減災(zāi)之目的(圖1)。

圖1 微震監(jiān)測(cè)原理

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成，其采用模塊化設(shè)計(jì)方式，實(shí)行遠(yuǎn)程采集PC配置。硬件部分包括微震傳感器、配有電源并具備信號(hào)波形修整功能的Paladin傳感器連接盒、Paladin(v.2)-24位地震記錄儀、PMTS-Paladin主控時(shí)間服務(wù)器、纖維光學(xué)分束器、監(jiān)視器等。軟件部分包括PAL-Paladin采集軟件、HNAS-Hyperion網(wǎng)絡(luò)采集軟件、HSS標(biāo)準(zhǔn)v.12版本數(shù)據(jù)分析軟件等。

圖2為微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，系統(tǒng)通訊優(yōu)先采用光電纜傳輸數(shù)據(jù)，采用無(wú)線傳輸作為備用，并且現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器實(shí)時(shí)備份作為應(yīng)急，保證數(shù)據(jù)的完整性。將將中控系統(tǒng)與無(wú)線傳輸系統(tǒng)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)信息共享。

圖2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 傳感器安裝與布置要求

4.1 傳感器安裝

傳感器直徑22 mm，為便于拆卸，安裝孔徑取40 mm，鉆孔深度以能探測(cè)到圍巖松弛圈外為準(zhǔn)，一般取3～5 m，安裝孔內(nèi)需防治積水。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面?zhèn)鞲衅鞑贾迷瓌t如圖3所示。具體位置可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案適當(dāng)調(diào)整[2]。

圖3 傳感器安裝

4.2 傳感器的布置

(1)隧道及地下工程的主要特點(diǎn)是洞線長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域掌子面附近又不斷前移，為了獲得較好的監(jiān)測(cè)信息，要求傳感器能方便靈活轉(zhuǎn)移。

(2)安裝傳感器圍巖完整性好，且應(yīng)盡量安裝在與震中在同一層位。

(3)深、淺孔組合布置，深孔中可以安裝多個(gè)傳感器。

4.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接順序

傳感器→傳感器連接盒→地震記錄儀→主控時(shí)間服務(wù)器和→光電轉(zhuǎn)換器→電腦監(jiān)視器→互聯(lián)網(wǎng)

5 信號(hào)處理

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的信息為施工作業(yè)區(qū)域所有聲發(fā)射信息，需要從這些信息中找出微震信息，既對(duì)監(jiān)測(cè)到的信息濾噪。

5.1 噪音的分類及其特點(diǎn)

隧道及地下工程施工作業(yè)環(huán)境產(chǎn)生的噪音大致分為以下四類，并且具有不同特點(diǎn)。

(1)工頻干擾類：由設(shè)備作業(yè)產(chǎn)生，其主要特點(diǎn)是規(guī)律性較強(qiáng)、信號(hào)量大，、周期明顯、頻率固定、振幅變化小。

(2)人員活動(dòng)類：由工人施工作業(yè)產(chǎn)生，其主要特點(diǎn)是規(guī)律性不強(qiáng)，頻率變化范圍寬，振幅變化也較大，信號(hào)量相對(duì)機(jī)械噪聲小。

(3)爆破類：由爆破施工作業(yè)產(chǎn)生，其主要特點(diǎn)是間隔時(shí)間相等或接近、持續(xù)時(shí)間短、衰減快。

(4)隨機(jī)類。主要由巖壁片幫、掉塊或安裝傳感器的探桿頭受到外力擾動(dòng)產(chǎn)生，其主要特點(diǎn)幅度大小不定，波形形狀與有效微震信號(hào)相似，出現(xiàn)比較集中。

5.2 濾波步驟

濾波步驟為：①根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果設(shè)置采集儀濾波參數(shù)，進(jìn)行硬件濾波；②利用傳感器對(duì)噪音信號(hào)的差異反映和敏感性進(jìn)行協(xié)同濾波；③考慮到主要有效信號(hào)位于掌子面附近，而傳感器在掌子面后方，根據(jù)信號(hào)到時(shí)與傳感器位置進(jìn)行濾波；④根據(jù)試驗(yàn)階段建立的噪音數(shù)據(jù)庫(kù)，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行濾波；⑤最后，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示波窗進(jìn)行噪聲濾除。圖4為濾波前后微震事件對(duì)比。

(a) 濾波前

(b) 濾波后圖4 濾波前后微震事件對(duì)比

6 定位分析

通過(guò)建立傳感器列陣，監(jiān)測(cè)微震信號(hào)到達(dá)不同傳感器所形成的一組時(shí)差，經(jīng)過(guò)幾何關(guān)系計(jì)算，即可確定微震源位置。

在預(yù)測(cè)可能發(fā)生巖爆的洞段，通過(guò)傳感器的組網(wǎng)布置，組成傳感器陣列，當(dāng)監(jiān)測(cè)巖體內(nèi)出現(xiàn)微震時(shí)，傳感器即可將信號(hào)拾取，并將這種物理量轉(zhuǎn)換為電壓量或電荷量，通過(guò)多點(diǎn)同步數(shù)據(jù)采集測(cè)定各傳感器接收到該信號(hào)的時(shí)刻，連同各傳感器坐標(biāo)及所測(cè)波速代入方程組求解，即可確定微震源的時(shí)空參數(shù)，實(shí)現(xiàn)定位的目的，圖5為定位后的微震事件分布位置與概率圖。

圖5 定位后的微震事件

傳統(tǒng)微震源定位算法在傳感器布置方案確定時(shí)多強(qiáng)調(diào)要確保微震源位置位于傳感器陣列范圍之內(nèi)，但對(duì)于引水隧洞等隧洞工程，震源發(fā)生位置多在掌子面附近，一般震源多位于傳感器陣列范圍之外，對(duì)此，監(jiān)測(cè)信息(微震事件的監(jiān)測(cè)到時(shí)、波速等)與待求解參數(shù)(震源三維坐標(biāo)、發(fā)震時(shí)間等)組成的方程組的系數(shù)矩陣易形成畸形陣，將會(huì)使得微震源定位算法收斂速度慢，有時(shí)甚至發(fā)散，造成微震源定位精度低等問(wèn)題，很大程度上限制了巖爆預(yù)警的準(zhǔn)確性與及時(shí)性。為此，項(xiàng)目課題研究小組采用粒子群微震源分層定位算法，通過(guò)聯(lián)合反演解決波速難于確定的問(wèn)題，采用相互耦合解決隧道工程傳感器陣列范圍之外微震源定位不準(zhǔn)的問(wèn)題，提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性與及時(shí)性[3]。

7 微震事件評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)微震事件的危險(xiǎn)程度的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)有以下經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)回歸的5大指標(biāo)，事件率和頻率等的變化反映巖體變形和破壞過(guò)程，振幅分布與能率大小，則主要反映巖體變形和破壞范圍。

(1)事件率(頻度)。指單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射與微震事件數(shù)，單位為次/min，是用聲發(fā)射或微震評(píng)價(jià)巖體狀態(tài)時(shí)最常用的參數(shù)。對(duì)于一個(gè)突發(fā)型信號(hào)，經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波后，波形超過(guò)預(yù)置的電壓值形成一個(gè)矩形脈沖，這樣的一個(gè)矩形脈沖叫做一個(gè)事件，這些事件脈沖數(shù)就是事件計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的累計(jì)則稱為事件總數(shù)。

(2)振幅分布。振幅是指聲發(fā)射與微震波形的峰值振幅，振幅分布又稱幅度分布，指單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射與微震事件振幅分布情況，是反映聲發(fā)射與微震源信息的一種處理方法。

(3)能率。指單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射與微震能量之和，根據(jù)儀器輸出的信號(hào)進(jìn)行能量分析。

(4)事件變化率和能率變化，反映了巖體狀態(tài)的變化速度。

8 巖爆預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

巖爆預(yù)測(cè)是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、數(shù)值分析結(jié)果與微震監(jiān)測(cè)結(jié)果項(xiàng)結(jié)合進(jìn)行綜合分析判斷。微震分析時(shí)主要根據(jù)微震事件、能量、震級(jí)、視體積和能量指數(shù)的變化規(guī)律對(duì)巖爆的發(fā)生情況做出判斷。

(1)微震事件越多，微震活動(dòng)越活躍，巖爆發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)越大。由于圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化，引起圍巖體的錯(cuò)動(dòng)、開(kāi)裂等變化，而產(chǎn)生的一個(gè)應(yīng)力波。該應(yīng)力波被微震設(shè)備監(jiān)測(cè)到，稱為一個(gè)微震事件。巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，事件率等參數(shù)很低，且變化不大，一旦受外界干擾，巖體開(kāi)始發(fā)生破壞，微震活動(dòng)隨之增加，事件率等參數(shù)也相應(yīng)升高，發(fā)生巖爆之前，微震活動(dòng)增加明顯。圖5-1發(fā)生極強(qiáng)巖爆的微震事件累積分布，其中微震事件集中的區(qū)域就是巖爆的中心位置。

(2)微震事件的當(dāng)?shù)卣鸺?jí)越大，發(fā)生巖爆的強(qiáng)度越大。不同的微震系統(tǒng)采用不同的震級(jí)指標(biāo)來(lái)描述事件的量級(jí)，ISS系統(tǒng)選取當(dāng)?shù)卣鸺?jí)作為震級(jí)指標(biāo)，事件的當(dāng)?shù)卣鸺?jí)m由下式進(jìn)行計(jì)算：

m=0.344log10E+0.516log10M-6.572

式中：E為微震能量，M為地震矩，各常數(shù)由系統(tǒng)根據(jù)E-M曲線擬合計(jì)算后給出。

m=-0.2～0.5可能發(fā)生輕微巖爆，m=0.5～1.0可能發(fā)生中等巖爆，m=1.0～1.2可能發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆，m>1.2可能發(fā)生極強(qiáng)巖爆。

(3)微震事件的球體越大，能量釋放越大，發(fā)生巖爆的強(qiáng)度越大，圖6為2#～4#、排水洞監(jiān)測(cè)到的微震事件分布圖。

圖6 一次極強(qiáng)巖爆前的微震累積事件

(4)視體積是指震源非彈性變形區(qū)巖體的體積，巖爆發(fā)生前期，微震源視體積持續(xù)增加，有突增趨勢(shì)，且能量指數(shù)有突然下降跡象。一個(gè)微震事件的能量指數(shù)是該事件所產(chǎn)生的實(shí)測(cè)地震釋放能量與區(qū)域內(nèi)所有事件的平均微震能之比。在巖爆發(fā)生前期，圍巖主要處于峰值強(qiáng)度前的壓密和彈性階段；當(dāng)圍巖體積內(nèi)的能量超過(guò)圍巖體的儲(chǔ)能能力之后，圍巖開(kāi)始發(fā)生破壞，能量指數(shù)開(kāi)始下降，視體積進(jìn)一步增加，應(yīng)及時(shí)發(fā)出巖爆預(yù)警；視體積進(jìn)一步增加，能量指數(shù)進(jìn)一步增加，巖爆開(kāi)始發(fā)生。在同一時(shí)期，能量指數(shù)突然下降，視體積突然上升，是巖爆發(fā)生前的顯著特征(圖7)。

圖7 視體積、能量指數(shù)與巖爆發(fā)生的關(guān)系

9 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

(1)微震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)巖爆關(guān)鍵技術(shù)是根據(jù)微震事件的數(shù)量、分布、當(dāng)?shù)卣鸺?jí)和輻射的能量大小，綜合判斷巖爆發(fā)生的位置和等級(jí)。根據(jù)微震事件的視體積和能量指數(shù)變化判斷巖爆發(fā)生的概率，預(yù)測(cè)到巖爆事件的成果案例如圖6，2#、3#引水洞在圖示位置分別發(fā)生強(qiáng)巖爆，排水洞發(fā)生中等巖爆1次。

(2)基于粒子群微震源分層定位算法的時(shí)差定位法，確定的微震源唯一確定點(diǎn)，可靠性高，從而使得巖爆預(yù)測(cè)具有更高的準(zhǔn)確性與及時(shí)性[5]。

(3)通過(guò)實(shí)踐總結(jié)，提高預(yù)報(bào)精度的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)包括：①傳感器安裝鉆緊貼孔壁。②按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)拾取到時(shí)。③用到時(shí)接近的點(diǎn)進(jìn)行組合定位。④用相鄰的傳感器進(jìn)行組合定位。⑤盡量避免同一平面的點(diǎn)組合。⑥計(jì)算的破裂時(shí)間晚于到達(dá)時(shí)間或某個(gè)定位的坐標(biāo)出現(xiàn)失常時(shí)，去掉個(gè)別異常點(diǎn)，再將其它定位結(jié)果作平均值，該平均值作為最終定位結(jié)果。

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