TBM開挖隧洞微震監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建及方案優(yōu)化

劉福生 唐烈先 任喜平 李立民 王劍鋒

摘要：針對(duì)TBM開挖工作面實(shí)施微震監(jiān)測過程中存在的空間狹窄、鉆孔不便、線纜易損等諸多困難，為了實(shí)現(xiàn)微震監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，確保數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性、完整性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，在引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞越嶺段3號(hào)支洞的TBM開挖工作面，經(jīng)過多次數(shù)據(jù)比對(duì)、優(yōu)化改進(jìn)，摸索出一套更適合TBM開挖工作面開展移動(dòng)式微震監(jiān)測的系統(tǒng)構(gòu)建方案。通過6個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測表明：使用該方案，監(jiān)測系統(tǒng)與TBM徹底分離，互不影響，正常供電時(shí)數(shù)據(jù)連續(xù)采集率為100%;數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，外部網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)僅有l(wèi)d因路由器供電故障而導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法傳輸，故障率為0.55%;傳感器線纜沒有出現(xiàn)意外損壞，故障率為0，為巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測提供了充分的數(shù)據(jù)保障。

關(guān)鍵詞：微震監(jiān)測;巖爆;TBM;引漢濟(jì)渭

中圖分類號(hào)：TV522

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.02.027

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及礦產(chǎn)資源逐漸進(jìn)入深部開采，現(xiàn)代化微震監(jiān)測技術(shù)在21世紀(jì)初被廣泛應(yīng)用，開始主要應(yīng)用在深部礦山，以煤礦為主，逐步擴(kuò)展到金屬礦山、交通與水利工程的邊坡、隧道等領(lǐng)域[1-4]。錦屏二級(jí)水電站深埋隧洞群成功嘗試了基于微震監(jiān)測技術(shù)的巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測[5-11]，之后越來越多的深部地下工程在巖爆防治措施中開始接受并引入微震監(jiān)測技術(shù)。

目前，深部隧洞開挖主要有鉆爆法與TBM兩種方式，開展微震監(jiān)測工作時(shí)，監(jiān)測的主要范圍是掌子面及其后300 m左右距離，需要將微震監(jiān)測設(shè)備安裝到掌子面后一定范圍內(nèi)，隧道左右兩側(cè)各安裝一定數(shù)量的傳感器并按照一定陣列布置。在鉆爆法開挖的工作面，安裝傳感器的鉆孔可以使用鑿巖臺(tái)車完成，快速方便，且空間相對(duì)寬敞，設(shè)備安裝與挪動(dòng)、線路檢查與修復(fù)較為方便。TBM開挖工作面則不同，實(shí)施微震監(jiān)測時(shí)主要面臨如下困難：①空間狹窄。TBM占據(jù)隧洞掌子面后大部分空間，設(shè)備安裝與挪動(dòng)困難。②鉆孔不便。TBM錨桿鉆機(jī)鉆孔幅度有限，鉆鑿?fù)瓿珊笕菀妆粐姖{堵塞，造成傳感器無法按計(jì)劃安裝，而較低位置的鉆孔則需人工使用手風(fēng)鉆完成。③線纜易損。常規(guī)布置方式是左右洞壁各安裝相等數(shù)量的傳感器，信號(hào)采集儀安裝在TBM上靠近某一側(cè)，另一側(cè)的傳感器電纜需要集中并過頂后與數(shù)據(jù)采集工作站連接，靠皮帶一側(cè)洞壁傳感器電纜鋪設(shè)困難，皮帶上掉落石塊易砸壞電纜，檢查與修復(fù)難度較大，且皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)期間作業(yè)人員存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。④TBM隨時(shí)前移且日進(jìn)尺較多，監(jiān)測設(shè)備和線纜安放不當(dāng)易受損。常規(guī)的監(jiān)測設(shè)備布置方式是將信號(hào)采集儀放置于TBM上.TBM移動(dòng)時(shí)需要將傳感器電纜不斷延長，操作不當(dāng)或延長不及時(shí)會(huì)造成電纜纏繞或損壞，影響數(shù)據(jù)采集。微震監(jiān)測對(duì)巖爆風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測成功率與監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性息息相關(guān)，以上困難容易造成數(shù)據(jù)采集不連續(xù)或破壞傳感器陣列，數(shù)據(jù)不連續(xù)可能錯(cuò)失巖爆關(guān)鍵前兆，破壞傳感器陣列會(huì)影響定位精度，均直接影響監(jiān)測效果。

針對(duì)以上不足，本文摸索并嘗試多種布置方案和安裝方式，經(jīng)過多次數(shù)據(jù)比對(duì)、優(yōu)化改進(jìn)，形成了安裝方便、移動(dòng)快捷、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、線纜損壞率低的微震監(jiān)測系統(tǒng)，能夠保證數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性、完整性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭工程橫穿秦嶺輸水隧洞全長98.3 km，設(shè)計(jì)流量70 m/s，縱坡1/2 500，分黃三段和越嶺段。越嶺段進(jìn)水口位于三河口水利樞紐壩后右岸控制閘，出口位于渭河一級(jí)支流黑河右側(cè)支溝黃池溝內(nèi)，全長81.779 km，分段采用內(nèi)徑為6.76 m的圓形斷面和6.92 mx7.52 m的馬蹄形斷面，其中進(jìn)口段26.14 km及出口段16.55 km采用鉆爆法施工，斷面為馬蹄形，穿越秦嶺主脊段約34 km采用TBM法施工，斷面為圓形，最大埋深超過2 000 m。高埋深、超長的特點(diǎn)，使得地應(yīng)力、涌水和通風(fēng)成為秦嶺隧洞開挖面臨的主要安全問題[12]。因此，為解決高地應(yīng)力引起的強(qiáng)巖爆風(fēng)險(xiǎn)問題，在3號(hào)支洞TBM工作面（見圖1）引入微震監(jiān)測技術(shù)，24 h連續(xù)監(jiān)測開挖過程中圍巖的活動(dòng)規(guī)律，獲取巖爆發(fā)生的前兆信息。

2 微震監(jiān)測系統(tǒng)

微震監(jiān)測系統(tǒng)由洞內(nèi)傳感器、地震記錄儀（信號(hào)采集儀）、洞外數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)工作站組成。傳感器與巖體耦合，接收巖體內(nèi)產(chǎn)生的微震信號(hào)，通過三芯屏蔽電纜與洞內(nèi)信號(hào)采集系統(tǒng)連接。地震記錄儀將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后通過光纖與洞外數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)連接，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析后通過互聯(lián)網(wǎng)為相關(guān)單位發(fā)送數(shù)據(jù)信息。常規(guī)的微震監(jiān)測系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示[13]。

開挖隧洞的微震監(jiān)測相比礦山，監(jiān)測范圍更小且需要隨著開挖不斷往前移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備[6-8]，因此需要選擇機(jī)身不大、質(zhì)量適中、適宜挪動(dòng)的微震監(jiān)測系統(tǒng)。由于主要監(jiān)測區(qū)域?yàn)檎谱用媲昂?00～ 300 m區(qū)域，考慮傳感器的信號(hào)接收范圍和頻繁安裝回收，既要保證定位效果，又要便于安裝移動(dòng)，因此選擇6通道為宜。由于在開挖隧洞工作面實(shí)施微震監(jiān)測，無法形成傳感器空間陣列布置，從定位原理分析[9-10]，6個(gè)單軸傳感器分開布置比2個(gè)三軸傳感器定位效果好，因此選擇單軸傳感器為宜。由于秦嶺輸水隧洞越嶺段巖性主要以花崗巖為主，強(qiáng)度高，連續(xù)性較好，震動(dòng)產(chǎn)生的彈性波往往頻率較高，衰減較少，因此選用靈敏度更高、頻響范圍更大的加速度傳感器為宜。

3 系統(tǒng)構(gòu)建及其方案優(yōu)化

微震監(jiān)測系統(tǒng)主要包括傳感器、信號(hào)采集儀、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析中心4個(gè)部分。前3個(gè)部分運(yùn)行穩(wěn)定才能保證第4部分正常進(jìn)行，從而對(duì)巖爆風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行更加準(zhǔn)確的預(yù)測預(yù)報(bào)。然而，現(xiàn)場復(fù)雜的施工環(huán)境常常使得微震監(jiān)測系統(tǒng)難以正常運(yùn)行，時(shí)常出現(xiàn)線纜損壞、傳輸故障、采集中斷等問題，大大降低了監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。在引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞越嶺段3號(hào)支洞TBM工作面開展微震監(jiān)測工作過程中，對(duì)設(shè)備的放置、數(shù)據(jù)的傳輸、傳感器的安裝、電纜的鋪設(shè)等進(jìn)行了嘗試與優(yōu)化改進(jìn)。

3.1 設(shè)備的放置

通常情況下，微震監(jiān)測系統(tǒng)會(huì)按照?qǐng)D2所示的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置和安裝，將傳感器和地震記錄儀安裝在洞內(nèi)，數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)系統(tǒng)放置于洞外，洞內(nèi)洞外通過光纖連接。這樣安裝的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、工作站等可以工作在環(huán)境較好的空間內(nèi)，震動(dòng)小、粉塵少、散熱好，溫度和濕度可控，且不易受損，使用壽命較長，適合于礦山、邊坡等長期微震監(jiān)測項(xiàng)目。但對(duì)于TBM開挖隧洞，其隨著開挖不斷往前移動(dòng)，目前3號(hào)支洞洞口距離TBM掌子面超過12 km.洞內(nèi)溫度高、濕度大，車輛設(shè)備過往多，石塊偶有掉落等，使得光纖容易出現(xiàn)故障或損壞，修復(fù)少則數(shù)小時(shí)，多則數(shù)天，此時(shí)間段將中斷數(shù)據(jù)采集，而巖爆的前兆信息出現(xiàn)時(shí)間不定，不連續(xù)監(jiān)測可能錯(cuò)過關(guān)鍵信號(hào)采集，影響巖爆風(fēng)險(xiǎn)的分析判斷。

因此，將數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)安裝至洞內(nèi)，僅用光纖將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉赐猓词构饫w出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)采集仍可正常進(jìn)行并存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，待光纖正常后將數(shù)據(jù)傳輸出洞即可，如此布置可保證監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性和完整性。通過6個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)與TBM徹底分離，互不影響，正常供電時(shí)數(shù)據(jù)連續(xù)采集率為100%。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)與TBM分離

TBM配套設(shè)施完善，開挖、運(yùn)輸、支護(hù)等主要設(shè)施都包含在內(nèi)，功能齊全，但各部分均需隨著TBM開挖一起往前移動(dòng)，因此幾乎所有配套設(shè)備和耗材均放置于TBM上，方便使用和存放。微震監(jiān)測設(shè)備的傳感器必須安裝在洞壁巖體內(nèi)，而傳感器與信號(hào)采集儀之間通過屏蔽電纜連接，在過去的TBM微震監(jiān)測工作中，都是將信號(hào)采集儀、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)放置于TBM上.6根不同位置的傳感器電纜拉到信號(hào)采集儀所在位置，隨著TBM往前移動(dòng)，需不斷將電纜延長并懸掛于洞壁，通常需要派人24 h值守，且洞內(nèi)空間狹窄，懸掛電纜工作難度較大，稍有疏忽就會(huì)造成線纜損壞，影響定位效果。

通過現(xiàn)場考察和可行性論證，確定將信號(hào)采集儀、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)均安裝于運(yùn)輸皮帶對(duì)面洞壁，注意防止皮帶運(yùn)輸過程中石塊掉落損壞設(shè)備，設(shè)備電源通過TBM機(jī)身后的照明電獲取，傳感器電纜完全懸掛于洞壁。如此布置后，微震監(jiān)測系統(tǒng)與TBM徹底分離，完全不受TBM開挖前移影響，可減少大量的洞內(nèi)工作量并確保監(jiān)測數(shù)據(jù)24 h正常采集。

3.3 數(shù)據(jù)無線傳輸

通常，為了保證數(shù)據(jù)正常傳輸，洞內(nèi)外數(shù)據(jù)傳輸都使用獨(dú)立光纖，但單獨(dú)鋪設(shè)超過10 km的專用光纖工作量巨大，且需隨TBM前移不斷延長和掛設(shè)，維護(hù)成本高，因此應(yīng)合理利用TBM已安裝的光纖。但使用光纖不能影響TBM重要信息的實(shí)時(shí)傳輸，另外微震監(jiān)測系統(tǒng)與TBM完全分離后，無法通過網(wǎng)線或局部光纖連接洞壁安裝的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)。經(jīng)過多次測試，最后實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸：借用TBM操作室的光纖，將洞外網(wǎng)絡(luò)信號(hào)引入TBM，在TBM噴漿二區(qū)之后每隔30 m左右安裝一個(gè)無線路由器，通過橋接的方式連接上網(wǎng)，將無線信號(hào)覆蓋于TBM噴漿二區(qū)之后的整個(gè)TBM長度范圍，在洞壁的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)中安裝一個(gè)外置無線信號(hào)接收器，并設(shè)定自動(dòng)連接各個(gè)無線路由器，當(dāng)TBM移動(dòng)超過150 m、無線信號(hào)無法被系統(tǒng)接收時(shí)，將信號(hào)采集儀和數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)挪至操作室附近的洞壁，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)與洞外的無線傳輸。

通過6個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測，使用該無線傳輸方案后，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，完全不影響TBM的正常數(shù)據(jù)傳輸，外部網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)僅有1 d因其中一個(gè)路由器供電故障而導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法傳輸，故障率為0.55%，極大地保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，大大減少了技術(shù)人員進(jìn)洞維護(hù)線纜的工作量。

3.4 傳感器安裝

微震監(jiān)測傳感器通常情況下安裝于松動(dòng)圈外的原巖上，以避免松動(dòng)圈內(nèi)震動(dòng)波傳遞過程中出現(xiàn)信號(hào)衰減[14-15]，TBM自帶錨桿鉆機(jī)，可以鉆鑿微震監(jiān)測安裝傳感器的鉆孔，但其鉆鑿范圍有限。為獲得更好的定位效果，傳感器需高低交叉布置，且錨桿鉆機(jī)在噴漿區(qū)之前，為保證傳感器可以順利回收循環(huán)使用，需要噴漿后再安裝，因此鉆孔需進(jìn)行較好的保護(hù)，才能在噴漿后順利安裝傳感器。TBM掘進(jìn)速度、噴漿時(shí)間不固定，且車輛進(jìn)出周期較長，因此比較難把握安裝傳感器的時(shí)間，容易出現(xiàn)鉆孔區(qū)域噴漿后透孔等情況。

經(jīng)過多次嘗試和對(duì)比，對(duì)于巖體完整性較差的洞段，較高位置采用錨桿鉆機(jī)鉆孔，用一定長度的硬質(zhì)塑料管堵塞，噴漿后敲碎混凝土取出塑料管后安裝傳感器：較低位置則在噴漿之后采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)人工鉆孔，確保傳感器可以安裝在信號(hào)接收較好的原巖上。對(duì)于巖體完整性較好的洞段，因TBM施工對(duì)巖體的擾動(dòng)相對(duì)較小，故可在噴漿后直接將傳感器固定在洞壁。經(jīng)過現(xiàn)場測試，采用靈活的傳感器安裝方法，可避免錨桿鉆機(jī)鉆孔的局限，較好地把握安裝傳感器的時(shí)機(jī)，并且不影響監(jiān)測效果。

通過以上傳感器靈活安裝方式，6個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測過程中沒有出現(xiàn)傳感器無法安裝、安裝后被損壞或無法回收的情況，大大提高了安裝的便捷性和傳感器的成功回收率。

3.5 電纜鋪設(shè)

開挖隧洞移動(dòng)式微震監(jiān)測線纜損壞是難以避免的問題之一，鉆爆法開挖時(shí)飛石、大型車輛容易對(duì)懸掛于洞壁的線纜造成損壞.TBM開挖時(shí)皮帶上掉落的石塊易造成懸掛于洞壁的傳感器線纜損壞及TBM機(jī)身易掛到過頂線纜。根據(jù)傳感器陣列布置方案，需要將傳感器分別安裝在左右洞壁甚至拱頂巖體內(nèi)，信號(hào)采集儀只能安裝在某一側(cè)洞壁，因此傳感器連接信號(hào)采集儀時(shí)，必須有一部分線纜過頂和懸掛于皮帶一側(cè)洞壁。一般情況下每側(cè)安裝3個(gè)傳感器，間距30～50 m，信號(hào)采集儀一側(cè)的3個(gè)傳感器電纜無需過頂，直接懸掛于洞壁，不易受到損壞，而另一側(cè)的傳感器電纜通常集中在一起過頂，采用的主要辦法是鉆孔后安裝膨脹螺栓懸掛電纜，這樣鋪設(shè)電纜的好處是過頂次數(shù)少，安裝工作量小，但過頂線纜如果被TBM機(jī)身某處刮蹭，就會(huì)同時(shí)損壞3根線纜，造成數(shù)據(jù)采集中斷，同時(shí)在皮帶一側(cè)的洞壁也將會(huì)至少有2根線纜懸掛30～50 m，被皮帶上掉落的石塊損壞的概率會(huì)大大增加，這種損壞在監(jiān)測初期頻繁出現(xiàn)。經(jīng)過不斷總結(jié)和改進(jìn)后，改變了集中過頂?shù)陌惭b方式，改為傳感器安裝完成后即過頂，每個(gè)傳感器單獨(dú)過頂，基本沒有懸掛于皮帶一側(cè)的電纜，通過這個(gè)改變，沒有再出現(xiàn)過洞壁線纜損壞。過頂線變?yōu)?根之后，無需鉆孔安裝膨脹螺栓懸掛，采用水泥釘懸掛即可，既減少了鉆孑L安裝膨脹螺栓時(shí)連接電源、鉆孔、安裝膨脹螺栓的工作量和成本，又加大了水泥釘密度，使電纜線緊貼拱頂，減小了被TBM機(jī)身刮蹭的概率。

改進(jìn)傳感器電纜鋪設(shè)方式后，在6個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測過程中，傳感器線纜沒有出現(xiàn)意外損壞，故障率為0.保證了數(shù)據(jù)采集的完整性和微震事件定位的準(zhǔn)確性，為巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測提供了充分的數(shù)據(jù)保障。

4 結(jié)語

基于微震監(jiān)測技術(shù)的巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測目前仍處于逐步發(fā)展中，尚有許多問題需要不斷解決與完善，而巖爆機(jī)理的復(fù)雜性注定其前兆信息出現(xiàn)的時(shí)間無明顯規(guī)律，因此監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)和完整對(duì)巖爆風(fēng)險(xiǎn)的判別尤為重要。通過對(duì)TBM開挖工作面微震監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建方案的分析，摸索出一套更加適合TBM開挖工作面的系統(tǒng)構(gòu)建方案，使得系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定、數(shù)據(jù)采集更連續(xù)、數(shù)據(jù)傳輸更及時(shí)、儀器設(shè)備故障率更低，充分保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性，值得在類似工程中推廣使用。

基于微震監(jiān)測技術(shù)的巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測被越來越多的深部地下工程所接受和使用，但鑒于巖爆機(jī)理本身的復(fù)雜性和巖體結(jié)構(gòu)的未知性，徹底解決巖爆問題仍然任重道遠(yuǎn)，本文僅從微震監(jiān)測過程中的系統(tǒng)運(yùn)行和數(shù)據(jù)采集與傳輸角度對(duì)微震系統(tǒng)構(gòu)建方案進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，對(duì)于其定位精度、巖爆時(shí)間等還有待深入研究和探索。

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