基于微震监测技术的公路隧道围岩破裂监测

张存根

【摘要】隧道的开挖和支护过程中总是伴随着围岩破裂的产生，往往由于开挖和支护不当，产生较大的围岩变形，甚至会导致塌方事故的发生。基于实时监控隧道施工的微（地）震监测系统，提出了标定爆破法测定传播速度的方法，测得鸳鸯会隧道区域的地震波传播速度为2.116m/ms，应用得出的传播速度，准确地定位出隧道围岩发生破裂的危险区域，从而保障了施工安全顺利地进行。

【关键词】微震监测；公路隧道；围岩破裂；空间定位

1 前言

岩体在受外界力作用的情况下，其内部将产生局部弹塑性能集中现象，当能量积聚到某一临界值之后，会引起微裂隙的萌生与发展，微裂隙的萌生与发展会伴随有弹性波或应力波的释放并在周围岩体内快速释放和传播，即声发射，相对于尺寸较大的岩体，在地质上也称为微震。岩体的宏观破裂是以微观破裂为征兆的，微观破裂所产生的信号能被先進的监测设备所探测。

随着岩体结构临近失稳，岩体破裂产生的以声波的形式释放积蓄的能量会随之变化，岩体状态的内部信息体现在声发射每一个信号中，可以利用岩体声发射与微震的这一特点，对接收到的信号进行处理、分析，可作为评价岩体稳定性的依据。

2 工程概况

鸳鸯会隧道采用双向双车道分离式设计方案，洞内路面设计荷载采用公路-I级。隧道最大埋深317m，全长4787m，属特长隧道。隧道穿越的地层主要为灰岩、白云岩，洞口段分布风积黄土、粉质粘土层。

3 微震监测原理

微震监测技术的基本原理是：围岩在应力作用下发生破坏，并产生微震和声波。在破裂区周围的空间内布置多组检波器实时采集微震数据，经过数据处理后，应用震动定位原理，可确定破裂发生的位置，并在三维空间上显示出来。

4 微震监测系统布设及波速校核

4.1 微震监测系统布设

在隧道右线出口段初衬范围内布置6个检波器，利用全站仪以隧道左右线出口处（K1+831 处）连线的中点为坐标原点，水平地面标高以 0.000 m计算，建立隧道监测区域的相对坐标系，对各个检波器（监测点）进行相对坐标取值，求得各个检波器（监测点）的相对坐标。下表为鸳鸯会隧道微震监测的检波器布置位置情况。

4.2 波速校核

结合隧道的实际情况，微震波速的测定采用标定爆破的方式进行求取。其原理为：将隧道围岩视为连续介质，微震动在围岩介质中以同一波速传播，以各检波器采集时间的差异和空间距离差异，利用“速度-距离”方程求解微震波在隧道围岩中的传播速度。

2011年7月16日15：45：40时洞内生产第一次爆破作为标定炮，所用炸药为10Kg，具体震源点的相对坐标为（121.608，57.500，8.100）。

手动拾取波形后，通过定位软件可以获得各监测点微震波的到达时间。如表

2所示。

考虑检波器布置的空间位置以及围岩介质的复杂性，将计算结果离散性比较大的数据进行过滤，即除去16.788、9.200和15.189三个离散性大的速度数值。剩下的速度值求其平均值，最后求得地震波传播速度为2.051m/ms。

为了使求得地震波传播速度更加合理准确、符合实际情况，在隧道的不同空间方位进行标定爆破试验。

表4 爆破试验求得的地震波传播速度（单位：m/ms）

编号 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 第6次 第7次 第8次 第9次 第10次

速度 2.051 1.974 1.907 2.218 2.189 2.253 1.877 2.301 2.175 2.218

在每次标定爆破试验计算得出的平均速度的基础上，再对十次爆破试验求其平均值，得出地震波传播速度的最终平均值为2.116m/ms。

某日洞内生产了一次爆破，震源点的相对坐标为（208.275，132.070，3.240），洞内的六个检波器均接收到爆破传来的地震波，选择其中四个监测点中波形较清晰且到时信息容易拾取的波形进行处理。根据测算的鸳鸯会隧道围岩地震波传播速度，将微地震波平均传播速度为2.116 m/ms带入式（1）进行定位精度的计算。

（1）

式中的未知数有震源坐标（x，y，z）以及起震时刻t，将各监测点的坐标值（xi，yi，zi）和测点接收到的到时为ti带入方程组，即可求得震源的坐标值（201.422，130.546，3.400），与实际震源的坐标相差7.022m。

因此，在鸳鸯会隧道采用2.116 m/ms的波速进行定位时，空间定位误差在10m之内，微震监测系统的定位精度满足岩体破裂和岩体区域稳定性监测的需求。

5 隧道围岩破裂监测分析

2011年7月25日到2011年8月13日监测到鸳鸯会隧道右线出口段里程RK182+528～RK182+508区间段发生了围岩破裂活动，微震监测系统将采集的信息进行处理，在平面图和剖面图上微震事件的空间位置，以观察洞内围岩破裂分布规律。

通过20天监测观察，鸳鸯会隧道右线出口段里程RK182+520断面附近拱顶微震事件初期较少，随着开挖活动进一步进行，微震事件急剧增多，密集程度加大，尤其左上角方位的微震事件最集中，据此判断，此断面的围岩破裂活动频繁，围岩变化处于不稳定时期。同时对断面RK182+520进行位移变形监测，8月13日测得此断面的拱顶累计下沉量达到0.0636m，当天的下沉量达到0.0077m，此部位围岩破裂活动比较活跃，且破裂发展迅速。经发现隧道右上方拱顶部分的衬砌结构表面出现了一条较长的裂缝，裂缝宽度最大达到0.0036m。

出现衬砌结构裂缝的位置与微震监测得到的危险区域是处于同一断面，即与微震监测的结果相吻合，因此，微震监测系统精确地监测出隧道围岩的破裂活动，取得了满意的监测效果。

6 结语

（1）采用标定爆破法进行地震波波速测定，测得鸳鸯会隧道区域的地震波传播速度为2.116m/ms，空间定位误差控制在10m之内，微震监测系统的定位精度满足岩体破裂和岩体区域稳定性监测的需求。

（2）准确地预报出隧道围岩破裂的微震事件，从平面图和剖面图上观察微震事件的空间位置，使发生微震事件的坐标位置更加空间化、直观化。

（3）微震监测技术首次在公路隧道施工中运用，它准确定位出隧道围岩发生破裂的区域，控制了施工的安全顺利进行，为以后类似的隧道工程监测提供了一定的借鉴价值。