微震监测预测岩爆技术在锦屏引水隧洞施工中的应用

胡守斌

(中铁二局第二工程有限公司, 四川成都 610091)

岩爆是隧道及地下工程掘进过程中，由于围岩被扰动后应力重新调整分布，在调整过程中岩体内聚积的弹性应变能大于岩体破坏所消耗的应变能量而突然释放，导致岩体爆裂并弹射的现象。岩爆的发生不但损坏施工设备，导致作业人员伤亡，而且严重影响施工进度，是隧道及地下工程建设领域破坏性极强的地质灾害。随着国家西部大开发的深入推进，川藏铁路中段、滇藏铁路即将开工建设，线路均跨越青藏高原东沿台阶，在崇山峻岭中展线，深埋隧道项目成控制性工程，岩爆的预测预报与治理已成为项目建设亟待解决的关键技术。

岩爆的预测预报工作内容包括趋势预测与短期日常预报，趋势预测是用理论分析和经验类比，预测在较长的施工里程范围或未来一段时间内预测发生岩爆的可能性；短期预报方法有钻屑法、物探法、地音与微震监测法(即微震监测法)。本文重点介绍微震监测预报岩爆技术在锦屏水电工程C2标段深埋引水隧洞项目中运用情况。

1 岩爆发生的条件及实施监测段

根据西南交通大学张志强、关宝树在前人研究基础上，结合国内众多超深埋隧道岩爆发生的条件，总结提出的判断岩爆发生的条件和等级见表1[1]。

表1 岩爆等级划分

根据上述标准判断，在施工排水洞、1#～4#引水洞有可能出现中等以上岩爆洞段，开展微震监测预报岩爆技术，范围里程见表2。

2 微震源时空要素测试原理

岩体在外力作用下或在开挖隧道、硐室过程中，应力平衡被破坏，在应力重新调整聚集过程中其内部出现局部弹塑性能集中现象，当能量积聚到某一临界值之后，就会引起微裂隙的产生与扩展，微裂隙的产生与扩展伴随有弹性波或应力波在周围岩体内快速释放和传播，即岩石的声发射，相对于尺寸较大的岩体，在地质上也称为微震(Microseism, MS)。微震的孕育与发展会导致岩体内弹性应变能不断聚集，当这种能量大于岩体破坏所需要的能量时，岩体被破坏。因此岩爆产生根本诱因是岩体内原有地应力平衡被破坏，在应力重新调整平衡过程中，岩体内产生微裂隙，微裂隙的孕育与发展导致岩爆。由此可知，要对岩爆进行预测预报，可以通过对岩体内微裂隙的孕育与发展来实现。

表2 出现中等以上岩爆洞段里程汇总

每一次微裂隙的产生都是以声发射信号即弹性波形式表现的，将每一次的微裂隙视为一次微震事件，通过利用多个传感器对微震产生的声发射信号进行采集、数据滤波处理和反演分析，就能监测到微裂隙发生的时刻、位置和震级，即地球物理学中所谓的“时空强”三要素。根据微破裂的大小、集中程度、破裂密度，则有可能推断岩石宏观破裂的发展趋势，特别是微破裂分布及其丛集规律，就能实现对岩爆进行预测预报，达到预测预报岩爆防灾减灾之目的(图1)。

图1 微震监测原理

3 监测系统构成

微震监测系统主要由硬件和软件两部分组成，其采用模块化设计方式，实行远程采集PC配置。硬件部分包括微震传感器、配有电源并具备信号波形修整功能的Paladin传感器连接盒、Paladin(v.2)-24位地震记录仪、PMTS-Paladin主控时间服务器、纤维光学分束器、监视器等。软件部分包括PAL-Paladin采集软件、HNAS-Hyperion网络采集软件、HSS标准v.12版本数据分析软件等。

图2为微震监测系统结构示意图，系统通讯优先采用光电缆传输数据，采用无线传输作为备用，并且现场服务器实时备份作为应急，保证数据的完整性。将将中控系统与无线传输系统相结合，可实现信息共享。

图2 微震监测系统结构

4 传感器安装与布置要求

4.1 传感器安装

传感器直径22 mm，为便于拆卸，安装孔径取40 mm，钻孔深度以能探测到围岩松弛圈外为准，一般取3～5 m，安装孔内需防治积水。每个监测断面传感器布置原则如图3所示。具体位置可根据现场情况和监测设计方案适当调整[2]。

图3 传感器安装

4.2 传感器的布置

(1)隧道及地下工程的主要特点是洞线长，监测的重点区域掌子面附近又不断前移，为了获得较好的监测信息，要求传感器能方便灵活转移。

(2)安装传感器围岩完整性好，且应尽量安装在与震中在同一层位。

(3)深、浅孔组合布置，深孔中可以安装多个传感器。

4.3 监测系统连接顺序

传感器→传感器连接盒→地震记录仪→主控时间服务器和→光电转换器→电脑监视器→互联网

5 信号处理

微震监测系统监测到的信息为施工作业区域所有声发射信息，需要从这些信息中找出微震信息，既对监测到的信息滤噪。

5.1 噪音的分类及其特点

隧道及地下工程施工作业环境产生的噪音大致分为以下四类，并且具有不同特点。

(1)工频干扰类：由设备作业产生，其主要特点是规律性较强、信号量大，、周期明显、频率固定、振幅变化小。

(2)人员活动类：由工人施工作业产生，其主要特点是规律性不强，频率变化范围宽，振幅变化也较大，信号量相对机械噪声小。

(3)爆破类：由爆破施工作业产生，其主要特点是间隔时间相等或接近、持续时间短、衰减快。

(4)随机类。主要由岩壁片帮、掉块或安装传感器的探杆头受到外力扰动产生，其主要特点幅度大小不定，波形形状与有效微震信号相似，出现比较集中。

5.2 滤波步骤

滤波步骤为：①根据试验测试结果设置采集仪滤波参数，进行硬件滤波；②利用传感器对噪音信号的差异反映和敏感性进行协同滤波；③考虑到主要有效信号位于掌子面附近，而传感器在掌子面后方，根据信号到时与传感器位置进行滤波；④根据试验阶段建立的噪音数据库，利用人工神经网络方法进行滤波；⑤最后，通过监测系统示波窗进行噪声滤除。图4为滤波前后微震事件对比。

(a) 滤波前

(b) 滤波后图4 滤波前后微震事件对比

6 定位分析

通过建立传感器列阵，监测微震信号到达不同传感器所形成的一组时差，经过几何关系计算，即可确定微震源位置。

在预测可能发生岩爆的洞段，通过传感器的组网布置，组成传感器阵列，当监测岩体内出现微震时，传感器即可将信号拾取，并将这种物理量转换为电压量或电荷量，通过多点同步数据采集测定各传感器接收到该信号的时刻，连同各传感器坐标及所测波速代入方程组求解，即可确定微震源的时空参数，实现定位的目的，图5为定位后的微震事件分布位置与概率图。

图5 定位后的微震事件

传统微震源定位算法在传感器布置方案确定时多强调要确保微震源位置位于传感器阵列范围之内，但对于引水隧洞等隧洞工程，震源发生位置多在掌子面附近，一般震源多位于传感器阵列范围之外，对此，监测信息(微震事件的监测到时、波速等)与待求解参数(震源三维坐标、发震时间等)组成的方程组的系数矩阵易形成畸形阵，将会使得微震源定位算法收敛速度慢，有时甚至发散，造成微震源定位精度低等问题，很大程度上限制了岩爆预警的准确性与及时性。为此，项目课题研究小组采用粒子群微震源分层定位算法，通过联合反演解决波速难于确定的问题，采用相互耦合解决隧道工程传感器阵列范围之外微震源定位不准的问题，提高预报的准确性与及时性[3]。

7 微震事件评价指标

对微震事件的危险程度的主要评价指标有以下经过统计回归的5大指标，事件率和频率等的变化反映岩体变形和破坏过程，振幅分布与能率大小，则主要反映岩体变形和破坏范围。

(1)事件率(频度)。指单位时间内声发射与微震事件数，单位为次/min，是用声发射或微震评价岩体状态时最常用的参数。对于一个突发型信号，经过包络检波后，波形超过预置的电压值形成一个矩形脉冲，这样的一个矩形脉冲叫做一个事件，这些事件脉冲数就是事件计数，计数的累计则称为事件总数。

(2)振幅分布。振幅是指声发射与微震波形的峰值振幅，振幅分布又称幅度分布，指单位时间内声发射与微震事件振幅分布情况，是反映声发射与微震源信息的一种处理方法。

(3)能率。指单位时间内声发射与微震能量之和，根据仪器输出的信号进行能量分析。

(4)事件变化率和能率变化，反映了岩体状态的变化速度。

8 岩爆预测预报

岩爆预测是根据现场地质条件、数值分析结果与微震监测结果项结合进行综合分析判断。微震分析时主要根据微震事件、能量、震级、视体积和能量指数的变化规律对岩爆的发生情况做出判断。

(1)微震事件越多，微震活动越活跃，岩爆发生的风险越大。由于围岩应力场的变化，引起围岩体的错动、开裂等变化，而产生的一个应力波。该应力波被微震设备监测到，称为一个微震事件。岩体处于稳定状态时，事件率等参数很低，且变化不大，一旦受外界干扰，岩体开始发生破坏，微震活动随之增加，事件率等参数也相应升高，发生岩爆之前，微震活动增加明显。图5-1发生极强岩爆的微震事件累积分布，其中微震事件集中的区域就是岩爆的中心位置。

(2)微震事件的当地震级越大，发生岩爆的强度越大。不同的微震系统采用不同的震级指标来描述事件的量级，ISS系统选取当地震级作为震级指标，事件的当地震级m由下式进行计算：

m=0.344log10E+0.516log10M-6.572

式中：E为微震能量，M为地震矩，各常数由系统根据E-M曲线拟合计算后给出。

m=-0.2～0.5可能发生轻微岩爆，m=0.5～1.0可能发生中等岩爆，m=1.0～1.2可能发生强烈岩爆，m>1.2可能发生极强岩爆。

(3)微震事件的球体越大，能量释放越大，发生岩爆的强度越大，图6为2#～4#、排水洞监测到的微震事件分布图。

图6 一次极强岩爆前的微震累积事件

(4)视体积是指震源非弹性变形区岩体的体积，岩爆发生前期，微震源视体积持续增加，有突增趋势，且能量指数有突然下降迹象。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。在岩爆发生前期，围岩主要处于峰值强度前的压密和弹性阶段；当围岩体积内的能量超过围岩体的储能能力之后，围岩开始发生破坏，能量指数开始下降，视体积进一步增加，应及时发出岩爆预警；视体积进一步增加，能量指数进一步增加，岩爆开始发生。在同一时期，能量指数突然下降，视体积突然上升，是岩爆发生前的显著特征(图7)。

图7 视体积、能量指数与岩爆发生的关系

9 几点认识

(1)微震监测预测岩爆关键技术是根据微震事件的数量、分布、当地震级和辐射的能量大小，综合判断岩爆发生的位置和等级。根据微震事件的视体积和能量指数变化判断岩爆发生的概率，预测到岩爆事件的成果案例如图6，2#、3#引水洞在图示位置分别发生强岩爆，排水洞发生中等岩爆1次。

(2)基于粒子群微震源分层定位算法的时差定位法，确定的微震源唯一确定点，可靠性高，从而使得岩爆预测具有更高的准确性与及时性[5]。

(3)通过实践总结，提高预报精度的关键技术要点包括：①传感器安装钻紧贴孔壁。②按照统一的标准拾取到时。③用到时接近的点进行组合定位。④用相邻的传感器进行组合定位。⑤尽量避免同一平面的点组合。⑥计算的破裂时间晚于到达时间或某个定位的坐标出现失常时，去掉个别异常点，再将其它定位结果作平均值，该平均值作为最终定位结果。

[1] 关宝树, 张志强. 隧道发生岩爆的基本条件研究[J]. 铁道工程学报，1998(4).

[2] 陈寿根， 杨家松. 超深埋隧道岩爆防治技术[M]. 北京: 铁道出版社,2014(8).

[3] 兰小平, 胡静云. 大规模采场垮塌多通道微震监测应用研究[J]. 矿业研究与开发，2014(4).

[4] 高玉生, 张宏. 深埋长隧道岩爆机理研究及防治实践[M]. 北京: 中国水利水电出版社，2014.

[5] 侯景德. 锦屏山隧道岩爆综合防治施工技术[J]. 隧道/地下工程，2012(4).