深埋特大引水隧洞岩爆微震监测预警方法设计

董振涛

(新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 伊犁 835100)

隧洞监测是建筑施工中十分烦琐且复杂的一个环节，涉及较多的关联结构，在一定程度上相当工程的核心位置。而在建设过程中，部分隧洞由于特殊的建设需求，需要进行特殊地处理，尤其是与深埋特大引水工程相搭接，常常会出现岩爆微震的现象。造成这一问题的主要因素是在建设时的爆破处理导致的，对于引水的效果也会形成较强的阻碍，因此，可以通过特殊的方式对微震现象进行监测预警[1]。传统的微震监测预警一般是采用单相测定或者覆盖性的监测模式来实现，虽然可以完成预期的监测预警目标，但是常常会出现不同程度的问题以及缺陷，对工程建设产生极大的消极影响，严重的甚至会形成不可控的经济损失[2]。因此，本文对深埋特大引水隧洞岩爆微震监测预警方法进行设计。考虑到最终测试结果的稳定性和可靠性，本文会采用较为真实的环境背景，结合互联网、大数据等技术，构建更加灵活的检测预警方式。需要注意的是，深埋特大引水隧洞岩爆时，若出现微震会产生极为微小的变化，对于岩石自身属性以及特征也具有较强的关联。所以，监测预警的方向与规模也应该与其保持统一，确保最终的施工效果，为后续的建设及相关技术的发展提供理论依据。

1 深埋特大引水隧洞岩爆微震监测预警方法

1.1 微震源监测预警参数获取

微震源是隧洞岩爆过程中的核心，自身具多变性，极容易受到外部环境以及因素的影响。举例来说，地质因素、内部结构因素、承压因素以及气温因素等[3]。对于微震源的把控以及测定同样是监测预警工作中十分关键的一个环节，与各个部分的指标参数具有关联。常见的微震源指标分类如表1所示。

表1 微震源指标设定

根据表1可以完成对微震源指标的设定。在上述的指标设定工作中，结合微震源的变化情况，在划定的范围之内进行监测预警覆盖点的设定，将每一个区域内存在的覆盖点作搭接关联，进行监测预警的训练，进一步细化对应指标的参数，为后续监测预警体系的构建奠定基础。

1.2 双向监测预警结构建立

在完成对微震源监测预警参数的获取后，需要建立双向监测预警结构。传统对于深埋特大引水隧洞岩爆微震的测定与预警方式一般是采用单向识别或者分辨的形式来实现监测预警目标，这种方法虽然可以完成监测任务，但是在实际应用的过程中，常常会出现不同程度的问题以及缺陷，对于后续的建设施工也会产生不同程度的阻碍[4]。

而双向监测预警的实际覆盖范围会更大一些，监测预警中的限制条件也更少一些，可以预先设定基础的识别区域，计算出监测圈定距离，具体如式(1)所示：

(1)

式中：D为监测圈定距离，m；n为识别常数；f为 潜在预警标定点数量[5]。

通过上述计算，可以得出实际的监测圈定距离。结合上述的微震源监测预警指标以及参数，再加上具体的测定标准，形成一套完整的双向监测预警结构，根据监测圈定距离，划定监测预警的单向位置。

1.3 等效EMS监测预警模型构建

在完成对双向监测预警结构的建立后，需要构建等效EMS监测预警模型。首先，可以先提取隧洞岩爆微震的变化特征，设定具体的监控区域，在双向监测预警的结构中设定多层级多目标的管控环节，并赋予其对应的比照标准[6]。

在监测处理过程中，融入互联网技术以及大数据平台，构建等效的预警程序，在实际施工的过程中，依据比照标准，核算出存在的监测预警差值[7]。采用等效EMS的协议，计算出叠合震矩应力，具体如式(2)所示：

(2)

式中：U为叠合震矩应力，Pa；x为等效距离，m。

通过上述计算，可以得出实际的叠合震矩应力。将得出的叠合震矩应力融入等效EMS模型之中，此时为了确保后续监测预警结果的稳定和可靠，需要更改等效测定范围，并将引水隧洞岩爆微震的实时情况融入模型的测算以及比照之中。随后，也需要对上述微震源监测预警参数作出合理的调整，以此来进一步细化对应的监测预警结果。

1.4 微震能量密度测定法实现监测预警

在完成对等效EMS监测预警模型的构建后，采用微震能量密度测定法来实现监测预警。这部分的处理环节相对较为特殊、烦琐。首先，需要累计微震事件数[8]。在隧洞岩爆破时，通过损伤力学来对所监测预警的区域进行多方向描述，安装关联响应的监测预警设备，一旦区域内出现微震波动，可以先计算出微震累积事件数，具体如式(3)所示：

(3)

式中：Y为微震累积事件数；W为微震波动频率，Hz；k为测定极限距离，m。

通过上述计算，最终可以得出实际的微震累积事件数。此时的微震累积事件数越多，表明测定区域在不断扩展延伸，所以在监测预警的过程中，也需要作出对应的范围调整。

此时利用等效EMS监测模型来获取微震能量的实时密度，在不同的震动状态下，向外传输的震源波动也是不同的，利用监测模型测定具体的密度变化情况，在单位体积值内，将其与岩体微破裂释放出的能量作出关联分析，综合微震破裂程度，结合微震能量密度的变化范围，进一步加强对整体监测预警程序的控制与效果的提升，为后续的施工提供依据。

2 方法测试

考虑到最终测试结果的稳定性和可靠性，需要划定具体的测试区域，稳定监测环境。选择三种监测预警方法对比分析，第一组为传统的多元层级监测预警方法，将其设定为传统多元层级监测预警测试组；第二组为传统的宏观扰动监测预警方法，将其设定为传统宏观扰动监测预警测试组；第三组为双向EMS监测预警方法，将其设定为双向EMS监测预警测试组。三种方法在相同的环境之下同时测定，得出的结果对比分析。接下来，搭建相关的测试环境。

2.1 测试准备

在对深埋特大引水隧洞岩爆微震监测预警效果进行验证和分析前，需要先搭建对应的测试环境。选取P工程作为本次测试的主要目标对象，在工程建设初期，施工环境相对较为稳定，但是由于外部因素的影响，再加上岩石爆破的覆盖波及，造成隧洞整体的施工架构处于极度不稳定的状态。预设的引水洞距离设定为900 m，隧道全长12.8 km，里程长度比为0.5。本次测定的微震监测路段为覆盖左洞围岩K50+220～K50+160，内部围岩的深度为2.45 m，为了确保最终监测结果的精准性，需要先计算出最大水平主应力，具体如式(4)所示：

(4)

式中：G为最大水平主应力，Pa；t为洞轴线长度，m；x为微震极限值。

通过上述计算，最终可以得出实际的最大水平主应力。P工程在建设中期，由于地势较为特殊，所以对应的引水管道以及设备需要采用阶梯式布设的方式来实现基底的构建。

根据隧洞发生的实时微震特征以及规律，将测定的区域段划分为三个部分，每一个隧洞均是独立的，第一段对应的是K50+ 250～K50+230，第二段对应的是K50+200～K55+180，第三段对应的是K50+230～K50+260，每一个围岩在开挖的过程中，需要搭接左拱腰和左拱底，并将内部结构的最大视应力量值调整到6.45 MPa。

结合隧洞的建设实际情况，划定具体的监测区域，同时，调节预警的单向描述距离，计算描述初始值，具体如式(5)：

(5)

式中：Y为描述初始值;q为单相监测范围;d为失稳系数。

通过上述计算，最终可以得出实际的描述初始值。设定均衡监测预警标准，并采用“时空强”演化分布的方式在测定的区域设置监测节点，计算出单个微震能量值，具体如式(6)：

(6)

式中：K为单个微震能量值;g为微震事件簇;v为预设监测距离，m。

通过上述计算，最终可以得出实际的单个微震能量值。在预设的区域之中，将单个微震能量节点关联在一起，在隧洞之中形成一个微震监测预警网，为后续的测定打下基础。核定测试的装置以及设备是否处于稳定的运行状态，确保不存在影响最终测试结果的外部因素，核定无误后，开始具体的测试与分析。

2.2 测试过程及结果分析

在上述所搭建的测试环境之中，结合相关的技术进行更为具体的测定和分析。结合隧洞的掘进方向，在不同的测试路段中，划定监测预警的掌子面，具体如图1所示。

图1 监测预警掌子面布设图示

根据图1可以完成对监测预警掌子面的布设。随后，结合初始设定的监测预警节点，在隧洞路段形成一个密实的监测网，并划定震源监测范围，计算出累积常数，具体如式(7)：

(7)

式中：U为累积常数；e为预警次数；a为监测极限值；b为微震幅度。

通过上述计算，最终可以得出实际的累积常数。以此为基础，将不同路段的预警程序以及指令作出调节。通常情况下，累计常数值越高，对应的监测预警效果便越好。但是这部分需要注意的是，累计常数也需要控制在合理的范围内，上下的变化比值最好控制在1.05之内，一旦超出，便要重新设定累计监测预警的数据，更加耗费成本与时间。随后，在特定的监测预警测试环境之中，结合管控系统或者平台，输入测试的指令和协议，以预设的标准作为比照目标，计算出最终的监测预警响应时间，具体如式(8)：

(8)

式中：M为监测预警响应时间，s；z为微震峰值；h为单相密度值，kg/m3。

通过上述计算，最终可以得出实际的监测预警响应时间。三组方法同时获得结果，以对比的形式分析，分析结果见表2。

表2 测试结果对比分析

根据表2可以完成对测试结果的分析。与传统的多元层级监测预警测试组和传统宏观扰动监测预警测试组相对比，本文所设计的双向EMS监测预警测试组最终得出的监测预警响应时间相对较快，仅为1.01 s，很好地控制在1.5 s以下，具有更强的实际应用价值。

3 结 语

本文对深埋特大引水隧洞岩爆微震监测预警方法进行设计与分析。与传统的建筑监测预警模式相对比，本文结合深埋特大引水隧洞岩爆的环境，所构建的方法相对更加灵活、多变，具有更强的动态性与可修改性。另外，在复杂的建设施工背景中，对隧洞微震情况的把控也会更加精准、可靠一些，更贴合于深埋特大引水工程的建设目标。而且本文方法还从多个角度进一步分化了监测预警的对应区域，细化预警的细节程序，能够在确保工程进度推进的同时，提升内部结构的平衡性，为后续的施工处理奠定更坚实的基础条件。