CN103744112B - 一种隧道微震监测传感器布置及与数据采集仪连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种隧道微震监测传感器布置及与数据采集仪连接方法，包括以下步骤：在掌子面后方一定距离全断面布置第一组传感器，在掌子面后方沿隧道轴线错开分布第一三向微震传感器、第一~第三单向微震传感器。在掌子面后方一定距离全断面布置第二组传感器，在掌子面后方沿隧道轴线错开分布第四单向微震传感器、第二三向微震传感器、第五~第六单向微震传感器。第一微震数据采集仪连接第一三向微震传感器、第四、第二和第五单向微震传感器；第二微震数据采集仪连接剩下4个微震传感器。本发明有利于微震源定位，提高了隧道微震监测效果，当少数微震传感器或数据采集仪及其线路出现故障无法工作时,不会影响微震监测网络的整体高效性。

Description

一种隧道微震监测传感器布置及与数据采集仪连接方法

技术领域

本发明涉及隧道微震监测技术领域，更具体涉及隧道微震监测传感器布置及与数据采集仪连接方法，适用于水利水电、交通等隧道微震监测。

背景技术

微震监测技术的基本原理是利用在空间上不同方位布设的微震监测传感器，获取岩体产生微破裂过程所发出的地震波信息，对其加以分析、处理后确定微震事件发生的时间、位置、大小及能量释放等信息，以此为基础推断岩体内部应力状态、破坏情况，进而对岩体稳定性进行分析预测。微震监测传感器布置方式直接影响微震监测效果，合理的微震传感器布置不仅能够更大范围地监测到更多微震信号，而且能使微震定位算法快速准确的确定震源位置和发震时间。

至今，针对隧道微震监测传感器布置方法研究较少，且微震传感器主要布置在隧道上部空间范围内，下部分空间未得到充分利用，没有最大化的利用所有空间组成高效微震监测网络。（中国专利公开号CN202300529U，公开日2011.10.10，实用新型名称“深埋长隧洞TBM掘进过程中微震监测传感器布置结构”。文献《岩石力学与工程学报》，2011年第2期，陈炳瑞，“深埋隧洞TBM掘进微震实时监测与特征分析”。文献《长江科学院院报》，2012年第9期，揭秉辉，“基于微震监测技术的深埋长大隧洞群岩爆时空分布规律分析”。文献《Journalof Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》，2011年第3期，Tang chun an,“Preliminary engineering application of microseismic monitoring technique torockburst prediction in tunneling of Jinping II project”）

微震数据采集仪采集微震传感器监测到的微震信号，当微震传感器的数量较多时，将同时使用多个微震数据采集仪对微震传感器进行分配连接。因此，当某个微震数据采集仪或其与微震传感器连接线路损坏时，则无法对与其连接的微震传感器监测到的微震信号进行采集。在水利水电、交通等隧道中，由于现场工程环境复杂，微震传感器、微震数据采集仪以及其线路经常容易遭受损坏，进而影响微震信号采集的效果及连续性，降低微震监测效果。因此，有必要考虑当部分微震传感器、微震数据采集仪或其线路损坏时，微震监测系统采集信号能力弱甚至失效的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种隧道微震监测传感器布置及与数据采集仪连接方法，提高对微震监测对微震信号的采集能力以及微震源定位精度，解决当部分微震传感器、微震数据采集仪或其线路损坏时，微震监测系统采集信号能力弱甚至失效的问题，确保微震监测系统采集信号的效果与连续性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种隧道微震监测传感器布置及与数据采集仪连接方法，包括以下步骤：

步骤1、在掌子面后方全断面布置第一组传感器：

在掌子面后方L/2处的隧道断面0°方向布置第一三向微震传感器，其中，面对隧道开挖方向隧道正上方为隧道断面0°方向，顺时针方向为角度递增方向，L为微震传感器在所监测隧道岩体中的最大监测范围，

在掌子面后方L/2+A处的隧道断面90°方向布置第一单向微震传感器，其中A为相邻的微震传感器在隧道轴向方向投影的间距，

在掌子面后方L/2+2A处的隧道断面180°方向布置第二单向微震传感器，

在掌子面后方L/2+3A处的隧道断面270°方向布置第三单向微震传感器；

步骤2、在掌子面后方全断面布置第二组传感器：

在掌子面后方L/4处的隧道断面45°方向布置第四单向微震传感器，

在掌子面后方L/4+A处的隧道断面135°方向布置第二三向微震传感器，

在掌子面后方L/4+2A处的隧道断面225°方向布置第五单向微震传感器，

在掌子面后方L/4+3A处的隧道断面315°方向布置第六单向微震传感器；

步骤3、将第一微震数据采集仪连接第一三向微震传感器、第四单向微震传感器、第二单向微震传感器和第五单向微震传感器；第二微震数据采集仪连接剩下4个微震传感器；

步骤4、掌子面推进至距较远一组微震传感器所在隧道断面1.5L处时，将较远一组微震传感器平移至距当前掌子面后方0.5L处的隧道断面处布置；直到隧道开挖微震监测完成，微震传感器与微震数据采集仪连接方式保持不变。

如上所述的第一~第六单相微震传感器和第一~第二三向微震传感器均埋设在超过围岩松弛深度的位置，用于安装上述传感器的钻孔深度大于上述传感器的埋设深度。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1）微震传感器在空间上分前后两组全断面错开式布置，最大化的利用隧道全断面空间组成高效微震监测网络，使微震传感器尽可能捕捉更多有效的微破裂源信号，有利于微震源定位，提高了隧道微震监测效果。

2）当少数微震传感器或数据采集仪及其线路出现故障无法工作时，不会影响微震监测网络的整体高效性。当某个数据采集仪或其线路出现故障而无法工作时，剩下的数据采集仪依然连接在空间上分前后两组全断面错开式布置的单向和三向微震传感器，仍能组成良好的微震监测网络，保证了微震监测系统仍能连续高效采集数据以及微震源定位精度。

附图说明

图1为隧道微震监测传感器布置俯视图；

图2为第一组微震监测感器布置剖面图；

图3为第二组微震监测感器布置剖面图；

图4为第一微震数据采集仪与其传感器连接图；

图5为第二微震数据采集仪与其传感器连接图；

图6为实施例监测获得的监测结果图。

图中：101-第一单向微震传感器；102-第二单向微震传感器；103-第三单向微震传感器；104-第四单向微震传感器；105-第五单向微震传感器；106-第六单向微震传感器；201-第一三向微震传感器；202-第二三向微震传感器；3-隧道掌子面；4-隧道；501-第一微震数据采集仪；502-第二微震数据采集仪；6-监测采集到的微震信号。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例来对本发明作进一步说明。

一种隧道微震监测传感器布置及与数据采集仪连接方法，所述布置和连接方法包括以下步骤：

1）若微震传感器在所监测隧道岩体中的最大监测范围为L，在掌子面3后方约L/2处的隧道断面开始布置第一组共四只微震传感器，其中三只为单向微震传感器，一只为三向微震传感器，不同类型传感器可相互协同工作，有利于微震源定位。微震传感器均通过钻孔埋入式安装于岩体中，向孔内注浆，使微震传感器与岩体固定耦合。埋入深度须超过围岩松弛深度，有利于微震传感器接收震动信号。钻孔深度略大于微震传感器布置深度，防止孔内掉渣堆在钻孔底部堵塞微震传感器安装的空间。第一只为第一三向微震传感器201，布置在掌子面后方L/2处的隧道断面0°方向（面对隧道开挖方向隧道正上方为0°，下同），第二只为第一单向微震传感器101，布置在掌子面后方L/2+2m处的隧道断面90°方向，第三只为第二单向微震传感器102，布置在掌子面后方L/2+4m处的隧道断面180°方向，第四只为第三单向微震传感器103置在掌子面后方L/2+6m处的隧道断面270°方向。同组微震传感器在隧道轴向方向前后错开2m，避免布置在同一平面上而影响微震源定位。

2）在掌子面后3方L/4处的隧道断面开始布置第二组共四只微震传感器，其中三只为单向微震传感器，一只为三向微震传感器，不同类型传感器可相互协同工作，有利于微震源定位。微震传感器均通过钻孔埋入式安装于岩体中，向孔内注浆，使微震传感器与岩体固定耦合。埋入深度须超过围岩松弛深度，有利于微震传感器接收震动信号。钻孔深度略大于微震传感器布置深度，防止孔内掉渣堆在钻孔底部堵塞微震传感器安装的空间。第一只为第四单向微震传感器104，布置在掌子面后方L/4处的隧道断面45°方向，第二只为第二三向微震传感器202，布置在掌子面后方L/4+2m处的隧道断面135°方向，第三只为第五单向微震传感器105，布置在掌子面后方L/4+4m处的隧道断面225°方向，第四只为第六单向微震传感器106，布置在掌子面后方L/4+6m处的隧道断面315°方向。同组微震传感器在隧道轴向方向前后错开2m，避免布置在同一平面上而影响微震源定位。四只微震传感器分别布置在隧道断面45°、135°、225°和315°方向，与第一组微震传感器呈相互交错布置，充分利用隧道断面所有空间，尽可能组成高效微震监测网络，提高微震监测能力。

3）使用两个微震数据采集仪对微震传感器进行分配连接，第一微震数据采集仪501连接第一组的第一三向微震传感器201、第二组的第四单向微震传感器104、第一组的第二单向微震传感器102和第二组的第五单向微震传感器105；第二微震数据采集仪502连接剩下4个微震传感器。微震数据采集仪连接在空间上前后错开式布置的微震传感器，当部分微震传感器、微震采集仪或其线路损坏时，剩下的可用于微震监测的传感器仍在空间上呈错开式布置、不同类型传感器相互协同工作并紧跟隧道掌子面3移动，保证了微震监测系统仍能连续高效采集数据以及微震源定位精度。

4）掌子面3推进至距较远一组微震传感器所在隧道断面约3L/4处时，将较远一组微震传感器平移至距当前掌子面3后方约L/4处的隧道断面处布置，微震传感器安装及与微震数据采集仪连接方式保持不变。微震传感器的安装布置始终紧跟掌子面移动，并与掌子面保持一定距离，防止掌子面开挖爆破、岩体破坏等对微震传感器及线路的损坏，保障了微震监测系统安装人员的安全。

5）随着隧道掌子面3的推进，不断重复步骤4）直到隧道4开挖微震监测完成。

目前针对隧道微震监测传感器布置方法研究较少，且微震传感器主要布置在隧道上部空间范围内，下部分空间未得到充分利用，没有最大化的利用所有空间组成高效微震监测网络。

本发明针对上述问题，结合隧道工程的特点，提出了适宜隧道的传感器布置方式，a）微震传感器在空间上分前后两组全断面错开式布置，b）微震传感器紧跟隧道掌子面移动并始终与掌子面保持一定距离。最大化的利用隧道所有空间组成高效微震监测网络。

另外，本发明解决的另一个技术问题是：当部分微震传感器、微震数据采集仪或其线路损坏时，微震监测网络捕捉信号能力弱甚至失效的问题。

当某个数据采集仪或其线路出现故障而无法工作时，剩下的数据采集仪依然连接在隧道全断面空间上分两组前后错开式布置的单向和三向微震传感器，仍能组成良好的微震监测网络，少数微震传感器及其线路出现故障无法工作时，不会影响微震监测网络的整体高效性。

本方法微震传感器在空间上分前后两组全断面错开式布置，最大化的利用隧道所有空间组成高效微震监测网络，使微震传感器尽可能获取更多有效的微破裂源信号，有利于微震源定位。少数微震传感器及其线路出现故障无法工作时，不会影响微震监测网络整体的高效性。当某个数据采集仪或其线路出现故障而无法工作时，剩下的数据采集仪依然连接在空间上分前后两组全断面错开式布置的单向和三向微震传感器，仍能组成良好的微震监测网络，保证了微震监测系统仍能连续高效采集数据以及微震源定位精度。另外微震传感器的安装布置紧跟隧道掌子面移动并始终与掌子面保持一定距离范围，防止掌子面开挖爆破、岩体破坏等对微震传感器及线路的损坏，保障了微震监测系统安装人员的安全。

实施例1

某隧道断面呈圆形，采用全断面开挖方式，隧道围岩松弛深度在2m范围内，对该隧道进行稳定性微震监测。

1）微震传感器在所监测隧道4岩体中的最大监测范围为180m，在掌子面3后方约90m处的隧道断面开始布置第一组共四只微震传感器，其中三只为单向微震传感器,型号为南非1G14微震传感器,固有频率为14Hz，响应范围为7～2000Hz，一只为三向微震传感器，型号为南非3G14微震传感器,其固有频率为14Hz，响应范围为7～2000Hz，不同类型传感器可相互协同工作，有利于微震源定位。微震传感器均通过钻孔埋入式安装于岩体中，向孔内注浆，使微震传感器与岩体固定耦合。微震传感器布置深度为3m，超过围岩松弛深度，有利于微震传感器接收震动信号。钻孔深度为3.2m，略大于微震传感器布置深度，防止孔内掉渣堆在钻孔底部堵塞微震传感器安装的空间。第一只为第一三向微震传感器201，布置在掌子面后方90m处的隧道断面0°方向（面对隧道开挖方向隧道正上方为0°，下同），第二只为第一单向微震传感器101，布置在掌子面后方92m处的隧道断面90°方向，第三只为第二单向微震传感器102，布置在掌子面后方94m处的隧道断面180°方向，第四只为第三单向微震传感器103，布置在掌子面后方96m处的隧道断面270°方向。同组微震传感器在隧道轴向方向前后错开2m，避免布置在同一平面上而影响微震源定位。

2）在掌子面后3方45m处的隧道断面开始布置第二组共四只微震传感器，其中三只为单向微震传感器1，一只为三向微震传感器2，不同类型传感器可相互协同工作，有利于微震源定位。微震传感器均通过钻孔埋入式安装于岩体中，向孔内注浆，使微震传感器与岩体固定耦合。微震传感器布置深度为3m，超过围岩松弛深度，有利于微震传感器接收震动信号。钻孔深度为3.2m，略大于微震传感器布置深度，防止孔内掉渣堆在钻孔底部堵塞微震传感器安装的空间。第一只为第四单向微震传感器104，布置在掌子面后方45m处的隧道断面45°方向，第二只为第二三向微震传感器202，布置在掌子面后方47m处的隧道断面135°方向，第三只为第五单向微震传感器105，布置在掌子面后方49m处的隧道断面225°方向，第四只为第六单向微震传感器106，布置在掌子面后方51m处的隧道断面315°方向。同组微震传感器在隧道轴向方向前后错开2m，避免布置在同一平面上而影响微震源定位。四只微震传感器分别布置在隧道断面45°、135°、225°和315°方向，与第一组微震传感器呈相互交错布置，充分利用隧道断面所有空间，尽可能组成高效微震监测网络，提高微震监测能力。

3）使用两个微震数据采集仪,型号为南非24位数字化的6通道GS6G数据采集仪，对微震传感器进行分配连接，第一微震数据采集仪501连接第一组的第一三向微震传感器201、第二组的第四单向微震传感器104、第一组的第二单向微震传感器102和第二组的第五单向微震传感器105；第二微震数据采集仪502连接剩下4个微震传感器。微震数据采集仪连接在空间上前后错开式布置的微震传感器，当部分微震传感器、微震采集仪或其线路损坏时，剩下的可用于微震监测的传感器仍在空间上呈错开式布置、不同类型传感器相互协同工作并紧跟隧道掌子面3移动，保证了微震监测系统仍能连续高效采集数据以及微震源定位精度。

4）掌子面3推进至距较远一组微震传感器所在隧道断面约135m处时，将较远一组微震传感器平移至距当前掌子面3后方约45m处的隧道断面处布置，微震传感器安装及与微震数据采集仪连接方式保持不变。微震传感器的安装布置始终紧跟掌子面移动，并与掌子面保持一定距离，防止掌子面开挖爆破、岩体破坏等对微震传感器及线路的损坏，保障了微震监测系统安装人员的安全。对隧道开挖进行稳定性监测，采集到一系列监测数据。

5）随着隧道掌子面3的推进，不断重复步骤4）直到隧道4开挖微震监测完成。

对测试结果及时进行分析处理，2010年8月5日-8月8日测试结果如图6所示。图6为2010年8月5日-8月8日监测到的微震信号6空间分布图，球体为微震信号6，球体大小代表微破裂释放的能量，球体越大，能量越大。该段时间第一微震数据采集仪501出现故障无法采集数据，第二微震数据采集仪502及其连接的四个微震传感器101、103、105和202连续高效采集到大量微震信号6，由图6可知，微震信号6较多、能量释放大且集中在隧洞270°方向，监测结果表明270°方向存在强烈岩爆风险。隧道于2011年8月9日在隧洞270°方向微震信号集中区域发生强烈岩爆，与监测结果吻合，表明本技术方案的有效性与准确性。

采取如上所述技术方案对隧道4进行稳定性监测期间，部分微震传感器、微震数据采集仪以及其线路累积出现72次损坏，但未影响微震监测网络的整体高效性。实施本发明技术方案后累积捕捉到102次中等及以上等级岩爆中的93次岩爆前兆微震信号，准确的预警了隧道开挖存在的岩爆风险，实施本发明技术方案后现场未造成施工人员伤亡，确保了施工安全。

以上实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，本发明的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (1)

1.一种隧道微震监测传感器布置及与数据采集仪连接方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在掌子面(3)后方全断面布置第一组传感器：

在掌子面(3)后方L/2处的隧道断面0°方向布置第一三向微震传感器(201)，其中，面对隧道开挖方向隧道正上方为隧道断面0°方向，顺时针方向为角度递增方向，L为微震传感器在所监测隧道岩体中的最大监测范围，

在掌子面(3)后方L/2+A处的隧道断面90°方向布置第一单向微震传感器(101)，其中A为相邻的微震传感器在隧道轴向方向投影的间距，

在掌子面(3)后方L/2+2A处的隧道断面180°方向布置第二单向微震传感器(102)，

在掌子面(3)后方L/2+3A处的隧道断面270°方向布置第三单向微震传感器(103)；

步骤2、在掌子面(3)后方全断面布置第二组传感器：

在掌子面(3)后方L/4处的隧道断面45°方向布置第四单向微震传感器(104)，

在掌子面(3)后方L/4+A处的隧道断面135°方向布置第二三向微震传感器(202)，

在掌子面(3)后方L/4+2A处的隧道断面225°方向布置第五单向微震传感器(105)，

在掌子面(3)后方L/4+3A处的隧道断面315°方向布置第六单向微震传感器(106)；

步骤3、将第一微震数据采集仪(501)连接第一三向微震传感器(201)、第四单向微震传感器(104)、第二单向微震传感器(102)和第五单向微震传感器(105)；第二微震数据采集仪(502)连接剩下4个微震传感器；

步骤4、掌子面(3)推进至距较远一组微震传感器所在隧道断面3L/4处时，将较远一组微震传感器平移至距当前掌子面(3)后方L/4处的隧道断面处布置；直到隧道(4)开挖微震监测完成，微震传感器与微震数据采集仪连接方式保持不变；

第一～第六单向微震传感器(101～106)和第一～第二三向微震传感器(201～202)均埋设在超过围岩松弛深度的位置，用于安装上述传感器的钻孔深度大于上述传感器的埋设深度。