CN103777235A - 一种分层开挖深埋硬岩隧道微震监测传感器布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分层开挖深埋硬岩隧道微震监测传感器布置方法，在隧道第二层至最后一层开挖时，第一组/第二组微震传感器安装于掌子面后方/前方的隧道内壁岩体中，以隧道当前开挖层底板中心线向下偏移1m处的直线为旋转中心线，第一组微震传感器和第二组微震传感器以旋转中心线为中心轴分布在隧道内壁岩体中，随着掌子面的不断推进，重新布置第一组/第二组微震传感器，直至隧道开挖完成。本发明利用隧道已开挖层提供的空间，在开挖掌子面前方和后方布置微震传感器，将风险较高的掌子面及其附近区域始终包含于布置在掌子面前后两组微震传感器阵列内，有利于对微破裂信号的采集，保证了微震定位精度，为灾害的准确预测预报奠定基础。

Description

一种分层开挖深埋硬岩隧道微震监测传感器布置方法

技术领域

本发明涉及隧道微震监测技术，更具体涉及一种分层开挖深埋硬岩隧道微震监测传感器布置方法，适用于水利水电、交通等分层开挖隧道。 

背景技术

隧道因全断面开挖时断面尺寸较大而无法施工或风险较高等原因，常采用分层开挖。分层开挖指将隧道从上至下分为多层，一层一层逐步开挖。分层开挖深埋硬岩隧道开挖过程中将会在掌子面附近产生强烈应力调整，采用钻爆法开挖时会则会遭受到剧烈的爆破扰动，造成掌子面及其附近易发生岩爆、塌方或掉块等灾害性事故，威胁施工人员安全，影响施工进度。 

微震监测技术目前在非洲、澳大利亚、美国、加拿大、中国等矿山、地下实验室、边坡、隧道等工程安全性监测中进行了广泛应用，取得了一系列研究成果。微震监测技术是利用在空间上不同方位布设的微震传感器，捕捉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、震级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评估预警。 

微震监测传感器的布置方法对微震活动的监测能力具有重要影响，从而影响对岩体稳定性评估预警的效果。至今，未见针对分层开挖隧道微震监测传感器布置方法的相关报道。合理的微震传感器布置方案不仅能够更大范围地监测到更多微震信号，而且能使定位算法快速准确的确定震源位置和发震时间，有利于对隧道风险的预警评估。由于隧道的空间结构特点，微震监测传感器一般布置在掌子面后方（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《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》，2011年第3期，Tang chun an, “Preliminary engineering application of microseismic monitoring technique to rockburst prediction in tunneling of Jinping II project”），造成微震传感器阵列难以将掌子面及其附近岩体包围在内，从而在一定程度上影响微震源定位精度，进一步影响隧道稳定性监测预报效果。因此有必要针对分层开挖隧道特点，研究适宜的传感器布置方法，使得传感器阵列始终尽可能将掌子面及其附近岩体包含在内，提高微震源定位精度，为灾害的准确预警评估奠定基础。 

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，提供一种分层开挖深埋硬岩隧道微震监测传感器布置方法，解决隧道开挖过程中微震监测传感器阵列难以将掌子面及其附近岩体包围在内的问题，使得隧道开挖掌子面及其附近更多的有效微破裂源信号能被微震传感器捕捉，提高微震源定位精度，为深埋硬岩隧道灾害的准确预测预报奠定基础。 

本发明通过下述技术方案实现： 

一种分层开挖深埋硬岩隧道微震监测传感器布置方法，包括如下步骤：在隧道第二层至最后一层开挖时，

步骤1、微震传感器在所监测隧道岩体中的最大监测范围为L，布置第一组微震传感器，分别为第一单向微震传感器、第二单向微震传感器、第三单向微震传感器和第一三向微震传感器，第一组微震传感器均通过钻孔埋入式安装于隧道内壁岩体中，向钻孔内注浆，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，钻孔深度大于微震传感器布置深度，以隧道当前开挖层底板中心线向下偏移1m处的直线为旋转中心线，面对隧道开挖掌子面，旋转中心线正上方为0°方向，顺时针方向为角度递增方向，第一组微震传感器以旋转中心线为中心轴分布在隧道内壁岩体中，第一三向微震传感器布置在掌子面后方L/4处的隧道断面270°方向，第一单向微震传感器布置在掌子面后方L/4+2m处的隧道断面330°方向，第二单向微震传感器布置在掌子面后方L/4+4m处的隧道断面30°方向，第三单向微震传感器布置在掌子面后方L/4+6m处的隧道断面90°方向；

步骤2、布置第二组微震传感器，分别为第四单向微震传感器、第五单向微震传感器、第六单向微震传感器和第二三向微震传感器，第二组微震传感器均通过钻孔埋入式安装于隧道内壁岩体中，向钻孔内注浆，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，钻孔深度大于微震传感器布置深度，以隧道当前开挖层底板中心线向下偏移1m处的直线为旋转中心线，面对隧道开挖掌子面，旋转中心线正上方为0°方向，顺时针方向为角度递增方向，第二组微震传感器以旋转中心线为中心轴分布在隧道内壁岩体中，第四单向微震传感器布置在当前层掌子面前方3L/4处的隧道断面270°方向，第五单向微震传感器布置在掌子面前方3L/4+2m处的隧道断面330°方向，第二三向微震传感器布置在掌子面前方3L/4+4m处的隧道断面30°方向，第六单向微震传感器布置在掌子面前方3L/4+6m处的隧道断面90°方向；

步骤3、当前开挖层掌子面推进至距第一三向微震传感器所在隧道断面3L/4处时，将第一组微震传感器按照步骤1重新布置，将第二组微震传感器按照步骤2重新布置；直至隧道开挖完成。

由于采取了上述技术方案，本发明具有如下技术效果： 

1）充分里利用隧道已开挖层提供的空间，在开挖掌子面前方和后方均布置微震传感器，将风险较高的掌子面及其附近区域始终包含于布置在掌子面前后两组微震传感器阵列内，有利于对微破裂信号的采集，保证了微震定位精度，为灾害的准确预测预报奠定基础。

2）不同类型微震传感器相互协同工作且在空间上错开布置，有利于微震传感器接收信号，避免了微震传感器在同一平面上而影响微震源定位。 

3）微震传感器的安装布置紧跟隧道掌子面向前向后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。 

附图说明

图1为隧道第二层开挖时微震监测传感器布置纵剖面上投影图； 

图2为隧道第二层开挖时掌子面后方微震监测传感器布置方法剖面图； 

图3为隧道第二层开挖时掌子面前方微震监测传感器布置方法剖面图； 

图4为实施例中第二层开挖时监测到的微震信号空间分布图。 

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-掌子面；4-隧道；5-微震信号。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种分层开挖深埋硬岩隧道微震监测传感器布置方法，包括如下步骤：在隧道第二层至最后一层开挖时， 

1）若微震传感器在所监测隧道4岩体中的最大监测范围为L，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隧道内壁岩体中，向钻孔内注浆，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。以隧道当前开挖层底板中心线向下偏移1m处的直线为旋转中心线，第一组微震传感器以旋转中心线为中心轴分布在隧道内壁岩体，第一三向微震传感器201布置在掌子面后方L/4处的隧道断面270°方向（面对隧道开挖掌子面，旋转中心线正上方为0°方向，顺时针方向为角度递增方向，下同），第一单向微震传感器101布置在掌子面后方L/4+2m处的隧道断面330°方向，第二单向微震传感器102布置在掌子面后方L/4+4m处的隧道断面30°方向，第三单向微震传感器103布置在掌子面后方L/4+6m处的隧道断面90°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）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隧道内壁岩体中，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。以隧道当前开挖层底板中心线向下偏移1m处的直线为旋转中心线，第二组微震传感器以旋转中心线为中心轴分布在隧道内壁岩体，第四单向微震传感器104布置在当前层掌子面前方L3/4处的隧道断面270°方向，第五单向微震传感器105布置在掌子面前方3L/4+2m处的隧道断面330°方向，第二三向微震传感器202布置在掌子面前方3L/4+4m处的隧道断面30°方向，第六单向微震传感器106布置在掌子面前方3L/4+6m处的隧道断面90°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。 

3）当前开挖层掌子面3推进至距第一三向微震传感器201所在隧道到断面3L/4处时，将第一组和第二组微震传感器分别向前平移至距在当前开挖层掌子面3后方L/4和前方3L/4隧道断面处，安装方式保持不变；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。 

4）随着掌子面3的推进，不断重复上述步骤4）直到隧道4该层开挖完成。 

至今，未见针对分层开挖隧道微震监测传感器布置方法的相关报道,合理的微震传感器布置方案不仅能够更大范围地监测到更多微震信号，而且能使定位算法快速准确的确定震源位置和发震时间，有利于对隧道风险的预警评估。由于隧道的空间结构特点，微震监测传感器一般布置在掌子面后方，造成微震传感器阵列难以将掌子面及其附近岩体包围在内，从而在一定程度上影响微震源定位精度，进一步影响隧道稳定性监测预报效果。 

本发明针对上述问题，结合分层开挖隧道工程的特点，提出了适宜分层开挖隧道的传感器分散布置方式，1）充分里利用隧道已开挖层提供的空间，在开挖掌子面前方和后方均布置微震传感器，将风险较高的掌子面及其附近区域始终包含于布置在掌子面前后两组微震传感器阵列内，有利于对微破裂信号的采集，保证了微震定位精度，为灾害的准确预测预报奠定基础，2）不同类型微震传感器相互协同工作且在空间上错开布置，有利于微震传感器接收信号，避免了微震传感器在同一平面上而影响微震源定位。3）微震传感器的安装布置紧跟隧道掌子面向前向后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

某隧道断面呈圆形，采用分层开挖方式，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，微震传感器布置方法如下，在隧道第二层至最后一层开挖时： 

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，布置第一组微震传感器，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，分别为第一单向微震传感器101、第二单向微震传感器102、第三单向微震传感器103,另一只为第一三向微震传感器201，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。第一组微震传感器均通过钻孔埋入式安装于隧道内壁岩体中，向钻孔内注浆，使微震传感器与岩体固定耦合。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，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。以隧道当前开挖层底板中心线向下偏移1m处的直线为旋转中心线，面对隧道开挖掌子面，旋转中心线正上方为0°方向，顺时针方向为角度递增方向，第一组微震传感器以旋转中心线为中心轴分布在隧道内壁岩体中，第一三向微震传感器201布置在掌子面后方45m处的隧道断面270°方向，第一单向微震传感器101布置在掌子面后方47m处的隧道断面330°方向，第二单向微震传感器102布置在掌子面后方49m处的隧道断面30°方向，第三单向微震传感器103布置在掌子面后方51m处的隧道断面90°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）布置第二组微震传感器，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，分别为第四单向微震传感器104、第五单向微震传感器105、第六单向微震传感器106，另一只为第二三向微震传感器202，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隧道内壁岩体中，向钻孔内注浆，使微震传感器与岩体固定耦合。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，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。以隧道当前开挖层底板中心线向下偏移1m处的直线为旋转中心线，面对隧道开挖掌子面，旋转中心线正上方为0°方向，顺时针方向为角度递增方向，第一组微震传感器以旋转中心线为中心轴分布在隧道内壁岩体中，第四单向微震传感器104布置在当前层掌子面前方135m处的隧道断面270°方向，第五单向微震传感器105布置在掌子面前方137m处的隧道断面330°方向，第二三向微震传感器202布置在掌子面前方139m处的隧道断面30°方向，第六单向微震传感器106布置在掌子面前方141m处的隧道断面90°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。 

3）当前开挖层掌子面3推进至距掌子面3后方第一三向微震传感器201所在隧道断面135m处时，将第一组和第二组微震传感器分别平移至距在当前开挖层掌子面3后方45m和前方135m隧道断面处，安装方式保持不变；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。 

4）随着隧道掌子面3的推进，不断重复步骤4）直到隧道4该层开挖完成。 

对测试结果及时进行分析处理，2011年11月2日-11月3日测试结果如图4所示。图4为2011年11月2日-11月3日第二层开挖时监测到的微震信号5空间分布图，球体为微震信号5，球体大小代表微破裂释放的能量，球体越大，能量越大。该段时间布置在掌子面前后两组微震传感器共同监测到掌子面开挖产生的微震信号5。由图4可知，微震信号5集中分布在掌子面3附近，符合深埋硬岩隧道开挖卸荷特征。同时微震信号5在掌子面3处密集出现，表明掌子面3存在较高岩爆风险。2011年11月4日在微震信号集中的掌子面处发生中等岩爆，与监测结果吻合，表明微震信号监测的准确性。本发明充分里利用隧道已开挖层提供的空间，将破坏风险较高的掌子面3及其附近区域始终包含于布置在掌子面前后两组微震传感器阵列内，有利于对微破裂信号5的采集，保证了微震源定位精度，较好的捕捉了高风险的掌子面3发生破坏前兆的微震信号5。 

实施如上所述技术方案对该分层开挖隧道进行稳定性监测期间，累积捕捉到56次掌子面及附近洞段中等及以上等级岩爆中的52次岩爆前兆微震信号，准确的预警了分层开挖隧道掌子面存在的风险，实施本技术方案后现场分层隧道开挖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)

1.一种分层开挖深埋硬岩隧道微震监测传感器布置方法，包括如下步骤：在隧道第二层至最后一层开挖时，

步骤1、微震传感器在所监测隧道（4）岩体中的最大监测范围为L，布置第一组微震传感器，分别为第一单向微震传感器（101）、第二单向微震传感器（102）、第三单向微震传感器（103）和第一三向微震传感器（201），第一组微震传感器均通过钻孔埋入式安装于隧道内壁岩体中，向钻孔内注浆，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，钻孔深度大于微震传感器布置深度，以隧道当前开挖层底板中心线向下偏移1m处的直线为旋转中心线，面对隧道开挖掌子面，旋转中心线正上方为0°方向，顺时针方向为角度递增方向，第一组微震传感器以旋转中心线为中心轴分布在隧道内壁岩体中，第一三向微震传感器（201）布置在掌子面后方L/4处的隧道断面270°方向，第一单向微震传感器（101）布置在掌子面后方L/4+2m处的隧道断面330°方向，第二单向微震传感器（102）布置在掌子面后方L/4+4m处的隧道断面30°方向，第三单向微震传感器（103）布置在掌子面后方L/4+6m处的隧道断面90°方向；

步骤2、布置第二组微震传感器，分别为第四单向微震传感器（104）、第五单向微震传感器（105）、第六单向微震传感器（106）和第二三向微震传感器（202），第二组微震传感器均通过钻孔埋入式安装于隧道内壁岩体中，向钻孔内注浆，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，钻孔深度大于微震传感器布置深度，以隧道当前开挖层底板中心线向下偏移1m处的直线为旋转中心线，面对隧道开挖掌子面，旋转中心线正上方为0°方向，顺时针方向为角度递增方向，第二组微震传感器以旋转中心线为中心轴分布在隧道内壁岩体中，第四单向微震传感器（104）布置在当前层掌子面前方3L/4处的隧道断面270°方向，第五单向微震传感器（105）布置在掌子面前方3L/4+2m处的隧道断面330°方向，第二三向微震传感器（202）布置在掌子面前方3L/4+4m处的隧道断面30°方向，第六单向微震传感器（106）布置在掌子面前方3L/4+6m处的隧道断面90°方向；

步骤3、当前开挖层掌子面（3）推进至距第一三向微震传感器（201）所在隧道断面3L/4处时，将第一组微震传感器按照步骤1重新布置，将第二组微震传感器按照步骤2重新布置；直至隧道（4）开挖完成。

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