CN107478725B - 一种公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法，其利用呈矩阵形式布于隧道中夹岩隔墙两侧的传感器进行微震监测；从微震监测结果中分离出岩石破裂震源和辅助震源的地震波信息；根据微震波信息基于岩石破裂震源处产生微震波的位置对裂缝位置初步定位；根据基于辅助震源的地震波信息优化后的波速模型并采用双差成像定位方法，对裂缝位置进一步精确定位；选取设定空间内的裂缝在设定时间段发生的微震事件群进行聚类分析，获得微震事件的时空分布特征及破坏演化特征；并基于这些特征对岩体的破裂程度进行定量描述，推断出岩体破裂程度的演化过程；进而去评价中夹岩隔墙的稳定性。本发明能快速评价中夹岩隔墙稳定性，确保隧道施工安全和后期的正常运营。

Description

一种公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法

技术领域

本发明涉及土木工程施工技术领域，尤其是涉及一种公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法。

背景技术

随着我国山区高速公路的快速发展，隧道已成为高速公路重要组成要素。小净距隧道是一种常见的隧道类型，但在施工期间存在一定的安全风险，由于施工顺序、应力分布和内部构造等因素，引起的中夹岩隔墙偏移、变形和破裂。对于公路小净距隧道的中夹岩隔墙，在隧道的施工过程中承担变化荷载，而且后期的隧道运营过程中，随着时间推移隧道中夹岩隔墙内部也会发生一定的损伤劣化，因此对隧道中夹岩隔墙进行监测，分析其内部的应力和结构变化，对隧道施工和后期安全运营的作用巨大。

传统的隧道中夹岩隔墙监测手段，如隧道中夹岩隔墙钻孔电视探测和超声波损伤探测，其内置的传感器布置方式，基于这些传感器获得的信息进行评价中夹岩隔墙的结构时，势必会在一定程度上影响中夹岩隔墙结构的完整性。

而且，传统的中夹岩隔墙评价方法主要是针对中夹岩隔墙的偏压和变形情况制定，很难对不均匀受压的中夹岩隔墙的应力状态进行定量和准确描述。

另外，传统的监测和评价方法，需要大量历史经验数据和监测资料进行长期分析，分析的理论模型不足，不能满足中夹岩隔墙稳定性对于快速评价的需求。

发明内容

本发明的目的是针对传统中夹岩隔墙评价方法存在的问题，提供一种公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法，其能够监测到对隧道中夹岩隔墙造成破裂的更多震源信息，并基于该震源信息对中夹岩隔墙的应力状态进行定量和准确描述，并能够快速地评价中夹岩隔墙稳定性，确保隧道施工安全和后期的正常运营。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

本发明提供一种公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法，其包括：

步骤S2，利用呈矩阵形式布置于隧道中夹岩隔墙两侧的传感器，对隧道中夹岩隔墙内的震源进行微震监测；并结合采集仪记录微震监测结果；

步骤S3，基于微震监测结果获得岩石破裂震源和辅助震源的微震波信息，包括：震源处产生微震波的时间、位置、频率和能量；基于各类震源的特定特征，对采集到的震源的微震波信息进行分离处理，分离出岩石破裂震源的微震波信息和辅助震源信息；并基于分离出的岩石破裂震源处产生微震波的位置对微震事件形成裂缝的位置进行初步定位；

步骤S4，基于辅助震源的信息对监测区域的波速模型进行优化；根据优化后的波速模型并采用双差成像精确定位方法，对微震事件形成的裂缝位置进行重新定位；

步骤S5，针对重新定位的裂缝，通过震源机制分析原理确定形成该裂缝的微震事件的能量和破坏方式；选取设定空间内的裂缝在设定时间段发生的微震事件群，并对该微震事件群的时间、位置、能量和破坏方式进行聚类分析，获得中夹岩隔墙岩体内部微震事件的时空分布特征及破坏演化特征；

步骤S6，基于微震事件的时空分布及破坏演化特征，对中夹岩隔墙内部岩体的破裂程度进行定量描述，并推断出岩体破裂程度的演化过程；

步骤S8，基于该中夹岩隔墙内部岩体的破裂程度去评价中夹岩隔墙的稳定性。

更优选地，所述公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法还包括：

步骤S7，基于岩石破裂震源及辅助震源的微震波信息，利用微震层析成像方法对中夹岩隔墙岩体内部的微震波波速进行反演成像，获得被测区域的波速场分布图像；基于波速场分布图像对岩体内部的应力状态及岩体内部结构的破裂程度进行描述。

更优选地，所述步骤S7还包括：

在设定时间周期内对按照设定间隔获得的波速场分布图像进行对比分析，基于该分析结果描述岩体内部的应力分布变化和结构破裂演化过程。

更优选地，所述公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法还包括：

步骤S1，呈矩阵形式布置多个传感器于隧道中夹岩隔墙的两侧；所述传感器的主方向垂直于隧道中夹岩隔墙的墙面。

更优选地，以矩阵形式布置的传感器间的排距为H，该H＝1m；每排中相邻传感器之间的间距为B，该B＝1m。

更优选地，所述传感器包括按照设定比例配备的高频传感器和低频传感器，且高频传感器和低频传感器交错组合布置在待监测区域内的隧道中夹岩隔墙两侧。

更优选地，所述传感器利用石膏粘固于隧道中夹岩隔墙的表面。

更优选地，随着隧道开挖的推进，将所述传感器矩阵交替迁移变换，且调整位置后的传感器矩阵的监测面积覆盖监测区域。

由上述本发明的技术方案可以看出，本发明具有如下技术效果：

本发明通过以矩阵形式在隧道中夹岩隔墙两侧布置传感器，与现有技术比较，能够获取到更为全面的隧道中夹岩隔墙岩体内部的震源信息，并基于该震源信息进行分离处理，利用双差成像技术对微震事件位置和时间进行特征描述，进而实现隧道岩体破裂过程的描述；利用波速反演方法实现对岩体应力状态进行描述，进而实现隧道岩体破裂情况的描述；因此能够快速地评价中夹岩隔墙稳定性，确保隧道施工安全和后期的正常运营。

本发明采用的设备常规、成本可控、安装方便、适用广泛。

附图说明

图1为本发明实施例一的流程图；

图2为本发明中传感器布置位置的主视图；

图3为本发明中传感器布置位置的侧面图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

实施例一：

本发明实施例一提供一种公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法，其采用矩阵方式布置传感器，同时加入双差成像定位方法，提高了监测精度，最小可达裂缝破裂的尺度。增加了波速反演成像方法，可以定量刻画中夹岩隔墙应力变化过程，并可以分析中夹岩隔墙的不良结构面。通过裂缝微震事件演化描述和岩体内部波速反演，实现中夹岩隔墙稳定性评价，给出定量结果。根据该分析评价结果，可以对隧道中夹岩隔墙的设计施工提供建议。其实施流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤S1，呈矩形矩阵形式布置多个传感器于隧道中夹岩隔墙的两侧。

上述步骤S1中传感器的布置方法如下：如图2至图3所示，在待监测区域内的隧道中夹岩隔墙两侧，呈矩阵形式布置多个传感器。以矩阵形式布置的传感器间的排距为H，优选地，该H＝1m；每排中相邻传感器之间的间距为B，优选地，该B＝1m。

为了覆盖更宽频带的微震信息，该传感器包括按照设定比例配备的高频传感器和低频传感器，且高频传感器和低频传感器交错组合布置在待监测区域内的隧道中夹岩隔墙两侧。

上述传感器利用石膏粘固于隧道中夹岩隔墙的表面。之所以采用石膏固定传感器，是由于本发明中传感器布置较为密集，排距、间距均为1m，如果采用常规的钻孔安装方式，密集钻孔必定会给中夹岩隔墙的完整性造成损伤，因此传感器固定方式采取粘固的方式。而石膏具有塑形好、固结快、强度高、粘接性好，其脆性特质便于拆除，所以特别适用于传感器的表面粘固和传感器回收。

上述传感器的主方向垂直于隧道中夹岩隔墙的墙面。随着隧道开挖的推进，传感器矩阵交替迁移变换，以保证对监测区域的覆盖。也就是说每新开挖一段隧道，则调整一次传感器的位置，使调整位置后的传感器矩阵的监测面积覆盖监测区域。传感器矩阵交替迁移变换的方法具体如下：将隧道开挖的前进方向作为隧道前方，在调整传感器的位置时，将布置在隧道后方的传感器移至隧道最前方，且仍保证传感器布置排距依然为H，每排中相邻传感器之间的间距依然为B；传感器位置确定后利用石膏进行固定。

步骤S2，利用呈矩形矩阵形式布置的传感器及采集仪，对隧道中夹岩隔墙内的震源进行微震监测并记录微震监测结果。

微震波发源的地方称为震源。将步骤S1中呈矩阵方式布置的传感器与采集仪相连，利用传感器对隧道中夹岩隔墙岩体内部震源的微震波信息进行感应，利用采集仪实时记录传感器感应到的震源的微震波信息。

上述震源包括多种：岩石破裂震源，以及其它辅助震源。该辅助震源包括但不限于：隧道施工爆破产生震源、隧道内外机械振动震源等。其中的岩石破裂震源作为描述隧道围岩破裂演化的基础震源，其它辅助震源信息用于辅助弹性波波速反演。

步骤S3，基于微震监测结果获得岩石破裂震源和辅助震源的微震波信息，包括：震源处产生微震波的时间、位置、频率和能量；基于各类震源的特定特征，对采集到的震源的微震波信息进行分离处理，分离出岩石破裂震源的微震波信息和辅助震源信息；并基于分离出的岩石破裂震源处产生微震波的位置对微震事件形成裂缝的位置进行初步定位。

微震监测可以直接监测到各震源产生微震波的时间t_i(i为自然数)和频率。

微震监测到的产生微震波的时间t_i(i为自然数)是绝对精确的；根据已知的爆破事件(已知位置，已知时间)对监测区域内的速度模型进行初步标定，可以得到爆破事件的已知位置和已知时间。通过P波定位基本理论原理中的计算公式计算得到震源处产生微震波的位置，具体如下：

在公式1中，t_i(i为自然数)表示震源处产生微震波的时间；V为岩石破裂震源信息中的微震波的传播速度；(x₀，y₀，z₀)表示已知爆破事件的起震位置坐标；t₀表示已知爆破事件的起震时间。

t_i(i为自然数)和V都是已知的，已知爆破事件的的起震时间t₀和起震位置坐标(x₀，y₀，z₀)也是已知的；这样通过公式1所示的方程组可以解出震源处产生微震波的位置坐标(x_i，y_i，z_i)。

通过如下公式2对一个震源处产生的微震波进行积分便可以求得该震源处产生微震波的的能量(简称为震源的能量)：

方程中：ρ表示介质密度；c表示微震波传播速度，其等于速度模型中的V；<Γ>表示均方根辐射图型；

表示传播算子，其为正比于震源距的常数；

表示微震波在介质中的位移对时间的微商。上述介质指隧道中夹岩隔墙内的岩体。

分离处理过程中，利用岩石破裂震源和辅助震源处产生微震波的时间和位置，以及产生的微震波的频率、能量等基本信息，并根据各种震源特有的时域和频域等特定特征，采用波形辨识、频率分析、能量分析和频谱分析等手段，区分出岩石破裂震源和辅助震源。具体如下：

由于不同震源产生的波形是不同的，不同震源产生的地震波具有特定的时域和频域特征。事先通过定向搜集不同震源对应的微震波的波形，建立波形信息库。将新采集到的震源的微震波信息的波形数据，与前面波形信息库中的各类震源对应的微震波波形的时域和频域特征进行比对，通过波形辨识、频率分析、能量分析和频谱分析，对采集到的震源的微震波信息进行分离处理，从而分离出岩石破裂震源的微震波信息和其它辅助震源信息。

经过上述过程分离出岩石破裂震源的微震波信息后，将经过计算确定的岩石破裂震源处产生微震波的位置作为微震事件形成裂缝的位置，从而实现了对微震事件形成裂缝的位置的初步定位。

步骤S4，基于辅助震源的地震波信息对监测区域的速度模型进行优化；根据优化后的波速模型并采用双差成像精确定位方法，对微震事件形成的裂缝位置进行重新定位。

上述步骤S3中已经提到监测区域的速度模型为根据已知的爆破事件 (已知位置，已知时间)进行初步标定。基于辅助震源的地震波信息对监测区域的速度模型进行优化的目的是实现不同地层内微震波速度的精确描述。由于分离出了不同震源的地震波信息，获得了丰富的辅助震源信息，为求解多层速度模型丰富了条件。利用辅助震源产生的地震波的时间、位置、频率和能量等清晰的特征，可以优化并提高地层内地震波的速度模型。

基于优化的速度模型，采用双差成像技术对微震事件产生的裂缝进行重新定位。双差定位的优势在于用到相对定位概念，根据相邻微震事件的微震波到时差进行定位，可以消除因速度模型有限而引起的微震波走时差的影响，进而提高微震事件形成裂缝的定位精度。因此能够对岩石破裂事件产生的裂缝实现亚米级精度的精确定位，进而可以确定岩体内部不同尺度岩石裂缝发生的位置。

步骤S5，针对重新定位的裂缝，通过震源机制分析原理确定形成该裂缝的微震事件的能量和破坏方式；选取设定空间内的裂缝在设定时间段发生的微震事件群，并对该微震事件群的时间、位置、能量和破坏方式进行聚类分析，获得中夹岩隔墙岩体内部微震事件的时空分布特征及破坏演化特征。

如果岩体内部的微震事件在时间和空间上发生一定汇聚，则会形成微震群事件，多个微震群事件的时空分布演化关系则反映出中夹岩隔墙岩体内部微震事件的时空分布特征。因此，在此步骤S5中，首先基于精确定位的裂缝位置，找寻出设定空间内岩体内部的多个微震事件群；然后，针对每个微震事件群，结合微震事件群中每个微震事件产生裂缝的时间、每个微震事件对应的优化后的震源的微震波波速和震源的能量信息，获得中夹岩隔墙岩体内部微震事件的时空分布特征。该微震事件的时空分布特征表现了微震事件的时间分布规律和空间分布规律，整体反映出中夹岩隔墙岩体内部微震事件的时空分布演化特征。

步骤S6，基于获得的微震事件的时空分布及破坏演化特征，对中夹岩隔墙内部破裂程度进行定量描述，并推断出岩体破裂程度的演化过程。

通过微震群事件的时空演化关系获得的微震事件的时空分布演化特征，反映出岩体内部裂缝形成的过程；通过不同时间的微震事件产生裂缝的位置分析，可以得到岩体内部不同位置处岩体裂缝产生的先后顺序，即表现为岩体的破裂过程。针对同一位置或相近位置岩体裂缝处发生的微震事件能量的大小进行统计，利用该统计结果描述岩体破裂程度的演化过程。

另外，通过步骤S5对微震群事件的时间、位置、能量和破裂方式统一分析，得到的中夹岩隔墙岩体内部微震事件时空分布特征，可以得出岩体内部破裂裂缝的长度和范围，以长度为单位能够对裂缝进行定量描述；通过对裂缝的定量描述的汇聚，能够定量描述中夹岩隔墙内部破裂情况，进而可以根据该中夹岩隔墙内部破裂情况去评价中夹岩隔墙的稳定性。

经过上述步骤S1至步骤S6的过程可以看出，通过对震源信息的采集、处理、分析和研究，能够精确定位出隧道中夹岩隔墙内部裂缝的位置，并通过微震群事件的时空演化关系和震源机制(震源事件产生裂缝时带有机理性和方向性指标的力学特性)，获得中夹岩隔墙岩体内部微震事件的时空分布特征；结合时间和位置(空间)的变化信息，更能准确描述中夹岩隔墙岩体内部应力变化的过程和发生机理，并能确定出岩体的破裂尺度和应力变化，从而能够推断出中夹岩隔墙内部破裂的演化过程，进而为评价中夹岩隔墙岩体的稳定性和健康情况提供了依据。

步骤S7，基于岩石破裂震源及辅助震源的地震波信息，利用微震层析成像方法对中夹岩隔墙岩体内部的微震波波速进行反演成像，获得被测区域的波速场分布图像；基于波速场分布图像对岩体内部的应力状态及岩体内部结构的破裂程度进行描述。

在设定时间周期内对按照设定间隔获得的波速场分布图像进行对比分析，基于该分析结果描述岩体内部的应力分布变化和结构破裂演化过程。

不同弹性波波速(即弹性波传输速度)可以反映岩体内部的基本情况，如：破碎区域、应力较低区域的震动波波速较低；反之，岩体完整性好、应力较为集中区域的震动波波速较高。因此，本发明利用微震层析成像方法对中夹岩隔墙岩体内部的波速进行反演成像，获得被测区域的波速场分布图像；基于波速场分布图像描述隧道中夹岩隔墙内部的应力状态及异常结构情况。

利用微震层析成像方法对中夹岩隔墙岩体内部的波速进行反演成像，获得被测区域的波速场分布图像；基于波速场分布图像基于波速分布图像对岩体应力状态及异常结构进行描述的过程具体包括：

在所监测的隧道中夹岩隔墙区域内设置致密交叉的波速传递路径，然后根据射线的疏密程度和成像精度进行单元划分，并建立观测参数线性方程组，再选用适当的射线追踪和波速反演成像方法，波速反演成像最终参数为岩体弹性波波速，它是反映岩体物理力学性状的最基本的物理力学参数之一，经过多次迭代并成像，便可获得被测区域的波速场分布图像。

经试验，利用波速反演成像方法获得的被测区域的波速场分布图像中，在应力集中或应力大的岩体会呈现出高速蓝色区域；在应力释放、断裂带、空区或岩石松散的岩体会呈现出红色的低速区域。可见，利用得到的波速场分布图像能够反映岩体内部应力分布状态和内部构造情况。

另外，通过波速反演成像还能够进一步实现对岩体应力状态进行定量描述，具体如下：基于通过波速反演成像得到的波速场分布图像，可以得出岩体内部破碎区或结构面的范围，以面积或体积来描述；通过波速反演成像，得出应力集中或应力松弛的区域，区域以面积或体积来圈定，应力值以比值来圈定。因此可以利用波速反演成像对岩体应力状态进行定量描述。

另外，在设定时间周期内对按照设定间隔获得的波速场分布图像进行对比分析，基于该分析结果描述岩体的应力分布变化和岩体内部结构演化过程，从而可以实现岩体的应力分布变化和岩体内部结构演化过程的实时监测。

经过上述步骤获得岩体的应力状态情况后，可以依据该应力状态情况实时监测隧道中夹岩隔墙岩体内部的破裂程度。

步骤S8，基于该中夹岩隔墙内部破裂程度去评价中夹岩隔墙的稳定性。

当中夹岩隔墙内部破裂程度小于设定的破裂程度阈值时，表示中夹岩隔墙的稳定性符合要求；否则，说明中夹岩隔墙的稳定性不符合要求，需要对中夹岩隔墙的设计参数，如几何尺寸、形状等进行优化，或对施工工序，如开挖顺序，隧道衬砌等工序进行优化。

本发明的公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法，采用一定的传感器布置方式，采集岩体内部破裂变化的微震事件，加入双差成像定位方法对微震事件定位，并可得出岩体内部破裂演化的时空分布特征，提高了监测精度，最小可达裂缝破裂的尺度。增加了波速反演成像方法，反演岩体内部波速特征，可以定量评价中夹岩隔墙应力变化过程，并可以分析中夹岩隔墙的不良内部构造。可见，本发明通过岩体破裂事件定位和岩体内部波速反演应力场技术，较现有技术能够实现对中夹岩隔墙稳定性更为全面的评价。

本发明可以适用于各种地质条件复杂施工过程及后期运营的隧道中夹岩隔墙健康评价。本发明可以最大限度节省隧道施工监测成本，降低监测难度，提高监测效率，可以科学准确实现隧道中夹岩隔墙健康监测，具有很高的工程应用价值。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本发明。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (7)

1.一种公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法，其特征在于，所述公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法包括：

步骤S2，利用呈矩阵形式布置于隧道中夹岩隔墙两侧的传感器，对隧道中夹岩隔墙内的震源进行微震监测；并结合采集仪记录微震监测结果；所述传感器包括按照设定比例配备的高频传感器和低频传感器，且高频传感器和低频传感器交错组合布置在待监测区域内的隧道中夹岩隔墙两侧；

步骤S3，基于微震监测结果获得岩石破裂震源和辅助震源的微震波信息，包括：震源处产生微震波的时间、位置、频率和能量；基于各类震源的特定特征，对采集到的震源的微震波信息进行分离处理，分离出岩石破裂震源的微震波信息和辅助震源信息；并基于分离出的岩石破裂震源处产生微震波的位置对微震事件形成裂缝的位置进行初步定位；

步骤S4，基于辅助震源的信息对监测区域的波速模型进行优化；根据优化后的波速模型并采用双差成像精确定位方法，对微震事件形成的裂缝位置进行重新定位；

步骤S5，针对重新定位的裂缝，通过震源机制分析原理确定形成该裂缝的微震事件的能量和破坏方式；选取设定空间内的裂缝在设定时间段发生的微震事件群，并对该微震事件群的时间、位置、能量和破坏方式进行聚类分析，获得中夹岩隔墙岩体内部微震事件的时空分布特征及破坏演化特征；

步骤S6，基于微震事件的时空分布及破坏演化特征，对中夹岩隔墙内部岩体的破裂程度进行定量描述，并推断出岩体破裂程度的演化过程；

步骤S8，基于该中夹岩隔墙内部岩体的破裂程度去评价中夹岩隔墙的稳定性。

2.根据权利要求1所述的一种公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法，其特征在于，所述公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法还包括：

步骤S7，基于岩石破裂震源及辅助震源的微震波信息，利用微震层析成像方法对中夹岩隔墙岩体内部的微震波波速进行反演成像，获得被测区域的波速场分布图像；基于波速场分布图像对岩体内部的应力状态及岩体内部结构的破裂程度进行描述。

3.根据权利要求2所述的一种公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法，其特征在于，所述步骤S7还包括：

在设定时间周期内对按照设定间隔获得的波速场分布图像进行对比分析，基于该分析结果描述岩体内部的应力分布变化和结构破裂演化过程。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法，其特征在于，所述公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法还包括：

步骤S1，呈矩阵形式布置多个传感器于隧道中夹岩隔墙的两侧；所述传感器的主方向垂直于隧道中夹岩隔墙的墙面。

5.根据权利要求4所述的一种公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法，其特征在于，

以矩阵形式布置的传感器间的排距为H，该H＝1m；每排中相邻传感器之间的间距为B，该B＝1m。

6.根据权利要求4所述的一种公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法，其特征在于，所述传感器利用石膏粘固于隧道中夹岩隔墙的表面。

7.根据权利要求4所述的一种公路隧道中夹岩隔墙稳定性评价方法，其特征在于，随着隧道开挖的推进，将所述传感器矩阵交替迁移变换，且调整位置后的传感器矩阵的监测面积覆盖监测区域。

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