CN107561579A - 一种隧道施工微震监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道施工微震监测系统及监测方法，其利用传感器采集震源信息；所述传感器为多个，呈空间立体化分布在隧道内部和隧道外部且与采集仪连接；根据震源信息的波形，分离出岩体破裂震源信息和辅助震源信息；将获取的震源信息进行实时数据处理，得到有效数据处理结果，包括：岩体破裂震源信息对应微震事件产生裂缝的位置、时间、能量以及对应的震动波传输速度；根据岩体破裂震源信息的数据处理结果，对岩体裂缝进行定位，并结合每个被定位的岩体裂缝对应的微震事件的能量和时间获得岩体微震事件产生的裂缝的时间分布规律、空间分布规律。本发明通过对微震事件产生裂缝的位置和时间进行精准刻画，实现隧道岩体破坏过程的描述。

Description

一种隧道施工微震监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及土木工程施工技术领域，尤其是涉及一种隧道施工微震监测系统及监测方法。

背景技术

随着高速公路建设由平原转向山区，隧道已成为高速公路的重要组成要素。隧道施工安全问题也显得更为重要，在隧道施工开挖、爆破过程中安全事故发生较为频繁，安全生产需求非常迫切。因此需要不断加强隧道施工过程中的安全监测，并且提高监测效率，从而预防事故发生。

传统的隧道施工过程中，受开挖和爆破等影响，需要监测的项目主要包括应力、应变、温度、松动圈监测以及岩爆监测等。

目前现有的隧道监测方法，通常是在隧道中设置传感器，通过传感器感应到的信息来监测隧道的破损情况。但是这种监测方法不能有效全面监测隧道的破损情况，尤其是对于工程条件复杂，监测环境恶劣等工程项目，要准确、快速、实时且大范围获得隧道应力及结构变化更加困难。

发明内容

本发明的目的是针对的现有隧道监测方法中不能有效全面监测隧道的破损情况的技术问题，提供一种隧道施工微震监测系统及监测方法，其能够对施工隧道的岩体破坏进行有效全面的监测，确保隧道施工过程安全可靠；而且安装方便、适用广泛。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

本发明提供一种隧道施工微震监测方法，其包括：

步骤S2，利用传感器采集震源信息；所述传感器为多个，呈空间立体化分布在隧道内部和隧道外部，且与采集仪连接；

步骤S3，根据震源信息的波形，分离出岩体破裂震源信息和辅助震源信息；

步骤S4，将获取的震源信息进行实时数据处理，经过滤处理去除冗余，得到有效数据处理结果，所述有效数据处理结果包括：岩体破裂震源信息对应微震事件产生裂缝的位置、时间、能量以及对应的震动波传输速度；

步骤S5，根据岩体破裂震源信息的数据处理结果，对岩体产生的裂缝进行定位，并结合每个被定位的岩体裂缝对应的微震事件的能量和时间获得岩体微震事件产生的裂缝的时间分布规律、空间分布规律。

更优选地，对于关键微震事件，采用双差成像定位算法对所述关键微震事件产生的裂缝进行进一步精确定位。

更优选地，所述隧道施工微震监测方法还包括：

步骤S6，利用岩体破裂微震事件的时间分布规律和空间分布规律，采用三维可视化软件显示岩体变形和破裂反应的演化过程。

更优选地，所述步骤S4中的有效数据处理结果还包括：岩体破裂过程中对应的震动波传输速度；所述隧道施工微震监测方法还包括：步骤S7，利用所述震动波传输速度，采用双差成像方法对隧道岩体的波速场进行成像；通过成像结果反映的岩体波速场分布间接反映岩体内部应力分布状态和地质构造。

更优选地，所述步骤S4中的有效数据处理结果还包括：辅助震源信息对应微震事件产生裂缝的位置、时间、能量以及对应的震动波传输速度；所述隧道施工微震监测方法还包括：利用辅助震源信息优化岩体波速速度模型，对岩体微震事件的时间分布规律、空间分布规律进行优化调整。

更优选地，在隧道内部布置的传感器呈扇形矩阵方式分布；在隧道外部布置的传感器沿着地表平行分布。

更优选地，在隧道内部布置传感器时，每个用于安装传感器的钻孔中均轴向安装两个传感器。

更优选地，用于安装所述传感器的相邻钻孔之间的间距范围为5m～30m。

更优选地，所述传感器采用数量比为1:1的高频传感器和低频传感器，且这些高频传感器和低频传感器交错布置。

本发明还提供一种应用上述隧道施工微震监测方法的隧道施工微震监测系统，其包括：

传感器、采集仪、数据处理单元和定位单元；

传感器为多个，呈空间立体化分布在隧道内部和隧道外部；传感器通过电缆连接采集仪；采集仪通过总线与数据处理单元相连；数据处理单元分别与定位单元相连；

所述传感器负责感应震源信息，并将感应到的震源信息传给采集仪；

所述采集仪负责接收传感器感应到的震源信息，并且存储或传输传感器传过来的震源信息给所述数据处理单元；

所述数据处理单元根据震源信息的波形，分离出岩体破裂震源信息和辅助震源信息；将获取的震源信息进行实时数据处理，经过滤处理去除冗余，得到有效数据处理结果，所述有效数据处理结果包括：岩体破裂震源信息对应微震事件产生裂缝的位置、时间、能量以及对应的震动波传输速度；

定位单元，根据岩体破裂震源信息的数据处理结果，对岩体破裂微震事件产生的裂缝进行定位，并结合每个被定位的岩体裂缝对应的微震事件的能量和时间获得岩体微震事件产生的裂缝的时间分布规律、空间分布规律。

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：

本发明通过在隧道内部和隧道外部共同布置多个传感器，以被动震源为基础数据，进行分离处理，根据分离后得到的岩体破裂震源信息对微震事件产生裂缝的位置和时间进行刻画，实现隧道岩体破坏过程的精确描述；

本发明通过利用双差成像技术对关键微震事件产生裂缝的位置和时间进行进一步的精准刻画，能够更进一步地精确实现隧道岩体破坏过程的描述。

本发明利用成像方法对岩体内部进行反演，实现实时监测岩体内部应力变化和结构变化。

本发明通过辅助震源信息对岩体破裂微震事件裂缝的位置和时间进行调整，能够使得隧道岩体破坏过程的描述更为精确。

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。成本可控、安装方便、适用广泛、操作简单。

附图说明

图1为本发明提供的一种隧道施工微震监测方法的实施流程图；

图2为本发明针对单孔隧道布置的传感器位置示意图；

图3为本发明针对双(多)孔隧道布置的传感器位置示意图；

图4为本发明实施例中微震双差成像结果示意图；

图5为本发明提供的一种隧道施工微震监测系统的结构示意图。

图中：

附图中：成像红色区域②、成像蓝色区域③。

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隧道施工微震监测方法，其把微震监测及成像技术应用于隧道监测，通过最佳系统布置及组合方案，不仅可以在隧道综合监测预警方面建立评价体系；还可以实时、大范围监测到隧道周岩体体应力变化、破坏发展情况，进而为评价隧道结构的安全性提供了基础。本发明实施例一包括如下步骤：

步骤S1，在隧道内部和隧道外部共同布置多个传感器，使其呈空间立体化分布，传感器连接采集仪。

在隧道内部和隧道外部共同布置多个传感器，其中在隧道内部布置的传感器呈扇形矩阵方式分布，在隧道外部布置的传感器沿着地表平行分布，使得隧道内部和隧道外部布置的多个传感器呈空间立体化分布。本发明通过呈空间立体化布置在隧道内部和隧道外部的传感器，能够覆盖整个监测范围，尤其是重点监测区域。

为了覆盖更宽频带的微震信息，上述传感器采用数量比为1:1的高频传感器和低频传感器，且这些高频传感器和低频传感器交错布置。

为了提高传感器对微震事件定位的准确性，在隧道内部布置传感器时，每个用于安装传感器的钻孔中均轴向安装两个传感器。通过每个钻孔内安装两个传感器，在一定程度上形成传感器串，可有效提高巷道岩体一定深度内微震事件定位的准确性。

用于安装传感器的钻孔，深为H，该H可以为30m。隧道内部每个钻孔内安装的两个传感器分别位于H和H/2位置处。

相邻钻孔之间的间距范围为5m～30m，该间距能够满足监测隧道岩体裂缝的演化和扩展的要求。其理由是：由于波的传导特性，岩体微小破裂产生的高频信号，传输衰减厉害，距离较远时传感器接收效果较差，结合前面搭配的高频传感器和低频传感器，可以监测到较宽频段的各类信号，因此传感器间距越近，才可以接收更为全面的低频信号，而低频信号又和裂缝形成时的尺度和能量息息相关。换言之，传感器距离越近，对小的裂缝形成定位和描述越清晰，但同时兼顾波的传导特性，所以将相邻钻孔之间的间距范围设为5m～30m，优选地，相邻钻孔之间的间距范围为15m～20m。

隧道外部的传感器安装在地表上，首先在地表上开设垂直钻孔，钻孔内安装传感器，并采用水泥、黄土等与地表材质耦合良好的封堵材料将该钻孔封堵好。

上述传感器的布置方法，既可以适用于如图2所示的单孔隧道，也适用于如图3所示的双(多)孔隧道。对于双(多)孔隧道，为了加强相邻隧道之间的中间隔离墙的控制，则需要在两个相邻隧道靠近中间隔离墙侧的隧道帮上安装传感器。此时安装传感器的方法与隧道内部安装传感器的方法相同，这里不再详细描述。

经过上述过程安装好传感器后，通过电缆将传感器的信号输出端与采集仪相连。传感器的主要工作是对震源信息感应，采集仪负责接收传感器感应到的震源信息，并且存储或传输该震源信息。

步骤S2，利用传感器以及采集仪采集震源信息

所有可用的震源信息均为被动震源信息，包括但不限于：隧道施工爆破震源信息、隧道施工期间的机械振动震源信息、岩体破裂震源信息和运输车辆行进震源信息。可见，利用传感器采集的震源信息为隧道内外所有可用震源信息，不需要人工特定激发。

其中的岩体破裂震源信息是在岩体破坏过程中由于剪切或者张拉破裂所产生的震源信息，每一个小的破裂可描述为一个微震事件。

隧道施工期间，保持传感器以及采集仪24h处于工作状态。传感器负责感应震源信息，并通过电缆将感应到的震源信息传给采集仪；采集仪负责接收传感器感应到的震源信息，并且存储或传输传感器传过来的震源信息。

步骤S3，根据震源信息的波形，分离出岩体破裂震源信息和辅助震源信息。

通过对震源信息的波形进行时频分析等，分离出岩体破裂震源信息和辅助震源信息。其中的岩体破裂震源信息作为确定隧道岩体破坏程度的基础数据；辅助震源信息，如隧道施工爆破震源信息、隧道施工期间的机械振动震源信息、运输车辆行进震源信息等，用于后续校核经基础数据确定的隧道岩体破坏程度。

步骤S4，将获取的震源信息进行实时数据处理，经过滤处理去除冗余，得到岩体破裂震源信息对应微震事件的位置、时间、能量以及对应的震动波传输速度等有效数据处理结果。

S41，首先对震源信息进行数据处理优先级划分过程：

按照项目重要程度确定项目等级，项目越重要则项目等级越高。

微震监测主要的震源信息是岩体破裂震源信息，准确地分离和识别出岩体破裂震源信息是最主要的任务，因此设置岩体破裂震源信息的数据处理等级最高。同时，其它振动源的所产生的震源信息，对于微震事件定位是没有作用的，但是这些震源信息也不是完全无用，其可以富含丰富的其它信息特征，例如爆破震源信息可以对整个监测系统的速度模型进行不断优化和校正；在岩体波速成像时，其它震源信息可以丰富覆盖岩体内部射线传播路径，可以提高波速场云图的分辨率，优化波速成像结果，提高结果可靠程度。

结合项目等级及震源信息的类型等进行综合评估，确定震源信息的数据处理优先级，项目等级越高的岩体破裂震源信息数据处理优先级越高，以便后续实现最优先事件最先完成处理。

S42，然后进行数据快速处理过程：

按照震源信息的数据处理优先级从高到低的顺序，将震源信息实时传递至数据处理中心。数据处理中心通过机器自动处理和人工介入优化的方法，对震源信息数据进行过滤处理去除其中的冗余数据，根据震源信息波形的振幅、振率等信息，提取出岩体破裂微震事件产生裂缝的位置、时间、能量以及对应的震动波传输速度等有效数据，使得数据处理结果达到数据处理质量和速度要求。

为了更精确反映震源信息对隧道岩体破坏程度，该步骤S4中，还要对辅助震源信息进行有效数据处理结果。这些有效数据处理结果作为辅助数据，与基于岩体破裂震源信息的有效数据处理结果一起，更为精确地确定震源信息对隧道岩体破坏程度。

步骤S5，根据岩体破裂震源信息的数据处理结果，对岩体产生的裂缝进行定位，并结合每个被定位的岩体裂缝对应的微震事件的能量和时间获得岩体微震事件产生的裂缝的时间分布规律、空间分布规律。

由于岩体破坏时，会产生一个剪切或者张拉破裂，每一个小的破裂描述为一个微震事件。对数据处理结果进行定位分析时，根据岩体破裂震源信息对应微震事件产生裂缝的位置信息，将岩体内部的所有岩体破裂微震事件产生的隧道裂缝的位置计算出来，放到实际的隧道空间中定位；然后结合岩体破裂震源信息对应微震事件的能量、时间等基本数据得到岩体微震事件产生裂缝的时间分布规律、空间分布规律。以便用户继续利用该裂缝的时间分布规律、空间分布规律和隧道其它影响因素联合分析，进而得到隧道变化的定量、定性分析结果。

经验证，通过本发明的上述步骤后，能够实现在垂直方向上对于隧道裂缝的定位精度小于裂缝扩展的尺度，从而能够准确确定出裂缝的准确位置和扩展的过程。

对于如巷道岩体内发生的较大能量的微震事件、隧道内部不利位置发生的微震事件等大事件，是影响整个隧道健康的关键微震事件。对于这些关键微震事件，采用双差成像定位算法对该关键微震事件产生的裂缝进行重新定位，以进一步优化定位结果，实现精度为零点几米左右的岩体破裂微震事件产生的隧道裂缝的定位。

为了更精确地反映微震事件对岩体的破坏情况，本发明实施例一中还可以利用辅助震源信息的有效数据处理结果，对岩体微震事件产生裂缝的时间分布规律、空间分布规律进行调整，得到调整后的岩体微震事件产生的裂缝的时间分布规律、空间分布规律。

辅助震源信息对于描述岩石破裂的过程是没有用处的，但对于优化速度模型，提高空间分布微震信息的完备程度是有好处的。利用辅助震源信息的有效数据处理结果对岩体微震事件产生裂缝的时间分布规律、空间分布规律进行调整的过程中，通常人为获得辅助震源信息的基本特征及参数，通过已知辅助震源信息，反复校正并提高微震数据质量、数据的精度，射线分布的均匀程度及密度。这些完成后，对岩体微震事件，重新定位描述，能获得更为可靠的时间、空间分布规律。

步骤S6，利用岩体破裂对应微震事件的时间分布规律和空间分布规律，采用三维可视化软件显示岩体变形和破裂反应的演化过程。

微震事件的时间分布规律和空间分布规律，可反映出微震事件在时间和空间尺度上的变化，也就反映出岩体反应演化的过程，因此可以三维可视化软件，根据微震事件的时间分布规律和空间分布规律显示岩体变形和破裂反应的演化过程。

为了更加形象地反映岩体内部应力分布状态和地质构造，本发明实施例一还可以包括如下步骤S7的处理过程：

步骤S7，利用步骤S4中得到的岩体破裂微震事件对应的震动波传输速度，采用双差成像方法对隧道岩体的波速场进行成像；通过成像结果反映的岩体的波速场分布间接反映岩体内部应力分布状态和地质构造。

根据波的传导特性，岩体内部破碎区域、应力较低区域的震动波的传输速度会较低，反之，岩体完整性好、应力较为集中的区域震动波的传输速度较高，所以岩体的波速场分布可以间接反映岩体内部应力分布状态和地质构造。

本发明利用岩体破裂震源信息中的震荡波传输速度，选取双差成像方法对隧道岩体的波速场进行成像，如图4所示，应力集中或应力大的岩体的波速场会呈现出蓝色区域(如图4中的③)；应力释放、断裂带、空区或岩体松散的岩体的波速场会呈现出红色的区域(如图4中的②)。可见，波速场的分布间接反映岩体内部应力分布状态。通过波速反演，可以判断隧道岩体或地质体的内部状态，评价岩体的完整性情况和内部构造影响情况。采用优化双差成像反演快速方法，可实现最小为五分钟的成像间隔。

实施例二：

本发明实施例二提供一种隧道施工微震监测系统，其结构如图5所示，包括：传感器51、采集仪52、数据处理单元53、定位单元54、显示单元55、双差成像单元56。

传感器51为多个，呈空间立体化分布在隧道内部和隧道外部；传感器51通过电缆连接采集仪52；采集仪52通过总线与数据处理单元53相连；数据处理单元53分别与定位单元54和双差成像单元56相连；定位单元54与显示单元55相连。

所述传感器51负责感应震源信息，并将感应到的震源信息传给采集仪52；

所述采集仪52负责接收传感器51感应到的震源信息，并且存储或传输传感器51传过来的震源信息给所述数据处理单元53；

所述数据处理单元53根据震源信息的波形，分离出岩体破裂震源信息和辅助震源信息；将获取的震源信息进行实时数据处理，经过滤处理去除冗余，得到有效数据处理结果，所述有效数据处理结果包括：岩体破裂震源信息对应微震事件产生裂缝的位置、时间、能量以及对应的震动波传输速度；

定位单元54，根据岩体破裂震源信息的数据处理结果，对岩体破裂微震事件产生的裂缝进行定位，并结合每个被定位的岩体裂缝对应的微震事件的能量和时间获得岩体微震事件产生的裂缝的时间分布规律、空间分布规律。

显示单元55负责利用岩体破裂微震事件产生裂缝的时间分布规律和空间分布规律，采用三维可视化软件显示岩体变形和破裂反应的演化过程。

双差成像单元56负责利用数据处理单元5得到的岩体破裂微震事件对应的震动波传输速度，采用双差成像方法对隧道岩体的波速场进行成像；通过成像结果反映的岩体的波速场分布间接反映岩体内部应力分布状态和地质构造。

以上各个单元或器件的功能以及处理情况与实施例一中的相关描述相同，这里不再详细描述。

上述实施例二中，数据处理单元53还负责将辅助震源信息进行实时数据处理，得到辅助震源信息对应事件产生裂缝的位置、时间、能量以及对应的震动波传输速度等有效数据处理结果；相应的，定位单元54还负责利用利用辅助震源信息的数据处理结果，对岩体破裂微震事件产生裂缝的时间分布规律和空间分布规律进行调整，得到调整后的岩体破裂微震事件产生裂缝的时间分布规律和空间分布规律，并传给显示单元55用于显示。

本发明以传统微震监测系统为硬件基础，加入双差成像定位和波速场成像方法，提高了监测精度，最小可达裂缝破裂的尺度。可以定量显示隧道岩体应力变化过程，并可以分析隧道岩体的不良地质构造。通过快速的数据处理方法和管理方式，实现短间隔结果快速成像，为安全生产提供了支持。

本发明可以一定程度上代替或者补充传统的隧道应力监测、松动圈探测和超前探测，适用于各种地质条件下复杂施工过程及后期运营的隧道，用于岩体压力监测、岩体应力成像、岩体构造成像和岩体破坏演化定量描述。本方法可以最大限度节省隧道施工监测成本，降低监测难度。可以科学准确实现隧道监测，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 (10)

1.一种隧道施工微震监测方法，其特征在于，所述隧道施工微震监测方法包括：

步骤S2，利用传感器采集震源信息；所述传感器为多个，呈空间立体化分布在隧道内部和隧道外部，且与采集仪连接；

步骤S3，根据震源信息的波形，分离出岩体破裂震源信息和辅助震源信息；

步骤S4，将获取的震源信息进行实时数据处理，经过滤处理去除冗余，得到有效数据处理结果，所述有效数据处理结果包括：岩体破裂震源信息对应微震事件产生裂缝的位置、时间、能量以及对应的震动波传输速度；

步骤S5，根据岩体破裂震源信息的数据处理结果，对岩体产生的裂缝进行定位，并结合每个被定位的岩体裂缝对应的微震事件的能量和时间获得岩体微震事件产生的裂缝的时间分布规律、空间分布规律。

2.根据权利要求1所述的隧道施工微震监测方法，其特征在于，

对于关键微震事件，采用双差成像定位算法对所述关键微震事件产生的裂缝进行进一步精确定位。

3.根据权利要求1或2所述的隧道施工微震监测方法，其特征在于，所述隧道施工微震监测方法还包括：

步骤S6，利用岩体破裂微震事件的时间分布规律和空间分布规律，采用三维可视化软件显示岩体变形和破裂反应的演化过程。

4.根据权利要求1或2所述的隧道施工微震监测方法，其特征在于，

所述步骤S4中的有效数据处理结果还包括：岩体破裂过程中对应的震动波传输速度；

所述隧道施工微震监测方法还包括：步骤S7，利用所述震动波传输速度，采用双差成像方法对隧道岩体的波速场进行成像；通过成像结果反映的岩体波速场分布间接反映岩体内部应力分布状态和地质构造。

5.根据权利要求1所述的隧道施工微震监测方法，其特征在于，

所述步骤S4中的有效数据处理结果还包括：辅助震源信息对应微震事件产生裂缝的位置、时间、能量以及对应的震动波传输速度；

所述隧道施工微震监测方法还包括：利用辅助震源信息优化岩体波速速度模型，对岩体微震事件的时间分布规律、空间分布规律进行优化调整。

6.根据权利要求1所述的隧道施工微震监测方法，其特征在于，

在隧道内部布置的传感器呈扇形矩阵方式分布；在隧道外部布置的传感器沿着地表平行分布。

7.根据权利要求6所述的隧道施工微震监测方法，其特征在于，在隧道内部布置传感器时，每个用于安装传感器的钻孔中均轴向安装两个传感器。

8.根据权利要求6所述的隧道施工微震监测方法，其特征在于，用于安装所述传感器的相邻钻孔之间的间距范围为5m～30m。

9.根据权利要求6所述的隧道施工微震监测方法，其特征在于，所述传感器采用数量比为1:1的高频传感器和低频传感器，且这些高频传感器和低频传感器交错布置。

10.一种应用权利要求1至9任意一项所述隧道施工微震监测方法的隧道施工微震监测系统，其特征在于，所述隧道施工微震监测系统包括：

传感器(51)、采集仪(52)、数据处理单元(53)和定位单元(54)；

传感器(51)为多个，呈空间立体化分布在隧道内部和隧道外部；传感器(51)通过电缆连接采集仪(52)；采集仪(52)通过总线与数据处理单元(53)相连；数据处理单元(53)分别与定位单元(54)相连；

所述传感器(51)负责感应震源信息，并将感应到的震源信息传给采集仪(52)；

所述采集仪(52)负责接收传感器(51)感应到的震源信息，并且存储或传输传感器(51)传过来的震源信息给所述数据处理单元(53)；

所述数据处理单元(53)根据震源信息的波形，分离出岩体破裂震源信息和辅助震源信息；将获取的震源信息进行实时数据处理，经过滤处理去除冗余，得到有效数据处理结果，所述有效数据处理结果包括：岩体破裂震源信息对应微震事件产生裂缝的位置、时间、能量以及对应的震动波传输速度；

定位单元(54)，根据岩体破裂震源信息的数据处理结果，对岩体破裂微震事件产生的裂缝进行定位，并结合每个被定位的岩体裂缝对应的微震事件的能量和时间获得岩体微震事件产生的裂缝的时间分布规律、空间分布规律。