CN107727737A - 一种开挖卸荷作用下地下工程未知地质构造活化识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开挖卸荷作用下地下工程未知地质构造活化识别方法，步骤如下：①在待测岩体区域安装微震监测传感器，建立三维坐标体系，确定岩体等效波速；②根据微震监测数据，计算出所有微震事件的空间坐标(Xj,Yj,Zj)及发生时间tj；统计微震事件发生频率，判断是否存在某一种未知地质构造的活化；③查看微震事件频率较高时段是否存在微震事件的聚集现象，判断地质构造的活化运动情况；④统计软弱结构面区域内微震事件释放能量Es/Ep值，判断软弱结构面破坏类型。本发明所述方法对于围岩监测范围广，能够对围岩内部微震活动进行持续观察，可以判定软弱结构面破坏形式，促进微震监测技术在工程实践中更好地发挥预测预警及指导作用。

Description

一种开挖卸荷作用下地下工程未知地质构造活化识别方法

技术领域

本实发明涉及岩土工程领域，特别涉及一种开挖卸荷作用下地下工程未知地质构造活化三维识别方法。

背景技术

地球表层的大多岩体，由于漫长的地质作用，会形成大量地质构造，例如断层、裂隙等，在自然状态下，这些地质构造一般处于稳定状态。当进行工程扰动时，这些地质构造可能出现活化趋势，导致围岩掉块、塌方等多种工程事故，造成大量的人员伤亡及设备损失，减缓工程进度。因此，如何进行地下工程地质构造活化情况勘探成为了岩土工程建设的一个重要议题。

工程地质勘探是在工程测绘的基础上，为了进一步查明地表以下一定深度范围的地质条件而进行的。勘探工作应与不同设计阶段的地质勘探任务密切配合，可用于查明地质构造，如岩层产状变化、构造形态、断层岩性破碎带特征、裂隙密集带的分布及随深度变化的规律。现有勘探方法主要包括坑探、钻探。坑探是用人工机械掘进的方式来探明地表以下浅部的工程地质条件，主要包括：探坑、浅井、探槽、斜井等。这种勘探方式技术要求低，运用范围广，可以直观地揭露、了解和识别地质现象。钻探技术是利用一定的设备和工具，在人力或动力的带动作用下旋转切割或者冲击凿碎岩石，形成一个直径较小而深度较大的圆形钻孔，可以揭露构造的走向，力学参数。

然而这两种方法均只能够勘探坑探或者钻探开挖范围的岩体地质条件，无法识别工程区域所有的地质构造；这将导致勘探范围及深度受限，勘探成本高、周期长；监测仪器必须放置与勘探区域，可能受到爆破冲击，导致仪器损坏。并且无法持续观察开挖卸荷过程中地质构造的变化过程；也无法有效评价软弱结构面对于岩体的影响结果；更无法有效识别开挖卸荷过程中，围岩的变形破坏形式。

在开挖卸荷作用下，岩体内部会产生局部区域会吸收能量，导致应力集中，当应力达到某一临界值，岩体即会发生微破裂现象，这种微破裂伴随着应力波与弹性波的释放，这种弹性波即是微震。利用微震监测技术采集微震信号，通过分析所采集的信号，可以反演出微震事件发生的位置及时间等震源参数。在外界应力作用下，岩体内部会产生局部弹塑性能集中现象，当能量积聚到某一临界值后，就会引起岩体微裂隙的产生与扩展，微裂隙的产生与扩展伴随着弹性波或者应力波的释放并在周围岩体内快速传播，这种弹性波在地质上称为微震。微震监测技术是通过在监测区域岩体布置传感器来采集微震信号，通过分析所采集的信号来圈定围岩损伤区域、反演微震事件发生的位置、时间及强度等震源参数，从而判定围岩是否存在断层、裂隙等软弱结构面的。

每个地震事件均会产生对应的P波和S波，可以通过安装在岩体中的传感器捕捉这些地震信号的初至时间和振幅等参数。这些参数中Es/Ep(Es代表S波能量，Ep代表p波能量)是反映地震震源机制的重要特征，通过研究发现，对于剪切型破坏，S波能量远大于P波能量：Es/Ep≥10时，微震事件由断层—滑移或者剪切破坏诱发；Es/Ep≤3时，微震事件由拉伸以及岩爆诱发；3<Es/Ep<10时，微震事件由复合型破坏诱发。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种开挖卸荷作用下地下工程未知地质构造活化三维识别方法，以提高地下工程开挖过程中围岩稳定性的评价能力，促进微震监测技术在工程实践中更好地发挥预测预警作用。

本发明通过下述技术方案实现：

一种开挖卸荷作用下地下工程未知地质构造活化识别方法，包括如下步骤：

S1.在待测岩体区域安装至少4个传感器，以某一个传感器的位置为坐标原点建立三维直角坐标系，测量各传感器和各爆破孔孔底中心处的三维坐标，将第i个传感器的三维坐标记作（xi, yi, zi），第j 个爆破孔孔底中心处的三维坐标记作（Xj, Yj, Zj），根据第j个爆破位置与传感器之间的距离，列出下列方程：

（1）

（2）

（3）

（4）

依次代入第1个，2个，...j个爆破位置的坐标;

S2.确定监测区域的接触岩体等效速度v1，v2，…vj，取其平均值v为等效波速：

（5）

S3.设定微震事件发生的位置为（Xj，Yj，Zj），微震发生的时间为tj，所有参数的集合为（Xj，Yj，Zj，tj）；微震事件弹性波被第i个传感器接收到的时间为tji，根据震源发生位置与传感器之间的距离关系列出方程（6）～（9）：

（6）

（7）

（8）

（9）

联立这4个方程，解出震源位置（Xj，Yj，Zj），以及微震事件发时间tj。

S4.统计微震事件发生的时间，作出微震事件数—时间分布关系，当微震事件发生频率存在异常增大时，说明工程活动区域可能存在某种未知地质构造的活化活动;

S5.设定我们获取的震源参数依次为（X1，Y1，Z1，t1），（X2，Y2，Z2，t2），…（Xj，Yj，Zj，tj），根据震源空间坐标参数，作出微震事件空间分布图；当微震事件大量集中在某一区域时，说明该区域存在软弱地质结构的活化情况；反之，则不存在软弱地质结构的活化情况。

作为一种优选方案，所述的开挖卸荷作用下地下工程未知地质构造活化识别方法，还包括如下步骤：

S6.选择微震事件聚集区域，分析该区域微震事件频率变化特征，判断软弱结构面活化程度，进而判断围岩变形破坏风险等级。

作为一种优选方案，所述的开挖卸荷作用下地下工程未知地质构造活化识别方法，还包括如下步骤：

S7.统计所有微震事件所释放的剪切能量与拉伸破坏能量比值Es/Ep，确定围岩破坏形式。

作为一种优选方案，在步骤S1.中所安装的传感器中的任意三个不在一条直线上，任意四个不在同一个平面上。

作为一种优选方案，步骤S1.中所述传感器与微震监测仪器连接。

作为一种优选方案，步骤S2.中确定监测区域的接触岩体等效速度v1，v2，…vj的方法是爆破法。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明提供了提供一种开挖卸荷作用下地下工程未知地质构造活化识别方法，该方法监测范围广，可长时间持续不间断进行观察，且对开挖卸荷作用下地下工程未知地质构造活化情况的识别准确度高。

2、由于该方法采用微震监测技术，对围岩损伤劣化进行立体监测，监测范围覆盖传感器所包围的所有区域。由于常规的地质勘探方法对岩体的勘探是一次性的，无法长期持续监测，更无法监测在围岩开挖卸荷过程中新出现的软弱结构面的变形行为。微震监测技术可以对岩石内部活动进行全天候24小时实时监测，监测工程活动期间由于开挖卸荷作用导致地质构造的活化过程，并预测其给工程带来的风险，从而可以指导施工。

3、微震监测仪器属于高精尖仪器，其体积较小。并且通过弹性波感应围岩破裂，进而判断围岩破裂区域，可以避开爆破开挖区域，进而有效保护监测仪器。

4、可以根据微震事件发生的频率，判断微震围岩活化结构面的风险等级，从而准确指导支护施工等。

5、微震监测技术可以分析围岩破坏所释放能量的情况，从而判定围岩变形破坏方式，有利于针对围岩破坏形式对围岩采取相应的支护措施，提高支护效果。

附图说明

图1是微震监测所用传感器空间位置图；

图2是某边坡开挖期间微震事件频率图；

图3是根据某边坡开挖期间微震监测结果确定的微震事件分布，以及根据微震事件分布所得到的软弱结构面分布图；

图4是统计所得的某边坡开挖期间所有微震事件能量比值Es/Ep分布图。

图5是某地下厂房开挖期间微震事件频率图；

图6是根据某地下厂房开挖期间微震监测结果确定的微震事件分布，以及根据微震事件分布所得到的软弱结构面分布图；

图7是统计所得的某地下厂房所有微震事件能量比值Es/Ep分布图。

其中，1-1为第一只传感器，1-2为第二只传感器、1-3为第三只传感器、1-4为第四只传感器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例子1

本实施案例为某大型水电站左岸边坡，软弱结构面活化判定过程如下：

S1.如图1所示，选取左岸边坡拱肩槽为其研究范围，其范围为200 m×200 m×200 m（即长宽高，分别为沿水流方向，垂直于水流方向以及竖直方向），安装12传感器，实施一次爆破，利用试算法获取岩体等效波速；并以监测区域某点为坐标原点建立三维直角坐标系，测量各传感器的三维坐标。测量各传感器和各爆破孔孔底中心处的三维坐标，将第i个传感器的三维坐标记作（xi, yi, zi），第j个爆破孔孔底中心处的三维坐标记作（Xj, Yj, Zj），根据第j个爆破位置与传感器之间的距离，列出下列方程：

（1）

（2）

（3）

（4）

依次代入第1个，2个，…j个爆破位置坐标；

S2.确定监测区域的接触岩体等效速度v1，v2，…vj，取其平均值v为等效波速：

（5）

S3.设定微震事件发生的位置为（Xj，Yj，Zj），微震发生的时间为tj，所有参数的集合为（Xi，Yi，Zi，tj）；微震事件弹性波被第i个传感器接收到的时间为tji，根据震源发生位置与传感器之间的距离关系可以列出方程（6）~（9），如下：

（6）

（7）

（8）

（9）

联立这4个方程，解出震源位置（Xj，Yj，Zj），以及微震事件发时间tj。

S4.运行微震监测仪器，对采集到的监测数据进行处理分析，统计微震事件发生的时间，作出微震事件数—时间分布关系，如图2所示，当微震事件发生频率存在异常增大时，说明工程活动区域可能存在某种未知地质构造的活化活动；依次获取微震事件的位置，并给出空间分布图。

S5.设定我们获取的震源参数依次为（X1，Y1，Z1，t1），（X2，Y2，Z2，t2），…（Xj，Yj，Zj，tj），根据震源空间坐标参数，我们在空间中依次找出他们的位置，分析其位置关系；发现大量微震事件大量聚集于已知的软弱结构面，说明微震监测可以有效地确定软弱结构面分布位置，如图3所示。

S6.分析现场微震事件频率变化，发现2015年3月下旬以及2015年6月末至7月上旬微震事件发生频率显著增大，并且该时段微震事件主要集中于1#排水廊道附近。说明该时段1#排水廊道附近围岩变形破坏风向显著增加，经过现场勘探核查，该区域围岩在3月下旬出现裂缝，并在2015年7月上旬有扩大迹象。

S7.根据软弱结构面位置的微震事件S波振幅以及P波振幅计算其能量构成，对件参数的能量比值Es/Ep进行统计分析，并作出Es/Ep图，如图4所示，其中大约83%的微震事件Es/Ep≥3，说明该区域岩石以剪切破坏及复合破坏为主，同时伴随少量拉伸破坏，与现场勘探一致，因此在后期支护中应当主要防止围岩发生剪切。

实施例2：

本实施案例为某大型水电站地下厂房洞室群，软弱结构面活化判定过程如下：

S1.如图1所示，选取主厂房上游边墙为其研究范围，其范围为200 m×200 m×200 m（即长宽高，分别为沿水流方向，垂直于水流方向以及竖直方向），安装4传感器，实施一次爆破，利用试算法获取岩体等效波速；并以监测区域某点为坐标原点建立三维直角坐标系，测量各传感器的三维坐标。测量各传感器和各爆破孔孔底中心处的三维坐标，将第i个传感器的三维坐标记作（xi, yi, zi），第j个爆破孔孔底中心处的三维坐标记作（Xj, Yj, Zj），根据第j个爆破位置与传感器之间的距离，列出下列方程：

（10）

（11）

（12）

（13）

依次代入第1个，2个，…j个爆破位置坐标；

S2.确定监测区域的接触岩体等效速度v1，v2，…vj，取其平均值v为等效波速：

（14）

S3.设定微震事件发生的位置为（Xj，Yj，Zj），微震发生的时间为ti，所有参数的集合为（Xj，Yj，Zj，tj）；微震事件弹性波被第i个传感器接收到的时间为tji，根据震源发生位置与传感器之间的距离关系可以列出方程（15）~（18），如下：

（15）

（16）

（17）

（18）

联立这4个方程，解出震源位置（Xj，Yj，Zj），以及微震事件发时间tj。

S4.运行微震监测仪器，对采集到的监测数据进行处理分析，统计微震事件发生的时间，作出微震事件数—时间分布关系，如图6所示，当微震事件发生频率存在异常增大时，说明工程活动区域可能存在某种未知地质构造的活化活动；依次获取微震事件的位置，并给出空间分布图。

S5.设定我们获取的震源参数依次为（X1，Y1，Z1，t1），（X2，Y2，Z2，t2），…（Xj，Yj，Zj，tj），根据震源空间坐标参数，我们在空间中依次找出他们的位置，分析其位置关系；发现大量微震事件聚集于主厂房上游边墙，说明该区域存在软弱地质结构的活化情况，如图6所示。

S6.分析现场微震事件频率变化，发现2015年7月微震事件发生频率显著增大，并且该时段微震事件主要集中于主厂房上游边墙。说明该主厂房上游边墙围岩变形破坏风向显著增加。经过现场勘探核查，发现主厂房上游边墙补气洞7月份出现环向裂缝，与微震监测结果吻合良好。

S7.根据软弱结构面位置的微震事件S波振幅以及P波振幅计算其能量构成，对件参数的能量比值Es/Ep进行统计分析，并作出Es/Ep图，如图7所示，其中大约80%的微震事件Es/Ep≤10，说明该区域岩石以拉伸破坏为主，与现场勘探结果一致，因此在后期支护中应当主要防止围岩发生拉伸破坏。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种开挖卸荷作用下地下工程未知地质构造活化识别方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1.在待测岩体区域安装至少4个传感器，以某一个传感器的位置为坐标原点建立三维直角坐标系，测量各传感器和各爆破孔孔底中心处的三维坐标，将第i个传感器的三维坐标记作（xi, yi, zi），第j 个爆破孔孔底中心处的三维坐标记作（Xj, Yj, Zj），根据第j个爆破位置与传感器之间的距离，列出下列方程：

（1）

（2）

（3）

（4）

依次代入第1个，2个，...j个爆破位置的坐标;

S2.确定监测区域的接触岩体等效速度v1，v2，…vj，取其平均值v为等效波速：

（5）

S3.设定微震事件发生的位置为（Xj，Yj，Zj），微震发生的时间为tj，所有参数的集合为（Xj，Yj，Zj，tj）；微震事件弹性波被第i个传感器接收到的时间为tji，根据震源发生位置与传感器之间的距离关系列出方程（6）～（9）：

（6）

（7）

（8）

（9）

联立这4个方程，解出震源位置（Xj，Yj，Zj），以及微震事件发时间tj，

S4.统计微震事件发生的时间，作出微震事件数—时间分布关系，当微震事件发生频率存在异常增大时，说明工程活动区域可能存在某种未知地质构造的活化活动;

S5.设定我们获取的震源参数依次为（X1，Y1，Z1，t1），（X2，Y2，Z2，t2），…（Xj，Yj，Zj，tj），根据震源空间坐标参数，作出微震事件空间分布图；当微震事件大量集中在某一区域时，说明该区域存在软弱地质结构的活化情况；反之，则不存在软弱地质结构的活化情况。

2.根据权利要求1所述的开挖卸荷作用下地下工程未知地质构造活化识别方法，其特征在于：还包括如下步骤：

S6.选择微震事件聚集区域，分析该区域微震事件频率变化特征，判断软弱结构面活化程度，进而判断围岩变形破坏风险等级。

3.根据权利要求1所述的开挖卸荷作用下地下工程未知地质构造活化识别方法，其特征在于：还包括如下步骤：

S7.统计所有微震事件所释放的剪切能量与拉伸破坏能量比值Es/Ep，确定围岩破坏形式。

4.根据权利要求1所述的开挖卸荷作用下地下工程未知地质构造活化识别方法，其特征在于：在步骤S1.中所安装的传感器中的任意三个不在一条直线上，任意四个不在同一个平面上。

5.根据权利要求1所述的开挖卸荷作用下地下工程未知地质构造活化识别方法，其特征在于：在步骤S1.中所述传感器与微震监测仪器连接。

6.根据权利要求1所述的开挖卸荷作用下地下工程未知地质构造活化识别方法，其特征在于：在步骤S2.中确定监测区域的接触岩体等效速度v1，v2，…vj的方法是爆破法。