CN111577390A - 隧道岩爆微震监测判识预警施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种隧道岩爆微震监测判识预警施工方法，包括以下步骤：S1)在隧道掌子面后方预定距离范围内，沿着隧道壁环向安装多环微震传感器，微震传感器用于采集岩体内的微震活动数据；S2)在隧道底板位置预埋数据采集线，并通过数据采集线将所安装的微震传感器连接至微震监测设备，以对微震传感器采集的微震活动数据进行收集得到微震监测数据；S3)建立岩爆实时微震监测系统和预警系统，进行微震分析，根据微震分析结果对隧道施工掌子面周围岩层的岩爆危险等级进行预警；S4)根据岩爆危险等级的预警情况，动态调控下一循环开挖支护措施，确保隧道开挖安全受控。

Description

隧道岩爆微震监测判识预警施工方法

技术领域

本发明涉及浅埋暗挖隧道技术领域，具体涉及一种隧道岩爆微震监测判识预警施工方法。

背景技术

国内大力建设众多交通隧道、引水隧道等地下工程，其中出现了很多深埋长大隧道工程。对于地处地质环境复杂、地质构造活跃、地应力极高的青藏高原，其建设过程中面临的岩爆灾害问题越来越突出。突发的岩爆灾害不仅威胁施工人员和设备安全，也严重迟滞了施工进度，极大增加了施工成本。针对地质构造复杂、氧气稀薄，且岩爆段占比高、规模大的深埋高风险岩爆隧道，现有方法在微破裂信号捕捉、缺氧环境微震监测技术快速实施、岩爆风险多方及时决策等方面的适用性受限，且目前尚无针对高原地区岩爆隧道的微震监测判识预警的有效施工工法。因此，如何快速、有效开展微震监测与岩爆判识预警，成为亟待解决的工程难题。

发明内容

本发明提供一种隧道岩爆微震监测判识预警施工方法，大大提高了岩爆预测判识的准确度和及时性，保证了施工人员及机械设备安全，能大大提高施工进度，节约施工工期的同时极大减少了施工成本，降低了施工配合需求和微震监测施工时间，保证施工及监测人员的安全；实现了复杂施工条件下微震信息实时连续传输与管理。

本发明提供的隧道岩爆微震监测判识预警施工方法，包括以下步骤： S1)对于每一隧道开挖循环，在隧道掌子面后方预定距离范围内，沿着隧道壁环向安装多环微震传感器，所述微震传感器用于采集岩体内的微震活动数据；S2)在已形成的隧道底板位置预埋微震数据采集线，并通过所述微震数据采集线将所安装的微震传感器连接至所述微震监测设备，以对所述微震传感器采集的微震活动数据进行收集得到微震监测数据； S3)建立岩爆实时微震监测系统和预警系统，所述岩爆实时微震监测系统用于从微震监测设备接收微震监测数据并进行微震分析，所述预警系统用于根据来自所述岩爆实时微震监测系统的微震分析结果对所述隧道施工掌子面周围岩层的岩爆危险等级进行预警；S4)根据岩爆危险等级的预警情况，动态调控下一循环开挖支护措施。

优选地，步骤S1)中，所述微震传感器为大螺距三向耦合传感器。

优选地，所述多环微震传感器中的微震传感器交错布置，使得每个所述微震传感器在所述施工掌子面上的投影不重合。

优选地，步骤S1)中，所述沿着隧道壁环向安装多环微震传感器，包括：沿着隧道环向在隧道的顶拱和两侧边墙开设多个监测孔，将微震传感器安装在对应的监测孔内。

优选地，步骤S2)中，在已形成的隧道底板位置预埋微震数据采集线，包括：在已形成的隧道底部挖掘预埋沟；将走线钢管放置入所述预埋沟内；将所述微震数据采集线穿过所述走线钢管连接所述微震传感器和所述微震监测设备；回填所述预埋沟。

优选地，步骤S3)中，所述建立岩爆实时微震监测系统，包括：沿隧道轴线布置多条无线网桥，建立无线局域通讯网；通过所述无线局域通讯网将由所述微震监测设备获得的微震监测数据实时传送至微震监控平台；由监测及分析人员通过所述微震监控平台查看微震监测数据并进行微震分析以得到微震分析结果。

优选地，步骤S3)中，建立预警系统对岩爆危险等级预警，包括：基于岩爆发生概率进行所述岩爆危险等级预警，所述岩爆发生概率计算公式如下：

上式中：m为施工方法，所述施工方法包括钻爆法和TBM法；

r为岩爆类型，所述岩爆类型按岩爆机制划分包括应变型岩爆、应变-结构面滑移型岩爆；

i为岩爆等级，包括无岩爆、轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆；

j为预警区域微震监测信息；

为施工方法m条件下岩爆类型r为岩爆预警时，微震监测信息j的权系数；

为基于微震监测信息j获取的施工方法m条件下，岩爆类型r、岩爆等级i的岩爆发生概率；

P_i ^mr为施工方法m条件下岩爆类型r、岩爆等级i的岩爆发生概率。

优选地，步骤S3)中，所述岩爆危险等级包括：强烈岩爆、中等岩爆、轻微岩爆以及低风险。

优选地，步骤S4)中，根据岩爆危险等级的预警情况，动态调控下一循环开挖支护措施，包括：在强烈岩爆等级预警的情况下，暂缓施工并打设应力释放孔，施作超前锚杆对岩体进行加固；在中等岩爆等级预警的情况下，暂缓施工并施作涨壳式锚杆和锚网对岩体进行加固；在轻微岩爆等级预警的情况下，打设应力释放孔并缩短施工进尺；在低风险等级预警的情况下，不采取岩爆防治措施。

本发明提供的隧道岩爆微震监测判识预警施工方法，隧道工程在空间上为线性布置，岩爆主要发生在掌子面附近，因此将所述多个微震传感器与隧道施工掌子面相隔预定距离环向设置，以采集掌子面附近岩层的微震数据；采用微震数据采集线路从隧道底部走地快速铺设，避免传统拱顶高空走线造成的高原缺氧条件下，长时间进行高空作业，降低了施工配合需求和微震监测施工时间，保证施工监测人员的安全；所述微震监测系统和预警系统采用全无线通讯方式实时传输监测微震信息，以实现复杂施工条件下微震信息实时连续传输与管理。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是根据本发明实施方式的隧道岩爆微震监测判识预警施工方法的步骤流程图；

图2是根据本发明实施方式的隧道岩爆微震监测判识预警施工方法中隧道的走向示意图；

图3是根据本发明实施方式的隧道岩爆微震监测判识预警施工方法中隧道的断面示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述。

如图1-图3所示，本发明提供一种隧道岩爆微震监测判识预警施工方法，包括以下步骤：S1)对于每一隧道开挖循环，在隧道掌子面后方预定距离范围内，沿着隧道壁环向安装多环微震传感器，所述微震传感器用于采集岩体内的微震活动数据；S2)在已形成的隧道底板位置预埋微震数据采集线，并通过所述微震数据采集线将所安装的微震传感器连接至所述微震监测设备，以对所述微震传感器采集的微震活动数据进行收集得到微震监测数据；S3)建立岩爆实时微震监测系统和预警系统，所述岩爆实时微震监测系统用于从微震监测设备接收微震监测数据并进行微震分析，所述预警系统用于根据来自所述岩爆实时微震监测系统的微震分析结果对所述隧道施工掌子面周围岩层的岩爆危险等级进行预警； S4)根据岩爆危险等级的预警情况，动态调控下一循环开挖支护措施。

根据本发明的技术方案，所述隧道岩爆微震监测判识预警施工方法，包括步骤：S1)对于每一隧道开挖循环，在隧道掌子面后方预定距离范围内，沿着隧道壁环向安装多环微震传感器，所述微震传感器用于采集岩体内的微震活动数据；隧道工程在空间上为线性布置，岩爆主要发生在掌子面附近，因此将所述多个微震传感器与隧道施工掌子面相隔预定距离环向设置，以采集掌子面附近岩层的微震数据。

优选地，所述微震传感器为大螺距三向耦合传感器，所述大螺距三向耦合传感器可监测到三个不同方向的振动数据，所述三向耦合传感器需要占用三个微震监测系统通道，因此在微震监测系统通道数有限时，选用单向微震传感器。

由于隧道工程传感器移动较为频繁，采用可回收式的大螺距安装方式，以节约监测成本。

根据本发明的一种实施方式，优选地，所述多环微震传感器中的微震传感器交错布置，使得每个所述微震传感器在所述施工掌子面上的投影不重合，以保证覆盖所述掌子面附近岩层。

根据本发明的一种实施方式，优选地，步骤S1)中，所述沿着隧道壁环向安装多环微震传感器，包括：沿着隧道环向在隧道的顶拱和两侧边墙开设多个监测孔，将微震传感器安装在对应的监测孔内。监测孔的钻孔直径不小于安装传感器直径的1.5倍；当为速度型传感器时，孔径不小于75mm；当为加速度型传感器时，孔径不小于100mm。

为保证系统对隧道开挖过程中的微破裂信号的有效监测，传感器需紧跟掌子面布置，且随着掌子面向前推进，传感器也需向前移动。根据本发明的一种实施方式，在与隧道施工掌子面相距预定距离的隧道壁上环向安装多个微震传感器为设置一组微震传感器，沿着隧道的纵轴线方向至少设置两组所述微震传感器，所述掌子面每向前推进预定距离，距离所述掌子面最远的一组所述微震传感器移动至距离所述掌子面预定距离位置。

具体地，传感器布置的步骤如下：1)在距离所述掌子面70m处布置第一组共4只(编号D1-1～D1-4)传感器，其中D1-1、D1-3及D1-4 为单向速度型；D1-2为三向加速度型，相邻传感器之间相距2m(如图2 所示)；2)当所述掌子面向前推进，所述第一组传感器距离掌子面约110m 时，在所述掌子面和所述第一组传感器之间安装第二组共4只(编号 D2-1～D2-4)，与第一组传感器相距约30m，且交错布置，使得两组传感器在同一断面上的投影不能重合(如图3所示)；3)所述掌子面继续推进至距第一组传感器150m处时，回收第一组传感器，并于距当前掌子面70m处布置第三组传感器。

根据本发明的技术方案，步骤：S2)在已形成的隧道底部预埋微震数据采集线，并通过所述微震数据采集线将所安装的微震传感器连接至所述微震监测设备，以对所述微震传感器采集的微震活动数据进行收集得到微震监测数据；采用微震数据采集线路从隧道底部走地快速铺设，避免传统拱顶高空走线造成的高原缺氧条件下，长时间进行高空作业，降低了施工配合需求和微震监测施工时间，保证施工监测人员的安全。

根据本发明的一种实施方式，优选地，步骤S2)中，在已形成的隧道底板位置预埋微震数据采集线，包括：在已形成的隧道底部挖掘预埋沟；将走线钢管放置入所述预埋沟内；将所述微震数据采集线穿过所述走线钢管连接所述微震传感器和所述微震监测设备；回填所述预埋沟。

根据本发明的技术方案，步骤：S3)建立岩爆实时微震监测系统和预警系统，所述岩爆实时微震监测系统用于从微震监测设备接收微震监测数据并进行微震分析，所述预警系统用于根据来自所述岩爆实时微震监测系统的微震分析结果对所述隧道施工掌子面周围岩层的岩爆危险等级进行预警；所述微震监测系统和预警系统采用全无线通讯方式实时传输监测微震信息，以实现复杂施工条件下微震信息实时连续传输与管理。

根据本发明的一种实施方式，优选地，步骤S3)中，所述建立岩爆实时微震监测系统，包括：沿隧道轴线布置多条无线网桥，建立无线局域通讯网；通过所述无线局域通讯网将由所述微震监测设备获得的微震监测数据实时传送至微震监控平台；由监测及分析人员通过所述微震监控平台查看微震监测数据并进行微震分析以得到微震分析结果。

根据隧道近似线性笔直的工程平面布置特性，通过沿隧道轴线布置了一系列无线网桥(间距1.2～1.4km)，自建无线局域通讯网，记录在监测服务器的数据通过自建的无线局域网实时传送至设置在营地的微震监控平台。同时，监控平台的监测人员还可通过无线局域网实时查看现场监测服务器及传感器等微震设备的工作状态。在发现故障后可第一时间前往隧道内进行故障排查和系统维护，保障监测数据的连续性。通过已有的互联网或无线Wifi，监测数据被汇总营地岩爆预警与风险调控中心。随后研究人员基于所监测的微震活动特征解译隧道开挖过程中即时潜在的岩爆风险，并以预警日报的形式发布。

具体的搭建步骤如下：1)将微震监测设备放置在微震监测箱内防止爆破飞石、灰尘对监测服务器、采集仪的损害。微震监测箱的位置距离掌子面150m；2)利用3芯电源线从隧道主电源处接入220V的电源，并分别串联一台高性能的稳压器和一台不间断电源。利用不间断电源的 220V输出端，给微震监测服务器和采集仪供电；3)按照连接要求将采集仪与服务器、2根8芯采集电缆线分别有序连接，完成监测系统的搭建。4)利用电钻在监测箱附近和隧道洞口方向距离监测箱约1.3km处的隧道拱肩位置分别钻凿孔径10mm、孔深200mm的孔，用锤子将一组可以配对(频点相同)的无线网桥分别固定装置紧固安装在孔内，并对该无线网桥接入电源供电。5)利用高性能网线将监测箱附近的无线网桥与监测服务器的网口连接。6)按照上述方式成对的增加无线网桥，直至能与营地的控制服务器相连接的无线网桥无线连接。通过上述施工方式，完成微震监测系统以及无线通讯系统的搭建，实现对洞内微震监测设备 (采集仪)、微震数据的监控和传输。

根据本发明的一种实施方式，优选地，步骤S3)中，建立预警系统对岩爆危险等级预警，包括：基于岩爆发生概率进行所述岩爆危险等级预警，所述岩爆发生概率计算公式如下：

上式中：m为施工方法，所述施工方法包括钻爆法和TBM(全断面隧道掘进机)法；

r为岩爆类型，所述岩爆类型按岩爆机制划分包括应变型岩爆、应变-结构面滑移型岩爆；

i为岩爆等级，包括无岩爆、轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆；

j为预警区域微震监测信息；

为施工方法m条件下岩爆类型r为岩爆预警时，微震监测信息j的权系数；

为基于微震监测信息j获取的施工方法m条件下，岩爆类型r、岩爆等级i的岩爆发生概率；

P_i ^mr为施工方法m条件下岩爆类型r、岩爆等级i的岩爆发生概率。

利用预警模型计算预警区域内各等级岩爆的发生概率，将发生概率最大的等级作为岩爆预警等级，每个预警区段出具一次预警报告，当开挖区段超过预警区域时，需更新岩爆预警。

根据本发明的一种实施方式，优选地，步骤S3)中，所述岩爆危险等级包括：强烈岩爆、中等岩爆、轻微岩爆以及低风险。

根据本发明的技术方案，步骤：S4)根据岩爆危险等级的预警情况，动态调控下一循环开挖支护措施，基于实时微震监测信息定量预警岩爆等级，及时针对性动态调整工程开挖和支护参数，降低岩爆风险，安全高效快速施工岩爆段落。

根据本发明的一种实施方式，优选地，步骤S4)中，根据岩爆危险等级的预警情况，动态调控下一循环开挖支护措施，包括：在强烈岩爆等级预警的情况下，暂缓施工并打设应力释放孔，施作超前锚杆对岩体进行加固；在中等岩爆等级预警的情况下，暂缓施工并施作涨壳式锚杆和锚网对岩体进行加固；在轻微岩爆等级预警的情况下，打设应力释放孔并缩短施工进尺；在低风险等级预警的情况下，不采取岩爆防治措施。

基于岩爆预警的岩爆防控动态施工表如下：

本发明的目的是提供一种隧道岩爆微震监测判识预警施工方法，隧道工程在空间上为线性布置，岩爆主要发生在掌子面附近，因此将所述多个微震传感器与隧道施工掌子面相隔预定距离环向设置，以采集掌子面附近岩层的微震数据；采用微震数据采集线路从隧道底部走地快速铺设，避免传统拱顶高空走线造成的高原缺氧条件下，长时间进行高空作业，降低了施工配合需求和微震监测施工时间，保证施工监测人员的安全；所述微震监测系统和预警系统采用全无线通讯方式实时传输监测微震信息，以实现复杂施工条件下微震信息实时连续传输与管理。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (9)

1.一种隧道岩爆微震监测判识预警施工方法，其特征在于，所述施工方法包括以下步骤：

S1)对于每一隧道开挖循环，在隧道掌子面后方预定距离范围内，沿着隧道壁环向安装多环微震传感器，所述微震传感器用于采集岩体内的微震活动数据；

S2)在已形成的隧道底板位置预埋微震数据采集线，并通过所述微震数据采集线将所安装的微震传感器连接至所述微震监测设备，以对所述微震传感器采集的微震活动数据进行收集得到微震监测数据；

S3)建立岩爆实时微震监测系统和预警系统，所述岩爆实时微震监测系统用于从微震监测设备接收微震监测数据并进行微震分析，所述预警系统用于根据来自所述岩爆实时微震监测系统的微震分析结果对所述隧道施工掌子面周围岩层的岩爆危险等级进行预警；

S4)根据岩爆危险等级的预警情况，动态调控下一循环开挖支护措施。

2.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于，步骤S1)中，所述微震传感器为大螺距三向耦合传感器。

3.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于，所述多环微震传感器中的微震传感器交错布置，使得每个所述微震传感器在所述施工掌子面上的投影不重合。

4.根据权利要求3所述的施工方法，其特征在于，步骤S1)中，所述沿着隧道壁环向安装多环微震传感器，包括：

沿着隧道环向在隧道的顶拱和两侧边墙开设多个监测孔，将微震传感器安装在对应的监测孔内。

5.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于，步骤S2)中，在已形成的隧道底板位置预埋微震数据采集线，包括：

在已形成的隧道底部挖掘预埋沟；

将走线钢管放置入所述预埋沟内；

将所述微震数据采集线穿过所述走线钢管连接所述微震传感器和所述微震监测设备；

回填所述预埋沟。

6.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于，步骤S3)中，所述建立岩爆实时微震监测系统，包括：

沿隧道轴线布置多条无线网桥，建立无线局域通讯网；

通过所述无线局域通讯网将由所述微震监测设备获得的微震监测数据实时传送至微震监控平台；

由监测及分析人员通过所述微震监控平台查看微震监测数据并进行微震分析以得到微震分析结果。

7.根据权利要求6所述的施工方法，其特征在于，步骤S3)中，建立预警系统对岩爆危险等级预警，包括：

基于岩爆发生概率进行所述岩爆危险等级预警，所述岩爆发生概率计算公式如下：

上式中：m为施工方法，所述施工方法包括钻爆法和TBM法；

r为岩爆类型，所述岩爆类型按岩爆机制划分包括应变型岩爆、应变-结构面滑移型岩爆；

i为岩爆等级，包括无岩爆、轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆；

j为预警区域微震监测信息；

为施工方法m条件下岩爆类型r为岩爆预警时，微震监测信息j的权系数；

为基于微震监测信息j获取的施工方法m条件下，岩爆类型r、岩爆等级i的岩爆发生概率；

P_i ^mr为施工方法m条件下岩爆类型r、岩爆等级i的岩爆发生概率。

8.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于，步骤S3)中，所述岩爆危险等级包括：强烈岩爆、中等岩爆、轻微岩爆以及低风险。

9.根据权利要求8所述的施工方法，其特征在于，步骤S4)中，根据岩爆危险等级的预警情况，动态调控下一循环开挖支护措施，包括：

在强烈岩爆等级预警的情况下，暂缓施工并打设应力释放孔，施作超前锚杆对岩体进行加固；

在中等岩爆等级预警的情况下，暂缓施工并施作涨壳式锚杆和锚网对岩体进行加固；

在轻微岩爆等级预警的情况下，打设应力释放孔并缩短施工进尺；

在低风险等级预警的情况下，不采取岩爆防治措施。

Images