馮思寧，藍 蘭，韋君恩，黃京華

（1.廣西壯族自治區(qū)水利廳那板水庫管理中心，廣西 上思 535500；2.廣西大學(xué)，南寧 530004）

1 工程概況

廣西上思縣那板水庫位于左江支流明江河上游，壩址距上思縣城4 km，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電、城鎮(zhèn)供水、養(yǎng)殖等綜合利用的大（2）型水利工程。新建1#灌溉發(fā)電放水系統(tǒng)引水隧洞是那板水庫除險加固工程的關(guān)鍵性控制工程。該隧洞分為隧洞進口漸變段、進口段、中間段及出口段，全長500 m。隧洞進口漸變段緊接放水塔，長5.0 m；隧洞段長495 m，隧洞起點底高程201.00 m，終點底高程197.486 m；隧洞出口位于北灌渠渠首放水閘旁。隧洞為圓型斷面，襯砌后斷面直徑為3 m。隧洞開挖采用手風(fēng)鉆鉆孔爆破，全段面開挖[1]。

2 微震監(jiān)測的技術(shù)特點

擬建輸水隧洞沿線共發(fā)育2組背斜、1組向斜與2 條斷層，巖層產(chǎn)狀變化較大。隧洞進口漸變段圍巖為Ⅴ類，進出口段圍巖為Ⅴ類，洞身圍巖為Ⅳ～Ⅴ類。隧洞位于地下水位以下，洞身地下水以線狀流水為主，除洞身弱風(fēng)化石英砂巖段為Ⅳ類圍巖外，其余均為Ⅴ類圍巖，隧洞施工過程中容易發(fā)生塌方地質(zhì)災(zāi)害[2]。塌方地質(zhì)災(zāi)害一旦發(fā)生，易導(dǎo)致人員傷亡、施工設(shè)備損毀、工期延誤等嚴重安全事故，為此，需加強隧洞圍巖穩(wěn)定監(jiān)測。常規(guī)監(jiān)測主要針對圍巖變形，但圍巖變形監(jiān)測不適用于圍巖失穩(wěn)前變形較小的情形，無法有效獲取變形監(jiān)測設(shè)備安裝前的圍巖變形，當(dāng)圍巖已經(jīng)發(fā)生嚴重破裂變形后量測儀器才能發(fā)揮作用，無法實時提供監(jiān)測與預(yù)警信息等。近年來，一種被喻為“巖石破裂聽診器”的微震監(jiān)測新技術(shù)日益受到巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域?qū)W術(shù)界與工程界的關(guān)注。微震監(jiān)測通過在隧洞內(nèi)部布置一定數(shù)量的微震傳感器，探測并實時記錄巖體中微破裂產(chǎn)生的彈性波，利用算法對其特征參數(shù)進行分析并作出評估，進而為災(zāi)害預(yù)報和控制提供依據(jù)的監(jiān)測技術(shù)[3]。它具備以下優(yōu)點：

（1）圍巖破裂過程的時間感知。微震信號是硬脆性巖石破裂過程中伴隨產(chǎn)生的一種微震動信號，系統(tǒng)頻帶范圍達到10～5 kHz，既保證了全隧洞范圍的微震監(jiān)測，又能對重點掌子面開挖區(qū)域進行強化監(jiān)測，并確保對監(jiān)測到的微震信號有高的線性度。通過微震監(jiān)測軟件進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，對微震信號進行除噪，獲取真實巖體破裂微震信號。

（2）圍巖破裂位置的空間感知。通過微震監(jiān)測設(shè)備可手動（自動）撿取通道信息進行震源定位，并可顯示震源在圖上的位置，及自動計算震動能量。震源定位點、能量可精確地顯示在微震事件的空間分布與輻射能圖中，可在圖中放大和平移，方便觀察震動源點。

（3）圍巖破裂的劇烈程度感知。微震監(jiān)測能夠直接反映隧洞圍巖內(nèi)部破裂過程，通過數(shù)據(jù)分析，可以得到巖體微破裂的發(fā)展趨勢，聚集程度以及能量釋放大小，能對潛在或是即將發(fā)生的圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象進行提前有效預(yù)警。

（4）圍巖破裂失穩(wěn)的實時預(yù)知。微震監(jiān)測系統(tǒng)的高頻采樣率以及P 波和S 波的全波形實時顯示，使得對微震信號的頻譜分析和事件的判別直觀方便，實現(xiàn)全天候24 小時不間斷的連續(xù)化、數(shù)字化及自動化。

3 塌方微震監(jiān)測與預(yù)警的技術(shù)要點

采用廣西大學(xué)微震監(jiān)測系統(tǒng)進行該隧洞圍巖塌方微震監(jiān)測。微震監(jiān)測與預(yù)警的主要流程包括設(shè)備安裝、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、設(shè)定預(yù)警管理等級及其預(yù)警信息發(fā)布[4]。

3.1 設(shè)備安裝

該隧洞采用鉆爆法開挖，為避免傳感器因爆破波損壞，傳感器布置時須距離開挖掌子面一定距離。此外，為了實現(xiàn)震源三維定位，傳感器布置在空間上需盡可能錯開。該隧洞布置了5 個傳感器，相鄰傳感器相距10 m，傳感器鉆孔深度0.5～1.0 m，鉆孔直徑約為安裝傳感器直徑的1.5倍。微震傳感器列陣布置示意圖見圖1。

當(dāng)掌子面向前推進時，需將距離掌子面最遠的探頭如探頭e移動到距離掌子面最近的探頭如探頭a 前方10 m 處，使得傳感器與掌子面的距離基本保持不變，這樣的列陣布置方案，不僅有利于解決圍巖破裂微震信號的空間衰減問題，而且有利于提高震源空間定位精度，并實現(xiàn)圍巖破裂微震信號的無間斷連續(xù)監(jiān)測。

3.2 數(shù)據(jù)采集

微震監(jiān)測探頭緊跟著掌子面掘進而向前移動，24 小時不間斷監(jiān)測隧洞施工過程中掌子面附近巖體破裂活動。采用8個傳感器同時進行微震信號采集，通過2 芯線傳至鋪設(shè)在與隧洞軸線平行的8 芯線，經(jīng)8芯線傳至隧洞洞口的數(shù)據(jù)采集儀，通過無線網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)傳輸至隧洞附近的微震監(jiān)測工作室的服務(wù)器（見圖2）。最后，通過互聯(lián)網(wǎng)將微震數(shù)據(jù)傳輸至廣西大學(xué)微震智慧監(jiān)測云平臺，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程隨時隨地獲取與云平臺智能自動分析。

3.3 數(shù)據(jù)分析

對原始的微震信號進行環(huán)境噪聲濾除處理，獲取真實巖體破裂微震信號。基于動態(tài)更新的隧洞分組速度模型，采用陣列外破裂源定位方法快速準確地對每個巖體破裂微震事件進行定位，獲取每個微震事件發(fā)生的時間和空間位置。計算微震事件的震源參數(shù)，包括微震釋放能、視體積、地震矩、矩震級、累計微震事件數(shù)、累計微震釋放能、累計視體積、微震事件數(shù)率、微震釋放能率和微震視體積率等，分析其時空演化特征與規(guī)律。

3.4 設(shè)定預(yù)警管理等級

綜合考慮那板水庫引水隧洞微震活動空間分布特征、開挖擾動區(qū)域和施工方案特點，將掌子面后方5倍洞徑的塌方高風(fēng)險區(qū)域作為預(yù)警區(qū)域。提取預(yù)警區(qū)域內(nèi)微震活動特征參數(shù)，特征參數(shù)的選取需考慮破裂活動活躍程度、破裂微震源特性以及破裂活動時效特征，由此建立適用于本工程特點的基于微震監(jiān)測的圍巖塌方風(fēng)險等級。

3.5 預(yù)警信息發(fā)布

（1）塌方高風(fēng)險事件自動報警。智慧微震預(yù)警云平臺的計算機程序可自動濾除現(xiàn)場爆破信號、施工機械等噪音，自動判別是否出現(xiàn)高塌方風(fēng)險等級情況；現(xiàn)場監(jiān)測人員須24 h打開微震預(yù)警手機移動端App以隨時接受預(yù)警信號。

（2）塌方高風(fēng)險事件復(fù)核。接到App 報警后，后方監(jiān)測人員迅速復(fù)核預(yù)警信號是否來源于巖石破裂、巖石破裂發(fā)生位置和塌方風(fēng)險。

（3）塌方預(yù)警信息發(fā)布。塌方高風(fēng)險事件一旦復(fù)核通過，監(jiān)測人員打開現(xiàn)場聲光報警燈，及時通知現(xiàn)場施工人員迅速撤離，并通過手機通話或手機短信，立即通知現(xiàn)場施工負責(zé)人、現(xiàn)場施工監(jiān)理和項目技術(shù)負責(zé)人。若24 h內(nèi)無塌方高風(fēng)險事件，則以日報的形式發(fā)布預(yù)警結(jié)果。

（4）塌方后返工時間確定。當(dāng)微震監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)3 h不再出現(xiàn)具有塌方高風(fēng)險事件，監(jiān)測人員通知現(xiàn)場施工總負責(zé)人、現(xiàn)場總監(jiān)理和項目總工程師，為現(xiàn)場工人返洞復(fù)工的時間點確定提供科學(xué)依據(jù)。

4 工程應(yīng)用效果

2021 年4 月至2022 年4 月隧洞開挖貫通，共發(fā)生了4 次小規(guī)模塌方事件，現(xiàn)場施工人員均能及時撤離，無一次安全事故發(fā)生，微震監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)在安全施工中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。以下為其中的兩個塌方成功預(yù)警案例。

4.1 案例1

2021 年6 月4 日07：11，微震信號開始活躍（見圖3），手機App自動報警提示S0+142.5開挖斷面附近可能有塌方高風(fēng)險事件，監(jiān)測人員對預(yù)警信息進行復(fù)核后，及時通知了現(xiàn)場施工人員迅速撤出。截至4 日中午13：00，微震監(jiān)測系統(tǒng)波形趨于平穩(wěn)，無明顯起伏段，工人可返回洞中進行塌方處加固以及后續(xù)處理。事后查明，該次塌方發(fā)生在掌子面后方1 m 范圍，圍巖為紫紅色泥巖，埋深約56 m，其中上覆砂巖層厚度28 m，上覆紫紅色泥巖層厚度28 m，為泥巖埋深最深段，巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育，為Ⅴ類圍巖。塌方發(fā)生的控制因素為開挖至泥巖與砂巖交界處發(fā)育一條充填巖性交界面，因卸荷作用而產(chǎn)生的塌方。掌子面上側(cè)拱肩至拱頂發(fā)生的塌方坑，此次塌方坑為淺窩狀，爆坑平均深度約為0.2 m，塌方體積達1.2 m3（見圖4）。

4.2 案例2

2022年3月31日07：15，微震信號開始活躍（見圖5），手機App自動報警提示掌子面附近可能有塌方高風(fēng)險事件，監(jiān)測人員對預(yù)警信息進行復(fù)核后，及時通知了現(xiàn)場施工人員迅速撤出。截至31 日中午12：00，微震監(jiān)測系統(tǒng)波形趨于平穩(wěn)，無明顯起伏段，工人可返回洞中進行塌方處加固以及后續(xù)處理。事后查明，隧洞下游出口段S0+163.49 開挖斷面掌子面后方2 m范圍的圍巖發(fā)生了中等塌方事件（見圖6），附近圍巖處于J1b1-3巖組，主要為黃色弱風(fēng)化砂巖，夾雜少量紅褐色泥巖，巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育，屬Ⅳ類圍巖。

5 結(jié)論

針對目前淺埋隧洞微震監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗較少的問題，提出了適用于淺埋隧洞鉆爆法施工的微震監(jiān)測系統(tǒng)和技術(shù)方法，給出了適用于Ⅳ、Ⅴ類圍巖的微震監(jiān)測傳感器陣列布置的優(yōu)化方案，實現(xiàn)了隧洞風(fēng)險區(qū)域巖體微震活動的全天候?qū)崟r監(jiān)測，取得了良好成果。微震監(jiān)測技術(shù)所監(jiān)測的對象是隧洞圍巖內(nèi)部的變化，是直接對圍巖本身的損傷進行監(jiān)測，而非間接地通過觀測支護的位移或受力判斷圍巖是否有失穩(wěn)的可能，具有直接、實時、準確的特點。那板引水隧洞圍巖塌方預(yù)警，是微震技術(shù)在廣西水利工程中的首次應(yīng)用。工程實踐表明，淺埋隧洞塌方災(zāi)害的微震監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)是可行、可靠的，應(yīng)用效果良好，具有推廣應(yīng)用價值與廣泛工程應(yīng)用前景。