董振濤

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 伊犁 835100)

隧洞監(jiān)測(cè)是建筑施工中十分煩瑣且復(fù)雜的一個(gè)環(huán)節(jié)，涉及較多的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，在一定程度上相當(dāng)工程的核心位置。而在建設(shè)過(guò)程中，部分隧洞由于特殊的建設(shè)需求，需要進(jìn)行特殊地處理，尤其是與深埋特大引水工程相搭接，常常會(huì)出現(xiàn)巖爆微震的現(xiàn)象。造成這一問(wèn)題的主要因素是在建設(shè)時(shí)的爆破處理導(dǎo)致的，對(duì)于引水的效果也會(huì)形成較強(qiáng)的阻礙，因此，可以通過(guò)特殊的方式對(duì)微震現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警[1]。傳統(tǒng)的微震監(jiān)測(cè)預(yù)警一般是采用單相測(cè)定或者覆蓋性的監(jiān)測(cè)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)，雖然可以完成預(yù)期的監(jiān)測(cè)預(yù)警目標(biāo)，但是常常會(huì)出現(xiàn)不同程度的問(wèn)題以及缺陷，對(duì)工程建設(shè)產(chǎn)生極大的消極影響，嚴(yán)重的甚至?xí)纬刹豢煽氐慕?jīng)濟(jì)損失[2]。因此，本文對(duì)深埋特大引水隧洞巖爆微震監(jiān)測(cè)預(yù)警方法進(jìn)行設(shè)計(jì)?？紤]到最終測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，本文會(huì)采用較為真實(shí)的環(huán)境背景，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，構(gòu)建更加靈活的檢測(cè)預(yù)警方式。需要注意的是，深埋特大引水隧洞巖爆時(shí)，若出現(xiàn)微震會(huì)產(chǎn)生極為微小的變化，對(duì)于巖石自身屬性以及特征也具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。所以，監(jiān)測(cè)預(yù)警的方向與規(guī)模也應(yīng)該與其保持統(tǒng)一，確保最終的施工效果，為后續(xù)的建設(shè)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 深埋特大引水隧洞巖爆微震監(jiān)測(cè)預(yù)警方法

1.1 微震源監(jiān)測(cè)預(yù)警參數(shù)獲取

微震源是隧洞巖爆過(guò)程中的核心，自身具多變性，極容易受到外部環(huán)境以及因素的影響。舉例來(lái)說(shuō)，地質(zhì)因素、內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素、承壓因素以及氣溫因素等[3]。對(duì)于微震源的把控以及測(cè)定同樣是監(jiān)測(cè)預(yù)警工作中十分關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，與各個(gè)部分的指標(biāo)參數(shù)具有關(guān)聯(lián)。常見(jiàn)的微震源指標(biāo)分類如表1所示。

表1 微震源指標(biāo)設(shè)定

根據(jù)表1可以完成對(duì)微震源指標(biāo)的設(shè)定。在上述的指標(biāo)設(shè)定工作中，結(jié)合微震源的變化情況，在劃定的范圍之內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警覆蓋點(diǎn)的設(shè)定，將每一個(gè)區(qū)域內(nèi)存在的覆蓋點(diǎn)作搭接關(guān)聯(lián)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警的訓(xùn)練，進(jìn)一步細(xì)化對(duì)應(yīng)指標(biāo)的參數(shù)，為后續(xù)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

1.2 雙向監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)構(gòu)建立

在完成對(duì)微震源監(jiān)測(cè)預(yù)警參數(shù)的獲取后，需要建立雙向監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)對(duì)于深埋特大引水隧洞巖爆微震的測(cè)定與預(yù)警方式一般是采用單向識(shí)別或者分辨的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警目標(biāo)，這種方法雖然可以完成監(jiān)測(cè)任務(wù)，但是在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，常常會(huì)出現(xiàn)不同程度的問(wèn)題以及缺陷，對(duì)于后續(xù)的建設(shè)施工也會(huì)產(chǎn)生不同程度的阻礙[4]。

而雙向監(jiān)測(cè)預(yù)警的實(shí)際覆蓋范圍會(huì)更大一些，監(jiān)測(cè)預(yù)警中的限制條件也更少一些，可以預(yù)先設(shè)定基礎(chǔ)的識(shí)別區(qū)域，計(jì)算出監(jiān)測(cè)圈定距離，具體如式(1)所示：

(1)

式中：D為監(jiān)測(cè)圈定距離，m；n為識(shí)別常數(shù)；f為 潛在預(yù)警標(biāo)定點(diǎn)數(shù)量[5]。

通過(guò)上述計(jì)算，可以得出實(shí)際的監(jiān)測(cè)圈定距離。結(jié)合上述的微震源監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)以及參數(shù)，再加上具體的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)，形成一套完整的雙向監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)構(gòu)，根據(jù)監(jiān)測(cè)圈定距離，劃定監(jiān)測(cè)預(yù)警的單向位置。

1.3 等效EMS監(jiān)測(cè)預(yù)警模型構(gòu)建

在完成對(duì)雙向監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)構(gòu)的建立后，需要構(gòu)建等效EMS監(jiān)測(cè)預(yù)警模型。首先，可以先提取隧洞巖爆微震的變化特征，設(shè)定具體的監(jiān)控區(qū)域，在雙向監(jiān)測(cè)預(yù)警的結(jié)構(gòu)中設(shè)定多層級(jí)多目標(biāo)的管控環(huán)節(jié)，并賦予其對(duì)應(yīng)的比照標(biāo)準(zhǔn)[6]。

在監(jiān)測(cè)處理過(guò)程中，融入互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及大數(shù)據(jù)平臺(tái)，構(gòu)建等效的預(yù)警程序，在實(shí)際施工的過(guò)程中，依據(jù)比照標(biāo)準(zhǔn)，核算出存在的監(jiān)測(cè)預(yù)警差值[7]。采用等效EMS的協(xié)議，計(jì)算出疊合震矩應(yīng)力，具體如式(2)所示：

(2)

式中：U為疊合震矩應(yīng)力，Pa；x為等效距離，m。

通過(guò)上述計(jì)算，可以得出實(shí)際的疊合震矩應(yīng)力。將得出的疊合震矩應(yīng)力融入等效EMS模型之中，此時(shí)為了確保后續(xù)監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果的穩(wěn)定和可靠，需要更改等效測(cè)定范圍，并將引水隧洞巖爆微震的實(shí)時(shí)情況融入模型的測(cè)算以及比照之中。隨后，也需要對(duì)上述微震源監(jiān)測(cè)預(yù)警參數(shù)作出合理的調(diào)整，以此來(lái)進(jìn)一步細(xì)化對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果。

1.4 微震能量密度測(cè)定法實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警

在完成對(duì)等效EMS監(jiān)測(cè)預(yù)警模型的構(gòu)建后，采用微震能量密度測(cè)定法來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警。這部分的處理環(huán)節(jié)相對(duì)較為特殊、煩瑣。首先，需要累計(jì)微震事件數(shù)[8]。在隧洞巖爆破時(shí)，通過(guò)損傷力學(xué)來(lái)對(duì)所監(jiān)測(cè)預(yù)警的區(qū)域進(jìn)行多方向描述，安裝關(guān)聯(lián)響應(yīng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備，一旦區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)微震波動(dòng)，可以先計(jì)算出微震累積事件數(shù)，具體如式(3)所示：

(3)

式中：Y為微震累積事件數(shù)；W為微震波動(dòng)頻率，Hz；k為測(cè)定極限距離，m。

通過(guò)上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的微震累積事件數(shù)。此時(shí)的微震累積事件數(shù)越多，表明測(cè)定區(qū)域在不斷擴(kuò)展延伸，所以在監(jiān)測(cè)預(yù)警的過(guò)程中，也需要作出對(duì)應(yīng)的范圍調(diào)整。

此時(shí)利用等效EMS監(jiān)測(cè)模型來(lái)獲取微震能量的實(shí)時(shí)密度，在不同的震動(dòng)狀態(tài)下，向外傳輸?shù)恼鹪床▌?dòng)也是不同的，利用監(jiān)測(cè)模型測(cè)定具體的密度變化情況，在單位體積值內(nèi)，將其與巖體微破裂釋放出的能量作出關(guān)聯(lián)分析，綜合微震破裂程度，結(jié)合微震能量密度的變化范圍，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)整體監(jiān)測(cè)預(yù)警程序的控制與效果的提升，為后續(xù)的施工提供依據(jù)。

2 方法測(cè)試

考慮到最終測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，需要?jiǎng)澏ň唧w的測(cè)試區(qū)域，穩(wěn)定監(jiān)測(cè)環(huán)境。選擇三種監(jiān)測(cè)預(yù)警方法對(duì)比分析，第一組為傳統(tǒng)的多元層級(jí)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，將其設(shè)定為傳統(tǒng)多元層級(jí)監(jiān)測(cè)預(yù)警測(cè)試組；第二組為傳統(tǒng)的宏觀擾動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，將其設(shè)定為傳統(tǒng)宏觀擾動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警測(cè)試組；第三組為雙向EMS監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，將其設(shè)定為雙向EMS監(jiān)測(cè)預(yù)警測(cè)試組。三種方法在相同的環(huán)境之下同時(shí)測(cè)定，得出的結(jié)果對(duì)比分析。接下來(lái)，搭建相關(guān)的測(cè)試環(huán)境。

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

在對(duì)深埋特大引水隧洞巖爆微震監(jiān)測(cè)預(yù)警效果進(jìn)行驗(yàn)證和分析前，需要先搭建對(duì)應(yīng)的測(cè)試環(huán)境。選取P工程作為本次測(cè)試的主要目標(biāo)對(duì)象，在工程建設(shè)初期，施工環(huán)境相對(duì)較為穩(wěn)定，但是由于外部因素的影響，再加上巖石爆破的覆蓋波及，造成隧洞整體的施工架構(gòu)處于極度不穩(wěn)定的狀態(tài)。預(yù)設(shè)的引水洞距離設(shè)定為900 m，隧道全長(zhǎng)12.8 km，里程長(zhǎng)度比為0.5。本次測(cè)定的微震監(jiān)測(cè)路段為覆蓋左洞圍巖K50+220～K50+160，內(nèi)部圍巖的深度為2.45 m，為了確保最終監(jiān)測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性，需要先計(jì)算出最大水平主應(yīng)力，具體如式(4)所示：

(4)

式中：G為最大水平主應(yīng)力，Pa；t為洞軸線長(zhǎng)度，m；x為微震極限值。

通過(guò)上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的最大水平主應(yīng)力。P工程在建設(shè)中期，由于地勢(shì)較為特殊，所以對(duì)應(yīng)的引水管道以及設(shè)備需要采用階梯式布設(shè)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)基底的構(gòu)建。

根據(jù)隧洞發(fā)生的實(shí)時(shí)微震特征以及規(guī)律，將測(cè)定的區(qū)域段劃分為三個(gè)部分，每一個(gè)隧洞均是獨(dú)立的，第一段對(duì)應(yīng)的是K50+ 250～K50+230，第二段對(duì)應(yīng)的是K50+200～K55+180，第三段對(duì)應(yīng)的是K50+230～K50+260，每一個(gè)圍巖在開挖的過(guò)程中，需要搭接左拱腰和左拱底，并將內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最大視應(yīng)力量值調(diào)整到6.45 MPa。

結(jié)合隧洞的建設(shè)實(shí)際情況，劃定具體的監(jiān)測(cè)區(qū)域，同時(shí)，調(diào)節(jié)預(yù)警的單向描述距離，計(jì)算描述初始值，具體如式(5)：

(5)

式中：Y為描述初始值;q為單相監(jiān)測(cè)范圍;d為失穩(wěn)系數(shù)。

通過(guò)上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的描述初始值。設(shè)定均衡監(jiān)測(cè)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，并采用“時(shí)空強(qiáng)”演化分布的方式在測(cè)定的區(qū)域設(shè)置監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算出單個(gè)微震能量值，具體如式(6)：

(6)

式中：K為單個(gè)微震能量值;g為微震事件簇;v為預(yù)設(shè)監(jiān)測(cè)距離，m。

通過(guò)上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的單個(gè)微震能量值。在預(yù)設(shè)的區(qū)域之中，將單個(gè)微震能量節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)在一起，在隧洞之中形成一個(gè)微震監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)，為后續(xù)的測(cè)定打下基礎(chǔ)。核定測(cè)試的裝置以及設(shè)備是否處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，確保不存在影響最終測(cè)試結(jié)果的外部因素，核定無(wú)誤后，開始具體的測(cè)試與分析。

2.2 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果分析

在上述所搭建的測(cè)試環(huán)境之中，結(jié)合相關(guān)的技術(shù)進(jìn)行更為具體的測(cè)定和分析。結(jié)合隧洞的掘進(jìn)方向，在不同的測(cè)試路段中，劃定監(jiān)測(cè)預(yù)警的掌子面，具體如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)預(yù)警掌子面布設(shè)圖示

根據(jù)圖1可以完成對(duì)監(jiān)測(cè)預(yù)警掌子面的布設(shè)。隨后，結(jié)合初始設(shè)定的監(jiān)測(cè)預(yù)警節(jié)點(diǎn)，在隧洞路段形成一個(gè)密實(shí)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，并劃定震源監(jiān)測(cè)范圍，計(jì)算出累積常數(shù)，具體如式(7)：

(7)

式中：U為累積常數(shù)；e為預(yù)警次數(shù)；a為監(jiān)測(cè)極限值；b為微震幅度。

通過(guò)上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的累積常數(shù)。以此為基礎(chǔ)，將不同路段的預(yù)警程序以及指令作出調(diào)節(jié)。通常情況下，累計(jì)常數(shù)值越高，對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警效果便越好。但是這部分需要注意的是，累計(jì)常數(shù)也需要控制在合理的范圍內(nèi)，上下的變化比值最好控制在1.05之內(nèi)，一旦超出，便要重新設(shè)定累計(jì)監(jiān)測(cè)預(yù)警的數(shù)據(jù)，更加耗費(fèi)成本與時(shí)間。隨后，在特定的監(jiān)測(cè)預(yù)警測(cè)試環(huán)境之中，結(jié)合管控系統(tǒng)或者平臺(tái)，輸入測(cè)試的指令和協(xié)議，以預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)作為比照目標(biāo)，計(jì)算出最終的監(jiān)測(cè)預(yù)警響應(yīng)時(shí)間，具體如式(8)：

(8)

式中：M為監(jiān)測(cè)預(yù)警響應(yīng)時(shí)間，s；z為微震峰值；h為單相密度值，kg/m3。

通過(guò)上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的監(jiān)測(cè)預(yù)警響應(yīng)時(shí)間。三組方法同時(shí)獲得結(jié)果，以對(duì)比的形式分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)表2可以完成對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析。與傳統(tǒng)的多元層級(jí)監(jiān)測(cè)預(yù)警測(cè)試組和傳統(tǒng)宏觀擾動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警測(cè)試組相對(duì)比，本文所設(shè)計(jì)的雙向EMS監(jiān)測(cè)預(yù)警測(cè)試組最終得出的監(jiān)測(cè)預(yù)警響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較快，僅為1.01 s，很好地控制在1.5 s以下，具有更強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)深埋特大引水隧洞巖爆微震監(jiān)測(cè)預(yù)警方法進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。與傳統(tǒng)的建筑監(jiān)測(cè)預(yù)警模式相對(duì)比，本文結(jié)合深埋特大引水隧洞巖爆的環(huán)境，所構(gòu)建的方法相對(duì)更加靈活、多變，具有更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性與可修改性。另外，在復(fù)雜的建設(shè)施工背景中，對(duì)隧洞微震情況的把控也會(huì)更加精準(zhǔn)、可靠一些，更貼合于深埋特大引水工程的建設(shè)目標(biāo)。而且本文方法還從多個(gè)角度進(jìn)一步分化了監(jiān)測(cè)預(yù)警的對(duì)應(yīng)區(qū)域，細(xì)化預(yù)警的細(xì)節(jié)程序，能夠在確保工程進(jìn)度推進(jìn)的同時(shí)，提升內(nèi)部結(jié)構(gòu)的平衡性，為后續(xù)的施工處理奠定更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)條件。