紫荆隧道微震监测系统的构建及围岩微震特性初步分析

摘要

随着我国对高速公路建设的大量投入，公路隧道的修建数量越来越多，特别是在西部地区得到了前所未有的迅速发展。在公路隧道开挖过程中，围岩应力场逐步调整产生应力分异和应力集中现象，导致围岩发生变形并出现许多岩石破裂问题，并在一定条件下，导致隧道围岩失稳破坏。因此，对隧道围岩进行稳定性分析具有十分重要的意义。
　　微震监测系统作为一种有效三维空间岩体破裂事件定位与灾变预警的技术得到了迅速的发展，并在地下工程建设中得到了广泛的应用。微震监测技术可以通过对接受波形分析震源破坏事件的时间、位置和震级（也称“时空强”三要素），为围岩稳定性研究提供技术支撑，同时也可以监测到震级更小的岩石微破裂事件。
　　本文以在建四川省道303线紫荆隧道为研究的依托工程，建立了一套基于钻爆法施工的公路隧道微震监测系统，并对影响系统性能的各种参数进行测试和优化，本次监测段为K13+670～K13+770。通过应用已构建的微震监测系统，采集并分析紫荆隧道动态开挖过程中的岩石破裂事件，结合围岩体结构特征的调查与素描，对隧道围岩开挖稳定性进行综合的分析与判定。通过研究获得以下认识和结论:
　　(1)结合现场地质条件调查、地应力测试、围岩级别调查和相关资料的收集，对省道303线紫荆隧道进行工程地质评价。地应力测试结果是最大主应力为29.2MPa，中间主应力为16.5MPa，最小主应力为14.6MPa。最大主应力σ1方向为135°，隧道轴线方向约为231°，该点最大主应力方向与隧道轴线的夹角为84°，呈大角度相交，地应力方向对隧道围岩稳定性不利。同时，该地应力测点的三向主应力倾角分别为03°、87°和0°。由此说明，最大主应力方向以水平向为主，主平面略微倾斜。
　　(2)构建了四川省道303线紫荆隧道微震监测系统，初步实现对该隧道24小时实时监测和分析。通过对省道303线紫荆隧道地质、物探和施工资料的深入分析和研究，在满足微震事件定位精度以及灵敏度要求下，选择了单轴加速度传感器，并对传感器布置方案进行了优化，最终布置方案是选择6个单轴加速度传感器布置于3个断面上，每个断面2个布置传感器，第一个断面距离掌子面距离和断面间相互距离均为30m。同时，为了防止二衬施工机械距离掌子面太近，影响传感器之间的安装距离，选取了另外一种传感器布置方案作为备用。备用方案布置两个断面，每个断面布置4个传感器，且第一个断面距离掌子面距离和断面间相互距离均为35m。
　　(3)根据紫荆隧道钻爆法施工的工程特点，对影响微震监测系统性能的参数进行调试和设定。通过人工定点爆破的试验方法确定了紫荆隧道等效整体波速模型，得到P波波速为3900m/s时，微震监测系统定位误差达到最小误差18.45m;通过对比分析，选取提取频率滤波(Extract frequency filtering)和巴特沃斯滤波(Butterworth filtering)两种滤波器作为降噪措施，其定位绝对误差较小，分别为31.7m和30.2m;同时，P波到时拾取方法选择Moving window with noiserejection，该种拾取方法能在一定程度上消除噪音影响，定位误差降低至21.9m。综合以上各种参数的测试与优化，通过爆破试验确定了监测范围内微震事件震源定位误差，其中水平方向（X和Y方向）定位误差分别小于9m和10m，垂直方向（Z方向）定位误差小于13m，绝对空间距离误差小于15m。
　　(4)总结了前人对深埋隧道不同时效、不同机制和不同开挖方式下产生的不同岩爆类型微震信息特征的研究，为本条隧道后续微震监测工作及微震信息分析提供参考。在对紫荆隧道所接受的不同震动信号的分析研究中，结合现场勘查、施工环境信息，综合运用时-频分析技术研究各种震动波形幅频特征的方法，通过观察和研究，将省道303线紫荆隧道在施工过程中所监测到的事件分为3大类:开挖爆破、岩体破裂活动、机械振动和噪音事件。
　　(5)通过分析微震监测数据的事件密度和密度云图，发现随着时间的变化，在掌子面附近由于应力重分布，造成了微破裂事件频发，事件密度增大，在隧道拱顶有石块掉落现象产生，特别是在开挖爆破之后的半小时到几小时时间段内。同时，由微震事件随时间产生的效果图可以看出，微破裂事件的产生主要分布于隧道走向的上方和下方，在隧道两侧只有少量微破裂事件产生。
　　(6)将监测段K13+670～K13+770根据围岩情况分成3段，Ⅰ段为K13+670～K13+705，Ⅱ段为K13+705～K13+740，Ⅲ段为K13+740～K13+770，分别对每段的微震数据与围岩特征关系进行了分析和总结。结果分析表明，监测段围岩虽然有微震产生，但是围岩没有明显的宏观破裂，说明该段围岩的微震是开挖后围岩应力正常调整的结果，对围岩宏观稳定没有明显影响，围岩整体处于稳定状态。此外，在Ⅲ级围岩中，微震信息也能反映出围岩宏观地质特征的差异:一般而言，微震有效事件较少、事件释放能较小和事件密集程度小，代表该段围岩节理、裂隙较发育，岩体较破碎，呈裂隙块状～碎裂状结构，同时，可能有辉绿岩脉发育和地下水出露;如果微震有效事件较多，密集程度较高，且部分事件释放能较大，代表该段隧道开挖后应力调整较强烈，岩体完整性较好，呈块状-镶嵌结构，无地下水出露。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究意义及选题依据

1．1．1 研究意义

1．1．2 选题依据

1．2 国内外研究现状

1．2．1 隧道围岩稳定性分析研究现状

1．2．2 微震监测技术及其应用研究现状

1．2．3 目前研究存在的不足

1．3 论文主要研究内容、研究思路及技术路线

1．3．1 研究思路

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线

第2章 隧址区地质环境与工程地质条件

2．1 地形地貌

2．2 地层岩性

2．3 地质构造及地震条件

2．4 水文地质条件

2．4．1 水文概况

2．4．2 地下水类型及富水性

2．4．3 地下水补给、径流和排泄条件

2．5 不良地质条件

2．6 隧道围岩级别

2．7 隧道地应力

2．8 隧道工程地质评价

2．8．1 隧道进口段工程地质评价

2．8．2 隧道出口段工程地质评价

2．8．3 隧道洞身段工程地质评价

2．9 本章小结

第3章 隧道微震监测系统的建立

3．1 微震监测系统概况

3．1．1 微震监测技术的原理

3．1．2 微震监测技术的特点

3．1．3 微震监测系统的概况和构成

3．2 微震监测系统的方案布置

3．2．1 主机及Paladin布置

3．2．2 传感器的选择

3．2．3 传感器布置方案

3．2．4 钻孔要求

3．2．5 监测设备的移动

3．3 本章小结

第4章 隧道微震监测系统的性能测试

4．1 微震监测系统的参数设定

4．1．1 传感器参数设定

4．1．2 Paladin和主机时间同步设定

4．2 微震监测系统波速测定

4．3 微震监测降噪方法研究

4．3．1 微震监测系统滤波器研究

4．3．2 微震监测系统滤波器选取及分析

4．4 P波到时拾取方法选择

4．5 微震监测系统定位方法研究与选取

4．5．1 定位方法的研究

4．5．2 定位方法的选取

4．6 微震监测系统定位精度验证

4．7 本章小结

第5章 隧道微震监测结果分析

5．1 岩爆的分类及其微震信息特征

5．1．1 岩爆时效与微震

5．1．2 不同岩爆机制与微震特征

5．1．3 开挖方式与微震

5．2 不同震动信号识别与滤除综合分析方法

5．2．1 微震信号时频特征分析

5．2．2 不同震动信号分析与识别

5．2．3 微震数据库的建立及有效信息的采集

5．3 微震数据的分布特征和发展规律

5．3．1 监测段围岩工程地质分析

5．3．2 监测段微震的分布特征

5．3．3 监测段微震的发展规律

5．3．4 监测段微震与围岩工程地质特征关系

5．4 本章小结

第6章 结论和建议

6．1 主要结论

6．2 几点建议

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果