一种高应力硬岩TBM施工隧道微震波速实时获取方法

摘要

本发明涉及施工隧道微震监测技术，具体涉及一种高应力硬岩TBM施工隧道微震波速实时获取方法。本发明的技术方案是：在高应力硬岩TBM施工隧道掌子面后方岩体内布置至少4个微震传感器，采集掌子面附近岩体破裂产生的震动信号。将掌子面附近发生的岩体破坏事件作为微震源，测量微震源及微震传感器坐标，提取微震传感器监测到的微震源震动信号到时，反演获取微震波速。随着TBM掘进，实时反演获取微震波速。本发明能够实时准确获取高应力硬岩TBM施工隧道微震波速，方法经济简洁，操作可行，避免了通过定位爆破和室内声波获取波速所存在的弊端及不可行性。适用于各种水利水电、交通等高应力硬岩TBM施工隧道。

说明书

技术领域

本发明涉及施工隧道微震监测技术，具体涉及一种高应力硬岩TBM施工隧道微震 波速实时获取方法，适用于各种水利水电、交通等高应力硬岩TBM施工隧道。

背景技术

微震是指岩体应力超过自身强度时，岩体内部产生裂纹错动、开裂和破坏，累积的 能量以弹性波形式释放而在岩体中产生的微震动。微震定位技术是利用微震监测系统采 集微震动信号，通过反演获取微震源的位置和发震时间。微震波速直接影响微震定位准 确性与精度，进而影响微震监测效果。在TBM掘进隧道中，不同洞段岩体性质与结构 将不一样，微震波速将会不同，需要实时动态获取微震波速。

目前，获取微震波速的方法主要有现场勘探和室内试验法，现场勘探主要指的是通 过现场定位爆破反演获取波速，室内试验法指在室内通过对岩块试样进行声波试验而获 取岩块的波速。在高应力硬岩隧道TBM掘进过程中，微震源一般发生在开挖掌子面及 其附近，为了反映微震波真实传播路径，现场勘探法需要在掌子面附近进行定位爆破。 但受TBM操作空间以及放炮容易对TBM设备造成损坏的限制，定位爆破反演波速是不 可取的。而室内声波试验中所用的岩块并不能代表现场岩体的性质，将所测试的波速作 为微震波速用于微震监测必然造成较大的定位误差。另外，以上方法均在一定程度上造 成人力物力耗费，而其他方法也难以实时准确获取高应力硬岩TBM施工隧道微震波速。 其中，中国专利公开号CN102096093A，公开日2011.06.15，发明名称“一种利用微震 点作为震源计算矿区地震波传播速度的方法”，该申请案公开了一种针对矿区地震波传播 速度方法，根据多个预定传感器测得的微震点产生的地震波时间确定微震点的坐标估计 值，由于微震点坐标估计值精度不高，因此对所获取的地震波传播速度存在一定影响。 文献《岩土力学》，2011年第10期，肖亚勋，“深埋隧洞极强岩爆段隧道掘进机半导洞 掘进岩爆风险研究”，该文献利用典型岩爆触发的“大事件”来获取波速，未提供技术方 案，也未见专文撰述。

发明内容

针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种高应力硬岩TBM施工隧道微震波 速实时获取方法，用于解决TBM施工隧道微震监测定位中波速难以实时准确获取的问 题，提高微震源定位精度，保障TBM施工隧道微震监测效果。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种高应力硬岩TBM施工隧道 微震波速实时获取方法，包括如下步骤：

a在高应力硬岩TBM施工隧道掌子面后方岩体内布置至少4个微震传感器，捕捉隧 道岩体发生破裂时产生的微震动信号；

b根据右手法则在隧道中建立空间坐标系，测量高应力硬岩隧道TBM施工过程中掌 子面附近发生的岩体破坏的空间坐标，将该坐标点作为微震源，用于微震波速反演。所 述的岩体破坏指岩体塌方或岩爆或岩体开裂等宏观破坏；

c利用微震传感器监测微震源产生的微震动信号，提取每个传感器监测到的微震动 信号的到时，微震动信号的到时包括微震P波和S波到时。测量每个微震传感器安装位 置坐标；

d以所有微震传感器监测到的微震动信号监测到时和计算到时的累积残差绝对值和 最小为目标函数获取微震波速，微震波速包括微震P波和S波波速，计算公式如下：

$f=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}|t_{\mathrm{Pi}}-t_0-\frac{R_i}{V_P}|+\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}|t_{\mathrm{Si}}-t_0-\frac{R_i}{V_S}---\left(1\right)$

其中，公式（1）中f为到时残差，t_Pi为第i个传感器监测到的微震动信号P波到时， t_Si为第i个传感器监测到的微震动信号S波到时，t₀为微震动信号发震时间，V_P为微震P 波波速，V_S为微震S波波速，m为微震传感器总个数，R_i为第i个微震传感器到微震源 之间的距离，计算公式如下：

$R_i=\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2}---\left(2\right)$

其中，公式（2）中(x,y,z)为微震源坐标，(x_i,y_i,z_i)为第i个微震传感器的坐标。

e随着高应力硬岩隧道TBM掘进，所获取的微震波速不满足微震源定位要求时，重 复上述步骤a-d。

由于采取了上述技术方案，本发明具有如下技术效果：

（1）准确获取了高应力硬岩TBM施工隧道微震波速，将硬岩隧道TBM施工过程 中掌子面附近发生的岩体破坏的坐标点用于微震波速反演，由于该坐标点通过测量可直 接精确获取，保证了获取的微震波速的准确性。

（2）方法经济简洁，操作可行，充分利用高应力硬岩TBM施工隧道中频繁发生岩 体破坏事件的特征，避免了通过定位爆破和室内声波获取波速带来的大量人力物力耗费 以及可行性问题。

（3）随着TBM的掘进能够实时获取高应力硬岩TBM施工隧道微震波速，解决了 隧道TBM掘进过程中岩体微震波速经常发生改变的问题，确保了微震波速的准确性。

具体实施方式

结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。

一种高应力硬岩TBM施工隧道微震波速实时获取方法，所述方法按以下步骤进行：

a在高应力硬岩TBM施工隧道掌子面后方岩体内布置至少4个微震传感器，进行微 震实时监测，捕捉隧道开挖过程中岩体发生破裂时产生的微震动信号。微震传感器的布 置方案及数量应有利于微震传感器对微震动信号的采集以及微震源定位。微震传感器与 掌子面须间隔一定距离，防止距离太近微震传感器易被掌子面开挖损坏，太远则超出了 微震传感器采集微震动信号的范围。所捕捉的微震动信号包括高应力硬岩TBM施工过 程中微震传感器监测范围内所有岩体破裂产生的微震动信号。

b根据右手法则在隧道中建立空间坐标系，测量高应力硬岩隧道TBM施工过程中掌 子面附近发生的岩体破坏的坐标，将该坐标点作为微震源，用于微震波速反演。所述的 岩体破坏指岩体塌方或岩爆或岩体开裂。岩体破坏坐标通过隧道里程桩号和皮尺或激光 测距仪测量变为已知震源位置的微震源。岩体塌方或岩爆或岩体开裂时释放弹性能，产 生微震动信号，微震动信号在岩体中传播，将会被布置在掌子面后方岩体内微震传感器 监测。

c利用微震传感器监测微震源产生的微震动信号，对监测到的微震动信号波形进行 分析，提取每个微震传感器监测到的微震动信号的到时，微震动信号的到时包括微震P 波和S波到时。通过隧道里程桩号和皮尺或激光测距仪测量微震每个传感器安装位置坐 标。

d以所有微震传感器监测到的微震动信号监测到时和计算到时的累积残差绝对值和 最小为目标函数反演获取微震波速，微震波速包括微震P波和S波的波速，计算公式如 下：

$f=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}|t_{\mathrm{Pi}}-t_0-\frac{R_i}{V_P}|+\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}|t_{\mathrm{Si}}-t_0-\frac{R_i}{V_S}---\left(1\right)$

其中，公式（1）中f为到时残差，t_Pi为第i个传感器监测到的微震动信号P波到时， t_Si为第i个传感器监测到的微震动信号S波到时，t₀为微震动信号发震时间，V_P为微震P 波波速，V_S为微震S波波速，m为传感器总个数，R_i为第i个传感器到微震源之间的距 离，计算公式如下：

$R_i=\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2}---\left(2\right)$

其中，公式（2）中(x,y,z)为微震源坐标，(x_i,y_i,z_i)为第i个传感器的坐标。

_e随着高应力硬岩隧道TBM掘进，不同隧道洞段岩体性质将不一样，微震波速也随 之改变，所获取的微震波速不满足微震源定位要求时，重复上述步骤a-d。所述的微震 波速不满足微震源定位要求是指利用所获取的微震波速进行微震源定位时，当微震源的 定位位置与实际位置存在较大误差，不满足硬岩隧道工程中微震源定位要求。本步骤的 目的是实时获取高应力硬岩TBM施工隧道微震波速，解决了隧道TBM掘进过程中岩体 微震波速经常发生改变的问题，确保微震波速的准确性。

具体实施例：

某高应力硬岩TBM施工隧道岩体较完整，隧道断面为圆形，采用全断面开挖，TBM 施工过程中掌子面附近经常发生岩体塌方或岩爆或岩体开裂破坏。

a在高应力硬岩TBM施工隧道掌子面后方岩体内布置6个微震传感器，捕捉隧道岩 体发生破裂时产生的微震动信号。微震传感器与掌子面间隔一定距离，布置在掌子面后 方70～150m范围岩体内，防止距离太近微震传感器易被掌子面开挖损坏，太远则超出 了微震传感器的采集微震动信号的范围。所捕捉的微震动信号包括高应力硬岩TBM施 工过程中微震传感器监测范围内所有岩体破裂产生的微震动信号。

b根据右手法则在隧道中建立空间坐标系，测量高应力硬岩隧道TBM施工过程中掌 子面附近发生的岩体破坏的坐标。2010年6月02日23时59分，在TBM掘进过程中 TBM掌子面附近的北侧拱肩发生轻微岩爆。岩爆坐标通过隧道里程桩号和皮尺测量变为 已知震源位置的微震源。经测量，岩爆事件的空间坐标为（139.0，4.6，-36.1）。将该坐 标点作为微震源，用于微震波速反演。岩爆发生时在岩体中产生微震动信号，微震动信 号向四周传播，被布置在掌子面后方的6个传感器捕捉到。

c利用微震传感器监测微震源产生的微震动信号，微震监测系统在2010年6月02 日23时59分45秒监测到微震动信号。对监测到的微震动信号波形进行分析，提取每个 微震传感器监测到的微震动信号的到时，微震动信号的到时包括微震P波和S波的到时。 6个微震传感器监测到的微震P波和S波到时依次为（23:59:45.522828， 23:59:45.536661），（23:59:45.522662，23:59:45.536161），（23:59:45.522328， 23:59:45.537161），（23:59:45.531495，23:59:45.553494），（23:59:45.531161， 23:59:45.553327）和（23:59:45.531662，23:59:45.552995）。通过隧道里程桩号和皮尺测 量微震每个传感器安装位置坐标，6个微震传感器坐标依次分别为（215.7，-3.6，-36.7）， （215.6，0.9，-35.3），（216.9，3.8，-36.5），（269.1，-3.7，-36.6）,（270.3，0.2，-35.1） 和（269.3，4.1，-36.8）。

d以所有微震传感器监测到的微震动信号监测到时和计算到时的累积残差绝对值和 最小为目标函数获取微震波速，微震波速包括微震P波和S波波速，计算公式如下：

$f=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}|t_{\mathrm{Pi}}-t_0-\frac{R_i}{V_P}|+\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}|t_{\mathrm{Si}}-t_0-\frac{R_i}{V_S}---\left(1\right)$

其中，公式（1）中f为到时残差，t_Pi为监测到的微震动信号P波到时，t_Si为监测 到的微震动信号S波到时，t₀为微震动信号发震时间，V_P为微震P波波速，V_S为微震S 波波速，m为传感器总个数，R_i为第i个传感器到微震源之间的距离，计算公式如下：

$R_i=\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2}---\left(2\right)$

其中，公式（2）中(x,y,z)为微震源坐标，(x_i,y_i,z_i)为第i个传感器的坐标。

根据以上公式，反演获取高应力硬岩TBM施工隧道微震波速为Vp=6555m/s， Vs=3091m/s。

e随着高应力硬岩隧道TBM掘进，不同隧道洞段岩体性质将不一样，微震波速也随 之改变，所获取的微震波速不满足微震源定位要求时，重复上述步骤a-d。所述的微震 波速不满足微震源定位要求是指利用所获取的微震波速进行微震源定位，当微震源的定 位位置与实际位置存在较大误差，不满足硬岩隧道工程中微震源定位要求。本步骤的目 的是实时获取高应力硬岩TBM施工隧道微震波速，解决了隧道TBM掘进过程中岩体微 震波速经常发生改变的问题，确保微震波速的准确性。2010年6月13日18时02分在 TBM掌子面附近的北侧边墙发生中等岩爆，经测量，岩爆事件的空间坐标为（34，7， -40.3）。利用原所获取的微震波速进行微震源定位，微震源的定位位置为（32.3，-0.4， -33.8），与实际位置存在较大误差，不满足硬岩隧道工程中微震源定位要求。重复上述 步骤a-d，提取微震传感器监测到的微震波信号到时，微震波到时包括P波和S波到时。 6个微震传感器监测到的微震P波和S波到时依次为（18:02:34.566778， 18:02:34.584611），（18:02:34.566944，18:02:34.584444），（18:02:34.567111， 18:02:34.584944），（18:02:34.571347，18:02:34.594347），（18:02:34.571181， 18:02:34.593847）和（18:02:34.571348，18:02:34.594347）。6个微震传感器坐标依次分 别为（136.3，0.7，-34.7），（136.3，-3.7，-36.0），（137.5，3.5，-35），（165.5，-3.7， -36.4）,（164.5，1，-35.1）和（165.8，3.7，-36.4）。根据公式（1）和（2），反演获取 高应力硬岩TBM施工隧道微震波速为Vp=6371m/s，Vs=3029m/s。

以上实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理 解，本发明的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围， 均应涵盖在本发明的权利要求范围中。