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隧道工程防岩爆微震监测

      随着国家公路网、铁路网、城市轨道交通的密集化发展以及“一带一路”政策的推进,在建及规划的交通隧道越来越多,截至2017年底,我国大陆运营铁路隧道14700座,总长15781km;在建铁路隧道3825座,总长为8125km,规划隧道5596座(13331km);近两年来,新增铁路运营隧道1289座(2743km);全国公路隧道共计16229座(15285km),两年来增加2223座(2601km);中国内地(不含港澳台地区)共计34个城市165条线路投入运营,运营线路长度达到5033km,新增运营线路长度2099km;其中规划兴建的172项节水供水水利工程已有109项开工建设,其中在建的水工隧道投资规模超过8000亿元。随着这些基础设施工程的大力建设,深部地下洞室开挖活动越来越普遍。


铁路网.jpeg  公路网.jpeg


      深部开挖因埋深大,深度岩体自重大,围岩压力较大,开挖过程中的围岩稳定性评价是尤为重要的工作环节。在开挖过程中,围岩应力变化急剧程度是影响开挖推进速度的重要因素。开挖围岩的应力变化规律是需要岩石力学工作亟待解决的重要问题,也是岩石工程问题的难点,其对深部洞室开挖推进安全性监测评价具有重要意义。

岩爆.jpg  突水.jpg

      深埋-长大隧道施工过程中遇到最多的岩土工程问题就是岩爆和突涌水问题。众所周知,岩爆和突水事故的发生是一个动态发育过程,是应力集中—裂隙发育—裂隙扩展—通道贯通—岩体失稳的一个实时变化的过程。微地震技术利用高精度数据采集仪和高灵敏度检波器,实时、动态记录岩土体应力应变发展,描述岩爆或导水通道的时-空变化特征,利用事故发生的前兆信息,研究隧道开挖扰动引起的岩土工程灾害致灾机理,实现事故的提前预警,指导现场安全生产。除了监测围岩体应力变化规律,微地震监测还可以用来计算钻爆法施工隧道的爆破震动影响评价、掌子面前方隐伏构造、以及根据流体赋存区域的振动特征初步判断围岩体所处的渗流场特征等。

监测目的.png

      通过微地震系统布置、微地震信号实时采集、信号精确拾取以及微地震事件定位、震源机制分析、波速场成像等,获取岩体裂隙、岩石速度场演化时空分布,从而优化施工工艺,降低施工风险。微地震监测与成像可实现隧道内大范围三维整体监测,传感器可在隧道内外安装,布置灵活,方便实现隧道岩爆等动力灾害的监测预警。下图为隧道微震监测系统组成示意图以及现场检波器安装示意图。

监测系统组成.png传感器布设.png

         林芝地区某隧道在施工过程中微震监测记录的典型信号波形,施工过程中发生掌子面塌方卡机及岩爆导致停工事件。


典型信号.png

      2017年4月3日凌晨0:37分,桩号K11+ 221.49—K11+226.89处发生岩爆,能量较大,伴随巨响,引起1336-1339环管片多处开裂。该段岩性为混合片麻岩,岩体次块状~整体状结构为主,局部镶嵌碎裂结构。本次岩爆能量较大,应力持续释放时间较长(分三次应力释放)并伴随围岩破裂;主频高,约120hz,岩石硬度高,完整性好。

岩爆.png

岩爆事件数.png

      新京张铁路某隧道其中一段,地理上位于北京某一重要景区内,隧道埋深约80m左右。监测区域岩体结构稳定性较差,岩体较破碎,呈碎块状,且含有多处不良地质带,受区域断层影响较大;同时隧道断面有大跨度、三联拱、小净距等多种类型。隧道开挖对围岩稳定的影响比较突出。本次采用地表与导洞内结合的微震监测方案对该隧道施工安全进行监测。




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