甘一雄, 吳順川，2*, 高艷華, 任 義

(1.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；2.昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093；3.北京城市學院城市建設學部，北京 100083)

聲發(fā)射(acoustic emission, AE)技術作為一種被動監(jiān)測手段，可以實時監(jiān)測巖體內部的破裂，對巖體失穩(wěn)進行有效預警，因此，被越來越多地用于隧道工程的監(jiān)測與研究中[1-4]。

由于隧道工程現(xiàn)場地質條件及施工環(huán)境復雜，根據(jù)不同的監(jiān)測需求，聲發(fā)射傳感器的安裝方法多種多樣，為此，中外研究人員也設計了多種不同的安裝裝置，以適應預埋式安裝[1]、鉆孔安裝[2]、表面安裝[3]等多種安裝方法。

然而，盡管聲發(fā)射傳感器在具體安裝方式上多種多樣，但絕大多數(shù)安裝方法及安裝裝置只是在固定、保護等方面有所差異，在信號傳輸上并無太大區(qū)別，因此，可根據(jù)傳輸介質的不同，將隧道監(jiān)測中的聲發(fā)射傳感器安裝方法分為原巖表面安裝、襯砌表面安裝以及金屬介質表面安裝3類。

原巖表面安裝是指傳感器直接與原巖表面接觸(僅通過真空脂等耦合劑耦合)，接收巖體中的聲發(fā)射信號[2,4]，是目前應用最為廣泛的安裝方法；襯砌表面安裝與原巖表面安裝相似，只是安裝于襯砌表面，監(jiān)測圍巖及襯砌中的聲發(fā)射信號[3]，該方法的主要優(yōu)勢是無需鉆孔等復雜工序，也不需要破壞初襯等隧道支護結構，直接在隧道中安裝，自由度較高；金屬介質表面安裝是指以金屬導波材料將傳感器與巖體耦合，如以薄鋁板作為耦合介質[5]，或將傳感器安裝于錨桿(導波桿)端部[3]。

由于不同安裝方式所對應的應力波傳輸介質與傳播路徑不同，聲發(fā)射信號監(jiān)測效果也必然有所不同。因此，以華鎣山隧道爆破掘進過程中的聲發(fā)射監(jiān)測為例，對比了原巖表面安裝、初襯表面安裝以及錨桿端部安裝等不同安裝方式下聲發(fā)射信號特征。

1 工程背景

重慶渝北至四川廣安高速公路(重慶段)華鎣山隧道屬特長隧道，設計為雙洞六車道，隧道左線(ZK23+467～ZK28+485)全長5 018 m，右線(K23+467～K28+467)全長5 000 m，自隧道進口、中部、隧道出口的線間距分別為16.34 m、30 m、25.17 m，總長走向約298°，左、右線最大埋深分別為438 m和448 m。隧道為雙向隧道，采用分離式雙洞結構，左右分修。采用中壁法(無豎撐)施工，掌子面爆破在前，下導爆破分左右兩段分別推進，掌子面爆破每次進尺3 m，裝藥180～190 kg。

華鎣山隧道橫穿華鎣山觀音峽背斜山脈，并穿越三疊系須家河組煤系地層和二疊系龍?zhí)督M煤系地層，其中須家河組煤層18 處，龍?zhí)督M煤層8 處。龍?zhí)督M煤層具有煤與瓦斯強突出風險，須家河組煤層具有高瓦斯風險。觀音峽背斜核部發(fā)育有F1、F2、和F4壓扭性逆沖斷層。隧道存在斷層破碎帶、巖溶及巖溶水、巖溶角礫巖、軟弱圍巖、煤層、采空區(qū)、老窖水、瓦斯及H2S有毒有害氣體等不良地質和特殊地質。

2 試驗方案

2.1 監(jiān)測方法選取

華鎣山隧道施工期間主要采用周邊位移計與全站儀進行監(jiān)測，但受到監(jiān)測點布設的限制，開挖至初期支護之間，尤其是爆破后至初期支護前，屬于常規(guī)監(jiān)測手段的灰色區(qū)段，全站儀反射點、收斂計監(jiān)測點等都難以提前布設，難以進行及時有效監(jiān)測預警，因此考慮選取微震或聲發(fā)射監(jiān)測的方式，對掌子面附近巖體破裂信息進行無損監(jiān)測，用以補充隧道爆破后至初襯支護階段的監(jiān)測空白。

然而，由于兩隧道間隔不超過30 m，而微震在隧道中的監(jiān)測距離一般為50～150 m[6]，若采用微震監(jiān)測的方式，鄰洞施工可能會對監(jiān)測造成干擾，因此選取聲發(fā)射監(jiān)測的手段對華鎣山隧道爆破過程中的圍巖穩(wěn)定性進行監(jiān)測?？紤]監(jiān)測成本與需求，不對破裂進行準確定位，選取基于參數(shù)分析的聲發(fā)射監(jiān)測方法對華鎣山隧道掘進爆破過程中的圍巖穩(wěn)定性進行監(jiān)測。

為研究不同安裝方式在信號接收上的差異，選取合理安裝方式進行隧道聲發(fā)射監(jiān)測。以華鎣山隧道K25+060～K25+160區(qū)段掘進爆破過程中隧道聲發(fā)射響應試驗為依托，在相同位置采取多種傳感器安裝方式進行監(jiān)測，并對比不同安裝方式下的聲發(fā)射監(jiān)測結果。

2.2 試驗設備

采用美國物理聲學公司(PAC)的SH-II型聲發(fā)射現(xiàn)場采集系統(tǒng)進行聲發(fā)射監(jiān)測，傳感器選用R.451-LP-AST型壓電陶瓷傳感器，頻率范圍為5～30 kHz，內置前置放大器，前置放大倍數(shù)為26 dB，采樣頻率為1 MHz，采樣長度為2 k，根據(jù)前期噪聲測試的結果，將門檻值設置為45 dB。

2.3 不同安裝方式

隧道截面及傳感器安裝位置主要有拱頂、拱肩與拱腰，如圖1所示。在同一監(jiān)測點上采用3種安裝方式安裝3個聲發(fā)射傳感器，即原巖表面安裝、初襯表面安裝以及錨桿端部安裝，為盡可能避免位置不同對聲發(fā)射監(jiān)測結果的影響，同一測點的3個傳感器應盡可能靠近。

圖1 傳感器安裝位置Fig.1 Positions of sensors in the tunnel

2.3.1 原巖表面安裝

隨著隧道施工的進行，爆破位置及危險區(qū)段都在不斷推進，而聲發(fā)射傳感器監(jiān)測距離有限，因此監(jiān)測點也需要不斷推進。因此，為了方便安裝與節(jié)約成本，不采用鉆孔的方式來實現(xiàn)傳感器與原巖的直接接觸，而是采用在初襯上預留安裝孔的方法進行原巖表面安裝。

前次掘進初襯支護階段，在初襯上預留傳感器安裝孔，拱頂附近可直接用防水布進行遮擋如圖2(a)所示；拱腰附近需用木板加防水布做成格擋放入鋼筋網(wǎng)中，避免漿液流入預留孔中，噴漿支護完成后揭開防水布，預留位置即可形成一個20～30 cm深的安裝孔，清理安裝孔，即可將傳感器安裝于原巖表面，如圖2(b)所示。

2.3.2 初襯表面安裝

初襯表面安裝的方法比較簡便，監(jiān)測時直接將傳感器安裝于初襯表面，不論是原巖表面安裝還是初襯表面安裝，都采用相同的傳感器安裝輔助裝置，以膨脹螺栓將裝置固定于原巖或初襯表面，通過內置彈簧提供反力固定傳感器，如圖2(c)所示，傳感器與原巖或初襯間以真空脂耦合。

2.3.3 錨桿端部安裝

在預留孔中的原巖表面鉆孔，深度0.8 m，安裝特制錨桿，以快干水泥錨固耦合，待水泥達到一定強度后安裝傳感器，如圖2(d)所示，除壓電陶瓷接觸面以為，傳感器與安裝套筒之間以泡沫海綿等材料隔離，充分保護傳感器，且避免傳感器及信號線保護層破損而與金屬導通，導致聲發(fā)射信號被電信號覆蓋。傳感器與錨桿端部直接接觸，中間以少量耦合劑耦合，保證接觸充分。

圖2 傳感器安裝方式Fig.2 Attaching methods and coupling modes of sensors

3 試驗結果分析

不同傳感器安裝方式下的監(jiān)測結果對比主要包括兩個方面：一是同一位置的不同安裝方式結果對比，用以對比不同安裝方式的信號特征及差異；二是不同位置下相同安裝方式的對比，用以對比不同安裝方式對信號衰減的敏感性。

3.1 相同位置下不同傳感器安裝方式的聲發(fā)射監(jiān)測結果對比

在拱頂與拱肩處分別以3種方法安裝聲發(fā)射傳感器，監(jiān)測掌子面爆破過程中的聲發(fā)射響應，該次爆破掌子面距監(jiān)測點截面15.6 m。

表1所示為不同傳感器安裝方式下的聲發(fā)射監(jiān)測結果基本參數(shù)對比。由表1可知，從基本參數(shù)來看，同一監(jiān)測點上，不同安裝方式監(jiān)測到的信號特征不同，從響應時長、信號最大振鈴計數(shù)(counts)、最大絕對能量(absolute energy)來看基本上呈現(xiàn)“原巖表面安裝<初襯表面安裝<錨桿端部安裝”的規(guī)律。其中原巖表面與初襯表面安裝方式的監(jiān)測結果差異較小，而錨桿端部安裝方式所監(jiān)測到的聲發(fā)射結果與前兩者差異較大，在最大值上存在1～2 個數(shù)量級的差異。

表1 不同安裝方式監(jiān)測結果基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of AE monitoring results acquired by different attaching methods of sensors

然而，根據(jù)掌子面爆破過程中的聲發(fā)射響應監(jiān)測結果，振鈴計數(shù)極大/能量極高的聲發(fā)射信號往往只有1～2 個，單純比較參數(shù)最大值不能充分反映監(jiān)測結果的差異，因此，選取振鈴計數(shù)率(counts rate)、絕對能量平均值與b值作為監(jiān)測指標來對比3 種安裝方式的監(jiān)測結果在時間軸上的變化趨勢的差異。以第一個信號到達時間作為0時刻，以每0.2 s作為一個時段進行統(tǒng)計。

3.1.1 振鈴計數(shù)率

圖3所示為拱頂與拱肩聲發(fā)射監(jiān)測結果振鈴計數(shù)率統(tǒng)計。由圖3可知，原巖表面與初襯表面安裝的傳感器在振鈴計數(shù)率發(fā)展規(guī)律及數(shù)量級上大致相同，初襯表面安裝的監(jiān)測結果略大于原巖表面安裝；然而，錨桿端部安裝的監(jiān)測結果與前兩者差異較大，在開始時振鈴計數(shù)率遠大于原巖表面與初襯表面安裝的監(jiān)測結果，但信號迅速消失，直至原巖與初襯表面安裝傳感器監(jiān)測信號消失后，錨桿端部安裝傳感器才重新接收到信號。

圖3 不同安裝方式下聲發(fā)射振鈴計數(shù)率Fig.3 Counts rate of AE monitoring results acquired by different sensor-attaching methods

初步分析造成這一現(xiàn)象的原因有兩點：① 由于錨桿深入巖體內部，與巖體接觸面積較大，與傳感器接觸部分面積較小，而錨桿可視為導波桿，在面積減小時能夠集中能量、放大信號[7-8]，因此，在最初時間段內，錨桿端部接收到的信號在振鈴計數(shù)率上遠大于其他安裝方式，然而，因錨桿錨固過程中難以保證與巖體嚴密耦合，且水泥凝固時間較短，爆破震動對耦合效果仍然產(chǎn)生了一定影響，因此在最初的高能信號后，錨桿端部傳感器接收信號出現(xiàn)了一個短暫的“平靜期”；此外，初襯表面安裝的傳感器由于位于預留孔附近初襯上，同樣存在橫截面積的減小，預留孔孔壁以及原巖與初襯交界面反射應力波將導致一定程度上的應力波能量集中，因而初襯表面接收到的信號在振鈴計數(shù)率上略高于原巖表面。② 爆破后錨桿錨固段或附近圍巖、初襯中出現(xiàn)了少量小破裂或摩擦，故原巖與初襯表面安裝的傳感器信號消失后(爆破響應結束)錨桿端部安裝傳感器仍接收到少量聲發(fā)射信號。

3.1.2 平均絕對能量與b值

圖4所示為拱頂與拱肩絕對能量平均值與b值隨時間變化的規(guī)律，由于絕對能量平均值之間數(shù)量級差別過大，因此對絕對能量平均值取對數(shù)lg進行對比。由圖4可知，絕對能量的分布規(guī)律與振鈴計數(shù)較為相近，總體而言初襯表面安裝略高于原巖表面安裝，而錨桿端部安裝的聲發(fā)射監(jiān)測結果平均絕對能量的最大值最高。

圖4 不同安裝方式下聲發(fā)射平均絕對能量與b值Fig.4 Average absolute energy and b value of AE monitoring results acquired by different sensor-attaching methods

b值(bvalue)源于地震學中的G-R關系，即區(qū)域性地震中大于震級M的累計次數(shù)N的對數(shù)，與震級M成線性關系，即

lgN=a-bM

(1)

式(1)中：a、b為常數(shù)，在聲發(fā)射中，通?？捎谜穹?0來代表聲發(fā)射震級，即M=A/20，A為聲發(fā)射振幅[9]。

b值統(tǒng)計結果主要反映巖體內部破裂事件的相對大小與數(shù)量的關系，b值越大，說明事件中小破裂事件占比越大，一般而言，巖體發(fā)生破壞時所對應的b值約為1(±0.5)[10-11]。需要注意的是，為對比b值與其他參數(shù)的變化規(guī)律，對b值的計算是基于時間分組而非基于取樣數(shù)，由于b值同樣受取樣數(shù)的影響[12]，而聲發(fā)射信號數(shù)在時間軸上的分布并非均勻的，因此在取樣數(shù)過小的時間段內計算的b值可能未能充分反映巖體內部破裂的實際情況，舍去某些取樣數(shù)過小(小于10)的b值計算結果，對取樣數(shù)較小(小于50)的b值計算結果進行合理分析與判斷。

由b值統(tǒng)計結果可知，前0.8 s內，巖體發(fā)生了大規(guī)模失穩(wěn)破裂(即掘進爆破)，3種安裝方式監(jiān)測結果較為接近，都處于0.5附近，拱頂處監(jiān)測結果略小于拱肩位置；在0.8 s后，錨桿端部安裝的傳感器雖然接收到大量聲發(fā)射信號，但b值不斷增加，說明0.8 s以后的聲發(fā)射信號以小破裂為主，符合基于振鈴計數(shù)率分布規(guī)律的初步分析結果，即爆破后錨固段或附近圍巖、初襯中出現(xiàn)了少量小破裂信號。

3.2 信號傳播距離對不同傳感器安裝方式聲發(fā)射監(jiān)測結果的影響

由于華鎣山隧道擬采用基于參數(shù)分析方法的聲發(fā)射監(jiān)測，缺乏對事件具體位置的信息，因此監(jiān)測結果的準確性受到信號衰減的限制，當信號衰減較大或事件分布較為離散時，監(jiān)測結果往往可能未能充分反映實際破裂的劇烈程度，因此，對比不同安裝方式的監(jiān)測效果，除了同一位置的不同安裝方式的對比外，仍需要對比各安裝方式在衰減作用下的信號變化特征。

選取拱肩位置為例，選取爆破距離為5 m時的拱肩安裝位置監(jiān)測結果與15.6 m處的監(jiān)測結果進行對比。需要說明的是，該對比是基于兩次爆破得到的監(jiān)測結果，由于裝藥量相同，圍巖性質接近，因此近似將兩次監(jiān)測過程中的震源與傳播介質看作相同。

表2所示為掌子面爆破距離為5 m時拱肩處的聲發(fā)射監(jiān)測結果。由表2可知：原巖表面與初襯表面安裝的監(jiān)測結果在爆破相應時間上小于爆破距離為15.6 m時的監(jiān)測結果，錨桿端部監(jiān)測結果在爆破響應時間上變化不大；從最大振鈴計數(shù)上看，三者都小于15.6 m處的監(jiān)測結果，尤其是錨桿端部安裝的監(jiān)測結果，未如15.6 m處一樣出現(xiàn)遠超其他安裝方式的振鈴計數(shù)；從最大絕對能量的數(shù)量級來看，原巖表面安裝的監(jiān)測結果高于15.6 m處，初襯表面與錨桿端部安裝方式的監(jiān)測結果與15.6 m處接近。

同樣選取振鈴計數(shù)率、絕對能量平均值與b值作為監(jiān)測指標來對比3種安裝方式的監(jiān)測結果在時間軸上的變化趨勢的差異。將兩次爆破最初信號到達的時間點作為0時刻，以每0.2 s作為一個時段進行統(tǒng)計。

表2 震源距離5 m時監(jiān)測結果基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of AE monitoring results in 5 m from the blasting seismic source

3.2.1 振鈴計數(shù)率

爆破距離為5 m時拱肩聲發(fā)射監(jiān)測結果振鈴計數(shù)率如圖5所示，對比圖3可知，從振鈴計數(shù)率上看，原巖與初襯表面安裝的監(jiān)測結果略小于15.6 m處，而錨桿端部安裝的監(jiān)測結果則遠小于15.6 m處，未出現(xiàn)振鈴計數(shù)極大的聲發(fā)射信號，但同樣在原巖與初襯表面安裝的傳感器接收到的信號消失后仍然接收到一些小規(guī)模聲發(fā)射信號。

圖5 震源距離5 m處聲發(fā)射振鈴計數(shù)率Fig.5 Counts rate statistics in 5 m from the blasting seismic source

結合動力響應持續(xù)時間等參數(shù)，初步分析造成這一結果的原因主要是錨桿錨固情況的不同導致了信號接收效果的差異；此外，5 m處受到爆破震動影響十分劇烈，試驗過程中甚至造成拱頂處原巖表面安裝傳感器脫落，因此不論是錨固還是與原巖、初襯耦合都受到一定影響，接收到的信號數(shù)較少，從而導致振鈴計數(shù)率相對較小，總體的信號持續(xù)時間也較短。

3.2.2 絕對能量與b值

圖6所示為距震源不同距離下的各安裝方式監(jiān)測結果基于絕對能量與b值的對比，其中b值計算同樣舍去了樣本數(shù)過少的計算結果。

由圖6可知，從絕對能量平均值來看，距離震源較近時(5 m)，不論何種安裝方式，在爆破響應初期的絕對能量的平均值通常高于15.6 m處的監(jiān)測結果，相應的b值計算結果也較低；5 m處拱肩測點的原巖與初襯表面安裝方式的監(jiān)測結果持續(xù)時間較短，僅錨桿端部安裝方式持續(xù)時間較長，且在后期監(jiān)測結果中仍表現(xiàn)出較高的平均絕對能量，但由于事件數(shù)較少，難以計算出可靠的b值。

分析可知，當傳感器安裝距離較近時，由于爆破震動較大，導致傳感器與接觸面耦合受到一定影響，接收到事件較少，導致振鈴計數(shù)率較低，但從平均絕對能量上看，距離震源較近的傳感器接收到的信號能量較高，說明能量較高的聲發(fā)射事件仍然可以被傳感器接收。

圖6 不同震源距離下聲發(fā)射平均絕對能量與b值Fig.6 Average absolute energy and b value of AE in different distances from the blasting seismic source

由于爆破震動對后續(xù)信號接收的影響較大，因此僅以前0.2 s的監(jiān)測結果為依據(jù)，分析不同安裝方式的聲發(fā)射監(jiān)測結果受傳播距離衰減的影響。

表3所示為兩次爆破中所有位置前0.2 s內絕對能量平均值(取對數(shù))，括號中為15.6 m處監(jiān)測結果相對于5 m處同位置同安裝方式監(jiān)測結果的下降百分比，從這兩次爆破過程聲發(fā)射監(jiān)測的對比結果可知，原巖表面安裝的監(jiān)測結果受衰減影響較大，而初襯表面及錨桿端部安裝的聲發(fā)射監(jiān)測結果受衰減影響相對較小，造成這一結果的主要原因有兩點：一是因為監(jiān)測方式或監(jiān)測點附近結構導致的信號放大效應，10 m左右的衰減距離及各交界面對信號的衰減作用仍小于信號接觸面附近結構對信號的放大作用；二是由于相對初襯表面與錨桿端部，原巖表面平整度難以保證，傳感器與原巖接觸面的耦合效果可能差異較大，拱腰處監(jiān)測結果56.2%的能量差異應該屬于這一類情況。

表3 不同距離不同安裝方式下前0.2 s平均絕對能量Table 3 Average absolute energy of AE monitoring results in the first 0.2 s acquired by vary attaching methods in different distances from the blasting seismic source

4 結論

(1) 在基于參數(shù)分析的聲發(fā)射監(jiān)測過程中，不同安裝方式對監(jiān)測結果存在一定影響，總體而言，傳感器采用原巖表面安裝時，聲發(fā)射響應時間較短，信號振鈴計數(shù)率、聲發(fā)射能量等最低，初襯表面安裝的監(jiān)測結果次之，而錨桿端部安裝的監(jiān)測結果最高。

(2) 不同安裝方式的安裝結果差異主要與波傳播過程中穿過的交界面數(shù)量及介質截面積變化等結構特性有關，在安裝傳感器時應重點關注監(jiān)測點附近圍巖或襯砌結構，充分考慮監(jiān)測點附近結構特性對監(jiān)測結果的影響，若采用錨桿端部安裝等人為構造接觸面的方式，更需要注意錨桿等輔助結構的錨固耦合情況，避免耦合效果的差異導致的監(jiān)測結果差異。

(3) 聲發(fā)射能量隨距離增加而發(fā)生衰減，但監(jiān)測方式或監(jiān)測點附近結構的放大效應在一定程度上能夠減輕衰減的影響。因此，在現(xiàn)場聲發(fā)射監(jiān)測中，若不要求進行破裂定位等精確計算，基于聲發(fā)射參數(shù)分析進行監(jiān)測預警，采用錨桿端部安裝等能夠利用信號放大效應的監(jiān)測方式，削弱衰減或環(huán)境噪聲的影響。并得到偏安全的監(jiān)測結果。