基于RA与AF值的声发射指标在隧道监测中的可行性

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 基于RA与AF值的声发射指标在隧道监测中的可行性 吴顺川甘一雄任义郑立夫 Feasibility research of AE monitoring index in tunnel based on RA and AF WU Shun-chuan,GAN Yi-xiong.REN Yi,ZHENG Li-fu 引用本文： 吴顺川，甘一雄，任义，郑立夫.基于RA与AF值的声发射指标在隧道监测中的可行性工程科学学报，2020,42(6)：723- 730.doi10.13374j.issn2095-9389.2019.06.28.001 WU Shun-chuan,GAN Yi-xiong.REN Yi,ZHENG Li-fu.Feasibility research of AE monitoring index in tunnel based on RA and AF[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(6):723-730.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.28.001 在线阅读View online::htps:ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.28.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 基于声发射监测的316LN不锈钢的疲劳损伤评价 Fatigue damage evaluation of 316LN stainless steel using acoustic emission monitoring 工程科学学报.2018.40(4：461 https:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.04.009 初始损伤对混凝土硫酸盐腐蚀劣化性能的影响 Influence of initial damage on degradation and deterioration of concrete under sulfate attack 工程科学学报.2017,398：1278 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.08.019 基于全波形的煤样单轴压缩破坏声电时频特征 Time-frequency characteristics of acoustic-electric signals induced by coal fracture under uniaxial compression based on full- waveform 工程科学学报.2019,41(7)：874 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.005 不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验声发射特性研究 Study on acoustic emission characteristics of Brazilian test for low-porosity sandstone under different load conditions 工程科学学报.优先发表htps:ldoi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.08.12.004 劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 Acoustic emission and micro-rupture characteristics of rocks under Brazilian splitting load 工程科学学报.2019,41(11：1422htps:oi.org10.13374.issn2095-9389.2018.11.29.005 充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究 Experimental study of the influence of the filling material on the mechanical properties of marble with holes 工程科学学报.2018,407)：776 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.07.002

基于RA与AF值的声发射指标在隧道监测中的可行性 吴顺川 甘一雄 任义 郑立夫 Feasibility research of AE monitoring index in tunnel based on RA and AF WU Shun-chuan, GAN Yi-xiong, REN Yi, ZHENG Li-fu 引用本文: 吴顺川, 甘一雄, 任义, 郑立夫. 基于RA与AF值的声发射指标在隧道监测中的可行性[J]. 工程科学学报, 2020, 42(6): 723- 730. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.28.001 WU Shun-chuan, GAN Yi-xiong, REN Yi, ZHENG Li-fu. Feasibility research of AE monitoring index in tunnel based on RA and AF[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(6): 723-730. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.28.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.28.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 基于声发射监测的316LN不锈钢的疲劳损伤评价 Fatigue damage evaluation of 316LN stainless steel using acoustic emission monitoring 工程科学学报. 2018, 40(4): 461 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.009 初始损伤对混凝土硫酸盐腐蚀劣化性能的影响 Influence of initial damage on degradation and deterioration of concrete under sulfate attack 工程科学学报. 2017, 39(8): 1278 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.08.019 基于全波形的煤样单轴压缩破坏声电时频特征 Time-frequency characteristics of acoustic-electric signals induced by coal fracture under uniaxial compression based on full￾waveform 工程科学学报. 2019, 41(7): 874 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.005 不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验声发射特性研究 Study on acoustic emission characteristics of Brazilian test for low-porosity sandstone under different load conditions 工程科学学报.优先发表 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.12.004 劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 Acoustic emission and micro-rupture characteristics of rocks under Brazilian splitting load 工程科学学报. 2019, 41(11): 1422 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.29.005 充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究 Experimental study of the influence of the filling material on the mechanical properties of marble with holes 工程科学学报. 2018, 40(7): 776 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.002

工程科学学报.第42卷，第6期：723-730.2020年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.6:723-730,June 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.28.001;http://cje.ustb.edu.cn 基于RA与AF值的声发射指标在隧道监测中的可行性 吴顺川2，甘一雄)四，任义)，郑立夫) 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1000832)昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093 ☒通信作者，E-mail:b20140014@xs.ustb.edu.cm 摘要基于华蓥山隧道掘进爆破过程中的声发射监测结果，对比了上升时间/振幅比值(RA)与平均频率(AF)在不同传播 距离下的分布规律，结果表明，随传感器与震源间距离增加，RA最大值增加，AF的分布范围基本不变.为验证基于RA与 AF值描述岩体破裂情况的有效性，研究了RA/AF比值r在破裂过程中的变化规律以及r的变异系数的发展规律，并与常用 的参数指标绝对能量、b值等参数进行对比验证.本文提出了3种变异系数(CV)计算方法，对比计算结果并探讨了各方法的 适用条件.由计算结果可知，r值变异系数能够较好地描述岩体中的破裂发展过程，其中CV,计算方法适用于声发射信号较 离散的情况，而CV3的计算方法更适用于存在连续声发射信号的围岩监测. 关键词声发射：隧道监测；参数分析；RA/AF值；变异系数 分类号TU94 Feasibility research of AE monitoring index in tunnel based on RA and AF WU Shun-chuan 2,GAN Yi-xiong,REN Yi,ZHENG Li-fi) 1)Key Laboratory of Ministry of Education for Efficient Mining and Safety of Metal Mine,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Faculty of Land Resource Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China Corresponding author,E-mail:b20140014@xs.ustb.edu.cn ABSTRACT Risetime/amplitude (RA)and average frequency (AF)have been usually used for qualitative analysis of fracture mechanism in acoustic emission(AE)monitoring.However,regardless whether fracture is shear or tensile in macroscopic view,it can be observed in laboratory experiments that the AE signals of shear increases when it is close to the failure stage of specimens.Therefore, RA and AF may also have the potential in indicating the violent reputure of rock.Furthermore,as the value of RA would increase with the distance within some limits,the observed RA and AF would be closer to the shear feature,which means the index is relatively safer under attenuation and is appropriate for in-situ monitoring.Based on the data monitoring of Huayingshan Tunnel,Yuguang Expressway during the construction process,the distributions of RA and AF on positions of different distances of the seismic source were compared. Results show that the maximum value of RA increases distinctly with the distance increase between the sensors and the seismic source, whereas the distribution of values of AF are nearly the same at different distances.To verify the validity of RA and AF in indicating the rupture of rock,parameterrof RA/AF ratio was set and the time history ofr and coefficient of variation (CV)ofrduring the rupture process were studied and compared with other regular indexes,such as absolute energy and b value.The variation of CV could describe the intense rupture of rock properly and the analysis of CV could get a safer evaluation result especially when dealing with small-scale failure in rock mass.To find the best statistical method of CV,three statistical methods of CV were compared and results show that the CV ofr can well illustrate the rock rupture,CV is more suitable for situations that the AE signals vary and are discrete,and CV3 is appropriate for monitoring of continuous AE signals. 收稿日期：2019-06-28

基于 RA 与 AF 值的声发射指标在隧道监测中的可行性 吴顺川1,2)，甘一雄1) 苣，任    义1)，郑立夫1) 1) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083    2) 昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093 苣通信作者，E-mail：b20140014@xs.ustb.edu.cn 摘    要    基于华蓥山隧道掘进爆破过程中的声发射监测结果，对比了上升时间/振幅比值 (RA) 与平均频率 (AF) 在不同传播 距离下的分布规律，结果表明，随传感器与震源间距离增加，RA 最大值增加，AF 的分布范围基本不变. 为验证基于 RA 与 AF 值描述岩体破裂情况的有效性，研究了 RA/AF 比值 r 在破裂过程中的变化规律以及 r 的变异系数的发展规律，并与常用 的参数指标绝对能量、b 值等参数进行对比验证. 本文提出了 3 种变异系数（CV）计算方法，对比计算结果并探讨了各方法的 适用条件. 由计算结果可知，r 值变异系数能够较好地描述岩体中的破裂发展过程，其中 CV1 计算方法适用于声发射信号较 离散的情况，而 CV3 的计算方法更适用于存在连续声发射信号的围岩监测. 关键词    声发射；隧道监测；参数分析；RA/AF 值；变异系数 分类号    TU94 Feasibility research of AE monitoring index in tunnel based on RA and AF WU Shun-chuan1,2) ，GAN Yi-xiong1) 苣 ，REN Yi1) ，ZHENG Li-fu1) 1) Key Laboratory of Ministry of Education for Efficient Mining and Safety of Metal Mine, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Faculty of Land Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China 苣 Corresponding author, E-mail: b20140014@xs.ustb.edu.cn ABSTRACT    Risetime/amplitude  (RA)  and  average  frequency  (AF)  have  been  usually  used  for  qualitative  analysis  of  fracture mechanism in acoustic emission (AE) monitoring. However, regardless whether fracture is shear or tensile in macroscopic view, it can be observed in laboratory experiments that the AE signals of shear increases when it is close to the failure stage of specimens. Therefore, RA and AF may also have the potential in indicating the violent reputure of rock. Furthermore, as the value of RA would increase with the distance within some limits, the observed RA and AF would be closer to the shear feature, which means the index is relatively safer under attenuation and is appropriate for in-situ monitoring. Based on the data monitoring of Huayingshan Tunnel, Yuguang Expressway during the construction process, the distributions of RA and AF on positions of different distances of the seismic source were compared. Results show that the maximum value of RA increases distinctly with the distance increase between the sensors and the seismic source, whereas the distribution of values of AF are nearly the same at different distances. To verify the validity of RA and AF in indicating the rupture of rock, parameter r of RA/AF ratio was set and the time history of r and coefficient of variation (CV) of r during the rupture process were studied and compared with other regular indexes, such as absolute energy and b value. The variation of CV could describe the intense rupture of rock properly and the analysis of CV could get a safer evaluation result especially when dealing with small-scale failure in rock mass. To find the best statistical method of CV, three statistical methods of CV were compared and results show that the CV of r can well illustrate the rock rupture, CV1 is more suitable for situations that the AE signals vary and are discrete, and CV3 is appropriate for monitoring of continuous AE signals. 收稿日期: 2019−06−28 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期：723−730，2020 年 6 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 6: 723−730, June 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.28.001; http://cje.ustb.edu.cn

724 工程科学学报，第42卷，第6期 KEY WORDS acoustic emission;tunnel monitoring;parameters analysis;RA/AF;coefficient of variation 隧道工程现场围岩声发射监测方法主要分为 拉破裂对应的声发射事件具有较小的RA值与较 破裂定位与参数分析两大类.其中，破裂定位方法 大的AF值：剪切破裂所对应的声发射事件则具有 能够确定岩体中破裂发展的位置信息，对围岩破 较大的RA值与较小的AF值8以剪切破裂为主 裂失稳过程进行有效监测，然而，声发射监测距离 导的破坏，往往在临近破坏阶段出现较多剪切破 有限，通常不超过10m四，为实现破裂定位，传感器 裂事件O,对应的声发射信号RA值较大，AF值较 空间分布及数量都需要达到一定要求，因此通常 小：而许多室内试验结果表明，即使是以张拉破裂 采用多钻孔、多传感器的方式进行监测，如加拿大 为主导的破坏，在临近破坏阶段，也同样会出现较多 地下研究实验室(Underground Research Laboratory 呈现剪切特征，即RA值较大、AF值较小的声发 in Canada URL)的隧道封接试验，采用由每组 射信号，如混凝土弯曲试验、大理岩弯曲试验山 24个传感器组成的2组传感器阵列叫：锦屏二级水 与直接拉伸试验、不同岩石的巴西劈裂试验] 电站深埋引水隧洞掘进过程的声发射监测中，采 等试验中的声发射监测结果都揭示了这一现象， 用了4钻孔8传感器)、6钻孔12传感器等布设方 且随着加载速率与破坏规模的增加，RA值与 式然而，由于隧道施工的特性与监测距离的限 AF值分布的变化更为显著，即不论何种形式的破 制，布设的监测点所能使用的时间有限，随着开挖 坏，在失稳前都会出现声发射信号剪切波成分增 面不断前进以及支护结构的完成，监测点往往需 加的特征.因此笔者认为，RA与AF值除了可以 要不断跟进，因此，尽管基于破裂定位的声发射 用于破裂机制分析，同样可用于指示岩石材料的 监测方式在对重点关注的区域进行监测研究上具 急剧破裂，用于工程现场岩体的监测预警 有独特优势，但传感器布设难度与成本较高，在隧 由声发射各参数的衰减规律可知，一定范围 道围岩实时监测的应用中仍然存在一定局限. 内，随传播距离的增加，实际测得RA值将增大， 除破裂定位以外，参数分析方法是声发射监 AF值将减小，故在一定距离内的信号衰减作用 测的另一方向，该方法不要求对事件进行准确定 下，基于RA与AF值对岩体破坏程度的判断结果 位，因此不需要多个传感器共同接收到信号，监测 是偏安全的，因此，作为现场监测的参数指标， 范围即为传感器最大监测范围，且传感器安装难 RA与AF值具有其独特优势 度与最少传感器数量都有所降低.相关参数主要 本文以渝广高速华蓥山隧道为研究对象，监 包括振铃计数率(Counts rate)、绝对能量(Absolute 测隧道爆破掘进过程中掌子面附近围岩的声发射 energy)等声发射基本特征参数，以及b值等基于 响应，以对爆破施工到初衬支护之间的监测预警 地震学理论的统计参数. 灰色时间段进行有效补充，验证RA与AF值指标 然而，在缺乏定位信息的条件下，参数分析所 在现场监测中的实用性 得结果难以考虑信号衰减的影响，监测结果可能 1试验方案设计 与实际情况有所偏差，因此，如何选取合理的参数 指标，尽可能降低空间分布不确定性与信号衰减 1.1工程概况 等因素对稳定性评价结果的影响，成为基于参数 渝广高速公路华蓥山隧道为双向隧道，左线 分析的声发射监测方法的关键 长5018m,右线长5000m,左、右线最大埋深分别 在各声发射参数指标中，随传播距离的增加， 为438和448m.采用分离式双洞结构，自隧道进 大多数参数的实测值，如振幅、能量、频率等，都 口、中部、隧道出口的线间距分别为16.34、30和 呈现负指数或线性下降规律，唯有上升时间 25.17m.地处华蓥山余脉，穿越地区岩溶、断层、 (Risetime)在衰减的影响下，在一定距离内呈现线 采空区、高瓦斯煤层等.地层倾角较大、岩体张性 性上升的趋势，根据这一规律，可将上升时间引 裂隙发育、拱顶围岩自稳性差，地质情况较复杂 入监测指标体系，以减少监测指标受衰减的影响 选取隧道进口右洞进口K24+645~K25+160 在声发射监测中，上升时间/振幅(Risetime/ 里程范围为监测区段，该区段两线相距30m,岩性 amplitude,RA)与平均频率(Average frequency,AF) 主要为薄、中厚层状的白云质灰岩、白云岩、灰 值常被用于对破裂机制的定性分析，一般而言，张 岩、泥质灰岩、泥灰岩等，局部夹盐溶角砾岩和薄

KEY WORDS    acoustic emission；tunnel monitoring；parameters analysis；RA/AF；coefficient of variation 隧道工程现场围岩声发射监测方法主要分为 破裂定位与参数分析两大类. 其中，破裂定位方法 能够确定岩体中破裂发展的位置信息，对围岩破 裂失稳过程进行有效监测，然而，声发射监测距离 有限，通常不超过 10 m[1] ，为实现破裂定位，传感器 空间分布及数量都需要达到一定要求，因此通常 采用多钻孔、多传感器的方式进行监测，如加拿大 地下研究实验室（Underground Research Laboratory in  Canada  URL） 的 隧 道 封 接 试 验 ， 采 用 由 每 组 24 个传感器组成的 2 组传感器阵列[2] ；锦屏二级水 电站深埋引水隧洞掘进过程的声发射监测中，采 用了 4 钻孔 8 传感器[3]、6 钻孔 12 传感器等布设方 式[4] . 然而，由于隧道施工的特性与监测距离的限 制，布设的监测点所能使用的时间有限，随着开挖 面不断前进以及支护结构的完成，监测点往往需 要不断跟进[5] . 因此，尽管基于破裂定位的声发射 监测方式在对重点关注的区域进行监测研究上具 有独特优势，但传感器布设难度与成本较高，在隧 道围岩实时监测的应用中仍然存在一定局限. 除破裂定位以外，参数分析方法是声发射监 测的另一方向，该方法不要求对事件进行准确定 位，因此不需要多个传感器共同接收到信号，监测 范围即为传感器最大监测范围，且传感器安装难 度与最少传感器数量都有所降低. 相关参数主要 包括振铃计数率（Counts rate）、绝对能量（Absolute energy）等声发射基本特征参数[6] ，以及 b 值等基于 地震学理论的统计参数. 然而，在缺乏定位信息的条件下，参数分析所 得结果难以考虑信号衰减的影响，监测结果可能 与实际情况有所偏差，因此，如何选取合理的参数 指标，尽可能降低空间分布不确定性与信号衰减 等因素对稳定性评价结果的影响，成为基于参数 分析的声发射监测方法的关键. 在各声发射参数指标中，随传播距离的增加， 大多数参数的实测值，如振幅、能量、频率等，都 呈现负指数或线性下降规律 ，唯有上升时间 （Risetime）在衰减的影响下，在一定距离内呈现线 性上升的趋势[7] ，根据这一规律，可将上升时间引 入监测指标体系，以减少监测指标受衰减的影响. 在声发射监测中 ，上升时间/振幅（Risetime/ amplitude, RA）与平均频率（Average frequency, AF） 值常被用于对破裂机制的定性分析，一般而言，张 拉破裂对应的声发射事件具有较小的 RA 值与较 大的 AF 值；剪切破裂所对应的声发射事件则具有 较大的 RA 值与较小的 AF 值[8−9] . 以剪切破裂为主 导的破坏，往往在临近破坏阶段出现较多剪切破 裂事件[10] ，对应的声发射信号 RA 值较大，AF 值较 小；而许多室内试验结果表明，即使是以张拉破裂 为主导的破坏，在临近破坏阶段，也同样会出现较多 呈现剪切特征，即 RA 值较大、AF 值较小的声发 射信号，如混凝土弯曲试验[8]、大理岩弯曲试验[11] 与直接拉伸试验[12]、不同岩石的巴西劈裂试验[13] 等试验中的声发射监测结果都揭示了这一现象， 且随着加载速率与破坏规模的增加 ， RA 值 与 AF 值分布的变化更为显著，即不论何种形式的破 坏，在失稳前都会出现声发射信号剪切波成分增 加的特征. 因此笔者认为，RA 与 AF 值除了可以 用于破裂机制分析，同样可用于指示岩石材料的 急剧破裂，用于工程现场岩体的监测预警. 由声发射各参数的衰减规律可知，一定范围 内，随传播距离的增加，实际测得 RA 值将增大， AF 值将减小，故在一定距离内的信号衰减作用 下，基于 RA 与 AF 值对岩体破坏程度的判断结果 是偏安全的 ，因此 ，作为现场监测的参数指标 ， RA 与 AF 值具有其独特优势. 本文以渝广高速华蓥山隧道为研究对象，监 测隧道爆破掘进过程中掌子面附近围岩的声发射 响应，以对爆破施工到初衬支护之间的监测预警 灰色时间段进行有效补充，验证 RA 与 AF 值指标 在现场监测中的实用性. 1    试验方案设计 1.1    工程概况 渝广高速公路华蓥山隧道为双向隧道，左线 长 5018 m，右线长 5000 m，左、右线最大埋深分别 为 438 和 448 m. 采用分离式双洞结构，自隧道进 口、中部、隧道出口的线间距分别为 16.34、30 和 25.17 m. 地处华蓥山余脉，穿越地区岩溶、断层、 采空区、高瓦斯煤层等. 地层倾角较大、岩体张性 裂隙发育、拱顶围岩自稳性差，地质情况较复杂. 选取隧道进口右洞进口 K24+645～K25+160 里程范围为监测区段，该区段两线相距 30 m，岩性 主要为薄、中厚层状的白云质灰岩、白云岩、灰 岩、泥质灰岩、泥灰岩等，局部夹盐溶角砾岩和薄 · 724 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期

吴顺川等：基于RA与AF值的声发射指标在隧道监测中的可行性 725· 层石膏.节理较发育，岩体较完整，以Ⅲ、IV级围 用R451-LP-AST型压电陶瓷传感器，频率范围为 岩为主，局部盐溶角砾岩段围岩较破碎，稳定性较 5~30kHz,内置前置放大器，前置放大倍数为26dB, 差，采用中壁法（无竖撑）施工，掌子面爆破在前， 采样频率为1MHz,采样长度为2kB.根据前期测 下导爆破分左右两段分别推进，其中，掌子面爆破 试结果，由于左右两洞同时施工，在监测过程中邻 进尺2m时装药100~130kg,进尺3m时装药180~ 洞钻孔、爆破等施工活动造成的噪音最高为43dB 190kg,下导爆破装药约36kg,爆破分2段进行， 左右，为保证监测过程不受邻洞信号的干扰，选取 间隔0.1s 45dB作为信号采集门槛值；在这一门槛值下，当 1.2监测方法选取 传感器布设位置高度超过3m时，人员活动及运 华蓥山隧道地质条件复杂，岩体自稳性较差， 输车辆的噪声也将得到有效屏薇 施工期间根据隧道设计和施工规范的要求、工程 在这一采集设置下，掌子面钻孔信号最大传 地质条件、围岩级别、隧道设计等情况进行监控 播距离约为15m;手持钻钻孔信号最大传播距离 量测，主要采用周边位移计与全站仪进行监测.但 约为6.5m:手持工程锤敲击信号约为3m.由上述 由于全站仪及收敛计等基于测点位移的监测受到 结果可知，声发射传感器最大监测距离与事件规 监测点布设的限制，在开挖至初期支护之间，尤其 模（能量）密切相关，并初步推断掘进爆破所产生 是爆破后至初期支护前，属于常规监测手段的灰 的较大规模破裂对应的声发射传播最大距离应不 色区段，全站仪反射点、收敛计监测点等都难以提 小于10m. 前布设，难以进行及时有效监测预警，只能以简单 1.4传感器布置及安装方式 的地质观察手段，通过经验进行观测，或者以挖掘 根据信号及噪声初步分析结果，设计安装方 机敲帮问顶，排除失稳风险 式如下：同一隧道截面上，传感器安装位置（监测 然而，爆破震动易诱发围岩变形、失稳塌方等 点)可分为拱顶与拱腰安装，拱顶处安装高度为 灾害，由爆破引发的隧道失稳风险主要集中在爆 8~9m,拱腰安装高度为3~5m;为避免多次钻 破开挖至初期支护工序时间段内，因此考虑选取 孔，节约安装成本，采用在初衬中预留安装孔的方 微震或声发射监测的方式，对掌子面附近岩体破 法进行传感器安装 裂信息进行无损监测，用以补充隧道爆破后至初 前次掘进初衬支护阶段，在初衬上预留传感 衬支护阶段的监测空白 器安装孔，拱顶附近可直接用防水布进行遮挡如 由于两隧道间隔不超过30m,两洞同时施工， 图l(a)所示；拱腰附近需用木板加防水布做成格 而微震在隧道中的监测距离一般为50~150m, 挡放入钢筋网中，避免浆液流入预留孔中，如图1(b) 若采用微震监测的方式，邻洞施工可能会对监测 所示.喷浆支护完成后揭开防水布，预留位置即可 造成干扰，因此选取声发射监测的手段对华蓥山 形成一个20~30cm深的安装孔，传感器安装于围 隧道爆破过程中的围岩稳定性进行监测：华蓥山 岩表面，安装孔可对传感器起到一定保护作用，避 隧道双线同时施工，都存在施工监测需求，以其中 免传感器被飞石砸落，加上辅助安装套筒装置的 一条隧道向另一条隧道钻孔布设的方式不具有实 包裹，可对传感器进行有效保护.信号线紧贴岩壁 际意义；由于掌子面以每天5~9m的速度向前推 延伸，且尽可能保证其距离地面的高度，即使是安 进，采用多钻孔、多传感器的监测方法对掌子面附 装于拱腰的传感器，其信号线也应先向上延伸至 近围岩中的破裂源定位成本过高，且每组监测点 拱肩处（约7~8m高），再向远离掌子面的方向延 仅能使用1~2d.因此，选取基于参数分析的声发 伸，尽可能避免信号线被爆破产生的飞石砸断.采 射监测方法对华蓥山隧道掘进爆破过程中的围岩 集仪等设备放置于距离掌子面50m以上的安全区 稳定性进行监测. 域，并做好保护措施，避免爆破过程中的仪器损 本文通过对华蓥山掘进爆破前后的围岩声发 坏.监测爆破及爆破后声发射信号，信号记录时间 射监测，对比不同监测指标在爆破过程中的变化 为爆破前人员疏散至爆破后人员进场除渣 规律，验证RA与AF值在隧道围岩监测中的可行 2试验结果分析 性与优势 1.3试验设备及前期测试 2.1同次爆破不同距离监测点声发射参数特征 试验所采用的声发射监测系统为美国物理声 基于参数分析的声发射现场监测中，由于不 学公司(PAC)的SH-Ⅱ型声发射现场采集系统，选 进行事件定位，每个传感器接收信号的范围难以

层石膏. 节理较发育，岩体较完整，以 III、IV 级围 岩为主，局部盐溶角砾岩段围岩较破碎，稳定性较 差. 采用中壁法（无竖撑）施工，掌子面爆破在前， 下导爆破分左右两段分别推进，其中，掌子面爆破 进尺 2 m 时装药 100～130 kg，进尺 3 m 时装药 180～ 190 kg，下导爆破装药约 36 kg，爆破分 2 段进行， 间隔 0.1 s. 1.2    监测方法选取 华蓥山隧道地质条件复杂，岩体自稳性较差， 施工期间根据隧道设计和施工规范的要求、工程 地质条件、围岩级别、隧道设计等情况进行监控 量测，主要采用周边位移计与全站仪进行监测. 但 由于全站仪及收敛计等基于测点位移的监测受到 监测点布设的限制，在开挖至初期支护之间，尤其 是爆破后至初期支护前，属于常规监测手段的灰 色区段，全站仪反射点、收敛计监测点等都难以提 前布设，难以进行及时有效监测预警，只能以简单 的地质观察手段，通过经验进行观测，或者以挖掘 机敲帮问顶，排除失稳风险. 然而，爆破震动易诱发围岩变形、失稳塌方等 灾害，由爆破引发的隧道失稳风险主要集中在爆 破开挖至初期支护工序时间段内. 因此考虑选取 微震或声发射监测的方式，对掌子面附近岩体破 裂信息进行无损监测，用以补充隧道爆破后至初 衬支护阶段的监测空白. 由于两隧道间隔不超过 30 m，两洞同时施工， 而微震在隧道中的监测距离一般为 50～150 m[14] ， 若采用微震监测的方式，邻洞施工可能会对监测 造成干扰，因此选取声发射监测的手段对华蓥山 隧道爆破过程中的围岩稳定性进行监测；华蓥山 隧道双线同时施工，都存在施工监测需求，以其中 一条隧道向另一条隧道钻孔布设的方式不具有实 际意义；由于掌子面以每天 5～9 m 的速度向前推 进，采用多钻孔、多传感器的监测方法对掌子面附 近围岩中的破裂源定位成本过高，且每组监测点 仅能使用 1～2 d. 因此，选取基于参数分析的声发 射监测方法对华蓥山隧道掘进爆破过程中的围岩 稳定性进行监测. 本文通过对华蓥山掘进爆破前后的围岩声发 射监测，对比不同监测指标在爆破过程中的变化 规律，验证 RA 与 AF 值在隧道围岩监测中的可行 性与优势. 1.3    试验设备及前期测试 试验所采用的声发射监测系统为美国物理声 学公司（PAC）的 SH-II 型声发射现场采集系统，选 用 R.451-LP-AST 型压电陶瓷传感器，频率范围为 5～30 kHz，内置前置放大器，前置放大倍数为 26 dB， 采样频率为 1 MHz，采样长度为 2 kB. 根据前期测 试结果，由于左右两洞同时施工，在监测过程中邻 洞钻孔、爆破等施工活动造成的噪音最高为 43 dB 左右，为保证监测过程不受邻洞信号的干扰，选取 45 dB 作为信号采集门槛值；在这一门槛值下，当 传感器布设位置高度超过 3 m 时，人员活动及运 输车辆的噪声也将得到有效屏蔽. 在这一采集设置下，掌子面钻孔信号最大传 播距离约为 15 m；手持钻钻孔信号最大传播距离 约为 6.5 m；手持工程锤敲击信号约为 3 m. 由上述 结果可知，声发射传感器最大监测距离与事件规 模（能量）密切相关，并初步推断掘进爆破所产生 的较大规模破裂对应的声发射传播最大距离应不 小于 10 m. 1.4    传感器布置及安装方式 根据信号及噪声初步分析结果，设计安装方 式如下：同一隧道截面上，传感器安装位置（监测 点）可分为拱顶与拱腰安装，拱顶处安装高度为 8～9 m，拱腰安装高度为 3～5 m；为避免多次钻 孔，节约安装成本，采用在初衬中预留安装孔的方 法进行传感器安装. 前次掘进初衬支护阶段，在初衬上预留传感 器安装孔，拱顶附近可直接用防水布进行遮挡如 图 1（a）所示；拱腰附近需用木板加防水布做成格 挡放入钢筋网中，避免浆液流入预留孔中，如图 1（b） 所示. 喷浆支护完成后揭开防水布，预留位置即可 形成一个 20～30 cm 深的安装孔，传感器安装于围 岩表面，安装孔可对传感器起到一定保护作用，避 免传感器被飞石砸落，加上辅助安装套筒装置的 包裹，可对传感器进行有效保护. 信号线紧贴岩壁 延伸，且尽可能保证其距离地面的高度，即使是安 装于拱腰的传感器，其信号线也应先向上延伸至 拱肩处（约 7～8 m 高），再向远离掌子面的方向延 伸，尽可能避免信号线被爆破产生的飞石砸断. 采 集仪等设备放置于距离掌子面 50 m 以上的安全区 域，并做好保护措施，避免爆破过程中的仪器损 坏. 监测爆破及爆破后声发射信号，信号记录时间 为爆破前人员疏散至爆破后人员进场除渣. 2    试验结果分析 2.1    同次爆破不同距离监测点声发射参数特征 基于参数分析的声发射现场监测中，由于不 进行事件定位，每个传感器接收信号的范围难以 吴顺川等： 基于 RA 与 AF 值的声发射指标在隧道监测中的可行性 · 725 ·

.726 工程科学学报，第42卷，第6期 (b) Dam-board Waterproof cloth 7 图1预留传感器安装孔.(a)拱顶安装孔：(b)拱腰安装孔 Fig.I Reserved cave for sensor attaching:(a)reserved cave on the top;(b)reserved cave on the wall 完全确定，与事件规模、传输介质、传播路径等密 2.1.1不同距离下RA与AF值分布 切相关，因此首先对比同一次爆破中不同距离监 RA与AF值作为破裂机制分析的依据，判定 测点声发射信号参数特征，以研究传播距离对声 方法如图2(a)所示1，当信号RA值较大、AF值较 发射参数分析结果的影响 小，即声发射信号呈现剪切波特征时，认为该信号 选取能量较小的下导爆破工况进行初步试 对应的破裂为剪切破裂，反之则为拉伸破裂 验，监测爆破掘进过程中的声发射响应.下导爆破 图2(b)~(d)所示为同一次爆破中不同距离下监 在掌子面爆破之后30~50m距离处，装药量较小， 测点监测声发射结果RA与AF值的分布.由 附近围岩已完成初次支护，对围岩稳定性影响 图2(b)~(d)可知，不同距离下的RA与AF值分 较小 布规律大致相同，大多数信号RA值较小，AF值较 在距离爆破点6、12和18m处安装传感器， 大，即破裂以张拉破裂为主；但随着监测距离的增 为更好地接收声发射信号，尽可能减小传播路径 加，RA较大、AF较小的信号也随之增多，且平均 的差异，传感器选取拱腰位置安装 频率AF的分布范围变化不大，RA值分布范围显 100 (a) (b) 80 Tensile crack ..: 40 20 Shear crack RA 2000 4000 6000 RA/(msV-) 100 100 (c 。(d 80 80 : 60 ZH/V ZHMAV 60 40 40 20 0 0 2000 4000 6000 2000 000 6000 RA/(ms-V-) RA/(ms-V-1) 图2同次爆破不同距离下声发射RA与AF值分布.(a)破裂分类判据：(b)距离6m:(c)距离12m:(d)距离18m Fig.2 Distribution of RA and AF of AE signals at different distances from the source during a certain blasting:(a)criteria for fracture classification, (b)distance of 6 m;(c)distance of 12 m;(d)distance of 18 m

完全确定，与事件规模、传输介质、传播路径等密 切相关，因此首先对比同一次爆破中不同距离监 测点声发射信号参数特征，以研究传播距离对声 发射参数分析结果的影响. 选取能量较小的下导爆破工况进行初步试 验，监测爆破掘进过程中的声发射响应. 下导爆破 在掌子面爆破之后 30～50 m 距离处，装药量较小， 附近围岩已完成初次支护，对围岩稳定性影响 较小. 在距离爆破点 6、12 和 18 m 处安装传感器， 为更好地接收声发射信号，尽可能减小传播路径 的差异，传感器选取拱腰位置安装. 2.1.1    不同距离下 RA 与 AF 值分布 RA 与 AF 值作为破裂机制分析的依据，判定 方法如图 2（a）所示[8] ，当信号 RA 值较大、AF 值较 小，即声发射信号呈现剪切波特征时，认为该信号 对应的破裂为剪切破裂 ，反之则为拉伸破裂 . 图 2（b）～（d）所示为同一次爆破中不同距离下监 测点监测声发射结 果 RA 与 AF 值的分布 . 由 图 2（b）～（d）可知，不同距离下的 RA 与 AF 值分 布规律大致相同，大多数信号 RA 值较小，AF 值较 大，即破裂以张拉破裂为主；但随着监测距离的增 加，RA 较大、AF 较小的信号也随之增多，且平均 频率 AF 的分布范围变化不大，RA 值分布范围显 (a) (b) 图 1    预留传感器安装孔. （a）拱顶安装孔；（b）拱腰安装孔 Fig.1    Reserved cave for sensor attaching: (a) reserved cave on the top; (b) reserved cave on the wall Tensile crack AF Shear crack RA (a) AF/kHz 2000 4000 6000 RA/(ms·V−1) 0 0 20 40 60 80 100 (b) AF/kHz 2000 4000 6000 RA/(ms·V−1) 0 0 20 40 60 80 100 (d) AF/kHz 2000 4000 6000 RA/(ms·V−1) 0 0 20 40 60 80 100 (c) 图 2    同次爆破不同距离下声发射 RA 与 AF 值分布. （a）破裂分类判据；（b）距离 6 m；（c）距离 12 m；（d）距离 18 m Fig.2    Distribution of RA and AF of AE signals at different distances from the source during a certain blasting: (a) criteria for fracture classification; (b) distance of 6 m; (c) distance of 12 m; (d) distance of 18 m · 726 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期

吴顺川等：基于RA与AF值的声发射指标在隧道监测中的可行性 727· 著增加，与室内试验中随距离增大RA值增加的规 映岩体内部破裂的增加.与此同时，b值统计结果 律相吻合 在0.1与0.3s处也处于最低点（除18m处0.3s时 2.1.2不同距离下声发射参数随时间发展规律 无数据)，说明在0.1与0.3s左右岩体内部大破裂 图3(a)为不同距离处的声发射监测绝对能量 的比例较高.结合绝对能量与b值统计结果，在 平均值(EA)与b值分布统计.由于绝对能量在数 0.1与0.3s处，岩体内部发生了2次大破裂事件增 量级上差异较大，因此对绝对能量值平均值取对 多，直至0.6s后逐渐稳定 数进行对比；b值为G-R关系(Gutenberg-.Richter's 然而，由于绝对能量值是信号包络线面积，而 law)式中系数： 声发射实测振幅上限受到传感器DA转换电压范 IgN=a-bM (1) 围限制，当信号振幅过大时会出现“削峰”现象，而 式中，M为震级，N为大于该震级的事件数，a,b为 当监测点距震源的距离增加时，信号上升时间、持 常数.在声发射中，通常可用振幅除以20来代表 续时间增加，振幅降低，但实测振幅并没有太大改 声发射震级，即MFA/20,A为声发射振幅，在b值 变，仍接近最大电压值，因此当震源能量过大时， 计算中，A的单位为dB)b值反映的是岩体中破 一 定距离范围内，距离更远的监测点测得绝对能 裂事件的相对大小与数量的关系，b值越小，说明 量可能反而更高 事件中大破裂事件占比越大，岩石破坏越剧烈，根 由室内试验结果可知，岩石失稳阶段，往往会 据室内试验的结果，岩体发生破坏时所对应的 出现较多RA值较大、AF值较小的“剪切型”声发 b值约为1±0.56 射信号，因此可将声发射信号RA与AF的比值作 由图3(a)可知，爆破过程中主要有2次绝对 为岩石失稳监测的指标.由于基于声发射参数的 能量平均值的增长，出现于0.1与0.3s左右，直至0.7s 破裂机制分析中往往以仁AFRA作为张拉与剪切 后开始降低（除18m处0.7s后重新出现且高于另 信号的判定值，为避免混淆，本文定义=RA/AF作 外两组结果，但发展趋势同样是不断降低).绝对 为本次试验的声发射监测指标，若r值较大的声发 能量的增长意味着岩体中的声发射活动加剧，反 射信号陡然增多，则说明岩体进入剧烈破坏阶段， Absolute erergy,6m 250 a (b) te exergy. 2 m 200 150 100 50 0.4 0.6 0 0.2 0.40.6 0.8 .0 Time/s Time/s 600r (c) (d) 400 400 300 20 70 t8 200 100 0 0.2 0.40.6 0.8 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Time/s Time/s 图3同次爆破不同距离下声发射参数随时间的变化.(a)绝对能量与b值：(b)距离6m:(c)距离12m:(d)距离18m Fig.3 Evolution of AE parameters and indices at different distances from the source during a certain blasting:(a)absolute energy and b value;(b) distance of 6 m;(c)distance of 12 m:(d)distance of 18 m

著增加，与室内试验中随距离增大 RA 值增加的规 律相吻合. 2.1.2    不同距离下声发射参数随时间发展规律 图 3（a）为不同距离处的声发射监测绝对能量 平均值（EA）与 b 值分布统计. 由于绝对能量在数 量级上差异较大，因此对绝对能量值平均值取对 数进行对比； b 值为 G-R 关系（Gutenberg-Richter's law）式中系数： lgN = a−bM （1） 式中，M 为震级，N 为大于该震级的事件数，a，b 为 常数. 在声发射中，通常可用振幅除以 20 来代表 声发射震级，即 M=A/20，A 为声发射振幅，在 b 值 计算中，A 的单位为 dB[15] . b 值反映的是岩体中破 裂事件的相对大小与数量的关系，b 值越小，说明 事件中大破裂事件占比越大，岩石破坏越剧烈，根 据室内试验的结果 ，岩体发生破坏时所对应的 b 值约为 1±0.5[16] . 由图 3（a）可知，爆破过程中主要有 2 次绝对 能量平均值的增长，出现于 0.1 与 0.3 s 左右，直至 0.7 s 后开始降低（除 18 m 处 0.7 s 后重新出现且高于另 外两组结果，但发展趋势同样是不断降低）. 绝对 能量的增长意味着岩体中的声发射活动加剧，反 映岩体内部破裂的增加. 与此同时，b 值统计结果 在 0.1 与 0.3 s 处也处于最低点（除 18 m 处 0.3 s 时 无数据），说明在 0.1 与 0.3 s 左右岩体内部大破裂 的比例较高. 结合绝对能量与 b 值统计结果，在 0.1 与 0.3 s 处，岩体内部发生了 2 次大破裂事件增 多，直至 0.6 s 后逐渐稳定. 然而，由于绝对能量值是信号包络线面积，而 声发射实测振幅上限受到传感器 D/A 转换电压范 围限制，当信号振幅过大时会出现“削峰”现象，而 当监测点距震源的距离增加时，信号上升时间、持 续时间增加，振幅降低，但实测振幅并没有太大改 变，仍接近最大电压值，因此当震源能量过大时， 一定距离范围内，距离更远的监测点测得绝对能 量可能反而更高. 由室内试验结果可知，岩石失稳阶段，往往会 出现较多 RA 值较大、AF 值较小的“剪切型”声发 射信号，因此可将声发射信号 RA 与 AF 的比值作 为岩石失稳监测的指标. 由于基于声发射参数的 破裂机制分析中往往以 k=AF/RA 作为张拉与剪切 信号的判定值，为避免混淆，本文定义 r=RA/AF 作 为本次试验的声发射监测指标，若 r 值较大的声发 射信号陡然增多，则说明岩体进入剧烈破坏阶段， r/(ms·V−1·kHz−1 ) Time/s 0 200 400 600 (d) r/(ms·V−1·kHz−1 ) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Time/s 0 50 100 150 200 250 (b) 0 r/(ms·V−1·kHz−1 ) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Time/s 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 100 200 300 400 500 (c) 0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 2 4 6 8 Absolute energy, 6 m Absolute energy, 12 m Absolute energy, 18 m b value, 6 m b value, 12 m b value, 18 m Time/s 0 1 2 3 4 5 6 Average absolute energy, lg(EA/aJ) b value (a) 图 3    同次爆破不同距离下声发射参数随时间的变化. （a）绝对能量与 b 值；（b）距离 6 m；（c）距离 12 m；（d）距离 18 m Fig.3     Evolution  of  AE  parameters  and  indices  at  different  distances  from  the  source  during  a  certain  blasting:  (a)  absolute  energy  and b value;  (b) distance of 6 m; (c) distance of 12 m; (d) distance of 18 m 吴顺川等： 基于 RA 与 AF 值的声发射指标在隧道监测中的可行性 · 727 ·

728 工程科学学报，第42卷，第6期 反之则岩体趋于稳定 6 ■d6m 由图3(b)和(c)可知，6与12m处声发射信号 ●12m vd=18m 在r值同样表现为两次增长，表明岩体中的两次剪 44 切破裂的增多，与绝对能量及b值分析结果相比， r值增长的起始时刻与前两者较为接近，但峰值出 己3 现时刻稍有延后，但随着岩体回归稳定，r值水平 2 也最终降低，总体趋势仍然较为接近.随着距离的 1 增加，r最大值增大，r值偏大的信号数也显著增 加，说明r值在衰减的作用下，反而体现出更高的 0.2 0.40.6 0.8 1.0 敏感性，得到偏安全的监测结果.这一特征在18m Time/s 处的监测结果中最为明显，由图3(a)和(d)可知， 图4不同距离下F值变异系数随时间的变化 18m处监测点的声发射信号在0.1s后基本消失， Fig.4 Time history of CV of r at different distances 但在0.7s后重新出现，且绝对能量高于6与12m 对比图3和图4可知，基于CV(r)的参数分析 的监测结果，初步分析应为传感器附近岩体或初 结果能够反映岩体中的剧烈破坏，如6m处的监 衬中发生破裂，然而，在整个绝对能量变化过程 测结果在0.1~0.3s内发生了显著增加，表明该时 中，这一陡增并不明显，在b值分析结果中也未能 间段内岩体中破裂最为剧烈，与绝对能量及b值 有所体现，而r值则对这一变化极为敏感，在0.7s 分析结果相符.相比于绝对能量、b值的分析结 后发生了陡增 果，基于CV(r)的分析结果更偏于安全，如仁18m 对比3组参数的特点，发现”值随时间的增长- 处监测结果表明，CV(r)对于附近围岩中能量较小 降低规律与绝对能量总体趋势相近，能够大致反 的破坏仍然十分敏感，分析结果偏安全 映岩体中破裂事件增长-降低的情况，但当信号发 2.2掌子面爆破声发射参数特征 生衰减时，值的变化范围反而更大，且对附近围 为进一步验证r值及其统计参数在基于参数 岩中的小能量破裂事件仍然十分敏感，因此可认 分析的声发射现场监测中的应用，选取掌子面爆 为r值对抗衰减的能力较强，在基于参数分析的现 破工况下的声发射监测结果进行对比分析，由于 场监测中具有一定的潜力 拱顶附近是隧道声发射监测最为关心的区域，传 2.1.3基于r值的参数统计指标 感器选择拱顶安装；为尽可能避免其他因素的影 虽然”值的变化规律可以反映岩体中的破裂 响，在同一监测点进行多次试验，但由于隧道爆破 增长-降低规律，但由于r值变化范围较大，且随 施工的特性，每次爆破掌子面距离不断增加，选取 着衰减程度的增加而增大，单纯对比r的绝对值没 距离5与10m时的监测结果进行对比分析 有意义.因此本文选取r的变异系数(Coefficient of 2.2.1变异系数统计方法 variation.CV)作为统计指标，以r值分布的离散度 变异系数能够通过描述r值的离散程度，反 描述岩体破裂情况： 映值分布的突变情况，但前文的统计方法是将每 CV=/E (2) 个时段的声发射参数作为独立的样本总体进行计 式中，σ为标准差，E为平均值.由于绝大多数声发 算，然而若将所有声发射数据看作整体，或将相邻 射事件的r值较低，当r值离散度增大，表明r值 时段的声发射信号看作相关样本等，还能提出不 较大的事件增多，即岩体中RA值较大、AF值较 同的变异系数计算方法 小的事件增多，岩体中破裂加剧 为探讨不同统计方法的适用性，以期得到能 由变异系数本身意义可知，当变异系数大于1时， 够更好反映岩体破裂失稳情况的声发射参数指 表明样本离散程度超过100%，说明出现较多r值 标，基于r值变异系数提出了3种统计方法： 较大、呈现剪切特性的声发射信号，岩体处于剧烈 CV(i)=σ()/E(i) 破坏状态.由图4可知，所有监测点的监测结果 CV2()=σ（⊙/E (3) 中，CV(~)值的主要分布范围基本稳定，主要分布 CV3(i)=σ(i)/E(i-1) 在1±0.5范围内，符合爆破过程的实际情况.当然， 式中，CV()为第i段样本的变异系数，)为第i 基于CV(r)的参数分析结果同样受到“削峰”现象 段样本的标准差，)为第i段样本的平均值，E为 的影响，导致爆破初始时的监测结果整体偏小 总体平均值，=1时，CVCV

反之则岩体趋于稳定. 由图 3（b）和（c）可知，6 与 12 m 处声发射信号 在 r 值同样表现为两次增长，表明岩体中的两次剪 切破裂的增多，与绝对能量及 b 值分析结果相比， r 值增长的起始时刻与前两者较为接近，但峰值出 现时刻稍有延后，但随着岩体回归稳定，r 值水平 也最终降低，总体趋势仍然较为接近. 随着距离的 增加，r 最大值增大，r 值偏大的信号数也显著增 加，说明 r 值在衰减的作用下，反而体现出更高的 敏感性，得到偏安全的监测结果. 这一特征在 18 m 处的监测结果中最为明显，由图 3（a）和（d）可知， 18 m 处监测点的声发射信号在 0.1 s 后基本消失， 但在 0.7 s 后重新出现，且绝对能量高于 6 与 12 m 的监测结果，初步分析应为传感器附近岩体或初 衬中发生破裂，然而，在整个绝对能量变化过程 中，这一陡增并不明显，在 b 值分析结果中也未能 有所体现，而 r 值则对这一变化极为敏感，在 0.7 s 后发生了陡增. 对比 3 组参数的特点，发现 r 值随时间的增长− 降低规律与绝对能量总体趋势相近，能够大致反 映岩体中破裂事件增长−降低的情况，但当信号发 生衰减时，r 值的变化范围反而更大，且对附近围 岩中的小能量破裂事件仍然十分敏感，因此可认 为 r 值对抗衰减的能力较强，在基于参数分析的现 场监测中具有一定的潜力. 2.1.3    基于 r 值的参数统计指标 虽然 r 值的变化规律可以反映岩体中的破裂 增长−降低规律，但由于 r 值变化范围较大，且随 着衰减程度的增加而增大，单纯对比 r 的绝对值没 有意义. 因此本文选取 r 的变异系数（Coefficient of variation, CV）作为统计指标，以 r 值分布的离散度 描述岩体破裂情况： CV = σ/E （2） 式中，σ 为标准差，E 为平均值. 由于绝大多数声发 射事件的 r 值较低，当 r 值离散度增大，表明 r 值 较大的事件增多，即岩体中 RA 值较大、AF 值较 小的事件增多，岩体中破裂加剧. 由变异系数本身意义可知，当变异系数大于 1 时， 表明样本离散程度超过 100%，说明出现较多 r 值 较大、呈现剪切特性的声发射信号，岩体处于剧烈 破坏状态. 由图 4 可知，所有监测点的监测结果 中，CV（r）值的主要分布范围基本稳定，主要分布 在 1±0.5 范围内，符合爆破过程的实际情况. 当然， 基于 CV（r）的参数分析结果同样受到“削峰”现象 的影响，导致爆破初始时的监测结果整体偏小. 对比图 3 和图 4 可知，基于 CV（r）的参数分析 结果能够反映岩体中的剧烈破坏，如 6 m 处的监 测结果在 0.1～0.3 s 内发生了显著增加，表明该时 间段内岩体中破裂最为剧烈，与绝对能量及 b 值 分析结果相符. 相比于绝对能量、b 值的分析结 果，基于 CV（r）的分析结果更偏于安全，如 d=18 m 处监测结果表明，CV（r）对于附近围岩中能量较小 的破坏仍然十分敏感，分析结果偏安全. 2.2    掌子面爆破声发射参数特征 为进一步验证 r 值及其统计参数在基于参数 分析的声发射现场监测中的应用，选取掌子面爆 破工况下的声发射监测结果进行对比分析，由于 拱顶附近是隧道声发射监测最为关心的区域，传 感器选择拱顶安装；为尽可能避免其他因素的影 响，在同一监测点进行多次试验，但由于隧道爆破 施工的特性，每次爆破掌子面距离不断增加，选取 距离 5 与 10 m 时的监测结果进行对比分析. 2.2.1    变异系数统计方法 变异系数能够通过描述 r 值的离散程度，反 映 r 值分布的突变情况，但前文的统计方法是将每 个时段的声发射参数作为独立的样本总体进行计 算，然而若将所有声发射数据看作整体，或将相邻 时段的声发射信号看作相关样本等，还能提出不 同的变异系数计算方法. 为探讨不同统计方法的适用性，以期得到能 够更好反映岩体破裂失稳情况的声发射参数指 标，基于 r 值变异系数提出了 3 种统计方法：    CV1 (i) = σ(i) /E (i) CV2 (i) = σ(i) /E CV3 (i) = σ(i) /E (i−1) （3） 式中，CV(i) 为第 i 段样本的变异系数，σ(i) 为第 i 段样本的标准差，E(i) 为第 i 段样本的平均值，E 为 总体平均值，i=1 时，CV3=CV1 . CV 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Time/s 0 2 3 4 5 6 d=6 m d=12 m d=18 m 1 0 图 4    不同距离下 r 值变异系数随时间的变化 Fig.4    Time history of CV of r at different distances · 728 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期

吴顺川等：基于RA与AF值的声发射指标在隧道监测中的可行性 729· CV1为每段独立样本的变异系数；CV2为样本 规模的发展趋势，但其绝对值易受到各种因素影 基于总体平均数的变异系数，其意义是每段时间 响，导致其在不同测试中的数量级差别较大；b值 的r值偏离声发射总体平均水平的离散度；CV3为 变化趋势与绝对能量发展趋势十分吻合（数值变 本段样本标准差与前段样本平均数的比值，代表 化趋势相反，描述结果吻合)，较好地反映了岩体 该时间段内值相对与前一段样本平均水平的离 中大破裂发展的趋势，然而由图5(a)可知，爆破过 散程度，当r值整体增大时，该计算结果将大于 程最后阶段，b值计算出现了过大(5m处结果)或 CV,而r值整体减小时，该计算结果将小于CV, 过小(10m处结果)的现象，这是因为在最后阶段， 因此CV3的计算结果将增大CV值计算结果的变 声发射信号数量较少，而b值的计算结果受取样 化程度，突出每段样本之间的差异 数影响，当样本数量过少（小于100）时往往可能导 由于每次掘进爆破过程在钻孔位置、装药量、 致计算结果的偏差 岩体性质等方面不可能完全相同，横向对比不同 图5(b)~(d)分别为掌子面爆破过程中对r值 距离下声发射监测的某一指标并没有实际意义， 的CV1、CV2、CV3的统计结果.由图可知，CV1的 因此主要对比同一次爆破过程中不同声发射参数 统计结果在升降趋势上与绝对能量基本相同，但 指标分析结果的异同，以第1个声发射信号到达 升降水平上具有较大差异，第二次峰值明显高于 事件作为0时刻 第一次，主要是因为第一次增长来源于炸药爆炸 2.2.2不同参数指标统计对比结果 产生的信号，压缩波为主，而岩体破裂产生的信号 图5(a)为掌子面爆破过程中绝对能量平均值 才导致了剪切波成分的陡增：CV,的统计结果，除 与b值随时间的变化，由图可知，爆破过程中声发射 10m处开始阶段偏小，其他变化趋势也同样与绝 信号都出现了2次峰值(5m时0.1s与0.5s;10m 对能量及b值的统计结果吻合，但具体升降水平 时0.1s与0.9s),与下导爆破规律相近，可认为第 差异更大，主要因为不同阶段的声发射r值具有较 一次主要信号源为炸药爆破，第二次主要信号源 大差异，基于总体平均数的变异系数，仅能突出 为后续岩体破裂.绝对能量能够较好地反映破裂 r值增长最大的区段，r值的较小增长将难以在统 1.6 (b) &一=5m 1.4 10m 1.0 己0.8 0.6 0.4 0.2 0.4 06 0.8 10 020.40.60.81.0 1.2 lime/s Time/s 2.0 (c) (d) -d5m 2.0 垂-d10m 1.5 1.0 0.5 05 020.40.60.81.0 1.2 0.20.40.60.81.0 1 Time/s Time/s 图5掌子面爆破不同参数指标统计对比结果.(a)绝对能量与b值：(b)CV,统计结果：(c)CV,统计结果：(d)CV,统计结果 Fig.5 Time history of AE parameters and indices during driving blasting of tunnel face:(a)absolute energy and b value;(b)time history of CV;(c)time history of CV2;(d)time history of CV3

CV1 为每段独立样本的变异系数；CV2 为样本 基于总体平均数的变异系数，其意义是每段时间 的 r 值偏离声发射总体平均水平的离散度；CV3 为 本段样本标准差与前段样本平均数的比值，代表 该时间段内 r 值相对与前一段样本平均水平的离 散程度，当 r 值整体增大时，该计算结果将大于 CV1，而 r 值整体减小时，该计算结果将小于 CV1， 因此 CV3 的计算结果将增大 CV 值计算结果的变 化程度，突出每段样本之间的差异. 由于每次掘进爆破过程在钻孔位置、装药量、 岩体性质等方面不可能完全相同，横向对比不同 距离下声发射监测的某一指标并没有实际意义， 因此主要对比同一次爆破过程中不同声发射参数 指标分析结果的异同，以第 1 个声发射信号到达 事件作为 0 时刻. 2.2.2    不同参数指标统计对比结果 图 5（a）为掌子面爆破过程中绝对能量平均值 与 b 值随时间的变化，由图可知，爆破过程中声发射 信号都出现了 2 次峰值（5 m 时 0.1 s 与 0.5 s；10 m 时 0.1 s 与 0.9 s），与下导爆破规律相近，可认为第 一次主要信号源为炸药爆破，第二次主要信号源 为后续岩体破裂. 绝对能量能够较好地反映破裂 规模的发展趋势，但其绝对值易受到各种因素影 响，导致其在不同测试中的数量级差别较大；b 值 变化趋势与绝对能量发展趋势十分吻合（数值变 化趋势相反，描述结果吻合），较好地反映了岩体 中大破裂发展的趋势，然而由图 5（a）可知，爆破过 程最后阶段，b 值计算出现了过大（5 m 处结果）或 过小（10 m 处结果）的现象，这是因为在最后阶段， 声发射信号数量较少，而 b 值的计算结果受取样 数影响，当样本数量过少（小于 100）时往往可能导 致计算结果的偏差. 图 5（b）～（d）分别为掌子面爆破过程中对 r 值 的 CV1、CV2、CV3 的统计结果. 由图可知，CV1 的 统计结果在升降趋势上与绝对能量基本相同，但 升降水平上具有较大差异，第二次峰值明显高于 第一次，主要是因为第一次增长来源于炸药爆炸 产生的信号，压缩波为主，而岩体破裂产生的信号 才导致了剪切波成分的陡增；CV2 的统计结果，除 10 m 处开始阶段偏小，其他变化趋势也同样与绝 对能量及 b 值的统计结果吻合，但具体升降水平 差异更大，主要因为不同阶段的声发射 r 值具有较 大差异，基于总体平均数的变异系数，仅能突出 r 值增长最大的区段，r 值的较小增长将难以在统 1.2 6 1 2 3 4 CV3 2.0 d=5 m d=10 m d=5 m d=10 m d=5 m d=10 m (d) CV1 Time/s 0.4 0.6 0.2 0.8 1.0 0.5 1.0 1.5 1.4 1.6 (b) 0 1.2 CV2 0.2 0.4 1.2 0.6 0.8 1.0 Time/s 0 0 0.8 0.2 0.4 1.2 0.6 1.0 Time/s 0 0.8 0.2 0.4 1.2 0.6 1.0 1.0 2.0 (c) 0 0.5 0 1.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 2 4 Absolute energy, 5 m Absolute energy, 10 m b value, 5 m b value, 10 m Time/s 0 Average absolute energy, lg( EA/aJ) b value (a) 图 5    掌子面爆破不同参数指标统计对比结果. （a）绝对能量与 b 值；（b）CV1 统计结果；（c）CV2 统计结果；（d）CV3 统计结果 Fig.5    Time history of AE parameters and indices during driving blasting of tunnel face: (a) absolute energy and b value; (b) time history of CV1 ; (c) time history of CV2 ; (d) time history of CV3 吴顺川等： 基于 RA 与 AF 值的声发射指标在隧道监测中的可行性 · 729 ·

.730 工程科学学报，第42卷，第6期 计结果中体现；CV3的统计结果与CV1相似，但在 1562 变化幅度上更大，且在最后阶段与b值存在同样 (陈炳瑞，冯夏庭，肖亚勋，等.深埋隧洞TBM施工过程围岩损伤 的问题，由于最后一段样本中的数据量与前一段 演化声发射试验.岩石力学与工程学报，2010,29(8)：1562) [4] Cheng WW,Wang W Y,Huang S Q,et al.Acoustic emission 差异较大，导致计算结果有所偏差 monitoring of rockbursts during TBM-excavated headrace 综上所述，r值的变异系数可以一定程度上反 tunneling at Jinping II hydropower station.J Rock Mech Geotech 映岩体的急剧破裂，在实际的隧道围岩监测中，由 Eng,2013,5(6:486 于岩体急剧破坏时声发射信号中剪切成分增加的 [5] Hirata A,Ishiyama K,Taga N,et al.AE monitoring and rock 特性，基于·值的监测结果将更加准确；三种变异 stress measurement in rock burst site /7th ISRM Congress. 系数计算方法中，CV2的统计方法在实际监测中 Aachen,1991:ISRM-7CONGRESS-1991-101 不具有预警意义；若现场监测过程中声发射事件 [6] Aydan O,Tano H,Ideura H,et al.Monitoring of the dynamic 较为离散，仅在开挖等集中破裂过程或岩爆等突 response of the surrounding rock mass at the excavation face of Tarutoge Tunnel,Japan ISRM International Symposium 发动力灾害过程前后出现，则应选取CV1的统计 EUROCK 2016.Orgup,2016:ISRM-EUROCK-2016-204 方法，计算独立的变异系数：若现场监测过程中始 [7]Zhao Y C,Yang T H,Xiao F K,et al.Analysis of attenuation 终伴随着声发射事件的出现，则应采用CV3的统 characteristics of elastic wave in medium-grained sandstone.Vib 计方法，以使大破裂增长时的指标变化更为显著 Meas Diagn,.2018,38(2):285 (赵永川，杨天鸿，肖福坤，等.弹性波在中粒砂岩内传播衰减特 3结论 性分析.振动、测试与诊断，2018,38(2)：285) [8]Aggelis D G.Classification of cracking mode in concrete by acou- (1)RA与AF值不仅可以用于判断岩石中的 stic emission parameters.Mech Res Commun,2011,38(3):153 破裂类型，也能作为岩体破坏的监测指标，与室内 [9] He M C,Zhao F,Du S,et al.Rockburst characteristics based on 试验结果相似，现场岩体急剧破裂的过程中，会出 experimental tests under different unloading rates.Rock Soil Mech, 现大量RA值较大，AF值较小的声发射信号.且 2014,35(10):2737 一定范围内，基于RA与AF值的监测指标在衰减 (何满潮，赵菲，杜帅，等.不同卸载速率下岩爆破坏特征试验分 的作用下反而能够得到偏安全的结果 析.岩土力学，2014,35(10)：2737) (2)以=RA/AF作为监测指标，其在时间轴上 [10]Yan Z F.Research on Recognition Method of Granite Tensile- 的变化趋势与绝对能量基本相同，与b值相反，且 Shear Fracture Based on Acoustic Emission[Dissertation] 不论信号衰减或破裂事件本身能量较小的情况下， Nanning:Guangxi University,2018 (月召富.基于声发射的花岗岩拉剪破裂识别方法研究学位论 r值都能更敏感地反映岩体中破裂加剧的情况 文].南宁：广西大学，2018) (3)由于r值的大小与岩体破坏程度并不直接 [11]Kourkoulis S K,Pasiou E D,Dakanali I,et al.Mechanical 相关，本文以r值的变异系数作为监测指标，描述 response of notched marble beams under bending versus acoustic r值离散程度的变化，进而描述岩体中的破裂发展 emissions and electric activity.J Theor Appl Mech,2018,56(2): 情况，并提出了3种变异系数计算方法，对比其分 523 析结果.当声发射信号不连续，事件密度变化较大 [12]Kourkoulis S K,Pasiou E D,Dakanali I,et al.Notched marble 时，应采用独立的变异系数CV,作为监测指标，当 plates under direct tension:mechanical response and fracture. Constr Build Mater,2018,167:426 岩体中存在持续的声发射信号，事件密度变化较 [13]Nejati H R,Nazerigivi A,Sayadi A R.Physical and mechanical 小时，应采用CV3作为监测指标 phenomena associated with rock failure in Brazilian Disc Specimens.Int J Geol Emviron Eng,2018,12(1):35 参考文献 [14]Xiao Y X,Feng X T,Hudson JA,et al.ISRM suggested method [1] Feng X T,Young R P,Reyes-Montes J M,et al.ISRM suggested for in situ microseismic monitoring of the fracturing process in method for in situ acoustic emission monitoring of the fracturing rock masses.Rock Mech Rock Eng,2016,49(1):343 process in rock masses.Rock Mech Rock Eng,2019,52(5):1395 [15]Sagasta F.Zitto M E,Piotrkowski R,et al.Acoustic emission [2]Young R P,Collins D S.Seismic studies of rock fracture at the energy b-value for local damage evaluation in reinforced concrete Underground Research Laboratory,Canada.InJRock Mech Min structures subjected to seismic loadings.Mechan Syst Signal Sci,2001,38(6):787 Proces3,2018,102:262 [3]Chen B R,Feng X T,Xiao Y X,et al.Acoustic emission test on [16]Carpinteri A,Lacidogna G,Puzzi S.From criticality to final damage evolution of surrounding rock in deep-buried tunnel collapse:Evolution of the "b-value"from 1.5 to 1.0.Chaos during TBM excavation.Chin J Rock Mech Eng,2010,29(8): Solitons Fractals,2009,41(2):843

计结果中体现；CV3 的统计结果与 CV1 相似，但在 变化幅度上更大，且在最后阶段与 b 值存在同样 的问题，由于最后一段样本中的数据量与前一段 差异较大，导致计算结果有所偏差. 综上所述，r 值的变异系数可以一定程度上反 映岩体的急剧破裂，在实际的隧道围岩监测中，由 于岩体急剧破坏时声发射信号中剪切成分增加的 特性，基于 r 值的监测结果将更加准确；三种变异 系数计算方法中，CV2 的统计方法在实际监测中 不具有预警意义；若现场监测过程中声发射事件 较为离散，仅在开挖等集中破裂过程或岩爆等突 发动力灾害过程前后出现，则应选取 CV1 的统计 方法，计算独立的变异系数；若现场监测过程中始 终伴随着声发射事件的出现，则应采用 CV3 的统 计方法，以使大破裂增长时的指标变化更为显著. 3    结论 （1）RA 与 AF 值不仅可以用于判断岩石中的 破裂类型，也能作为岩体破坏的监测指标，与室内 试验结果相似，现场岩体急剧破裂的过程中，会出 现大量 RA 值较大，AF 值较小的声发射信号. 且 一定范围内，基于 RA 与 AF 值的监测指标在衰减 的作用下反而能够得到偏安全的结果. （2）以 r=RA/AF 作为监测指标，其在时间轴上 的变化趋势与绝对能量基本相同，与 b 值相反，且 不论信号衰减或破裂事件本身能量较小的情况下， r 值都能更敏感地反映岩体中破裂加剧的情况. （3）由于 r 值的大小与岩体破坏程度并不直接 相关，本文以 r 值的变异系数作为监测指标，描述 r 值离散程度的变化，进而描述岩体中的破裂发展 情况，并提出了 3 种变异系数计算方法，对比其分 析结果. 当声发射信号不连续，事件密度变化较大 时，应采用独立的变异系数 CV1 作为监测指标，当 岩体中存在持续的声发射信号，事件密度变化较 小时，应采用 CV3 作为监测指标. 参    考    文    献 Feng X T, Young R P, Reyes-Montes J M, et al. ISRM suggested method for in situ acoustic emission monitoring of the fracturing process in rock masses. Rock Mech Rock Eng, 2019, 52（5）: 1395 [1] Young  R  P,  Collins  D  S.  Seismic  studies  of  rock  fracture  at  the Underground Research Laboratory, Canada. Int J Rock Mech Min Sci, 2001, 38（6）: 787 [2] Chen B R, Feng X T, Xiao Y X, et al. Acoustic emission test on damage  evolution  of  surrounding  rock  in  deep-buried  tunnel during  TBM  excavation. Chin J Rock Mech Eng,  2010,  29（8）: [3] 1562 （陈炳瑞, 冯夏庭, 肖亚勋, 等. 深埋隧洞TBM施工过程围岩损伤 演化声发射试验. 岩石力学与工程学报, 2010, 29（8）：1562） Cheng  W  W,  Wang  W  Y,  Huang  S  Q,  et  al.  Acoustic  emission monitoring  of  rockbursts  during  TBM-excavated  headrace tunneling at Jinping II hydropower station. J Rock Mech Geotech Eng, 2013, 5（6）: 486 [4] Hirata  A,  Ishiyama  K,  Taga  N,  et  al.  AE  monitoring  and  rock stress  measurement  in  rock  burst  site  //  7th ISRM Congress. Aachen, 1991: ISRM-7CONGRESS-1991-101 [5] Aydan  O,  Tano  H,  Ideura  H,  et  al.  Monitoring  of  the  dynamic response  of  the  surrounding  rock  mass  at  the  excavation  face  of Tarutoge  Tunnel,  Japan  // ISRM International Symposium - EUROCK 2016. Ürgüp, 2016: ISRM-EUROCK-2016-204 [6] Zhao  Y  C,  Yang  T  H,  Xiao  F  K,  et  al.  Analysis  of  attenuation characteristics of elastic wave in medium-grained sandstone. J Vib Meas Diagn, 2018, 38（2）: 285 （赵永川, 杨天鸿, 肖福坤, 等. 弹性波在中粒砂岩内传播衰减特 性分析. 振动、测试与诊断, 2018, 38（2）：285） [7] Aggelis D G. Classification of cracking mode in concrete by acou￾stic emission parameters. Mech Res Commun, 2011, 38（3）: 153 [8] He M C, Zhao F, Du S, et al. Rockburst characteristics based on experimental tests under different unloading rates. Rock Soil Mech, 2014, 35（10）: 2737 （何满潮, 赵菲, 杜帅, 等. 不同卸载速率下岩爆破坏特征试验分 析. 岩土力学, 2014, 35（10）：2737） [9] Yan  Z  F. Research on Recognition Method of Granite Tensile￾Shear Fracture Based on Acoustic Emission[Dissertation]. Nanning: Guangxi University, 2018 （闫召富. 基于声发射的花岗岩拉剪破裂识别方法研究[学位论 文]. 南宁: 广西大学, 2018） [10] Kourkoulis  S  K,  Pasiou  E  D,  Dakanali  I,  et  al.  Mechanical response of notched marble beams under bending versus acoustic emissions and electric activity. J Theor Appl Mech, 2018, 56（2）: 523 [11] Kourkoulis  S  K,  Pasiou  E  D,  Dakanali  I,  et  al.  Notched  marble plates  under  direct  tension:  mechanical  response  and  fracture. Constr Build Mater, 2018, 167: 426 [12] Nejati  H  R,  Nazerigivi  A,  Sayadi  A  R.  Physical  and  mechanical phenomena  associated  with  rock  failure  in  Brazilian  Disc Specimens. Int J Geol Environ Eng, 2018, 12（1）: 35 [13] Xiao Y X, Feng X T, Hudson J A, et al. ISRM suggested method for  in  situ  microseismic  monitoring  of  the  fracturing  process  in rock masses. Rock Mech Rock Eng, 2016, 49（1）: 343 [14] Sagasta  F,  Zitto  M  E,  Piotrkowski  R,  et  al.  Acoustic  emission energy b-value for local damage evaluation in reinforced concrete structures  subjected  to  seismic  loadings. Mechan Syst Signal Process, 2018, 102: 262 [15] Carpinteri  A,  Lacidogna  G,  Puzzi  S.  From  criticality  to  final collapse:  Evolution  of  the  "b-value"  from  1.5  to  1.0. Chaos Solitons Fractals, 2009, 41（2）: 843 [16] · 730 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期