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