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