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 ·