隧道微震分布式直观警示系统开发与工程应用

分类号U456.3单位代码10618密级公开学号2150951024专业硕士学位论文隧道微震分布式直观警示系统开发与工程应用研究生姓名：导师姓名及职称：导师姓名及职称：亢陈刘雨仕亚婕周（研究员）蒙（副研究员）申请专业学位类别工程硕士学位授予单位重庆交通大学一级学科名称交通运输工程论文提交日期2018年6月11日专业领域名称交通运输工程1论文答辩日期2018年6月3日2018年6月11日Developmentandengineeringapplicationofvisualwarningsystemfordistributedtunnelmicro-seismicADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：KangYuJieSupervisor：Prof.ChenShiZhouChongqingJiaotongUniversity,Chongqing,China摘要公路隧道建设安全管理是国家重点关注问题，目前传统的监测技术关注点在于应变后的量测，没能达到透过现象看本质，发现灾害演变过程，自然不能很好做到灾害预警。若是能在灾害演变过程中就能监测到有效信息，能大大减少灾害带来的损失。因此，利用微震技术监测隧道施工建设中围岩的变动是很有必要的。本论文针对隧道施工安全管理应用开发隧道微震分布式直观警示系统，该系统通过对隧道围岩内部，由于应力跳变、微断裂和岩爆等物理变化产生的微震信号的实时监测，并采用独立的智能测量设备在隧道内特征点位的分布布设，来识别隧道内微震信号类别、数量、能量大小、时间分布、波形时频域特征等，从而分析微震与围岩稳定性的关系，实现对可能的地质灾害提前探测，如：隧道围岩稳定性的预判断，岩爆危险的预感知等等。研制的微震监测警示仪以直观的方式，可以实现施工现场风险预警，通过这种先进的技术手段，使施工现场的安全管理上升到一个新的台阶。研发隧道微震分布式直观警示系统，首先过查阅和调研公路隧道发展与微震监测发展等相关资料，并做了相关市场调研，了解目前国内外微震监测技术在隧道施工过程中的应用情况，技术与工程的连接程度，和目前存在的不足。国内暂无完善的监测警示设备，而国外引进设备昂贵且专业性强，需配备专业指导。然后对于系统基础理论微震监测技术原理进行学习和掌握，微震信号的产生、发展、拾取、辨认、预分析、传输及处理，每一过程都包含了较多知识量，有岩体力学、电子信息、软硬件处理、网络通讯等。在理论基础上，进行自主开发系统设备，制定一套严谨的研发方案并严格按照要求执行。传感器的选择不仅只考虑硬件设备的问题，其中牵扯了测量位移和加速度之间的关系。数据采集模块必须满足24小时不间断采集，不漏数，不停顿，能暂时存储并有足够通道传输。供电系统考虑在施工环境现场断电的情况下能满足设备正常使用。软件处理需求较大，前端数据预处理，过滤，包络分析，阈值分析，报警识别等。最后，开发系统必须经过工程检验才算是合格的产品。隧道微震分布式直观警示系统在中铁二十局东环线牛栏湾隧道施工现场应用，人工爆破时，能产生紧急报警状态，但目前收集数据较少，还并未对其在安全管理作用上进行评价与分析。后续，对于系统的研究仍会继续。关键词：隧道微震，直观警示，传感器，工程应用IABSTRACTTheSafetyManagementofroadtunnelconstructionisthestateskeyconcernpoints,thecurrenttraditionalmonitoringtechnologyfocusonthemeasurementafterthestrain,failedtoachievethroughthephenomenontoseethenature,sothatitcannotbeagooddisasterwarning.Ifeffectiveinformationcanbemonitoredinthecourseofdisasterevolution,thedamagecausedbythedisastercanbegreatlyreduced.Therefore,itisnecessarytousethemicro-seismictechnologytomonitorthesurrounding-rockmovementintheconstructionoftunnels.ThispaperaimsattheapplicationoftunnelconstructionsafetyManagementtodevelopavisualwarningsystemfortunneldistributedmicro-seismic,throughthereal-timemonitoringofthemicro-seismicsignalsproducedbythephysicalchangesofthestressjump,findingthemicro-fractureandburstuptherocks,anddistributesthecharacteristicpointsinthetunnelbyanindependentintelligentmeasuringdevicetoidentifytheclassification、quantity、theamountofenergy、thedistributionoftime,thecharacteristicsofwaveformtime-frequencydomainoftheseismicsignalsinthetunnel.soastoanalyzetherelationshipbetweenthemicro-seismicandthestabilityofsurrounding-rock,toachievetodetectioninadvanceforpotentialgeologicalhazards,suchas:thepredictiontothestabilityoftunnelsurrounding-rock,thepre-perceptionofRock-burstdangerandsoon.Themicro-seismicmonitoringwarninginstrumentcanrealizetheriskearlypre-warningintheconstructionsitebyastraightway,andthroughusethemeansoftheadvancedtechnology,whichwillmakethesafetymanagementoftheconstructionsiterisetoanewlevel.Inviewoftheresearchanddevelopmentofthedistributedvisualwarningsystemoftunnelmicro-seismic,Firstly，thepaperinspectedandinvestigatedtherelevantdataofthedevelopmentofHighwaytunnelandmicro-seismicmonitoring,andmaderelevantmarketresearch,tounderstandtheapplicationofmicro-seismicmonitoringtechnologyathomeandabroadintunnelconstruction,theconnectiondegreebetweentechnologyandconstructionandthedeficienciesofcurrent.Thereisnoperfectmonitoringwarningequipmentathome,andimportedequipmentisexpensiveandstrongprofessionalism,needtobeequippedwithprofessionalguidance.Thenforthebasictheoryofmicro-monitoringtechnologytolearnandgraspthegenerationofmicro-seismicsignal,development,pickup,identification,pre-analysis,transmissionandprocessing,everystepcontainsalotofknowledge,rockmechanics,electronicIIinformation,softwareandhardwareprocessing,networkcommunications.Onthebasisoftheory,carryoutsystemequipmentindependently,developasetofrigorousresearchanddevelopmentplanandexecutestrictlyaccordingtotherequirement.Thechoiceofsensornotonlyconsiderstheproblemofhardwareequipment,butalsoinvolvestherelationshipbetweenmeasuringdisplacementandacceleration.Dataacquisitionmodulemustmeet24hoursofuninterruptedacquisition,noleakage,nopause,canstoretemporarilyandhaveenoughchanneltotransmission.Thepowersupplysystemisconsideredtomeetthenormaluseofequipmentundertheconditionofpowerfailureintheconstructionenvironment.Softwareprocessingneedsarelarge,front-enddatapreprocessing,filtering,envelopeanalysis,thresholdanalysis,alarmidentification.Finally,thedevelopmentsystemmustbeverifiedbyengineeringtobequalifiedproducts.Thedistributedvisualwarningsystemoftunnelmicro-seismicisappliedtotheconstructionsiteoftheNiuLanWanTunnelintheEastRingRoadofChinaRailway20,whichcanproduceemergencyalarmingstatewhenartificialblasting,butthedatacollectedarefewandtheevaluationandanalysisonthesafetymanagementfunctionarenotcarriedout.Whereafter，thestudyofthesystemwillcontinue.KEYWORDS：Tunnelmicro-seismic,intuitivewarning,sensor,engineeringapplicationIII目录第一章绪论.11.1研究背景及意义.11.2国内外研究现状和发展动态.51.2.1隧道开挖过程中监控量测应用现状.51.2.2微震监测技术研究现状.61.3发展动态.81.4主要研究内容.81.5技术路线.9第二章微震监测系统设备市场调查.112.1市场调研.112.2学术交流.182.3本章小节.19第三章基于微震监测原理的研发.203.1微震监测原理.203.1.1微震及微震监测技术.203.1.2微震监测系统结构框架.223.1.3传感器.233.2微震监测参数的认知.243.3信号波形的识别.263.4研发方案.283.5本章小结.28第四章隧道微震分布式直观警示系统的开发.304.1开发系统的必要性.304.2系统开发技术路线.314.3系统开发硬件分工.32IV4.3.1传感器选择要求.324.3.2数据采集要求.324.3.3通信模块要求.344.3.4供电模块要求.344.3.5二次开发接口要求.344.4系统开发硬件组成.354.4.1传感器确认.354.4.2数据采集模块确认.394.5系统开发软件组成.444.6系统开发前端直观警示仪.474.7系统相关测试.494.7.1仪器噪音测试.494.7.2传感器测试.504.8系统联调测试.514.8.1系统软件联调测试.514.8.2系统硬件联调测试.524.9本章小结.53第五章系统工程应用.555.1东环线牛栏湾隧道合作项目.555.1.1牛栏湾隧道项目需求.555.1.2牛栏湾隧道设备安装.565.1.3牛栏湾隧道系统设备应用初步分析.575.2重庆交科院合作项目.585.3本章小结.60第六章结论与展望.616.1结论.616.2创新点.626.3展望.62V致谢.63参考文献.64附录.69在学期间发表的论文和取得的学术成果.85VI年份（年）长度（km）年份（年）长度（km）年份（年）长度（km）年份（年）长度（km）1993154199417919952171996252年份（年）长度（km）年份（年）长度（km）年份（年）长度（km）年份（年）长度（km）第一章绪论第一章绪论1.1研究背景及意义近年来，中国的经济发展迅速，国家在高速公路的建设的投入了大量资金。在高速公路建设过程中，隧道的需求越来越大，特别是在西部地区得到了前所未有的快速发展。其中，重庆由于特殊的山区地貌，无论是公路隧道还是铁路隧道的修建尤为重视，发展速度突飞猛进，同时为地区经济发展做出贡献。以下是截止为2013年全国各省市隧道长度和数量的统计，图1-1中能清楚看到重庆隧道建设的发展在全国来看都是比较靠前的，更何况在后来的这5年期间飞速发展情况下，重庆隧道的长度不断攀升。图1-12013年中国各省市隧道长度和数量统计图从2000年以后，我国的隧道修建数量持续增长，每年的增长率约为20%1，而且增长的速度还有加快的趋势。在随后的十年时间里，隧道每年的平均建设长度就有555km，随着建设数量的增加，我国隧道的建设水平飞速发展。高速公路的快速发展带动了隧道的快速发展，自2011以后，公路隧道每年平均增加的长度为1000km。2014年年底，我国的公路隧道数量为12404座，2015年年底，我国的公路隧道数量为14006座，2014年的隧道总的长度为10756.7km，2015年的隧道总的长度为12684km。截至2016年底，中国公路隧道为15181处，长14039.7km，比2015年分别增加1175处，长度增加1345.8km。19932016年中国公路隧道数量和长度统计表1.1与图1-2所示。11997341199836019994492000627年份（年）长度（km）年份（年）长度（km）年份（年）长度（km）年份（年）长度（km）200170520028352003100120041245年份（年）长度（km）年份（年）长度（km）年份（年）长度（km）年份（年）长度（km）20051527200618422007255620083186年份（年）长度（km）年份（年）长度（km）年份（年）长度（km）年份（年）长度（km）20093942201051232011625320128053年份（年）长度（km）年份（年）长度（km）年份（年）长度（km）年份（年）长度（km）20139606201410756201512684201614039重庆交通大学硕士毕业论文表1.119932016年中国公路隧道数量和长度统计表图1-219932016年中国公路隧道长度统计图20102013年我国公路隧道总里程增长率为46.7%，数量增长率为35%，隧道的增长率已经超过了公路本身里程和数量的增长率1。在21世纪以后，我国公路和铁路隧道一直保持增长的趋势，2008年开始步入了快速增长的时期，在2012年时我国公路隧道的里程已经超过了铁路隧道的里程，随着体量的增大，公路隧道出现了很多具有开创性和示范功能的隧道工程2-4。在隧道工程领域，我国现在已经成为了世界上建设难度最高，建设体量最大，建设规模最大的国家。具体体现在一些新材料和新工艺上，也体现在隧道长度和断面尺寸的增长上，这使得我国隧道建设的难度和技术都达到了新的高度。在隧道的修建工程中，常常会出现一些工程灾害，如围岩失稳和支护结构的失稳。在各种重大的地质灾害中，塌方所占比例最多，占了90%以上，是隧道失稳中最严重的。如果发生事故，将会产生很大的影响，不仅会使工程的进度落后，在经济方面损失巨大，而且有的甚至会威胁到施工操作人员的安全，在社会上产生强烈影响。近几十年来，隧道的修建的越来越多，在施工中出现的失稳事故发2第一章绪论生的频率也在不断提高。在1992年7月11日，成渝高速公路修建过程中就有塌方发生，事故的地点在缙云山隧道，塌方数量很大，达到40005000m3，使得施工的工期比正常施工时间滞后了很多。在1996年8月18日，白花山右线的隧道发生了特大的塌方，塌方量大约是8000m3，万幸的是没有没有人员死亡，但是也造成了严重的后果，工期大大延迟，经济损失巨大。在1999年9月6日，京珠高速公路修建的过程中也发生了特大的塌方事故，事故地点在靠椅山隧道，有数人死亡，造成了不良的社会影响和严重的经济损失。在2006年4月4日，白鹤隧道洞顶发生塌方事故，白鹤隧道属于诸永高速，由于钢拱架和台车被岩石压毁，有一人受伤，一人死亡。在2009年7月19日，杨家沟隧道发生了塌方，地点在襄渝二线，此次事故一共有2人遇难。在2009年11月22日，十堰到天水的高速公路A-18标段的隧道塌方，此次事故一共造成了6人受伤和5人遇难。在2010年1月16日，南宁到广州的高铁在建项目，广东云安隧道发生了塌方，此次事故一共4人受伤和4人遇难。在2012年7月9日，雷公山隧道发生了塌方，事故地点是厦漳高速，此次事故一共4人受伤和4人遇难。在2012年10月10日，多贤隧道发生了塌方，事故地点是广西百靖高速，此次事故一共1人受伤和5人遇难。2014年9月15日，广大铁路桃园一号隧道发生坍塌（如图1-3所示，大量岩石垮塌堵断隧道），塌方段长度约21米，埋深约50米，造成掌子面6名作业人员被困。2014年8月10日，贵州省安江高速公路两天窝隧道右线进口发生坍塌，塌体长度约25米，埋深约43米，造成掌子面13名作业人员被困。2016年6月5日凌晨1点10分，重庆市沙坪坝区襄渝铁路改扩建工程沙坪坝杨家沟段隧道工地发生隧道塌方事故，事发时，一共有4名工人在里面作业，挖掘机正在隧道内作业时上部发生坍塌（如图1-4所示），一堆大石块一拥而下，砸在正在下面作业的挖掘机，将整个挖掘机掩埋在下面，导致驾驶室严重变形。引起上述隧道塌方事故的原因，除了管理技术水平落后和施工不规范等人为原因外，隧道支护结构设计和施工方案的制定缺乏足够的依据以及隧道稳定性评价方法尚需改进也是重要原因。图1-3广大铁路楚雄段隧道塌方现场图3重庆交通大学硕士毕业论文图1-4重庆市沙坪坝杨家沟段隧道塌方现场图隧道塌方的原因很多，其主要原因是由于隧道挖掘过程中，由于围岩周围存在着扰动，使得应力会重新分布而且应力的分布会不均衡，有些地方围岩应力相对集中，如果应力大于围岩的极限强度时，岩体就会受到破坏，这时就会产生塌方。传统的变形监测只能测量围岩应力、围岩变形量、松动圈和支架受力变形等，只能监测围岩当前的状态，不能提前预测这些指标的发展趋势，使得监测相对滞后。如果我们能够监测到围岩破坏的前兆信息（应力应变累积、产生、发生等过程中岩石发出的弹性波），当然这些信息属于微震信号，再通过监测系统设置预警阈值，这样就可以提前预警，事故或者灾难发生的几率大大减小。我国科学技术水平高速发展，有些学者已经将微震监测技术运用到了隧道施工监测或是隧道运营监测中。微震，简单来说就是指微小的震动，不同领域对于微震的划分是有区别的。在火山、地震预报、矿山勘探等以及其他很多不同的领域，微震信号都已经被大量使用。微震现在已逐渐实现了系统化、工程化，形成了实时的监控系统，准确监测信号的累积、产生、发生等过程。对于岩体变形和破坏的过程中，微裂隙的产生以及扩展时发出的应力波，采用微震监测技术来进行监测是一种稳定性很强的技术。微震监测技术可以通过对传感器接收的波形分析震源破坏事件的时间、位置和震级，为围岩稳定性研究提供技术支撑，同时也可以监测到震级更小的岩石微破裂事件。由此可见，微震监测在隧道建设中的重要性，那么研发一种能够在施工环境中直观警示的微震报警仪，提前显示危险并做好预警和防护措施，将会更有效果的预防灾害，减少人员伤亡，减小不必要的损失。4第一章绪论1.2国内外研究现状和发展动态1.2.1隧道开挖过程中监控量测应用现状隧道监控量测定义为在隧道开挖过程中，使用相关的测量仪器和设备，用对应的测量方法监测围岩及支护结构的应力应变状态，及时提供围岩的稳定性及支护结构的可靠度等方面的信息，预见事故和险情的方法。目前，公路隧道工程常用的监测和量测手段主要包括：测距仪、全站仪、水准仪、经纬仪、GPS测量技术5-7、多点位移计、应力计、红外遥感监测方法（SAR）、激光微小位移监测技术8、合成孔、径雷达干涉测量9、光纤位移测量（OTDR，BOTDR-BrillouinOpticalTimeDomainReflectometry）、时间域反射测试（TDR）技术10-12、闭合法、地质雷达、渗透仪和声发射技术等。加拿大核能研究公司AECL地下工程实验室URL针对LacduBonnet花岗岩开展的现场测试工作，Martin等13采用三轴应变计、多点位移计、收敛剂、热敏电阻等多种方法对URL圆形隧洞的开挖损伤区破坏形成过程进行监测。在瑞典sp硬岩实验室隧洞，Andersson等14构建声发射、位移和温度监测系统，对开挖和温度引起的应力作用下的各向异性破裂岩体的破坏过程进行研究，研究发现岩体屈服水平对切向应力量级小的改变非常敏感。Falls和Young15利用声发射法及超声波测试法研究了地下洞室不同开挖方式及不同应力水平下的开挖扰动区特征。Sato等16在日本的中部Tono矿区隧洞开挖过程中进行位移监测、振动测试、地震折射、钻孔膨胀和压水试验，研究表明：对围岩破坏影响很大的因素是开挖的方式。Maejima等17在日本Kan-nagawa抽水蓄能电站进行应变、位移和声发射测试，直观地评价了地下洞室围岩的松弛区，并结合地质资料和反分析计算进行预测分析。Kim等18在韩国压缩空气储能（CAES）洞室采用地震勘探检测岩体横纵波速和渗透性，研究了洞室围岩破坏特征。Kwon等19研究了钻爆法引起的围岩弹性模量改变和损失区范围，研究采用的设备为地质雷达。李邵军等20-22研究了挖掘隧道过程中岩石破裂的产生、发展和闭合的动态过程，同时分析了损伤区的形成和变化情况，研究使用的技术诶数字钻孔摄像技术。李术才等23以深井巷道为研究对象，借助钻孔电视成像设备，研究了围岩内部的破裂特点，得到了巷道围岩分区破裂的分布图。吕康成等24开发了隧道围岩位移激光实时监测系统，试用于浙江杭金衢高速公路樊村二号隧道，实现了隧道位移的高精度、自动化、实时不间断监控量测，将监测系统精度提升为0.5mm，取得了明显的成果。上述传统的监测技术对围岩宏观变形破坏监测比较有效，但由于宏观破坏之前的变形较小，外观位移并不明显，当监测到岩体外观位移时，其内部可能早已5重庆交通大学硕士毕业论文发生破坏。因此，上述监测方法无法捕捉岩体内微破裂的演化过程，从而难以进行隧道围岩失稳预测。此外，上述监测方法通常采用的是“点（单点或多点）”、“线”式监测25，结果受到空间局限，有时由于费用限制，并不能实现大规模范围开展监测。随着信息科技水平的发展，从隧道围岩外观监测到内部空间非接触、无损坏、高智能、高精度的综合监测是隧道围岩监测的发展趋势。1.2.2微震监测技术研究现状微震监测技术最初起源于矿山研究且历史久远。1908年，德国Ruhr煤盆建立了全球第一个地震台站，用于监测矿山开采过程中诱发的地震活动26。1910年，南非Witwatersrand地区构建了金矿矿震活动微震监测系统。20世纪20年代后期，Mainka在波兰西里西亚首次建立了台网监测地下煤矿的矿震活动27。1939年，南非约翰内斯堡金矿布设了地震监测台网，为开采施工引起的矿震进行定位。20世纪40年代，关于矿山岩体初期破裂微震监测已经做了相关研究28。直到60年代，南非大地上的多个金矿开展了大规模的微震监测台站，为认识及研究矿震信息提供重要数据支撑。80年代以后，集合了现代电子高精度的微震监测技术发展迅速并广泛推进应用。目前，微震监测技术已广泛用于南非、加拿大、美国、日本、韩国、澳大利亚等多个国家的多领域，例如深井矿山28、油气及地热开采、地下油气存储、二氧化碳封存（国内未涉及领域）、核废料储存（国内未涉及领域）等领域，成为岩体动力灾害研究和管理的有效监测手段。代表性的成果包括：Young15等详细描述了微震的多种定量参数的含义，并讨论了各参数在矿山微震监测中的应用。Kaiser等28基于三维虚拟技术模拟和探索了矿山微震活动特征，并绘制矿山中微震活动风险等级图。Lesniak和Isakow29以波兰某煤矿为研究对象，根据微震事件空间能量聚集特征探索并分析了煤矿灾害风险，建立了高能量微震事件出现对应的数量与时间函数。Tezuka和Niitsuma30在日本Hijiori热干岩储存洞室建立微震监测系统，通过分析液压注射引起的微震活动特征，评估了围岩应力状态。Hudyma和Potvin31通过对澳大利亚BigBell矿山微震活动系统研究，提出了矿山风险微震管理方法，包括基于微震监测结果的灾害识别和理解等。Cai32等通过研究在加拿大AECL地下工程实验室URL的微震活动特征，提出了一种适于试验隧洞微震事件的拉伸模型，定量揭示了隧洞的损伤特征。以上微震监测的发展一步步给科学提供新的方向和指导，也为后期的研发工作奠定了理论基础，而且展示了不同工程项目上的应用。对于微震监测，国家开始研究的时间以及应用在实际工程上先对而言算是晚的。1959年，中科院地球物理所研发的581微震仪首次在北京门头沟矿用于冲击地压监测33。20世纪70年代以后，国内开始以耳机收听或者录音机记录微震事件6第一章绪论频度的便携式地音仪的应用，长沙矿山研究院研制了多种地音仪以及声发射监测设备，用于工程岩体微破裂监测34。1984年，波兰的SAK-SYLOK微震监测系统在我国的陶庄、门头沟等投入使用，这时我国第一次在矿山研究中使用微震监测系统35。21世纪以来，现代高精度微震监测技术在国内矿山工程不断推广，且发展日趋成熟，为防治矿山开采冲击地压、突水等灾害问题提供了有效途径。李庶林教授等36研究了爆破后余震特点和围岩的变化情况，采用的设备为加拿大