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