[发明专利]一种锚杆应力-微震同时空集成的深埋隧道塌方实时预警系统及方法

说明书

本发明公开了一种锚杆应力‑微震同时空集成的深埋隧道塌方实时预警系统及方法，系统包括锚杆应力采集装置、微震信号采集装置、数据处理装置以及声光报警装置。所述锚杆应力采集装置和微震信号采集装置通过集成于隧道锚杆上，获取锚杆应力以及岩石破裂的微震信号数据；所述数据处理装置用于对所获取应力及微震数据进行多层次处理分析，并根据分析结果自动判别隧道塌方风险等级；所述声光报警装置用于对接收到的塌方风险等级指令发布预警信息。本发明利用锚杆应力及微震监测技术各自优势，且无需通过复杂布线建立隧道内外之间闭环反馈功能，即可独立实现深埋隧道围岩塌方高精准自动预警，显著提高了深埋隧道塌方灾害预警准确性以及智能化水平。

技术领域

本发明涉及一种隧道工程中塌方实时预警的系统及其方法，特别是涉及一种锚杆应力和微震信号同时空集成的深埋隧道塌方实时预警系统和方法。

背景技术

由于隧道施工地质条件的日益复杂，隧道塌方事故的发生次数也明显增多。塌方是指围岩失稳而造成的突发性坍塌、堆塌、崩塌等破坏性地质灾害，是目前隧道施工中所存在的频发工程地质灾害之一。塌方的发生不仅会延误工期和摧毁施工设备，而且还严重威胁施工现场人员的生命安全。

深埋隧道在开挖过程中，顶部岩体在开挖卸荷后出现显著应力调整现象，期间伴随着裂纹的形成和扩展，从而容易引发塌方事故。因此，实时监测隧道围岩的应力状态是预警深埋隧洞塌方的重要方法。锚杆应力监测则是一种监测隧洞危岩的应力状态的常用方法，主要通过监测锚杆的应力情况间接反映围岩局部的应力状态，具有直观和塌方定位较为精准的优势。然而，锚杆应力监测传感器布置于锚杆端部，仅能实现锚杆处应力点式监测，存在监测范围小、盲区大等不足。此外，深部工程围岩塌方具有高突发性的特点，隧道围岩发生坍塌前，锚杆应力监测数据并不会出现明显变化或是其变化与塌方发生间隔甚短，从而无法实现塌方灾害的有效预警。

塌方孕育是岩体由微裂隙萌生、扩展至宏观裂纹，并进一步贯通形成宏观破裂带，在重力作用下所导致的渐进灾变过程，而岩石破裂过程伴随着丰富的微震信号。微震信号包含着岩体内部状态变化的丰富信息，包括能够反映震源部位、深度、震级大小等多种信息，故可以根据围岩塌方前夕的微震信号演化特征来实现对塌方的超前预警，且基于微震信号的监测技术已被成功应用于Neelum-Jhelum水电站、锦屏Ⅱ级水电站以及川藏铁路巴玉隧道等多个工程中，因此，微震监测被称为岩石破裂的“听诊器”。然而，微震信号需要通过岩体介质传播，应用过程中极易受到工程岩体存在显著非均匀性以及广泛分布的不良地质构造影响，使得信号产生过大的衰减，从而导致基于微震信号的震源定位结果出现偏差过大的问题。

因此，结合锚杆应力和微震信号分别在隧道围岩稳定性监测中具有岩体失稳位置定位精度高以及岩体失稳破坏响应灵敏的优势，提出了一种锚杆应力和微震信号同时空集成的深埋隧道塌方实时预警系统和方法，可以显著提高深埋隧道塌方预警的准确性，对隧道安全施工具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有的深埋隧道塌方预警技术不足，本发明提出一种锚杆应力- 微震同时空集成的深埋隧道塌方实时预警系统及方法，此发明创新性在于充分利用应力及微震监测技术的各自优势，且无需通过复杂布线建立隧道内外之间闭环反馈功能，即可独立实现隧道围岩塌方高精准自动预警，显著提高预警准确率和预警效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种锚杆应力-微震同时空集成的深埋隧道塌方实时监测预警系统，包括锚杆应力采集装置、微震信号采集装置、数据处理装置和声光报警装置。

所述锚杆应力采集装置和微震信号采集装置通过集成安装于隧道围岩锚杆上，用于获取锚杆应力和岩石破裂的微震信号数据。

所述数据处理装置用于对接收到的微震信号进行去噪，并计算获得锚杆应力变化率(σ_t)、微震活跃度(MAL)、主频和b值等特征参数，再根据以上特征参数进行塌方风险等级判定。