一种高速公路隧道中夹岩隔墙的微震信息监测系统的制作方法

本实用新型涉及土木工程施工技术领域，尤其是涉及一种高速公路隧道中夹岩隔墙的微震信息监测系统。

背景技术：

随着我国山区高速公路的快速发展，隧道已成为高速公路重要组成要素。小净距隧道是一种常见的隧道类型，但在施工期间存在一定的安全风险，由于施工顺序、应力分布和内部构造等因素，引起的中夹岩隔墙偏移、变形和破裂。对于公路小净距隧道的中夹岩隔墙，在隧道的施工过程中承担变化荷载，而且后期的隧道运营过程中，随着时间推移隧道中夹岩隔墙内部也会发生一定的损伤劣化，因此对隧道中夹岩隔墙进行监测，分析其内部的应力和结构变化，对隧道施工和后期安全运营的作用巨大。

传统的隧道中夹岩隔墙监测手段，如隧道中夹岩隔墙钻孔电视探测和超声波损伤探测，其内置的传感器布置方式，基于这些传感器获得的信息进行评价中夹岩隔墙的结构时，势必会在一定程度上影响中夹岩隔墙结构的完整性。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对传统隧道中夹岩隔墙监测方法存在的问题，提供一种高速公路隧道中夹岩隔墙的微震信息监测系统，其能够监测到对隧道中夹岩隔墙造成破裂的更多震源信息，以便后续基于这些震源信息对中夹岩隔墙的应力状态以及稳定性进行分析，进而确保隧道施工安全和后期的正常运营。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：

本实用新型提供一种高速公路隧道中夹岩隔墙的微震信息监测系统，其包括：

传感器和采集仪；

所述传感器为多个，呈矩形矩阵形式布置于隧道中夹岩隔墙的两侧；传感器通过电缆连接采集仪；

上述传感器负责对隧道中夹岩隔墙岩体内部震源的微震波信息进行感应，并将感应到的震源信息传给采集仪；

上述采集仪负责实时接收传感器感应到的震源信息，并且存储供用户分析时调用。

更优选地，所述传感器的主方向垂直于隧道中夹岩隔墙的墙面。

更优选地，以矩阵形式布置的传感器间的排距为H，该H＝1m；每排中相邻传感器之间的间距为B，该B＝1m。

更优选地，所述传感器包括按照设定比例配备的高频传感器和低频传感器，且高频传感器和低频传感器交错组合布置在待监测区域内的隧道中夹岩隔墙两侧。

更优选地，所述传感器利用石膏粘固于隧道中夹岩隔墙的表面。

更优选地，所述微震信息监测系统还包括：

比较器、裂缝位置计算单元、速度模型优化单元和裂缝定位单元；

所述比较器通过总线与采集仪相连；比较器具有两个输出端，分别与裂缝位置计算单元和速度模型优化单元相连；裂缝位置计算单元和速度模型优化单元与裂缝定位单元相连；

所述比较器根据采集仪存储的震源信息的波形以及基于各类震源的特定特征，对微震波信息进行分离处理，分离出岩体破裂震源信息和辅助震源信息；

所述裂缝位置计算单元根据岩体破裂震源信息计算出微震事件形成裂缝的位置；

上述速度模型优化单元根据辅助震源信息对监测区域的速度模型进行优化，得到优化后的速度模型；

所述裂缝定位单元，根据优化后的速度模型以及采用双差成像精确定位方法对裂缝位置计算单元所计算出微震事件形成裂缝的位置处的裂缝进行精确定位。

由上述本实用新型的技术方案可以看出，本实用新型具有如下技术效果：

本实用新型通过以矩阵形式在隧道中夹岩隔墙两侧布置传感器，与现有技术比较，能够获取到更为全面的隧道中夹岩隔墙岩体内部的震源信息。

本实用新型采用的设备常规、成本可控、安装方便、适用广泛。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的流程图；

图2为本实用新型中传感器布置位置的主视图；

图3为本实用新型中传感器布置位置的侧面图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

实施例一：

本实用新型实施例一提供一种高速公路隧道中夹岩隔墙的微震信息监测系统，其采用矩阵方式布置传感器，同时加入双差成像定位方法，提高了监测精度，最小可达裂缝破裂的尺度。其结构如图1所示，包括：

传感器51、采集仪52、比较器53、裂缝位置计算单元54、速度模型优化单元55和裂缝定位单元56；

传感器51为多个，呈矩形矩阵形式布置于隧道中夹岩隔墙的两侧；传感器51通过电缆连接采集仪52；采集仪52通过总线与比较器53相连；比较器53具有两个输出端，分别与裂缝位置计算单元54和速度模型优化单元55相连；裂缝位置计算单元54和速度模型优化单元55与裂缝定位单元56相连。

上述传感器51负责对隧道中夹岩隔墙岩体内部震源的微震波信息进行感应，并将感应到的震源信息传给采集仪52；

上述采集仪52负责实时接收传感器51感应到的震源信息，并且存储或传输传感器51传过来的震源信息给所述比较器53；

上述比较器53根据震源信息的波形以及基于各类震源的特定特征，对微震波信息进行分离处理，分离出岩体破裂震源信息和辅助震源信息；

上述裂缝位置计算单元54根据岩体破裂震源信息计算出微震事件形成裂缝的位置；

上述速度模型优化单元55根据辅助震源信息对监测区域的速度模型进行优化，得到优化后的速度模型；

上述裂缝定位单元56，根据优化后的速度模型以及采用双差成像精确定位方法对裂缝位置计算单元54所计算出微震事件形成裂缝的位置处的裂缝进行精确定位。

下面详细介绍本实用新型的各个部件的功能：

一、传感器51

传感器51的具体布置方法如下：如图2至图3所示，在待监测区域内的隧道中夹岩隔墙两侧，呈矩阵形式布置多个传感器。以矩阵形式布置的传感器间的排距为H，优选地，该H＝1m；每排中相邻传感器之间的间距为B，优选地，该B＝1m。

微震波发源的地方称为震源，为了覆盖更宽频带的震源的微震信息，该传感器包括按照设定比例配备的高频传感器和低频传感器，且高频传感器和低频传感器交错组合布置在待监测区域内的隧道中夹岩隔墙两侧。

上述传感器利用石膏粘固于隧道中夹岩隔墙的表面。之所以采用石膏固定传感器，是由于本实用新型中传感器布置较为密集，排距、间距均为1m，如果采用常规的钻孔安装方式，密集钻孔必定会给中夹岩隔墙的完整性造成损伤，因此传感器固定方式采取粘固的方式。而石膏具有塑形好、固结快、强度高、粘接性好，其脆性特质便于拆除，所以特别适用于传感器的表面粘固和传感器回收。

上述传感器的主方向垂直于隧道中夹岩隔墙的墙面。随着隧道开挖的推进，传感器矩阵交替迁移变换，以保证对监测区域的覆盖。也就是说每新开挖一段隧道，则调整一次传感器的位置，使调整位置后的传感器矩阵的监测面积覆盖监测区域。传感器矩阵交替迁移变换的方法具体如下：将隧道开挖的前进方向作为隧道前方，在调整传感器的位置时，将布置在隧道后方的传感器移至隧道最前方，且仍保证传感器布置排距依然为H，每排中相邻传感器之间的间距依然为B；传感器位置确定后利用石膏进行固定。

上述震源包括多种：岩石破裂震源，以及其它辅助震源。该辅助震源包括但不限于：隧道施工爆破产生震源、隧道内外机械振动震源等。其中的岩石破裂震源作为描述隧道围岩破裂演化的基础震源，其它辅助震源信息用于辅助弹性波波速反演。

二、采集仪52

上述采集仪52负责实时接收传感器51感应到的震源信息，并且存储或传输传感器51传过来的震源信息给所述比较器53的输入端。

三、比较器53

比较器53根据震源信息的波形，分离出岩体破裂震源信息和辅助震源信息，并将岩体破裂震源信息传给裂缝位置计算单元54；将辅助震源信息传给上述速度模型优化单元55。

在分离处理过程中，比较器53利用岩石破裂震源和辅助震源处产生微震波的时间和位置，以及产生的微震波的频率、能量等基本信息，并根据各种震源特有的时域和频域等特定特征，采用波形辨识、频率分析、能量分析和频谱分析等手段，区分出岩石破裂震源和辅助震源。具体如下：

由于不同震源产生的波形是不同的，不同震源产生的地震波具有特定的时域和频域特征。事先通过定向搜集不同震源对应的微震波的波形，建立波形信息库。将新采集到的震源的微震波信息的波形数据，与前面波形信息库中的各类震源对应的微震波波形的时域和频域特征进行比对，通过波形辨识、频率分析、能量分析和频谱分析，对采集到的震源的微震波信息进行分离处理，从而分离出岩石破裂震源的微震波信息和其它辅助震源信息。

四、裂缝位置计算单元54

裂缝位置计算单元54根据岩体破裂震源信息计算出微震事件形成裂缝的位置。具体工作原理如下：

由于微震监测可以直接监测到各震源产生微震波的时间t_i(i为自然数)和频率，因此裂缝位置计算单元54可以根据岩体破裂震源信息提取出岩体破裂震源信息对应的微震事件产生裂缝的时间以及对应的震动波传输速度。

微震监测到的产生微震波的时间t_i(i为自然数)是绝对精确的；根据已知的爆破事件(已知位置，已知时间)对监测区域内的速度模型进行初步标定，可以得到已知爆破事件的起震位置坐标(x₀，y₀，z₀)、已知爆破事件的起震时间t₀。通过P波定位基本理论原理中的计算公式计算得到震源处产生微震波的位置，具体如下：

在公式1中，t_i(i为自然数)表示震源处产生微震波的时间；V为岩体破裂震源对应的微震波的传播速度；(x₀，y₀，z₀)表示已知爆破事件的起震位置坐标；t₀表示已知爆破事件的起震时间。

t_i(i为自然数)和V都是已知的，已知爆破事件的的起震时间t₀和起震位置坐标(x₀，y₀，z₀)也是已知的；这样通过公式1所示的方程组可以解出震源处产生微震波的位置坐标(x_i，y_i，z_i)。

经过上述过程分离出岩石破裂震源的微震波信息后，将经过计算确定的岩石破裂震源处产生微震波的位置作为微震事件形成裂缝的位置，从而实现了对微震事件形成裂缝的位置的初步定位。

五、速度模型优化单元55

上述速度模型优化单元55根据辅助震源信息对监测区域的速度模型进行优化，得到优化后的速度模型；

基于辅助震源的地震波信息对监测区域的速度模型进行优化的目的是实现不同地层内微震波速度的精确描述。由于分离出了不同震源的地震波信息，获得了丰富的辅助震源信息，为求解多层速度模型丰富了条件。利用辅助震源产生的地震波的时间、位置、频率和能量等清晰的特征，可以优化并提高地层内地震波的速度模型。

辅助震源产生的地震波的时间、频率可以直接得到，位置可以套用公式1得到，通过如下公式2对一个震源处产生的微震波进行积分便可以求得该震源处产生微震波的能量(简称为震源的能量)：

方程中：ρ表示岩体介质的密度；c表示当前辅助震源信息中对应的微震波的传播速度；<Γ>表示均方根辐射图型；表示传播算子，其为正比于震源距的常数；表示微震波在介质中的位移对时间的微商。上述介质指隧道中夹岩隔墙内的岩体。

六、裂缝定位单元56

裂缝定位单元56，根据优化后的速度模型以及采用双差成像精确定位方法对裂缝位置计算单元54所计算出微震事件形成裂缝的位置处的裂缝进行精确定位。

基于优化的速度模型，采用双差成像技术对微震事件产生的裂缝进行重新定位。双差成像技术是现有的定位技术，这里不再详细描述。双差定位的优势在于用到相对定位概念，根据相邻微震事件的微震波到时差进行定位，可以消除因速度模型有限而引起的微震波走时差的影响，进而提高微震事件形成裂缝的定位精度。因此能够对岩石破裂事件产生的裂缝实现亚米级精度的精确定位，进而可以确定岩体内部不同尺度岩石裂缝发生的位置。

由上述可以看出：本实用新型采用一定的传感器布置方式，采集岩体内部破裂变化的微震事件，加入双差成像定位方法对微震事件定位，并可得出岩体内部破裂演化的时空分布特征，提高了监测精度，最小可达裂缝破裂的尺度。

本实用新型可以适用于各种地质条件复杂施工过程及后期运营的隧道中夹岩隔墙健康评价。本实用新型可以最大限度节省隧道施工监测成本，降低监测难度，提高监测效率，可以科学准确实现隧道中夹岩隔墙健康监测，具有很高的工程应用价值。

实施例二：

本实用新型实施例二提供另一种高速公路隧道中夹岩隔墙的微震信息监测系统，其采用矩阵方式布置传感器，能够采集到隧道中夹岩隔墙岩体内部更多种类的震源的微震波信息，为后续分析定位裂缝存储更多的信息。该实施例二包括：

传感器51和采集仪52；

传感器51和采集仪52与实施例一中的相关器件相同，这里不再详细描述。

虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本实用新型。在不脱离本实用新型之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本实用新型之保护范围。因此本实用新型的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。