微震活動對巖質開挖邊坡影響研究

龔琳惠，文排科，唐 波,4，朱 婭

(1.貴州省務川自治縣公路管理所，貴州 務川 564300；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；3.貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025；4. 貴州省仁懷市水務局，貴州 仁懷 564500)

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微震活動對巖質開挖邊坡影響研究

龔琳惠1, 2，文排科3，唐 波3,4，朱 婭2

(1.貴州省務川自治縣公路管理所，貴州 務川 564300；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；3.貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025；4. 貴州省仁懷市水務局，貴州 仁懷 564500)

針對貴州省貴安新區清楊路某巖質開挖邊坡，為揭示其在開挖過程中內部巖體微震活動的影響，以巖石破裂過程分析系統RFPA2D-SRM為研究手段，分析了靜應力作用下的邊坡失穩破壞機制；并采用IMS微震設備建立了爆破震動下的邊坡微震監測系統。研究結果表明：靜應力作用下邊坡具有較高的穩定系數；爆破誘發了邊坡內部巖體呈長條帶分布的大量微震事件產生，最大位移為2.56×10-4m，出現在四級臺階巖體內部，RFPA模擬出的潛在滑移面與微震事件空間分布特征整體上具有良好的一致性。

道路工程；開挖邊坡；爆破震動；數值模擬；微震監測

0 引 言

邊坡穩定性研究一直以來都是巖土工程界研究的熱點和難點。從目前邊坡現場監測手段來看，主要分為邊坡表面監測與坡體內部巖體監測。坡表大地測量法、GPS監測、紅外遙感監測法等已能實現較好的外觀監測。坡體內部監測手段主要有鉆孔傾斜儀、錨索測力計和水壓監測儀等，這些技術大都是預先在巖體內部不良地質或不確定地質區域埋設監測儀器，通過監測巖體在施工和運行過程中的變形特征實現對圈定區域巖體的穩定性判斷，然而卻很難動態實時地對邊坡內部微破裂誘發潛在失穩區域提前給出預警[1-4]。

國內外研究表明，巖質邊坡破壞失穩與其內部巖體微震活動有密切關系，微震活動是巖質邊坡發生破壞的前兆[5]。利用微震監測儀器，在發生微震活動的巖體區域內布設傳感器，探測震源所發出的彈性波，確定發生震源的位置及微震活動的強弱和頻率，判斷潛在的巖體失穩活動規律，便可實現其穩定性預測預報。該技術對巖體的應力集中、裂隙發展、摩擦滑動尤為敏感，能早期發現崩滑體，并能預測其滑動位置和崩滑體發展趨勢，為防止失穩采取預防措施贏得了時間[6-7]。微震監測技術作為動態監測方法，具有遠距離、三維、實時的特點，已廣泛應用于隧道圍巖穩定性、地下礦山地壓、大型地下油庫安全、水利工程高陡邊坡穩定性的監測等[8]。目前，應用該技術對公路巖質邊坡實施監測研究還比較少，有必要開展這方面的研究。

筆者以貴安新區清楊路第四標段一公路巖質開挖邊坡為例，選取邊坡典型剖面進行靜應力作用下的邊坡失穩破壞數值模擬分析；建立邊坡現場微震監測系統，監測邊坡在施工過程中現場路面爆破震動對其內部巖體的損傷程度；并對比分析現場監測與數值模擬的研究結果，驗證微震監測技術應用在公路巖質邊坡穩定性監測中的可行性。

1 工程背景

貴安新區清楊路第四標段一路塹巖質邊坡處于施工末期，受周圍路面爆破震動影響較大。邊坡所在具體位置樁號為K14+850 m左幅，邊坡工程地質條件較復雜，內部節理裂隙較發育，其中J1(107°∠42°)、J2(105°∠38°)、J3(110°∠40°)在邊坡上將構成外傾結構面，對邊坡影響較大。邊坡頂部有少量回填土覆蓋，高程1 306 m以上為安順組強風化白云巖，以下為中風化白云巖，包含3層厚度約為0.5 m的泥質白云巖軟弱夾層，層理構造明顯。邊坡高度為42 m，邊坡走向為190°，設計坡度63°，由5級臺階組成，從上往下臺階高度依次為5，7，9，10，11 m，邊坡工程地質剖面見圖1。

圖1 邊坡工程地質剖面

2 靜應力作用下邊坡RFPA模擬分析

2.1 數值模型的建立

RFPA(Realistic Failure Process Analysis)系統是一個基于有限元應力分析模塊和微觀單元破壞分析模塊的巖石變形、破裂過程研究的新型數值分析工具。其將材料介質模型離散化成由細觀基元組成的數值模型，假定離散化后的細觀基元的力學性質服從某種統計分布規律(如weibull分布)，由此通過考慮巖石非均勻性，將復雜的宏觀非線性問題轉化成簡單的細觀線性問題[9]。RFPA2D-SRM二維強度折減版是在RFPA2D-Basic二維基本版的基礎上，將強度折減的原理引入到真實破裂過程分析方法中推出的，能夠為深入研究邊坡的穩定性提供理論支持和指導[10-11]。邊坡數值計算模型如圖2，用數值試樣模型來表示實際計算模型，模型邊界采取底部和左側固定，模型上部施加固定的靜載荷以模擬自重應力。模型尺寸：50 000 mm×42 000 mm，剖面單元數500×420=210 000個。根據邊坡現場提供的地勘資料，參照同類巖體的力學參數，邊坡巖體及節理的計算參數如表1。

表1 模型計算參數

圖2 邊坡數值模型

2.2 數值分析結果

圖3為邊坡剖面漸進破壞過程中的剪切應力圖和聲發射過程圖，基于強度折減后，邊坡在第32加載步產生失穩破壞，經計算得到邊坡穩定系數為1.471，說明目前邊坡還處于穩定狀態。圖3(a)～(d)為邊坡剪切應力演化，由圖可知邊坡初始應力集中出現在邊坡腳至3條節理的長條帶區域，尤以節理區域數值較大，隨著強度的折減，節理區長條帶開始出現破壞，并與坡頂巖體逐漸貫通形成明顯的破壞區，下兩層泥質白云巖之間也出現明顯的應力集中，并開始向深部轉移。圖3(e)～(h)為邊坡聲發射演化，由圖可知邊坡初始破壞單元出現在3條節理中下部區域，主要表現為拉伸破壞，隨著強度的折減，沿3條節理面指向坡頂巖體內部叢生出大量的拉伸破壞單元，尤以強風化帶與中風化帶分界面上出現較密集。在邊坡巖體內部靠近下層泥質白云巖沿巖層傾向上也出現了較多的剪切破壞單元，進一步說明了自然邊坡失穩也是沿著節理或者軟弱帶演化、擴展。因此，巖質邊坡內部節理、巖層弱化帶、強弱層接觸區是邊坡穩定性分析中需要考慮的重要影響因素。

圖3 邊坡典型剖面漸近破壞過程

3 邊坡現場IMS微震監測

3.1 邊坡微震監測系統的構建

微震監測是目前國內外廣泛應用于礦山安全開采的監測技術手段，能夠為礦山安全生產提供有力的保障。利用微震監測設備，在需要密切關注的邊坡巖體內部安裝微震傳感器，探測動力擾動下內部微破裂所發出的彈性波，反演出震源發生的時間、位置、震級大小等，判斷出邊坡潛在失穩區域，實現邊坡在施工過程中的穩定性監測及預報[12-15]。

邊坡穩定性采用監測由澳大利亞IMS公司生產的礦山微震監測系統，主要包括6個加速度傳感器、信號傳輸電纜、netADC(數模轉換器)、netSP(數據處理器)、分析計算機等，監測系統基本組成如圖4。

圖4 邊坡微震監測系統基本組成

8通道的傳感器覆蓋了邊坡100 m×50 m×42 m的區域范圍，能夠對邊坡巖體內部狀態變化實施24 h連續監測，獲取大量微震事件發生的時間、震源位置、誤差、震級以及能量等震源參數。傳感器安裝在鉆孔底部的硬巖上，孔口三維坐標由全站儀測得，鉆孔方位角及傾角由地質羅盤儀測定，通過坐標反算可求得孔底三維坐標，傳感器具體安裝參數見表2。為使系統定位誤差達到最小，傳感器空間布置采用5個單分量傳感器呈近似正五邊形布置，三分量傳感器布置在正五邊形幾何中心，如圖5。

表2 傳感器安裝參數

圖5 邊坡三維模型及傳感器布置

3.2 系統定位精度及靈敏度分析

為對微震監測系統布置方案的合理性進行評估，有必要進行系統精度和靈敏度分析。圖6為IMS可視化軟件Jdi分析出的邊坡重點監測區域定位誤差分布，圖7為微震系統靈敏度分布，其中定位誤差分布圖上的數值表示定位精度，系統靈敏度分布圖上的數值為里氏震級，無單位。由圖6可知該微震監測系統在重點監測區域的定位精度最高達5 m左右，整體精度控制在14 m范圍內，微震系統靈敏度能達到里氏震級 -2.2～-3.3范圍內。定位精度與系統靈敏度能滿足邊坡現場的安全監測要求，因此，可認為該監測系統的方案布置較合理。

圖6 重點監測區域定位誤差分布

圖7 系統靈敏度分布

3.3 微震事件位移分布

圖8為RFPA計算剖面所對應區域的位移變化云圖。由圖8可以看出，巖體內部微破裂產生的位移主要集中在邊坡4級馬道中部至3級馬道中部，并有向坡腳附近發展的趨勢。結合現場施工情況分析，說明爆破震動對邊坡四級臺階中間對應的內部巖體造成的損傷程度比較大，在此周圍產生了比較大的位移，最大位移數值為2.56×10-4m，且有向四周發展擴大的趨勢，建議后期的加固要重點考慮到這一點。

圖8 微震監測位移云圖

3.4 微震事件數與炸藥用量關系

圖9為2013年10月12—19日監測到的每日事件數與監測范圍內邊坡現場路面爆破炸藥用量之間的關系。由圖9可知每日的微震事件數量曲線與當日炸藥使用量曲線整體上走勢趨于一致。炸藥使用量越多，造成邊坡內部巖體損傷范圍和程度就越大，微震活動性就相對頻繁[16]。同時，也說明了目前邊坡現場內部巖體的整體損傷程度較小，微震事件的產生絕大部分是由于現場路面爆破擾動引起的。

圖9 微震事件數與炸藥用量之間的關系

4 數值模擬與現場監測結果對比

圖10(a)為數值模擬出的邊坡潛在滑移面，圖10(b)為IMS監測出的微震事件在邊坡巖體內的空間分布。圖10(b)中，圓球代表微震事件，圓球大小代表微震能量，圓球越大即能量越大，由圖10可知爆破誘發了邊坡內部巖體呈條帶狀分布的大量微震事件，微震事件主要集中在三級臺階和四級臺階對應的巖體內部節理區域，且有向坡腳延伸發展的趨勢。對比分析數值模擬與現場IMS監測結果，兩者在整體上具有良好的一致性，但由于RFPA數值模擬分析只能計算出靜應力作用下的邊坡失穩破壞過程，無法考慮到外界動力擾動對邊坡整體穩定性的影響，所以在局部范圍有所差別。但無論是微震監測結果還是數值分析結果都直觀地顯示了巖體內部弱化帶是控制邊坡巖體整體穩定性的主要因素。目前，邊坡內部微震事件產生的位移較小，能量較大的事件主要集聚在4級馬道周圍,但有向四周貫通發展的趨勢，這是后期監測的重點。從整體上看監測到的微震事件震級都比較小，說明現在邊坡還處于安全狀態。但是從局部上來看，邊坡4級和3級馬道對應內部巖體能量損失相對較大，坡腳中央內部巖體次之，2級和1級馬道對應內部巖體最小。

圖10 數值模擬滑移面與微震事件空間分布對比

5 結 論

1)靜應力作用下，通過選取邊坡典型剖面進行RFPA數值模擬分析，經強度折減后，邊坡在內部3條節理形成的長條帶區域出現了大量的破壞單元，其中以拉伸破壞為主，并逐漸向坡頂貫通，形成潛在的滑移面。經計算邊坡穩定性系數為1.471，目前還處于穩定狀態。

2)由微震監測結果可知，爆破誘發了邊坡內部呈長條帶狀分布的大量微震事件，其產生的位移主要集中在邊坡4級馬道至3級馬道對應的巖體內部，最大位移值為2.56×10-4m，并有向坡腳附近發展的趨勢，后期的加固應重點考慮到這一點。

3)對比分析RFPA數值模擬與現場IMS微震監測結果，可以看出兩者在整體上具有良好的一致性，且都直觀顯示了巖體內部結構特征是影響邊坡穩定性的主控因素。

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Influence of Microseismic Activity on Rock Cutting Slope

Gong Linhui1, 2, Wen Paike3, Tang Bo3, 4, Zhu Ya2

(1. Road Transportation Administrative Bureau of Wuchuan Autonomous County in Guizhou Province,Wuchuan 564300,Guizhou, China; 2. School of Civil Engineering , Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;3. School of Mining, Guizhou University, Guiyang 550025, Guizhou, China; 4. Renhuai Water Affairs Bureauin Guizhou Province,Renhuai 564500, Guizhou, China)

Focusing on a rock cutting slope located at Qingyang road in Gui’an new area of Guizhou province, the failure mechanism of slope was analyzed under static stress with RFPA2D-SRM software, in order to reveal the influence of microseismic activity occurring in inner rock masses on slope during excavation. Then the slope microseismic monitoring system was established by IMS monitoring equipment to monitor the law of microseismic activity of slope under the blasting vibration. Results show that the slope has a relatively high stability coefficient under static stress. The blasting vibration induces the occurrence of a large number of microseismic events in strip distribution in the internal slope. The maximum displacement which appears at the inner rock body of four-step sidestep of slope is 2.56×10-4m. And the potential slip surface of slope simulated by RFPA has good agreement with the spatial distribution characteristics of microseismic events on the whole.

road engineering; cutting slope; blasting vibration; numerical simulation; microseismic monitoring

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.13

2014-11-20；

2015-01-26

貴州省高層次人才科研條件特助經費項目(TZJF-2010年- 044號)

龔琳惠(1986—)，女，貴州務川人，助理工程師，主要從事道路工程方面的工作。E-mail：lin09210107@163.com。

U416.217

A

1674-0696(2015)06-068-05