基于微震試驗掃描監測技術的路塹高邊坡穩定性分析

摘要：微震試驗掃描監測系統能夠快速識別滑坡重點危險范圍，收集巖體微震事件集中分布區域，快速識別坡面微小塊體或小面積滑坡區域。與單一巖體表面或內部監測系統設置不同，通過微震試驗監測系統識別微震滑坡事件集中區域，再設置掃描監測區域與微震滑坡事件集中區域相對應，縮小了監測區域。通過提取信息及模型疊加與分析，獲取監測體表面信息場點云數據，得到了定量變化信息。其試驗監測成果為邊坡的安全評價提供了直接依據，便于有效判斷滑坡位置，能夠有效預防邊坡滑坡，解決了滑坡監測面臨的實施困難、效率低下與精度控制困難的技術難題。

關鍵詞：微震監測;滑坡;識別;預警

0" "引言

路塹的邊坡穩定性與安全系數，一直以來是鐵路與公路路基工程設計要求的重點之一。長期以來，邊坡穩定性控制都是從單一巖體表面或內部深處實時監測，并沒有同時對巖體內外應力、形變實施監測和分析。采用其進行邊坡建模工作，很難全面檢測到邊坡巖體的穩定性狀況[1-2]。

某新建高速鐵路沿線地質災害眾多，大多數山體呈雞爪狀，山體陡峻，部分路段巖性較差，表面崩塌、碎落情況較嚴重，巖性極其復雜，沿線存在石灰巖、砂巖、頁巖、玄武巖、斷層角礫巖等。不開挖時穩定性尚可，一開挖經牽引后便容易發生滑塌。沿線的地形特點，決定了本項目必然存在較多的“貼山皮”挖方路基。這種情況的邊坡極易失穩，并且由于坡頂距離山頂極遠，一旦失穩，后果無法預計。

針對大型路塹來講，隨著開挖深度的不斷擴大，邊坡露出高度也不斷擴大，從而導致巖體應力重新分布，再加上巖層地質的復雜性及不穩定性，極有可能發生滑坡現象。這一切對路基施工人員及設備帶來極大的安全威脅[3]。因此，為更好地控制邊坡失穩，本文提出了微震試驗監測掃描體系。采用該檢測體系縮小了監測區域，能夠有效地預防邊坡滑坡，保證人生安全、設備安全，具有良好的社會效益和經濟效益，可廣泛用于國內外路塹邊坡安全管理工作中。

1" "位移監測系統概述

在土質、軟質巖路塹邊坡存在順層或沿土石分界面等滑動可能時，對其進行深部位移監測。位移監測系統主要由微震試驗監測系統和邊坡掃描系統組成。其中微震試驗監測系統包括6個分量IMS傳感器、電纜、數據采集器、計算機及蓄電池。通過對巖體打孔，使6個分量IMS傳感器定位在巖體中。邊坡微震試驗監測器包括遠區域電源、顯示器、計算機電子箱、掃描電子箱、盤子、天線和拖車等組成[4-5]。

通過微震試驗監測系統和邊坡監測系統內外聯合作用，識別與監控潛在邊坡滑坡的區域，識別微震事件集中區域。通過設置掃描監測微震事件集中區，減小監測區域范圍和工作量，從而集中區域判斷邊坡潛在滑坡位置及時間，提高安全系數。該技術通過微震試驗監測系統大幅減小了監測區域范圍和工作量，突破了傳統單點監測方法的弊端，可節省微震掃描時間，提高數據收集效率及分析數據工作效率。

2" "微震試驗掃描監測技術應用

2.1" "微震試驗掃描監測原理

若預估巖石會因受應力而發生破裂，則先在其附近安裝微震傳感器，傳感器接收到巖體彈性波信息的變化，再通過反演就可以得到巖體微破裂發生的時刻、位置和震級，即地球物理學中所謂的“時空強”三要素[6]。

先采用微震監測確定微震事件的集中分布區域，再通過掃描系統，對該集中分布區整體收集邊坡巖體外部形變、位移數據。其準確性更高，且能及時判斷識別潛在區域，縮小了微震監測的掃描范圍。對于爆破區域可間斷性監控，不需長時間監控，減小了工作時間，提高數據的收集率及工作效率，有利于判斷滑坡位置及時間，提高安全系數。

通過數據建模和多期數據疊加，可得到模型特征色度變化圖。可從不同矢量方向或點到面最小距離的矢量進行分析，得到其形變速率和方向趨勢。巖石內部能量釋放強度，會隨著邊坡巖體結構面的失穩形式變化，每一次聲發射與微震過程都會涵蓋巖體內部結構狀態變化信息，據此可推斷出巖體變形、巖體破裂的范圍[7]。

2.2" "微震試驗掃描監測系統建立

路塹邊坡成型后，運用南方CASS GPS定點測量6個測點的三維坐標、方位角、傾角及孔深（孔徑90mm，孔深6～9m）來設置傳感器參數。縱向每10m分別將6個IMS傳感器布置在邊坡監測區的堅硬巖體內。采深孔滑坡位移監測，微震試驗監測系統24h監控收集位移數據，并逐漸收集事件集中區域。

微震試驗監測傳感器的選點原則如下：危險區域應盡量在空間上被選點均勻包圍，具有適當和充足的空間密度，且不能形成近似一個平面或者一條直線;待測區域附近應該布設一部分選點，且不要受到破碎帶及較大斷層影響;選點應遠離空壓機、主扇、變壓器等大型電器或者機械設備，避免受到這些設備的干擾，并遠離礦車影響和行人;為避免波的衰減，探頭盡可能布設在邊坡臺階巖石內，且盡可能躲開破碎帶。

此外，為了延長微震監測系統監測年限，傳感器布設位置選擇時不僅要考慮當前路塹開挖區域，同時還要考慮下一階段內的開挖范圍。路塹邊坡微震微震事件區域如圖1所示，路塹邊坡微震集中數據空間成像分布如圖2所示。

2.3" "微震試驗監測傳感器誤差控制

為滿足監測系統良好的定位精度和靈敏度，應使傳感器站網對監測區域達到三維覆蓋。保證傳感器的均勻分布，盡量避免采取很差的幾何布置形式，如扁平布置形式、近似直線或平面分布形式，以免其垂直面上的定位產生較大誤差。

布置方案要充分利用現有工程條件，考慮地質狀況和試驗監測系統技術性能，保證震源定位精度和系統靈敏度，以達到該礦微震監測的目的。路塹邊坡微震監測系統的建立是一件非常費時和昂貴的操作。滑坡監測是一個動態過程，生產活動經常在不同的地方進行，為了最大限度減少后期對監測方案的調整，必須兼顧到當前及未來一段時間的監測要求。要充分考慮到傳感器所在鉆孔周圍環境情況。為提高傳感器監測靈敏度，各傳感器之間不能安設在大的采空區或不連續面。

可將微震傳感器布置在堅硬的巖石中，以利于傳感器的觸發和信號的真實可靠。當傳感器整體布置方案確定后，應進行必要的數值模擬分析來分析其定位影響效果。IMS監測系統可用自帶的Jdi軟件進行靈敏度分析，給出定位精度和靈敏度，根據數值模擬結果可對布置方案進行優化。

路塹邊坡環境惡劣，傳感器和線纜易被掉落的巖石損壞，潮濕環境也易導致傳感器出現故障。為保持監測系統的穩定性和持續性，有必要對傳感器接收到信號密度進行定期檢查，以防傳感器或線纜損壞影響監測精度。對于出現信號較弱的傳感器，有必要對其進行重新安裝，以保證足夠的信噪比。

通過微震監測選擇的事件集中區域，來設置微震掃描監測區域。設置掃描監測區域與微震監測事件集中區域相同，24h全程掃描，收集邊坡表面位移數據，及時判斷邊坡潛在位移變化，并分析數據形變量。根據路塹邊坡深孔巖體內部事件集中區域，確定掃描監測區域。為了防止陰雨、霧靄、灰塵以及煙霾對測量精度的影響，要對掃描監控車重要的電控系統進行覆蓋保護。路塹微震數據滑坡區區域成像如圖3所示。

由圖3可知，一、二級邊坡臺階處的巖體節理裂隙比邊坡下部的裂隙多，邊坡上部的剪切破壞較為嚴重。研究結果表明：路塹邊坡出現滑坡失穩現象，會沿著節理裂隙或者軟弱破碎帶的走向進行延展，且邊坡坡頂處的破裂區域比坡底處的范圍大。

3" "微震試驗監測技術要求

嚴格按照《鐵、錳、鉻地質勘查規范》（DZ/T-0200-2002）、《地質礦產勘查測量規范》（GB/T 18341-2001）、《冶金礦山地質管理手冊》（2012）的要求組織施工。在一級邊坡平臺、中部邊坡平臺及塹頂外5.0m鉆孔，埋置（豎直孔孔深應在穩定地層一定深度內）、安裝傳感器，利用微震傳感器精確地測量巖土層內部水平位移。運用南方GIS采集系統測出孔鉆的空間三維坐標，利用地質羅盤測出鉆孔的方位角和傾角，根據孔口的三維坐標及測得的方位角和孔深，通過坐標正算得到孔底的三維坐標，從而確定傳感器坐標。鉆孔及爆破孔施工要按照設計孔位逐孔放點確認，嚴格控制孔深、角度等技術參數。測量工作應符合《工程測量規范》等國家技術標準要求。

4" "結論

針對路塹滑坡深層位移監測基準精度保障困難問題，本文構建了微震試驗掃描監測系統。該技術實現了高危邊坡快速應急監測系統自主運行，能夠快速識別滑坡重點危險范圍，確定大面積滑坡區域，并能判斷滑坡位置，可有效地預防邊坡滑坡。與傳統埋設監測元件相比較，微震試驗監測系統的構建，能快速識別爆破區域震動信號，收集巖體微震事件集中分布區域，快速識別坡面微小塊體或小面積滑坡區域。

邊坡微震試驗掃描監測系統能夠快速識別小面積滑動巖塊，是一種能快速、非接觸、高精度和高密度獲得逼近表面真實模型的全新技術，解決了滑坡監測面臨的實施困難、效率低下與精度控制困難的技術難題，突破了點云數據按點、線、面等不同維度空間模型定量分析技術瓶頸，具有操作方便、配套設備少、工作效率高等優點，具有一定的實用性和推廣價值。

參考文獻

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