不同传感器安装方式对隧道现场声发射参数监测结果的影响

甘一雄, 吴顺川，2*, 高艳华, 任 义

(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；3.北京城市学院城市建设学部，北京 100083)

声发射(acoustic emission, AE)技术作为一种被动监测手段，可以实时监测岩体内部的破裂，对岩体失稳进行有效预警，因此，被越来越多地用于隧道工程的监测与研究中[1-4]。

由于隧道工程现场地质条件及施工环境复杂，根据不同的监测需求，声发射传感器的安装方法多种多样，为此，中外研究人员也设计了多种不同的安装装置，以适应预埋式安装[1]、钻孔安装[2]、表面安装[3]等多种安装方法。

然而，尽管声发射传感器在具体安装方式上多种多样，但绝大多数安装方法及安装装置只是在固定、保护等方面有所差异，在信号传输上并无太大区别，因此，可根据传输介质的不同，将隧道监测中的声发射传感器安装方法分为原岩表面安装、衬砌表面安装以及金属介质表面安装3类。

原岩表面安装是指传感器直接与原岩表面接触(仅通过真空脂等耦合剂耦合)，接收岩体中的声发射信号[2,4]，是目前应用最为广泛的安装方法；衬砌表面安装与原岩表面安装相似，只是安装于衬砌表面，监测围岩及衬砌中的声发射信号[3]，该方法的主要优势是无需钻孔等复杂工序，也不需要破坏初衬等隧道支护结构，直接在隧道中安装，自由度较高；金属介质表面安装是指以金属导波材料将传感器与岩体耦合，如以薄铝板作为耦合介质[5]，或将传感器安装于锚杆(导波杆)端部[3]。

由于不同安装方式所对应的应力波传输介质与传播路径不同，声发射信号监测效果也必然有所不同。因此，以华蓥山隧道爆破掘进过程中的声发射监测为例，对比了原岩表面安装、初衬表面安装以及锚杆端部安装等不同安装方式下声发射信号特征。

1 工程背景

重庆渝北至四川广安高速公路(重庆段)华蓥山隧道属特长隧道，设计为双洞六车道，隧道左线(ZK23+467～ZK28+485)全长5 018 m，右线(K23+467～K28+467)全长5 000 m，自隧道进口、中部、隧道出口的线间距分别为16.34 m、30 m、25.17 m，总长走向约298°，左、右线最大埋深分别为438 m和448 m。隧道为双向隧道，采用分离式双洞结构，左右分修。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，掌子面爆破每次进尺3 m，装药180～190 kg。

华蓥山隧道横穿华蓥山观音峡背斜山脉，并穿越三叠系须家河组煤系地层和二叠系龙潭组煤系地层，其中须家河组煤层18 处，龙潭组煤层8 处。龙潭组煤层具有煤与瓦斯强突出风险，须家河组煤层具有高瓦斯风险。观音峡背斜核部发育有F1、F2、和F4压扭性逆冲断层。隧道存在断层破碎带、岩溶及岩溶水、岩溶角砾岩、软弱围岩、煤层、采空区、老窖水、瓦斯及H2S有毒有害气体等不良地质和特殊地质。

2 试验方案

2.1 监测方法选取

华蓥山隧道施工期间主要采用周边位移计与全站仪进行监测，但受到监测点布设的限制，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，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。

然而，由于两隧道间隔不超过30 m，而微震在隧道中的监测距离一般为50～150 m[6]，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。考虑监测成本与需求，不对破裂进行准确定位，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。

为研究不同安装方式在信号接收上的差异，选取合理安装方式进行隧道声发射监测。以华蓥山隧道K25+060～K25+160区段掘进爆破过程中隧道声发射响应试验为依托，在相同位置采取多种传感器安装方式进行监测，并对比不同安装方式下的声发射监测结果。

2.2 试验设备

采用美国物理声学公司(PAC)的SH-II型声发射现场采集系统进行声发射监测，传感器选用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 k，根据前期噪声测试的结果，将门槛值设置为45 dB。

2.3 不同安装方式

隧道截面及传感器安装位置主要有拱顶、拱肩与拱腰，如图1所示。在同一监测点上采用3种安装方式安装3个声发射传感器，即原岩表面安装、初衬表面安装以及锚杆端部安装，为尽可能避免位置不同对声发射监测结果的影响，同一测点的3个传感器应尽可能靠近。

图1 传感器安装位置Fig.1 Positions of sensors in the tunnel

2.3.1 原岩表面安装

随着隧道施工的进行，爆破位置及危险区段都在不断推进，而声发射传感器监测距离有限，因此监测点也需要不断推进。因此，为了方便安装与节约成本，不采用钻孔的方式来实现传感器与原岩的直接接触，而是采用在初衬上预留安装孔的方法进行原岩表面安装。

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2(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，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，清理安装孔，即可将传感器安装于原岩表面，如图2(b)所示。

2.3.2 初衬表面安装

初衬表面安装的方法比较简便，监测时直接将传感器安装于初衬表面，不论是原岩表面安装还是初衬表面安装，都采用相同的传感器安装辅助装置，以膨胀螺栓将装置固定于原岩或初衬表面，通过内置弹簧提供反力固定传感器，如图2(c)所示，传感器与原岩或初衬间以真空脂耦合。

2.3.3 锚杆端部安装

在预留孔中的原岩表面钻孔，深度0.8 m，安装特制锚杆，以快干水泥锚固耦合，待水泥达到一定强度后安装传感器，如图2(d)所示，除压电陶瓷接触面以为，传感器与安装套筒之间以泡沫海绵等材料隔离，充分保护传感器，且避免传感器及信号线保护层破损而与金属导通，导致声发射信号被电信号覆盖。传感器与锚杆端部直接接触，中间以少量耦合剂耦合，保证接触充分。

图2 传感器安装方式Fig.2 Attaching methods and coupling modes of sensors

3 试验结果分析

不同传感器安装方式下的监测结果对比主要包括两个方面：一是同一位置的不同安装方式结果对比，用以对比不同安装方式的信号特征及差异；二是不同位置下相同安装方式的对比，用以对比不同安装方式对信号衰减的敏感性。

3.1 相同位置下不同传感器安装方式的声发射监测结果对比

在拱顶与拱肩处分别以3种方法安装声发射传感器，监测掌子面爆破过程中的声发射响应，该次爆破掌子面距监测点截面15.6 m。

表1所示为不同传感器安装方式下的声发射监测结果基本参数对比。由表1可知，从基本参数来看，同一监测点上，不同安装方式监测到的信号特征不同，从响应时长、信号最大振铃计数(counts)、最大绝对能量(absolute energy)来看基本上呈现“原岩表面安装<初衬表面安装<锚杆端部安装”的规律。其中原岩表面与初衬表面安装方式的监测结果差异较小，而锚杆端部安装方式所监测到的声发射结果与前两者差异较大，在最大值上存在1～2 个数量级的差异。

表1 不同安装方式监测结果基本参数Table 1 Basic parameters of AE monitoring results acquired by different attaching methods of sensors

然而，根据掌子面爆破过程中的声发射响应监测结果，振铃计数极大/能量极高的声发射信号往往只有1～2 个，单纯比较参数最大值不能充分反映监测结果的差异，因此，选取振铃计数率(counts rate)、绝对能量平均值与b值作为监测指标来对比3 种安装方式的监测结果在时间轴上的变化趋势的差异。以第一个信号到达时间作为0时刻，以每0.2 s作为一个时段进行统计。

3.1.1 振铃计数率

图3所示为拱顶与拱肩声发射监测结果振铃计数率统计。由图3可知，原岩表面与初衬表面安装的传感器在振铃计数率发展规律及数量级上大致相同，初衬表面安装的监测结果略大于原岩表面安装；然而，锚杆端部安装的监测结果与前两者差异较大，在开始时振铃计数率远大于原岩表面与初衬表面安装的监测结果，但信号迅速消失，直至原岩与初衬表面安装传感器监测信号消失后，锚杆端部安装传感器才重新接收到信号。

图3 不同安装方式下声发射振铃计数率Fig.3 Counts rate of AE monitoring results acquired by different sensor-attaching methods

初步分析造成这一现象的原因有两点：① 由于锚杆深入岩体内部，与岩体接触面积较大，与传感器接触部分面积较小，而锚杆可视为导波杆，在面积减小时能够集中能量、放大信号[7-8]，因此，在最初时间段内，锚杆端部接收到的信号在振铃计数率上远大于其他安装方式，然而，因锚杆锚固过程中难以保证与岩体严密耦合，且水泥凝固时间较短，爆破震动对耦合效果仍然产生了一定影响，因此在最初的高能信号后，锚杆端部传感器接收信号出现了一个短暂的“平静期”；此外，初衬表面安装的传感器由于位于预留孔附近初衬上，同样存在横截面积的减小，预留孔孔壁以及原岩与初衬交界面反射应力波将导致一定程度上的应力波能量集中，因而初衬表面接收到的信号在振铃计数率上略高于原岩表面。② 爆破后锚杆锚固段或附近围岩、初衬中出现了少量小破裂或摩擦，故原岩与初衬表面安装的传感器信号消失后(爆破响应结束)锚杆端部安装传感器仍接收到少量声发射信号。

3.1.2 平均绝对能量与b值

图4所示为拱顶与拱肩绝对能量平均值与b值随时间变化的规律，由于绝对能量平均值之间数量级差别过大，因此对绝对能量平均值取对数lg进行对比。由图4可知，绝对能量的分布规律与振铃计数较为相近，总体而言初衬表面安装略高于原岩表面安装，而锚杆端部安装的声发射监测结果平均绝对能量的最大值最高。

图4 不同安装方式下声发射平均绝对能量与b值Fig.4 Average absolute energy and b value of AE monitoring results acquired by different sensor-attaching methods

b值(bvalue)源于地震学中的G-R关系，即区域性地震中大于震级M的累计次数N的对数，与震级M成线性关系，即

lgN=a-bM

(1)

式(1)中：a、b为常数，在声发射中，通常可用振幅除以20来代表声发射震级，即M=A/20，A为声发射振幅[9]。

b值统计结果主要反映岩体内部破裂事件的相对大小与数量的关系，b值越大，说明事件中小破裂事件占比越大，一般而言，岩体发生破坏时所对应的b值约为1(±0.5)[10-11]。需要注意的是，为对比b值与其他参数的变化规律，对b值的计算是基于时间分组而非基于取样数，由于b值同样受取样数的影响[12]，而声发射信号数在时间轴上的分布并非均匀的，因此在取样数过小的时间段内计算的b值可能未能充分反映岩体内部破裂的实际情况，舍去某些取样数过小(小于10)的b值计算结果，对取样数较小(小于50)的b值计算结果进行合理分析与判断。

由b值统计结果可知，前0.8 s内，岩体发生了大规模失稳破裂(即掘进爆破)，3种安装方式监测结果较为接近，都处于0.5附近，拱顶处监测结果略小于拱肩位置；在0.8 s后，锚杆端部安装的传感器虽然接收到大量声发射信号，但b值不断增加，说明0.8 s以后的声发射信号以小破裂为主，符合基于振铃计数率分布规律的初步分析结果，即爆破后锚固段或附近围岩、初衬中出现了少量小破裂信号。

3.2 信号传播距离对不同传感器安装方式声发射监测结果的影响

由于华蓥山隧道拟采用基于参数分析方法的声发射监测，缺乏对事件具体位置的信息，因此监测结果的准确性受到信号衰减的限制，当信号衰减较大或事件分布较为离散时，监测结果往往可能未能充分反映实际破裂的剧烈程度，因此，对比不同安装方式的监测效果，除了同一位置的不同安装方式的对比外，仍需要对比各安装方式在衰减作用下的信号变化特征。

选取拱肩位置为例，选取爆破距离为5 m时的拱肩安装位置监测结果与15.6 m处的监测结果进行对比。需要说明的是，该对比是基于两次爆破得到的监测结果，由于装药量相同，围岩性质接近，因此近似将两次监测过程中的震源与传播介质看作相同。

表2所示为掌子面爆破距离为5 m时拱肩处的声发射监测结果。由表2可知：原岩表面与初衬表面安装的监测结果在爆破相应时间上小于爆破距离为15.6 m时的监测结果，锚杆端部监测结果在爆破响应时间上变化不大；从最大振铃计数上看，三者都小于15.6 m处的监测结果，尤其是锚杆端部安装的监测结果，未如15.6 m处一样出现远超其他安装方式的振铃计数；从最大绝对能量的数量级来看，原岩表面安装的监测结果高于15.6 m处，初衬表面与锚杆端部安装方式的监测结果与15.6 m处接近。

同样选取振铃计数率、绝对能量平均值与b值作为监测指标来对比3种安装方式的监测结果在时间轴上的变化趋势的差异。将两次爆破最初信号到达的时间点作为0时刻，以每0.2 s作为一个时段进行统计。

表2 震源距离5 m时监测结果基本参数Table 2 Basic parameters of AE monitoring results in 5 m from the blasting seismic source

3.2.1 振铃计数率

爆破距离为5 m时拱肩声发射监测结果振铃计数率如图5所示，对比图3可知，从振铃计数率上看，原岩与初衬表面安装的监测结果略小于15.6 m处，而锚杆端部安装的监测结果则远小于15.6 m处，未出现振铃计数极大的声发射信号，但同样在原岩与初衬表面安装的传感器接收到的信号消失后仍然接收到一些小规模声发射信号。

图5 震源距离5 m处声发射振铃计数率Fig.5 Counts rate statistics in 5 m from the blasting seismic source

结合动力响应持续时间等参数，初步分析造成这一结果的原因主要是锚杆锚固情况的不同导致了信号接收效果的差异；此外，5 m处受到爆破震动影响十分剧烈，试验过程中甚至造成拱顶处原岩表面安装传感器脱落，因此不论是锚固还是与原岩、初衬耦合都受到一定影响，接收到的信号数较少，从而导致振铃计数率相对较小，总体的信号持续时间也较短。

3.2.2 绝对能量与b值

图6所示为距震源不同距离下的各安装方式监测结果基于绝对能量与b值的对比，其中b值计算同样舍去了样本数过少的计算结果。

由图6可知，从绝对能量平均值来看，距离震源较近时(5 m)，不论何种安装方式，在爆破响应初期的绝对能量的平均值通常高于15.6 m处的监测结果，相应的b值计算结果也较低；5 m处拱肩测点的原岩与初衬表面安装方式的监测结果持续时间较短，仅锚杆端部安装方式持续时间较长，且在后期监测结果中仍表现出较高的平均绝对能量，但由于事件数较少，难以计算出可靠的b值。

分析可知，当传感器安装距离较近时，由于爆破震动较大，导致传感器与接触面耦合受到一定影响，接收到事件较少，导致振铃计数率较低，但从平均绝对能量上看，距离震源较近的传感器接收到的信号能量较高，说明能量较高的声发射事件仍然可以被传感器接收。

图6 不同震源距离下声发射平均绝对能量与b值Fig.6 Average absolute energy and b value of AE in different distances from the blasting seismic source

由于爆破震动对后续信号接收的影响较大，因此仅以前0.2 s的监测结果为依据，分析不同安装方式的声发射监测结果受传播距离衰减的影响。

表3所示为两次爆破中所有位置前0.2 s内绝对能量平均值(取对数)，括号中为15.6 m处监测结果相对于5 m处同位置同安装方式监测结果的下降百分比，从这两次爆破过程声发射监测的对比结果可知，原岩表面安装的监测结果受衰减影响较大，而初衬表面及锚杆端部安装的声发射监测结果受衰减影响相对较小，造成这一结果的主要原因有两点：一是因为监测方式或监测点附近结构导致的信号放大效应，10 m左右的衰减距离及各交界面对信号的衰减作用仍小于信号接触面附近结构对信号的放大作用；二是由于相对初衬表面与锚杆端部，原岩表面平整度难以保证，传感器与原岩接触面的耦合效果可能差异较大，拱腰处监测结果56.2%的能量差异应该属于这一类情况。

表3 不同距离不同安装方式下前0.2 s平均绝对能量Table 3 Average absolute energy of AE monitoring results in the first 0.2 s acquired by vary attaching methods in different distances from the blasting seismic source

4 结论

(1) 在基于参数分析的声发射监测过程中，不同安装方式对监测结果存在一定影响，总体而言，传感器采用原岩表面安装时，声发射响应时间较短，信号振铃计数率、声发射能量等最低，初衬表面安装的监测结果次之，而锚杆端部安装的监测结果最高。

(2) 不同安装方式的安装结果差异主要与波传播过程中穿过的交界面数量及介质截面积变化等结构特性有关，在安装传感器时应重点关注监测点附近围岩或衬砌结构，充分考虑监测点附近结构特性对监测结果的影响，若采用锚杆端部安装等人为构造接触面的方式，更需要注意锚杆等辅助结构的锚固耦合情况，避免耦合效果的差异导致的监测结果差异。

(3) 声发射能量随距离增加而发生衰减，但监测方式或监测点附近结构的放大效应在一定程度上能够减轻衰减的影响。因此，在现场声发射监测中，若不要求进行破裂定位等精确计算，基于声发射参数分析进行监测预警，采用锚杆端部安装等能够利用信号放大效应的监测方式，削弱衰减或环境噪声的影响。并得到偏安全的监测结果。