利用微地震监测技术估算超大跨度隧道开挖引发的高损伤区域

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Estimation of excavation-induced high-damage zone in super-large span tunnels with microseismic monitoring technology

微震监测结合双差成像法分析隧道围岩损伤，通过波速变化与损伤状态关联，确定高损伤区范围，并验证其实际工程效果。

　　

侯彦娟|周莫真|张定立|李敖|陈轩豪|杜玉凡

教育部城市地下工程重点实验室，北京交通大学，北京100044，中国

摘要

开挖损伤区是影响岩体稳定性的关键因素，它是周围岩体实际工作状态的重要指标。在这项研究中，我们提出了一种使用微地震监测技术来估计开挖引起的高损伤区的新方法，该方法通过双差成像方法获取开挖前后的波速，然后将波速的变化转化为周围岩体的损伤状态。损伤变量的极值范围为0.40到0.52。通过损伤状态的空间分布可以识别出高损伤区，并通过变形监测结果和测量的微地震事件进行验证。本研究为超长跨度隧道中高损伤区的估计提供了可靠的参考和实用工具。

引言

随着交通基础设施的快速发展，近年来超长跨度隧道的数量和跨度都在增加，表1中列出了几个典型例子。普遍认为，隧道开挖，尤其是大跨度开挖，可能会对周围岩体造成损伤，甚至导致安全事故（例如隧道坍塌、岩爆）。

隧道开挖会引起应力重新分布，不可避免地会对周围岩体造成损伤。这种损伤通常表现为相互连接的宏观裂缝，统称为开挖损伤区。在该区域内，根据损伤程度，周围岩体可以进一步分为高损伤区和低损伤区（Perras和Diederichs，2016）。开挖损伤区外的区域通常表现为弹性变形，称为开挖影响区（Siren等人，2015）或开挖扰动区（Tsang等人，2005）。与开挖扰动区相比，开挖损伤区含有大量不可逆的微观损伤的岩石，因此是确保隧道稳定性和安全性的关键关注点。因此，估计开挖损伤区是研究开挖引起的岩体损伤机制和缓解策略的研究人员的主要关注点。

确定稳定隧道开挖所需的支护是隧道工程中的关键任务（Carranza-Torres和Fairhurst，2000；Dammyr等人，2017）。目前，收敛-约束法仍然是设计支护结构的主流方法（Carranza-Torres和Fairhurst，2000）。在这种方法中，使用地面反力曲线（GRC）来描述开挖过程，而支护特性曲线用于确定适当的支护方式和安装时机。通常，GRC可以通过解析解、数值模拟或实验室无支护开挖实验获得（Brown等人，1983；Li等人，2012；Fang等人，2013；Dammyr等人，2017），需要注意的是，GRC是在假设隧道在无支护的情况下开挖的情况下定义的。这一假设会导致与工程实践的偏差，因为支护开始工作后周围岩体的反应会发生变化。当支护不是非常强时，这种偏差通常很小且可以忽略不计，但在涉及超长跨度隧道的情况下，这种偏差可能会相当大，因为支护系统通常由在不同时间安装的各种元件组成，如管棚、先进的小管、水平喷射注浆、岩栓、岩栓-电缆协同以及锚固-注浆-衬砌接头等（Johnson，1989；Luo等人，2020；Sinha和Walton，2021）。

因此，估计超长跨度隧道中周围岩体的实际开挖引起的反应和支护组件的实际工作状态成为一个关键挑战和迫切需求。为此，本文致力于开发一种实用工具，用于估计具有复杂支护系统的周围岩体的原位开挖损伤区，以八达岭超长跨度隧道作为典型应用。

通常有几种方法可以用来估计开挖损伤区，如多点伸长计法（Liu等人，2020b；Luo等人，2021）、声发射法（Feng等人，2019b；Xie等人，2019）、钻孔相机法（Wang等人，2018；Song等人，2021）和微地震（MS）监测技术（Li等人，2020c；Ji等人，2020）等。其中，MS技术具有多个优点。首先，它覆盖的监测面积比其他方法更大，后者通常仅限于以点或线的方式分析损伤区。同时，MS监测是非侵入性的，不会干扰周围岩体。此外，它能够在宏观变形发生之前检测和表征岩体内的损伤区，从而提前预测潜在的不稳定性风险（Jiang等人，2021）。Xu等人（2015）报告称，MS事件的发生与洞壁的表面位移密切相关，MS事件在局部区域的快速传播和积累可以被视为位移异常增加的早期指标。Dai等人（2017）分析了周围岩体大变形前MS事件源参数的演变特征，包括地震能量、表观体积和分形维数。Zhao等人（2017）指出，周围岩体变形的快速增加滞后于MS事件在特定区域的发生和聚集。

因此，MS技术引起了广泛关注，并在MS-损伤关系方面有多种应用。例如，Martin（1997）根据测试洞穴中MS事件的分布估计了开挖损伤区的范围。Cai和Kaiser（2005）基于MS监测的裂缝分布和密度研究了周围岩体的损伤程度。Zhao等人（2022）利用MS监测评估了爆破开挖对岩石的损伤，展示了其在支持施工策略动态优化中的作用。Sun等人（2025）使用MS监测研究了软岩隧道中的大变形机制，阐明了岩石损伤的渐进性失效和演变过程。Hu等人（2019）进行了原位MS监测实验，以探索竖井的失效特性。

然而，现有的工作主要是定性分析。为了对获得的MS数据进行定量解释，已有几项研究基于岩石断裂能量进行了定量损伤评估，并将这些方法整合到数值模型中（Li等人，2020a；Song等人，2024），但MS技术在超长跨度隧道中的定量应用仍然有限。我们之前的工作（Li等人，2019）应用MS技术监测了八达岭长城站超长跨度隧道爆破开挖过程中的振动。然后，我们将MS技术的应用扩展到分析该隧道中周围岩体的开挖损伤区（Li等人，2020b），其中根据MS事件的空间分布将周围岩体分为高密度区、中密度区和低密度区。然而，Li等人（2020b）用于估计开挖损伤区的两个阈值是经验性的，缺乏理论依据，因此难以推广到其他隧道。

为了解决这个问题，我们在本工作中提出了一种新的方法来估计周围岩体的高损伤区。在这种方法中，使用双差成像方法获取开挖前后的波速，然后将波速的变化转化为周围岩体的损伤状态。根据损伤力学的假设，可以获得高损伤区。与我们之前的经验方法（Li等人，2020b）相比，当前方法有三个优点：（1）建立了使用波速变化和损伤力学估计高损伤区的理论基础；（2）克服了我们早期工作中经验性阈值的限制；（3）通过变形监测和MS事件分布验证了所提出的方法。

本文的其余部分如下。第2节简要介绍了微地震方法和双差成像原理。第3节介绍了开挖损伤区的分类以及识别高损伤区的关键假设。第4节讨论了在工程中的应用，使用新方法解释了八达岭隧道的现场微地震数据以估计高损伤区。最后，第6节总结了几个结论。

章节片段

微地震（MS）监测技术介绍

借助数据采集方法和数据分析方法，MS监测技术能够实时确定岩体中MS事件的位置和能量。该技术通过分析MS监测数据中$P$和$S$波的到达时间和振幅，可以获得岩体的速度场和衰减结构。

具体来说，双差层析成像方法是双差方法的组合

开挖损伤区分类

开挖对周围岩体造成的损伤是由于开挖过程中的扰动，导致岩体内产生大量微裂缝。周围岩体的损伤程度与微裂缝的密度成正比（Zhao等人，2025）。随着岩石裂缝密度的增加，周围岩体的损伤程度也会增加。根据开挖引起的损伤程度，周围岩体可以分为

工程应用

在本节中，将上述用于估计高损伤区的方法应用于中国京张高铁八达岭长城站的大跨度过渡隧道。

局限性

应当指出，在没有干扰的情况下，MS监测系统可以实现实时监测并捕捉时间依赖性特征。然而，在实际工程中，隧道施工涉及复杂的干扰因素，如爆破和开挖，这些因素不可避免地会在一定程度上影响隧道面附近的MS监测。在数据处理中，本研究仅在隧道开挖后将收集到的MS事件纳入统计分析

结论

本研究提出了一种新的方法，通过使用微地震监测技术测量波速来估计周围岩体的高损伤区。可以得出以下结论。

（1）提出了一个用于识别高损伤区的假设。即，如果周围岩体波速的减小比率在隧道周围的一定范围内保持恒定且最大，那么这个范围可以被认为是高损伤区，相应的恒定值

CRediT作者贡献声明

侯彦娟：撰写——原始草案、可视化、验证、方法论。周莫真：撰写——审阅与编辑、方法论、概念化。张定立：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。李敖：撰写——审阅与编辑、概念化。陈轩豪：可视化、验证。杜玉凡：可视化、验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中央高校基本科研业务费（项目编号2023JBZY027）和国家自然科学基金（项目编号52278387、52271255）的支持。