Page 6 - 2024年第55卷第7期

震监测数据，采用随机森林等方法预测岩爆的时空强度等信息 ［１８ － ２１］ ，Ｍａ等 ［２２ － ２３］ 采用全耦合的卷积神
经网络对岩爆位置进行了预测，基于 ２４ｈ的微震监测特征参数对次日的岩爆等级进行预测，模型成功
预报了 １０次强烈岩爆，验证了通过微震参数来预测岩爆烈度等级的有效性。由于缺乏针对同一隧洞
长距离、长时间的连续监测数据，目前公开的岩爆预测模型所用的数据样本通常较小，模型可能存在
泛化能力差的问题，无法充分发挥大数据及机器学习的优势。目前的模型中也未能考虑微震事件分
布、施工进度等因素对岩爆可能性的影响。此外，岩爆时间的准确预测始终是未能有效解决的难题。
本文基于引汉济渭工程秦岭隧洞的微震监测数据，建立了微震监测及岩爆记录机器学习样本库，
包含 ２４９２６个训练样本和 ３２１７个测试数据，大大提高了模型的样本数量。结合秦岭隧洞的工程地质
条件，提出基于卷积神经网络的岩爆实时预测模型，该方法将一定时间所有微震事件特征参数作为模
型输入，对输入数据的维度无特定要求，充分反映微震事件数量及分布特征对岩爆预测的影响。同
时，模型引入不同时刻的掌子面位置，以考虑施工过程的影响，克服了以往岩爆预测方法没有考虑施
工过程的不足，为岩爆实时预测提供了一种新的技术手段，可为其它工程的岩爆预测提供参考。

２ 工程背景

引汉济渭是解决关中地区水资源短缺、改善渭河生态环境的重点工程，对于改变关中缺水局面具
有重要的战略意义 ［２４］ 。该工程横穿秦岭（图 １），穿越埋深 １５００～２０００ｍ的复杂地质构造带，其岩性脆
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硬，地应力高。该隧洞全长 ９８．３０ｋｍ，其中越岭段长 ８１．７８ｋｍ，设计流量 ７０ｍ ?ｓ，纵向坡度为 １?２５００。
进出口与主峰相对高差约 ２１００～２２００ｍ，埋深在 １０００ｍ以上的洞段长达 ２７ｋｍ。针对秦岭隧洞，开展
了长达 ４年之久、里程达 ８ｋｍ的微震监测以及岩爆事件记录（表 １、表 ２）。截止 ２０２１年 ４月，隧洞越
岭段共发生强烈及 以上 等 级 岩 爆 ７８８次。隧 洞 施 工 中 岩 爆 频 发，因 而 亟 需 解 决 岩 爆 的 预 测 及 防 护
问题。

图 １ 秦岭隧洞越岭段横断面示意图

表 １ 微震事件基本信息
监测起止日期 开挖方式 监测天数 微震事件数量 监测区间 监测总里程?ｋｍ
２０１７?９?３ —２０２１?４?１９ ＴＢＭ １３２５ ４１７１９ 岭南 Ｋ３３ ＋ ８７０—Ｋ４２ ＋ ０３４ ８．１６４

表 ２ 岩爆事件统计信息
岩爆等级统计
记录起止日期 记录天数 记录起止桩号 岩爆次数
轻微 中等 强烈 极强
２０１７?９?３—２０２１?４?２６ １３３２ Ｋ３３ ＋ ８５３—Ｋ４２ ＋ ４５３ １２７７ １３４ ２９２ ８４０ １１

３ 预测方法

３．１ 数据集 本文依托秦岭隧洞的微震监测数据，建立了包含 ４１７１９个微震事件的样本库。每个微震
事件记录均包含 ６个传感器坐标和 ６个微震波形，每个波形包含 ０．４ｓ的加速度时程，采样率为 １０ｋＨｚ。
样本库同时记录了每个微震对应的能量、震级、震源位置等详细信息。并且，样本库中还包含 １２７７

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