微震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)巖爆技術(shù)在地下工程施工中的應(yīng)用

秦 偉

(中鐵二局第二工程有限公司，四川成都 610031)

巖爆是隧道及地下工程掘進(jìn)過程中，由于圍巖被擾動(dòng)后應(yīng)力重新調(diào)整分布，在調(diào)整過程中圍巖巖體內(nèi)聚積的彈性應(yīng)變能大于巖體破壞所消耗的應(yīng)變能量而突然釋放，導(dǎo)致巖體爆裂并彈射的現(xiàn)象。工程巖體是否具有巖爆傾向性，必須具備較高的地應(yīng)力，且最大主應(yīng)力σ1與巖塊單軸抗壓強(qiáng)度σc之比在0.165～0.35 間［1］，巖體完整、干燥且具有較高的脆性和彈性。巖爆的發(fā)生不但損壞施工設(shè)備，導(dǎo)致作業(yè)人員傷亡，而且嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，是隧道及地下工程建設(shè)領(lǐng)域破壞性極強(qiáng)的地質(zhì)災(zāi)害。近年來，我國(guó)交通、水電建設(shè)飛速發(fā)展，具有巖爆傾向的工程項(xiàng)目越來越多，有的項(xiàng)目在建設(shè)過程中由于沒能引起足夠重視，導(dǎo)致巖爆頻發(fā)造成重大損失。隨著國(guó)家西部大開發(fā)的深入推進(jìn)，川藏鐵路、滇藏鐵路建設(shè)已進(jìn)入前期勘察階段，規(guī)劃中的線路均跨越青藏高原東沿臺(tái)階，在崇山峻嶺中展線，深埋隧道項(xiàng)目必將成為重點(diǎn)控制性工程，巖爆的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與治理已成為項(xiàng)目建設(shè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

巖爆的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)包括趨勢(shì)預(yù)測(cè)與短期日常預(yù)報(bào)。趨勢(shì)預(yù)測(cè)是用理論分析和經(jīng)驗(yàn)類比，在較大的區(qū)域和未來一段時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)發(fā)生巖爆的可能性;短期預(yù)報(bào)方法有鉆屑法、物探法、地音與微震監(jiān)測(cè)法(簡(jiǎn)稱微震監(jiān)測(cè)法)。本文重點(diǎn)介紹利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)巖爆，以及微震監(jiān)測(cè)在錦屏水電工程深埋隧道項(xiàng)目的運(yùn)用情況。

1 微震監(jiān)測(cè)與巖爆預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的關(guān)系

研究表明，在外力作用下巖體在破壞前其內(nèi)部要產(chǎn)生微裂隙，微裂隙的孕育與發(fā)展最終導(dǎo)致巖體破壞。導(dǎo)致巖體出現(xiàn)微裂紋的原因，是巖體在外力作用下或在開挖隧道、硐室過程中，應(yīng)力平衡被破壞，在應(yīng)力重新調(diào)整聚集過程中其內(nèi)部將產(chǎn)生局部彈塑性能集中現(xiàn)象，當(dāng)能量積聚到某一臨界值之后，就會(huì)引起微裂隙的產(chǎn)生與擴(kuò)展，微裂隙的產(chǎn)生與擴(kuò)展伴隨有彈性波或應(yīng)力波在周圍巖體內(nèi)快速釋放和傳播，即巖石的聲發(fā)射，相對(duì)于尺寸較大的巖體，在地質(zhì)上也稱為微震事件(Microseism，MS)［2］。微震的孕育與發(fā)展會(huì)導(dǎo)致巖體內(nèi)彈性應(yīng)變能不斷聚集，當(dāng)這種能量大于巖體破壞所需要的能量時(shí)，巖體被破壞。因此巖爆產(chǎn)生根本誘因是巖體內(nèi)原有地應(yīng)力平衡被破壞，在應(yīng)力重新調(diào)整平衡過程中，巖體內(nèi)產(chǎn)生微裂隙，微裂隙的孕育與發(fā)展導(dǎo)致巖爆。由此可知，要對(duì)巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，可以通過對(duì)巖體內(nèi)微裂隙的孕育與發(fā)展來實(shí)現(xiàn)。

每一次微裂隙的產(chǎn)生都是以聲發(fā)射信號(hào)即彈性波形式表現(xiàn)的，將每一次的微裂隙視為一次微震事件，通過利用多個(gè)傳感器對(duì)微震產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集、數(shù)據(jù)濾波處理和反演分析，就能監(jiān)測(cè)到微裂隙發(fā)生的時(shí)刻、位置和震級(jí)，即地球物理學(xué)中所謂的“時(shí)空強(qiáng)”三要素。根據(jù)微破裂的大小、集中程度、破裂密度，則有可能推斷巖石宏觀破裂的發(fā)展趨勢(shì)，特別是微破裂分布及其叢集規(guī)律(即變形破壞過程局部化現(xiàn)象)，就有可實(shí)現(xiàn)對(duì)巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，達(dá)到預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)巖爆防災(zāi)減災(zāi)之目的。

2 微震監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)構(gòu)成

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成，其采用模塊化設(shè)計(jì)方式，實(shí)行遠(yuǎn)程采集PC 配置。硬件部分包括微震傳感器、配有電源并具備信號(hào)波形修整功能的Paladin 傳感器連接盒、Paladin(v.2)－24 位地震記錄儀、PMTS－Paladin 主控時(shí)間服務(wù)器、纖維光學(xué)分束器、監(jiān)視器等(圖1)。軟件部分包括PAL－Paladin 采集軟件、HNAS－Hyperion 網(wǎng)絡(luò)采集軟件、HSS 標(biāo)準(zhǔn)v.12 版本數(shù)據(jù)分析軟件等。

圖1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖［3］。該系統(tǒng)通訊優(yōu)先采用光電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用無線傳輸作為備用，并且現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器實(shí)時(shí)備份作為應(yīng)急，保證數(shù)據(jù)的完整性。系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用網(wǎng)絡(luò)通訊，可實(shí)現(xiàn)全球共享。

2.1 傳感器安裝

傳感器直徑22 mm，為便于拆卸，安裝工孔徑取40 mm，鉆孔深度以能探測(cè)到圍巖松弛圈外為準(zhǔn)，一般取3～5 m，安裝孔內(nèi)需防治積水。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面?zhèn)鞲衅鞑贾迷瓌t如圖2所示。具體位置可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案適當(dāng)調(diào)整。

圖2 傳感器安裝

2.2 傳感器的布置

傳感器的布置設(shè)計(jì)原則是:安全、經(jīng)濟(jì)、高效、可操作性強(qiáng)，環(huán)境干擾小。

關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)包括以下幾方面:

①隧道及地下工程洞線長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域位于不斷前移的掌子面附近，為此要求傳感器能方便靈活轉(zhuǎn)移;

②安裝傳感器位置附近的圍巖完整性好，且應(yīng)盡量與震中在同一層位;

③深、淺孔組合布置，深孔中可以安裝多個(gè)傳感器。

圖3 是錦屏水電樞紐工程C2 標(biāo)引水隧洞K7+374～K9+100 區(qū)段傳感器布置圖。

圖3 傳感器布置方案

2.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接順序

傳感器→傳感器連接盒→地震記錄儀→主控時(shí)間服務(wù)器→光電轉(zhuǎn)換器→電腦監(jiān)視器→互聯(lián)網(wǎng)。

3 微震信號(hào)處理

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的信息為施工作業(yè)區(qū)域所有聲發(fā)射信息，需要從這些信息中找出微震信息，即對(duì)監(jiān)測(cè)到的信息濾噪。

3.1 噪音的分類及其特點(diǎn)

隧道及地下工程施工作業(yè)環(huán)境產(chǎn)生的噪音大致分為以下四類，并且具有不同特點(diǎn)。

(1)工頻干擾類:由設(shè)備作業(yè)產(chǎn)生，其主要特點(diǎn)是規(guī)律性較強(qiáng)、信號(hào)量大、周期明顯、頻率固定、振幅變化小。

(2)人員活動(dòng)類:由工人施工作業(yè)產(chǎn)生，其主要特點(diǎn)是規(guī)律性不強(qiáng)、頻率變化范圍寬、振幅變化也較大，信號(hào)量相對(duì)機(jī)械噪聲小。

(3)爆破類:由爆破施工作業(yè)產(chǎn)生，其主要特點(diǎn)是間隔時(shí)間相等或接近、持續(xù)時(shí)間短、衰減快。

(4)隨機(jī)類:主要由巖壁片幫、掉塊或安裝傳感器的探桿頭受到外力擾動(dòng)產(chǎn)生，其主要特點(diǎn)幅度大小不定，波形形狀與有效微震信號(hào)相似，出現(xiàn)比較集中。

3.2 濾波步驟

濾波步驟為:①根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果設(shè)置采集儀濾波參數(shù)，進(jìn)行硬件濾波;②利用傳感器對(duì)噪音信號(hào)的差異反映和敏感性進(jìn)行協(xié)同濾波;③考慮到主要有效信號(hào)位于掌子面附近，而傳感器在掌子面后方，根據(jù)信號(hào)到時(shí)與傳感器位置進(jìn)行濾波;④根據(jù)試驗(yàn)階段建立的噪音數(shù)據(jù)庫(kù)，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行濾波;⑥最后，通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示波窗進(jìn)行噪聲濾除。圖4為濾波前后微震事件對(duì)比圖。

圖4 濾波前后微震事件對(duì)比

4 微震源定位原理與方法

目前，最成熟的微震監(jiān)測(cè)定位方法是時(shí)差定位法。該方法的原理是在微震源周圍以一定范圍、按一定的密度布置一定數(shù)量的傳感器，組成傳感器陣列，當(dāng)監(jiān)測(cè)巖體內(nèi)出現(xiàn)微震時(shí)，傳感器即可將信號(hào)拾取，并將這種物理量轉(zhuǎn)換為電壓量或電荷量，通過多點(diǎn)同步數(shù)據(jù)采集測(cè)定各傳感器接收到該信號(hào)的時(shí)刻，連同各傳感器坐標(biāo)及所測(cè)波速代入方程組求解，即可確定微震源的時(shí)空參數(shù)。這種根據(jù)微震信號(hào)到達(dá)同一陣列內(nèi)不同傳感器時(shí)所形成的一組時(shí)差，經(jīng)過幾何關(guān)系的計(jì)算確定微震源位置的方法就是時(shí)差定位法。時(shí)差定位法的原理圖見圖5。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)微震源的定位分析是由基于粒子群微震源分層定位算法的數(shù)據(jù)分析軟件自動(dòng)處理完成，具體計(jì)算理論不再贅述。經(jīng)過定位分析軟件處理后的微震事件分布見圖6。

圖5 平面上微震事件定位模型

圖6 定位后的微震事件

5 微震評(píng)價(jià)指標(biāo)

微震現(xiàn)象表征巖體穩(wěn)定性的機(jī)理很復(fù)雜，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)通過對(duì)微震信號(hào)波形的分析，利用其特征數(shù)據(jù)對(duì)巖體穩(wěn)定性做出恰當(dāng)?shù)呐袛嗪皖A(yù)測(cè)。針對(duì)這類信號(hào)特征，主要記錄與分析下列具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的量:

(1)事件率(頻度)。指單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射與微震事件數(shù)，單位為次/min，該指標(biāo)是用聲發(fā)射或微震評(píng)價(jià)巖體狀態(tài)最常用的參數(shù)。

(2)振幅分布。指單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射與微震事件振幅分布情況，振幅分布又稱幅度分布。振幅是指聲發(fā)射與微震波形的峰值振幅，根據(jù)設(shè)定的閉值可據(jù)此將一個(gè)事件劃分為小事件或大事件。

(3)能率。指單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射與微震能量之和，能量分析是針對(duì)儀器輸出的信號(hào)進(jìn)行的。

(4)事件變化率和能率變化，反映了巖體狀態(tài)的變化速度。

(5)頻率分布。

6 巖爆趨勢(shì)預(yù)報(bào)

巖爆趨勢(shì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、數(shù)值分析結(jié)果與微震監(jiān)測(cè)結(jié)果綜合分析做出的判斷，具體判斷方法如下:

(1)微震事件越多，微震活動(dòng)越活躍，巖爆發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)越大。

巖體受外部干擾產(chǎn)生破壞過程中，微震活動(dòng)隨之增加，事件率等參數(shù)也相應(yīng)升高，發(fā)生巖爆之前，微震活動(dòng)增加明顯。發(fā)生極強(qiáng)巖爆的微震事件累積分布，其中微震事件集中的區(qū)域就是巖爆的中心位置。

(2)微震事件的當(dāng)?shù)卣鸺?jí)越大，發(fā)生巖爆的強(qiáng)度越大。

目前業(yè)界常用的ISS 系統(tǒng)取當(dāng)?shù)卣鸺?jí)作為震級(jí)指標(biāo)，事件的當(dāng)?shù)卣鸺?jí)m 由下式進(jìn)行計(jì)算［4］:

m=0.344log10E+0.516log10M－6.572

式中:E為微震能量;M為地震矩;各常數(shù)由系統(tǒng)根據(jù)E－M 曲線擬合計(jì)算后給出。

m=－0.2～0.5 時(shí)，可能發(fā)生輕微巖爆;

m=0.5～1.0，可能發(fā)生中等巖爆;

m=1.0～1.2，可能發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆;

m＞1.2，可能發(fā)生極強(qiáng)巖爆。

(3)微震事件的球體越大，能量釋放越大，發(fā)生巖爆的強(qiáng)度越大，見圖7 所示。

(4)利用微震事件能量指數(shù)、巖體視體積的變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)巖爆發(fā)展趨勢(shì)。

在巖爆發(fā)生前期，關(guān)注區(qū)域的視體積和能量指數(shù)呈逐步增加趨勢(shì)，這個(gè)時(shí)期的圍巖主要處于峰值強(qiáng)度前的壓密和彈性階段;當(dāng)圍巖體積內(nèi)的能量超過圍巖體的儲(chǔ)能能力之后，圍巖開始發(fā)生破壞，能量指數(shù)陡然下降，視體積繼續(xù)增加，本階段為巖爆預(yù)警階段;接著視體積又恢復(fù)增加繼而降低，能量指數(shù)繼續(xù)穩(wěn)步增加直至巖爆發(fā)生，此為巖爆發(fā)生階段。巖爆孕育、預(yù)警、發(fā)生三階段過程中圍巖的能量指數(shù)、視體積變化過程如圖8 所示。

圖7 一次極強(qiáng)巖爆前的微震累積事件

圖8 視體積、能量指數(shù)與巖爆發(fā)生之間的關(guān)系

7 關(guān)鍵技術(shù)

7.1 巖爆預(yù)報(bào)技術(shù)

巖爆趨勢(shì)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)內(nèi)容包括巖爆的位置、等級(jí)、發(fā)生概率。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過監(jiān)測(cè)微震事件的數(shù)量、分布、當(dāng)?shù)卣鸺?jí)和輻射的能量大小，綜合判斷巖爆發(fā)生的位置和等級(jí);根據(jù)微震事件的視體積和能量指數(shù)變化曲線圖判斷巖爆發(fā)生的概率。具體表現(xiàn)為:①微震事件越多，微震活動(dòng)越活躍，巖爆發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)越大;②微震事件的當(dāng)?shù)卣鸺?jí)越大，發(fā)生巖爆的強(qiáng)度越大;③微震事件的球體越大，能量釋放越大，發(fā)生巖爆的強(qiáng)度越大;④巖爆發(fā)生前期，微震源視體積持續(xù)增加，有突增趨勢(shì)，且能量指數(shù)有突然下降跡象。

7.2 提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的具體措施

(1)傳感器與孔壁緊貼;

(2)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)拾取到時(shí)(微震信號(hào)到達(dá)傳感器的時(shí)間簡(jiǎn)稱到時(shí));

(3)用到時(shí)接近的點(diǎn)進(jìn)行組合定位;

(4)用位置接近的傳感器進(jìn)行組合定位;

(5)避免同一平面的點(diǎn)組合;

(6)當(dāng)計(jì)算的破裂時(shí)間晚于到時(shí)或某個(gè)定位坐標(biāo)出現(xiàn)失常時(shí)，應(yīng)去掉異常點(diǎn)，再計(jì)算其它定位結(jié)果的平均值，該平均值作為最終定位結(jié)果。

8 結(jié)束語

巖爆的預(yù)測(cè)是當(dāng)今世界的前沿科學(xué)，就目前的測(cè)試技術(shù)，要準(zhǔn)確測(cè)定巖爆的時(shí)、空參數(shù)還有很多技術(shù)沒有解決，不同的計(jì)算理論有不同的假設(shè)條件，但哪種理論更切合實(shí)際，還需要在實(shí)際工程中不斷的進(jìn)行對(duì)比、研究、改進(jìn)。但是，由于我國(guó)部分管理者觀念落后，加之具有科研價(jià)值的項(xiàng)目極少，很難在這方面開展運(yùn)用研究。錦屏水電樞紐工程為國(guó)家自然科學(xué)基金支持重點(diǎn)項(xiàng)目，中科院武漢巖土工程研究所在項(xiàng)目上開展了微震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)巖爆技術(shù)，在2#引水洞西段成功預(yù)測(cè)到兩次強(qiáng)巖爆，分別發(fā)生在K8+659、K10+921 附近。K8+659 前后15 m 洞段在開挖過程中采取了弱爆破和強(qiáng)支護(hù)措施［5］，施工期沒有發(fā)生巖爆;對(duì)K10+921 前后15 m 采取同樣施工方法，在掘進(jìn)通過122 m 后，距掌子面后方50 m 發(fā)生強(qiáng)巖爆。這樣的結(jié)果無法判斷預(yù)報(bào)是否準(zhǔn)確，因?yàn)閹r爆在巖體中的孕育過程是地應(yīng)力在巖體中不斷調(diào)整重分布過程，一旦應(yīng)力超出巖體的儲(chǔ)能能力及發(fā)生巖爆，其隨機(jī)性很大，影響因數(shù)眾多，特別是分析軟件的參數(shù)與實(shí)際地質(zhì)特性的匹配問題，還需要在實(shí)踐中不斷探索。目前業(yè)界普遍認(rèn)為，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可用于區(qū)域性巖爆進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，預(yù)報(bào)巖爆發(fā)生的準(zhǔn)確時(shí)間還很難。

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