高地應(yīng)力隧洞微震監(jiān)測巖爆預(yù)測技術(shù)

張海云

(中鐵十三局集團(tuán)第五工程有限公司，四川成都 610017)

盡管在大埋深高地應(yīng)力的隧洞掘進(jìn)施工過程中可以依據(jù)諸如超前預(yù)報、既往探洞實測以及能量理論等方法進(jìn)行巖爆預(yù)測預(yù)報，并據(jù)此采取相應(yīng)對策，但目前預(yù)測水平及其準(zhǔn)確性均不高。況且隨著隧洞開挖施工的進(jìn)行，因地質(zhì)條件、斷面形狀與尺寸、施工方法、施工順序和其他因素的綜合影響，巖爆規(guī)模及烈度均會出現(xiàn)較大的變化，如果處理不當(dāng)則會導(dǎo)致設(shè)備毀損、頂板輪廓破壞、支護(hù)成本增加、人身傷害、施工人員心理出現(xiàn)障礙等大量問題。因此，研究出與工程實際相適應(yīng)的巖爆災(zāi)害預(yù)防及其相應(yīng)對策極為緊迫。

1 錦屏工程及巖爆條件分析

錦屏二級水電站地下結(jié)構(gòu)建筑主要包括地下廠房、4條引水隧洞、2條交通輔助洞、1條排水洞，其中4條引水隧洞長達(dá)16.67 km。引水隧洞群穿越錦屏山主峰山體，沿線上覆巖體埋深1 500～2 525 m。具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點，為典型的深埋長隧洞特大型地下水電工程。受高地應(yīng)力和地質(zhì)條件等因素影響，巖爆發(fā)生頻繁，預(yù)測沿線最大主應(yīng)力將達(dá)70 MPa左右，已施工的長探洞及輔助洞、施工排水洞、引水隧洞均出現(xiàn)中等～強(qiáng)烈不同程度的巖爆。因此，高地應(yīng)力引起的巖爆是引水隧洞的主要工程地質(zhì)問題之一。例如在3#，4#引水隧洞以及排水洞由小里程向大里程(下游至上游)方向6～10 km區(qū)間，地層為T2b大理巖洞段，埋深約為2 100 m，均為高地應(yīng)力強(qiáng)巖爆區(qū)，已經(jīng)引發(fā)了多次巖爆。4#引水隧洞開挖至埋深為1 300 m的K15+295處時，從K15+370處開始出現(xiàn)較強(qiáng)巖爆現(xiàn)象。爆破開挖后3～4 h出現(xiàn)大片巖層剝落，剝落厚度在50～150 cm，超挖嚴(yán)重，排險后隧洞無洞形。在 K15+315—K15+295處多次發(fā)生巖爆塌方，最大剝落巖坑達(dá)6 m，導(dǎo)致臨時支護(hù)錨桿、鋼筋網(wǎng)隨落石掉下，且剝落范圍有向隧洞下游發(fā)展趨勢。K15+315—K15+300有松動的跡象，現(xiàn)場掌子面的鉆爆已停工，出渣、排險車輛及支護(hù)人員無法接近。另外，頂板和洞壁巖石在爆破和支護(hù)作業(yè)過程中不斷出現(xiàn)爆裂、松脫、剝落或拋擲現(xiàn)象，甚至多次出現(xiàn)大量頂板巖石塌落。巖爆如此頻繁，除了對設(shè)備、施工人員及隧洞結(jié)構(gòu)等嚴(yán)重影響外，加上停工損失、支護(hù)成本和單循環(huán)進(jìn)尺時間延長等因素，巖爆已對3#和4#引水隧洞施工造成了極大危害，甚至已經(jīng)影響到了整個工程建設(shè)的進(jìn)程。

2 微震監(jiān)測巖爆預(yù)測原理

巖石介質(zhì)一般是非均勻的，巖體在宏觀破壞前都會產(chǎn)生許多細(xì)小的微破裂，而這些微破裂會以彈性能釋放的形式產(chǎn)生彈性波?；趲r石這種性質(zhì)，如果在預(yù)估到的因受應(yīng)力變化而發(fā)生破裂的巖石附近安裝微震傳感器，則傳感器能夠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(fā)生的時刻、位置和震級，即地球物理學(xué)中所謂的“時空強(qiáng)”三要素。根據(jù)微破裂的大小、集中程度、破裂密度，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)，可以推斷巖石宏觀破裂的發(fā)展趨勢，這就是巖體微破裂三維空間監(jiān)測技術(shù)原理。

對于巖爆地段，當(dāng)隧洞圍巖承受較大的地應(yīng)力時，其巖體就會出現(xiàn)變形，如果應(yīng)力達(dá)到一定程度，就有可能發(fā)生巖爆。如果采用微震監(jiān)測技術(shù)［1-2］，則能夠較為清楚地預(yù)測出隧洞施工過程巖爆烈度、規(guī)模及其具體部位。

3 微震監(jiān)測系統(tǒng)操作及其結(jié)果分析方法

依據(jù)文獻(xiàn)［3-5］，結(jié)合錦屏工程實際情況，提出微震監(jiān)測系統(tǒng)操作及其分析方法。

3.1 系統(tǒng)安裝與布置

由于錦屏二級電站施工排水洞最早進(jìn)入強(qiáng)巖爆段，在掘進(jìn)過程中，正常情況下初噴混凝土和錨桿系統(tǒng)支護(hù)緊跟作業(yè)面，掌子面后40 m左右開始復(fù)噴混凝土。在距離作業(yè)面100 m位置安放主機(jī)處理系統(tǒng)和接收分站，傳感器和分站之間用通信電纜連接，分站和主機(jī)處理系統(tǒng)之間用光纖連接，實現(xiàn)信號傳輸?？紤]到傳感器安裝與回收過程的安全、順利，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，傳感器布置如圖1所示。

圖1 傳感器布置(單位:m)

3.2 微震監(jiān)測方法與巖爆預(yù)測操作

由于巖爆本身具有突發(fā)性特點，對于巖爆的預(yù)測必須經(jīng)歷一個從監(jiān)測、分析、對比、再到預(yù)報的過程。

通過監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測到的微震事件會顯示到三維圖上，從圖中即可直觀根據(jù)其特點做出分析、判斷。圖2為實際采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為錦屏工程中的排水洞和輔助洞三維結(jié)果圖。

圖2中，深色隧道為施工排水洞，淺色隧道為與排水洞相鄰的A、B輔助洞，球體則代表微震事件，其中濃淡代表了微震事件的矩震級，大小則代表瞬時震級。事件發(fā)生的時間、位置及震級等信息均可以通過點擊球體進(jìn)行查看。

圖2 微震事件監(jiān)測數(shù)據(jù)(三維圖)

4 錦屏隧洞微震監(jiān)測與巖爆預(yù)測結(jié)果分析

為分析微震監(jiān)測對巖爆預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，把對實際施工區(qū)段的巖爆監(jiān)測結(jié)果和實際發(fā)生的巖爆進(jìn)行對比。

4.1 4#引水隧洞巖爆預(yù)測與實際對比

圖3為2011年10月4日4#引水隧洞K15+315—K15+295處監(jiān)測到的微震事件。

由圖3可看出，由于大部分微震事件均出現(xiàn)在隧道左側(cè)或者上部20～50 m范圍，因此預(yù)測巖爆位置為洞頂和隧洞左拱肩，級別為極強(qiáng)，規(guī)模極大。實際現(xiàn)場于2011年10月9日上午，4#引水隧洞 K15+315—K15+295處發(fā)生了極強(qiáng)巖爆，現(xiàn)場照片見圖4。巖爆具體特征為爆破開挖后4 h出現(xiàn)大片巖層剝落，剝落厚度在50～120 cm，超挖嚴(yán)重，排險后隧洞無洞形。

圖3 2011年10月4日微震監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖4 2011年10月9日4#引水隧洞極強(qiáng)巖爆實況

4.2 排水洞SK9+280巖爆預(yù)測與實際對比

圖5為2011年10月4至7日微震事件的累積圖。

圖5 10月4至7日微震監(jiān)測數(shù)據(jù)

從圖5中可知，在樁號SK9+280附近的微震事件有增多并集中，于10月7日晚發(fā)出排水洞即將發(fā)生巖爆的預(yù)警。預(yù)測巖爆位置為洞頂和隧洞左拱肩，級別為極強(qiáng)，規(guī)模極大。

實際現(xiàn)場于2011年10月12日，排水洞SK9+280處發(fā)生了極強(qiáng)巖爆，現(xiàn)場照片見圖6。巖爆具體特征為在該區(qū)段多次發(fā)生巖爆塌方，最大剝落巖坑達(dá)到4 m，臨時支護(hù)錨桿及鋼筋網(wǎng)全部失效，鉆爆停工，出渣、排險車輛及支護(hù)人員全部不能靠近［6］。

圖6 2011年10月9日排水洞極強(qiáng)巖爆實況

實踐表明運用微震監(jiān)測方法可以很準(zhǔn)確地對巖爆發(fā)生位置、幾率、規(guī)模以及烈度進(jìn)行預(yù)測，并且準(zhǔn)確率非常高，完全可以為進(jìn)一步巖爆治理提供可靠依據(jù)。

5 結(jié)論

1)錦屏隧洞建設(shè)過程中，巖爆規(guī)模及烈度均會出現(xiàn)較大的變化，導(dǎo)致了設(shè)備毀損、頂板輪廓破壞、支護(hù)成本增加、人身傷害以及施工人員心理出現(xiàn)障礙等大量問題，必須采取與工程實際相適應(yīng)的巖爆災(zāi)害預(yù)防及其相應(yīng)對策以確保施工安全。

2)從實際效果看，采用微震監(jiān)測技術(shù)可較準(zhǔn)確地對巖爆發(fā)生位置、幾率、規(guī)模以及烈度進(jìn)行預(yù)測，能克服地質(zhì)超前預(yù)報、既往探洞實測以及能量理論等方法進(jìn)行巖爆預(yù)測預(yù)報準(zhǔn)確性不高的不足，可以為進(jìn)一步巖爆治理提供可靠依據(jù)。

3)鑒于錦屏隧洞工程地質(zhì)及施工條件的特殊性，采用微震監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行巖爆預(yù)測還需對其中的一系列關(guān)鍵技術(shù)作進(jìn)一步研究，以便推廣應(yīng)用。

［1］趙向東，陳波，姜福興．微地震工程應(yīng)用研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21(增 2):2609-2612．

［2］劉志剛，劉秀峰．TSP(隧道地震勘探)在隧道隧洞超前預(yù)報中的應(yīng)用與發(fā)展［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(8):1399-1402．

［3］黃今．水工隧道圍巖微地震監(jiān)測信號分析與研究［D］．成都:西南科技大學(xué)，2007．

［4］楊承祥，羅周全，唐禮忠．基于微地震監(jiān)測技術(shù)的深井開采地壓活動規(guī)律研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26(4):818-824．

［5］逢煥東，姜福興，張興民．微地震監(jiān)測技術(shù)在礦井災(zāi)害防治中的應(yīng)用［J］．金屬礦山，2004(12):58-61．

［6］朱宏銳．錦屏引水隧洞巖爆特征及其影響因素分析［J］．鐵道建筑，2009(5):71-74．