深埋硬巖隧洞微震監(jiān)測(cè)及微震活動(dòng)特征分析

于群，唐春安，李連崇，馬天輝，唐烈先

(1.大連理工大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究所，遼寧大連116024;2.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧鞍山114051)

隨著礦山開(kāi)采及地下工程建設(shè)的逐步擴(kuò)大，越來(lái)越多的深埋長(zhǎng)大隧道進(jìn)入施工期，進(jìn)而帶來(lái)諸多深部巖石力學(xué)問(wèn)題，其中尤以巖爆最為突出。巖爆不僅破壞地下工程結(jié)構(gòu)，損壞生產(chǎn)設(shè)備，而且嚴(yán)重威脅人身安全，已成為我國(guó)未來(lái)深部地下工程中的一大技術(shù)瓶頸問(wèn)題。目前，已有許多研究方法試圖去預(yù)測(cè)巖爆的發(fā)生，包括微重力法、回彈法、鉆屑法、電磁輻射法、聲發(fā)射法等。盡管上述方法均被廣泛采用，但成功運(yùn)用到實(shí)際工程的案例幾乎很少［1］。

近年來(lái)，作為一種先進(jìn)的空間三維巖體微破裂監(jiān)測(cè)技術(shù)—微震監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，利用微震監(jiān)測(cè)對(duì)巖石力學(xué)性能及其穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)化研究也越來(lái)越受到重視。唐禮忠［2］將南非ISS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)引入到冬瓜山銅礦中，針對(duì)深井硬巖礦山中的巖爆問(wèn)題，利用地震學(xué)參數(shù)研究了礦山地震活動(dòng)時(shí)空特征及其與采礦活動(dòng)的相應(yīng)關(guān)系，對(duì)圍巖的穩(wěn)定性做出初步評(píng)價(jià)。楊天鴻等［3-4］基于石人溝鐵礦為研究實(shí)例，通過(guò)微震監(jiān)測(cè)和ANSYS建立的力學(xué)模型，研究了采礦過(guò)程中微震活動(dòng)與圍巖穩(wěn)定性之間的關(guān)系。徐奴文等［5-6］以錦屏一級(jí)左岸邊坡為工程依托，結(jié)合微震監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬手段，探討了微震活動(dòng)空間演化規(guī)律誘發(fā)的巖質(zhì)邊坡破壞過(guò)程及整體失穩(wěn)模式。上述研究成果對(duì)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在解決礦山地壓和邊坡穩(wěn)定性方面做了積極的探索，微震監(jiān)測(cè)已逐步作為巖體穩(wěn)定性和安全性評(píng)價(jià)的重要手段。

錦屏二級(jí)水電站輔助A洞在施工過(guò)程中，飽受巖爆災(zāi)害的威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在里程為 K13+624～K16+409洞段，累計(jì)洞段發(fā)生巖爆長(zhǎng)度占總開(kāi)挖長(zhǎng)度的18%以上，造成了嚴(yán)重的人員傷亡及巨大的經(jīng)濟(jì)損失［7］。因此，本文以錦屏二級(jí)水電站3#引水洞為例，對(duì)地下硐室?guī)r體破壞過(guò)程中產(chǎn)生的微震信號(hào)進(jìn)行處理、分析。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和開(kāi)挖特點(diǎn)，通過(guò)微震活動(dòng)時(shí)空強(qiáng)分布、微震事件密度及微震能量密度監(jiān)測(cè)參數(shù)，對(duì)地下巖體強(qiáng)度損傷區(qū)進(jìn)行圈定。結(jié)合地震學(xué)理論，分析微震事件b值變化特征，提前判定受損巖體具有巖爆傾向性的區(qū)域并對(duì)其進(jìn)行預(yù)警，實(shí)現(xiàn)地下硐室?guī)r體穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)分析及控制，確保人員設(shè)備安全及工期順利進(jìn)行。

1 錦屏水電站深埋引水洞微震監(jiān)測(cè)

1.1 工程地質(zhì)概況

錦屏二級(jí)水電站位于四川省雅礱江干流錦屏大河彎上，系利用雅礱江150 km長(zhǎng)大河彎的天然落差，采用截彎取直引水發(fā)電，是雅礱江干流上的重要梯級(jí)電站。水電站穿越錦屏山長(zhǎng)隧洞由相互平行的7條隧洞組成:4條引水洞、1條排水洞及2條輔助洞，洞群布置圖如圖1所示。

圖1 錦屏二級(jí)水電站地下硐室群分布圖Fig.1 Underground tunnels layout of Jinping-II project

引水洞洞線長(zhǎng)約 16.67 km，最大埋深達(dá)到2 525 m，深埋超 1 500 m的洞段長(zhǎng)度占總長(zhǎng)的75.7%～75.9%。全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(tunnel boring machine，TBM)施工段主要以白山組大理巖和鹽塘組大理巖為主，工程區(qū)內(nèi)構(gòu)造線以NNE走向控制，結(jié)構(gòu)面發(fā)育豐富，斷層、褶皺和裂隙居多。最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均隨埋深增加而增大，最大主應(yīng)力達(dá)70 MPa，巖石堅(jiān)硬完整，圍巖以Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖為主。

1.2 微震監(jiān)測(cè)原理

當(dāng)巖體受工程擾動(dòng)時(shí)，必然會(huì)引起圍巖應(yīng)力的集中或轉(zhuǎn)移，造成圍巖局部彈性能集中現(xiàn)象。當(dāng)能量積累到一定程度時(shí)，就會(huì)在巖體內(nèi)部產(chǎn)生許多細(xì)小的微裂紋，這些微裂紋會(huì)以彈性能釋放的形式產(chǎn)生彈性波(這種彈性波在地質(zhì)上稱為微震)，并可被傳感器接收。利用多個(gè)傳感器接收這種彈性波信息，將波形信息經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，借助專業(yè)化的數(shù)據(jù)處理軟件，通過(guò)反演方法就可以得到巖體中微震事件發(fā)生的時(shí)間、位置和量級(jí)，即地球物理學(xué)中所謂的“時(shí)、空、強(qiáng)”三要素，微震事件定位原理如圖2所示。

圖2 微震事件定位原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of principle of microseismic location

1.3 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

錦屏二級(jí)深埋隧洞微震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

圖3 錦屏水電站3#引水洞微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成Fig.3 Microseismic monitoring system for 3#diversion tunnel in Jinping Hydropower Station

系統(tǒng)主要由Paladin數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng)、Hyperion數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)、加速度傳感器、數(shù)據(jù)通訊調(diào)制解調(diào)器、電纜光纜及基于遠(yuǎn)程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腗MS-View三維可視化軟件組成。數(shù)據(jù)采集儀以陣列形式安裝在掌子面南北墻的拱肩處。首先，在距離掌子面后方約50 m處布置2個(gè)傳感器，且傳感器間間隔也為50 m。TBM每推進(jìn)50 m時(shí)，位于掌子面最后方的2個(gè)傳感器向前跟進(jìn)至距掌子面50 m處，以此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)緊跟掌子面協(xié)同工作，達(dá)到微震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

2 微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 微震監(jiān)測(cè)區(qū)域的選取

錦屏二級(jí)3#引水隧洞監(jiān)測(cè)洞段平面圖如圖4所示。該洞段埋深在2 250 m左右，最大主應(yīng)力達(dá)65 MPa，因此屬于高埋深高地應(yīng)力區(qū)。巖性為T(mén)2b灰～灰白色致密厚層狀結(jié)晶大理巖，圍巖硬而脆且以Ⅱ～Ⅲ類(lèi)為主，完整性好。實(shí)測(cè)巖體巖爆傾向性指數(shù)Wet在1.32～5.8，反映了沿洞軸線的巖石具有高儲(chǔ)能性質(zhì)［8］。因此，結(jié)合上述地質(zhì)條件及巖性特點(diǎn)，該洞段已具備發(fā)生巖爆的必備條件。

圖4 3#引水洞微震監(jiān)測(cè)區(qū)域平面圖Fig.4 Plane graph of microseismic monitoring zone in 3#diversion tunnel

2.2 微震活動(dòng)與TBM開(kāi)挖速率的關(guān)系

2011年2月TBM開(kāi)挖進(jìn)度、微震事件活動(dòng)率與時(shí)間分布對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示?？傮w而言，微震活動(dòng)率隨TBM開(kāi)挖速度的增加而增大，反之減小。但由于巖石的非均勻性和各向異性特征，即使是相同的地質(zhì)條件和施工情況，這種關(guān)系并不是成比例變化。因此，在微震活動(dòng)較活躍、能級(jí)釋放較大的洞段，采用短進(jìn)尺、降低TBM掘進(jìn)速度甚至臨時(shí)叫停的方法，使圍巖的二次應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)力集中現(xiàn)象得到充分調(diào)整，可達(dá)到降低巖爆風(fēng)險(xiǎn)的目的。

圖5 TBM掘進(jìn)開(kāi)挖速率、微震事件活動(dòng)率與時(shí)間關(guān)系Fig.5 Relationship chart between TBM excavation footage，events rate and time

2.3 微震活動(dòng)隨TBM開(kāi)挖過(guò)程的時(shí)空強(qiáng)分布

TBM開(kāi)挖過(guò)程中微震活動(dòng)的時(shí)空強(qiáng)分布情況如圖6所示，其中圓球的顏色代表局部震級(jí)，大小代表微震輻射能量。

圖6 TBM掘進(jìn)3#引水洞微震活動(dòng)的時(shí)空強(qiáng)分布情況Fig.6 Spatio-temporal distribution of microseismic events during excavation for 3#diversion tunnel

圖6(a)和圖6(c)由于圍巖受施工開(kāi)挖擾動(dòng)影響較小，低能量小震級(jí)的微震事件偏多，且分布較為離散，因此發(fā)生巖爆的概率較低。而圖6 (b)即2月6日～11日，微震事件在工作面附近聚集，微震數(shù)量和釋放能量有增加趨勢(shì)，發(fā)生強(qiáng)巖爆的前一天受工程開(kāi)挖擾動(dòng)較大(當(dāng)天開(kāi)挖進(jìn)尺12 m)，微震數(shù)量達(dá)到峰值22個(gè)(見(jiàn)圖5)。2月17日～2月21日產(chǎn)生的微震事件雖然不多，但能量高，震級(jí)高的微震事件頻現(xiàn)(見(jiàn)圖6(d))，圍巖累積釋放能量遠(yuǎn)大于前期，日累積釋放能量為單月最大值達(dá)到6.89×104J，且在K9+607～K9+622形成微震活動(dòng)簇集區(qū)。

2.4 微震活動(dòng)相關(guān)參數(shù)與巖體損傷演化關(guān)系

當(dāng)巖體受工程擾動(dòng)時(shí)，必然引起圍巖應(yīng)力的轉(zhuǎn)移，造成圍巖應(yīng)力的釋放和積累，其中應(yīng)力積累的區(qū)域就有可能伴隨巖石的微破裂現(xiàn)象(微震)。而每個(gè)微震事件都包含了巖體內(nèi)部微破裂的豐富信息(如震級(jí)、輻射能量及應(yīng)力降等)，通過(guò)微震震源參數(shù)及時(shí)空強(qiáng)序列分布可間接反映巖體內(nèi)部損傷程度及內(nèi)在演化規(guī)律。但在單一的微震事件中，并不能充分說(shuō)明巖體受損程度。單位體積巖體內(nèi)部累計(jì)微震事件數(shù)越多，事件間距離越近(或事件密度)，說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)巖體受損程度越嚴(yán)重，巖體強(qiáng)度降低的可能性越大。然而，即使在單位體積微震事件數(shù)相同的情況下，巖體的破壞程度也不盡相同。巖體單位體積內(nèi)釋放能量或能量密度越多，破壞越嚴(yán)重，越容易發(fā)生巖爆。因此，在分析累計(jì)微震事件數(shù)的基礎(chǔ)上，將微震事件密度與微震事件能量密度進(jìn)行綜合標(biāo)定，可作為衡量巖體內(nèi)部損傷程度的評(píng)判依據(jù)。

1)微震事件密度

在微震事件密度計(jì)算中，聚類(lèi)分析［9］為客觀定量地劃分微震活動(dòng)區(qū)域提供了方法，通過(guò)計(jì)算震源之間的距離來(lái)描述事件的親疏程度，可按照遠(yuǎn)近程度合理地進(jìn)行分類(lèi)［10］，表達(dá)公式為

式中:dij表示微震事件xi與xj之間的距離。微震事件密度隨時(shí)間演化過(guò)程示意圖如圖7所示。多數(shù)微震事件距離在12 m左右聚類(lèi)，說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)微震事件分布較為集中。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，隨著TBM開(kāi)挖擾動(dòng)的進(jìn)行，由于圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)未調(diào)整至平衡態(tài)而再次受工程擾動(dòng)，區(qū)域微震事件數(shù)增多，事件密度呈上升趨勢(shì)(分別見(jiàn)圖7(c)、(d))。微震成核跡象明顯并呈發(fā)散狀不斷向外擴(kuò)展，其直觀表象是巖體內(nèi)部微裂隙可能進(jìn)一步萌生、擴(kuò)展直至貫通并形成裂隙帶，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度大大降低。因此，由事件密度可對(duì)巖體發(fā)生動(dòng)力失穩(wěn)(即巖爆)的區(qū)域進(jìn)行初步圈定，應(yīng)密切注視該區(qū)域內(nèi)的巖體強(qiáng)度劣化情況。

2)微震能量密度

事件密度的增加并不是巖體強(qiáng)度降低的充分條件。而微震能量的耗散(或能量密度)與巖體的強(qiáng)度和損傷程度密切相關(guān)，它反映了巖石內(nèi)部微缺陷的不斷發(fā)展、強(qiáng)度不斷弱化并最終喪失的過(guò)程。因此，可在研究微震事件密度基礎(chǔ)上將微震能量密度相結(jié)合，是判斷巖體是否發(fā)生失穩(wěn)破壞的有效途徑。

圖8為微震能量耗散密度云圖，在洞段引(3) K9+662～K9+607巖體能量耗散較大，說(shuō)明該區(qū)域巖體強(qiáng)度損傷嚴(yán)重，圍巖穩(wěn)定性大大降低。這與圖7(d)中微震事件密度分布基本吻合，說(shuō)明該區(qū)域微震事件累計(jì)數(shù)與微震耗散能量主要集中在同一個(gè)區(qū)域，這更加驗(yàn)證了該區(qū)域內(nèi)巖體力學(xué)性能劣化的可能性。

圖7 2011年2月1日－2月21日微震事件密度演化云圖Fig.7 Density contour of microseismic events distribution in Feb.1－Feb.21.2011

圖8 2011年2月1日－2月21日微震活動(dòng)能量密度云圖Fig.8 Energy density contour of microseismic activity in Feb.1－Feb.21.2011

3 巖體宏觀破壞過(guò)程與微震活動(dòng)關(guān)系

3.1 巖體破壞過(guò)程中微震活動(dòng)時(shí)空演化特征

巖體發(fā)生漸進(jìn)破壞時(shí)微震事件時(shí)空分布情況如圖9所示。由圖可見(jiàn)，隨著TBM的向前推進(jìn)，工程擾動(dòng)區(qū)先后形成2個(gè)微震活動(dòng)簇集區(qū)，分別由2個(gè)大小不同的橢圓標(biāo)記。微震簇集區(qū)的巖體經(jīng)歷了微裂紋的萌生、擴(kuò)展并由淺表向深部發(fā)展。小裂紋形成后經(jīng)相互貫通形成2條宏觀剪切裂紋。剪切裂紋相互搭接后與隧洞壁形成一個(gè)三角形閉環(huán)，當(dāng)巖體達(dá)到或者超過(guò)峰值強(qiáng)度時(shí)，巖爆發(fā)生，且受損巖塊帶有一定的初速度向臨空面彈射。

圖9 巖體漸進(jìn)破壞過(guò)程示意圖Fig.9 Progressive failure process of rock mass

3.2 巖體破壞過(guò)程中微震活動(dòng)b值變化特征

已有研究結(jié)果表明，工程擾動(dòng)誘發(fā)的微震事件與天然地震事件遵循同樣的規(guī)則，均遵循古登堡－里克特所引入的頻度－震級(jí)關(guān)系。對(duì)于一個(gè)微震監(jiān)測(cè)區(qū)域來(lái)講，可表示為

式中:N(M)為震級(jí)M以上的微震事件總數(shù)，A和b對(duì)一定監(jiān)測(cè)區(qū)域而言是常數(shù)。其中，b值是描述了在一給定時(shí)間內(nèi)小震個(gè)數(shù)與大震個(gè)數(shù)的相對(duì)數(shù)，同時(shí)也是裂紋擴(kuò)展尺度的函數(shù)，物理表征為該監(jiān)測(cè)區(qū)域巖體介質(zhì)破壞發(fā)展的程度。典型的微震事件頻度與震級(jí)關(guān)系曲線見(jiàn)圖10［11］。當(dāng)b值增加或相對(duì)平穩(wěn)時(shí)，巖體表現(xiàn)為相對(duì)平靜;當(dāng)b值急劇下降時(shí)，說(shuō)明巖體已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)破壞，并且b值越小產(chǎn)生的巖體動(dòng)力失穩(wěn)破壞的可能性越大。

總體來(lái)看，2011年2月微震事件b值經(jīng)歷了2次明顯下降(見(jiàn)圖11)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)初步勘查和分析可知，高能量，大震級(jí)的微震事件頻繁出現(xiàn)在2月17日－21日內(nèi)，且在一定范圍內(nèi)聚類(lèi)，造成巖體內(nèi)部損傷程度嚴(yán)重，巖體強(qiáng)度大大降低，潛在巖爆的可能性大大增加。這與巖爆發(fā)生情況基本吻合，故而b值可以借鑒作為巖爆災(zāi)害預(yù)警的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖10 典型地震頻率－震級(jí)關(guān)系曲線Fig.10 Typical frequency-magnitude relation curve

圖11 TBM掘進(jìn)過(guò)程b值隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.11 Relationship between b and time during TBM excavation

4 結(jié)論

1)錦屏深埋隧洞施工過(guò)程中的微震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:微震事件時(shí)空序列分布與巖爆時(shí)空分布規(guī)律具有良好的相關(guān)性和一致性，微震活動(dòng)在時(shí)間上的排序優(yōu)先于巖爆事件。結(jié)合累積微震事件數(shù)、微震事件密度及微震能量密度綜合判定方法，可對(duì)巖體強(qiáng)度損傷區(qū)和巖爆潛在危險(xiǎn)區(qū)作出初步圈定。

2)TBM的開(kāi)挖過(guò)程表明，巖爆的發(fā)展及發(fā)生過(guò)程是經(jīng)微裂紋的萌生、發(fā)展、擴(kuò)展至巖體深部后形成宏觀剪切裂紋，由微震事件簇集區(qū)形成的宏觀剪切裂紋相互搭接后與隧洞壁形成一三角形閉環(huán)，當(dāng)巖體達(dá)到或者超過(guò)峰值強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生巖爆。

3)借助于震源參數(shù)，總結(jié)巖爆災(zāi)害誘發(fā)微震事件b值變化特征:即當(dāng)b值增大或保持不變時(shí)，巖體損傷強(qiáng)度無(wú)明顯下降，巖體內(nèi)部處于相對(duì)平靜期;當(dāng)b值驟降時(shí)，巖體損傷強(qiáng)度增大進(jìn)而發(fā)生動(dòng)力失穩(wěn)破壞。綜合巖體損傷強(qiáng)度標(biāo)定方法，利用微震事件b值變化特征可對(duì)隧洞巖爆情況進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警。

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