基于微震監(jiān)測的高地應(yīng)力深埋地下廠房中下層開挖技術(shù)研究

嚴 波，李紅心，陳飛東

(國電大渡河猴子巖水電建設(shè)有限公司，四川 康定 626005)

1 工程概況

猴子巖水電站地下廠房位于大渡河右岸山體內(nèi)，共裝機4臺機組，總?cè)萘? 700 MW。安裝間、主廠房及第一副廠房并排布置，主廠房開挖輪廓尺寸為219.5 m×29.2 m×68.7 m(長×寬×高)，垂直埋深400～660 m，水平埋深280～510 m。地下廠房巖體主要以白云質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)灰?guī)r為主，巖體受次級小斷層、節(jié)理裂隙及擠壓破碎帶切割，存在不利組合塊體，對局部圍巖穩(wěn)定不利，廠區(qū)地下水不豐，以滲滴水為主；深埋地下廠房地應(yīng)力為高地應(yīng)力地區(qū)，最大值達36.43 MPa，巖體局部地應(yīng)力方向與地下廠房軸線大角度相交，巖爆、塌方現(xiàn)象尤為突出。

2 微震監(jiān)測技術(shù)

微震活動是地下洞室開挖卸荷失穩(wěn)破壞的前兆，根據(jù)微震活動規(guī)律特征可識別并圈定地下洞室潛在危險失穩(wěn)區(qū)域。針對傳統(tǒng)監(jiān)測(如錨桿測力計、多點位移計等)難以及時對巖石微破裂活動進行有效監(jiān)測，通過引入高精度的ESG微震監(jiān)測技術(shù)實時分析地下洞室失穩(wěn)破壞前的微震活動特征，從而實現(xiàn)深埋地下廠房開挖強卸荷過程中圍巖微破裂活動的實時定位和分析[1]。

2.1 設(shè)備介紹

高精度的ESG微震監(jiān)測系統(tǒng)采用加拿大ESG公司生產(chǎn)的礦山微震監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由Hyperion與Paladin數(shù)字信號采集系統(tǒng)、電纜光纜、加速度傳感器、數(shù)據(jù)通訊調(diào)制解調(diào)器以及基于遠程網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腗MS-View三維可視化軟件組成[2]。通過自動過濾和人工識別剔除干擾事件，運用波形觀察和頻譜分析，可將地下廠房開挖中識別到的微震分為開挖爆破、巖石破裂、噪音及機械振動等3大類別。

2.2 傳感器布置與安裝

主廠房周邊布置高中低三層排水平洞，利用超前施工的排水平洞，沿最高層排水平洞頂拱均勻布置6支微震監(jiān)測傳感器，對比傳統(tǒng)直接從地表向地下洞室監(jiān)測區(qū)域鉆孔的方法，直接在排水平洞鉆孔安裝，保證傳感器與巖壁耦合緊密，且永久性地被固定在鉆孔內(nèi)，微震信號能夠直接被傳感器接收，同時提高安裝效率，節(jié)省安裝成本。

傳感器鉆孔要求孔徑應(yīng)在32～38 mm之間，鉆孔深度為3～5 m，為了便于安裝傳感器，應(yīng)盡量往頂板上打孔，孔的傾角至少應(yīng)大于70°，傳感器鉆孔示意如圖1所示，從而保證大仰角使孔內(nèi)積水及時自動排出，避免孔底樹脂的固定作用失效，同時，傳感器接收信號時不受到廠房施工產(chǎn)生的噪音干擾。

圖1 傳感器鉆孔示意

按傳感器布置方案進行鉆孔，結(jié)合現(xiàn)場條件，可以對傳感器的鉆孔位置稍作調(diào)整。安裝前預(yù)先至少要打好4個鉆孔，并量測到實際鉆孔的準確孔口三維坐標，通過幾何計算最終獲得各個孔底的三維坐標。這些孔底坐標輸入系統(tǒng)軟件參與定位計算，監(jiān)測中會直接影響到最后的微震事件定位。傳感器安裝于孔底，安裝傳感器前，應(yīng)全面檢查孔底成孔情況并清理鉆孔殘渣，使傳感器與巖壁緊密耦合，同時，應(yīng)在鉆孔口測試傳感器，確保傳感器工作正常。傳感器安裝組成示意如圖2所示。

圖2 傳感器安裝組成示意

2.3 微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

微震活動事件的空間分布、頻次與震級能直觀、有效地反映巖體內(nèi)部發(fā)生微破裂的位置和大小，并進一步預(yù)測判斷地下廠房的潛在危險區(qū)域，據(jù)此可提前從設(shè)計方案、施工方案上制定相應(yīng)的對策措施，比如臨近邊墻部位的開挖出渣采取有效的安全防護措施，及時對邊墻采取加強支護措施等。

(1)地下廠房下游邊墻微震監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，微震活動事件主要處于2號與3號母線洞之間，且形成條帶狀分布，該區(qū)域圍巖損傷主要受斷層控制，由爆破開挖誘導(dǎo)，建議加強該區(qū)域支護；上游邊墻微震監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)顯示，微震活動事件主要聚集在上游側(cè)4號機組段，且微震事件震級高、能量大，微震變形云圖也表明了該區(qū)域變形較大，圍巖應(yīng)力、能量仍未充分釋放，建議開挖后及時支護，以免變形擴展。微震監(jiān)測預(yù)判潛在危險失穩(wěn)區(qū)域與傳統(tǒng)監(jiān)測變形基本吻合。

(2)高地應(yīng)力地下洞室圍巖開挖后卸荷松弛變形大、速度快。高地應(yīng)力條件下洞室開挖后，洞周地應(yīng)力釋放使裂隙巖體產(chǎn)生卸荷效應(yīng)，同時也會引起巖體內(nèi)部地應(yīng)力重新分布。通過監(jiān)測分析，大部分區(qū)域圍巖淺表層卸荷松弛變形1周內(nèi)基本完成，深層圍巖松弛變形大致1個月內(nèi)基本完成。

(3)高地應(yīng)力地下洞室開挖支護后的圍巖應(yīng)力調(diào)整時間長。結(jié)合內(nèi)觀監(jiān)測和物探資料發(fā)現(xiàn)，地下洞室開挖支護后變形及應(yīng)力變化持續(xù)時間長，圍巖松弛深度也隨之持續(xù)增長，從開挖出露到最終收斂要1年左右，持續(xù)的變形破壞對施工影響非常大。

3 深層預(yù)裂、薄層開挖、隨層支護施工工藝

3.1 分層厚度參數(shù)

為有利于進行開挖邊墻的及時支護，根據(jù)地下廠房的錨索分布情況及錨索施工工藝，確定廠房的開挖分層厚度與分層高程，一般開挖分層高度為錨索的排距，即4 m，分層高程比錨索高程低0.8～1.5 m左右。根據(jù)開挖分層高度確定預(yù)裂深度，一般預(yù)裂深度為2～3層開挖高度。

3.2 預(yù)裂爆破

預(yù)裂爆破試驗主要確定的參數(shù)為預(yù)裂爆破的孔距、孔深和線裝密度。預(yù)裂孔的間距一般為0.6～1.0 m，在廠房中部(梯段開挖范圍內(nèi))進行預(yù)裂爆破試驗，選定3種不同間距的預(yù)裂孔孔位(0.6、0.8、1.0 m)；預(yù)裂孔的孔深一般超過開挖厚度約50 cm，若地質(zhì)情況較差(巖體松弛、裂隙發(fā)育)，預(yù)裂孔孔深可以與開挖厚度一致；根據(jù)施工經(jīng)驗，借鑒同類水電站施工參數(shù)，線密度一般在500～1 000 g/m之間，選定500、800、1 000 g/m 3種不同的線裝密度。

對不同孔距、不同孔深及不同線裝密度進行排列組合并試驗，選定最適合地下廠房條件的預(yù)裂開挖爆破參數(shù)；猴子巖水電站高地應(yīng)力深埋地下廠房開挖施工最優(yōu)預(yù)裂爆破參數(shù)為：孔深12～20 m，孔距0.8 m，線裝藥密度1 000 g/m。

地下廠房邊墻預(yù)裂孔采用100E潛孔鉆機(反向鉆機)進行造孔，主爆孔采用100B或液壓鉆進行造孔，預(yù)裂孔開孔部位上部1.5 m范圍內(nèi)(鉆機位置)需提前進行技術(shù)性超挖10 cm，以便鉆機充分就位，減少超欠挖現(xiàn)象的發(fā)生[3]。

3.3 梯段爆破

梯段爆破試驗主要確定的參數(shù)為梯段爆破的孔距、孔深和裝藥量?？拙喔鶕?jù)出渣、裝渣設(shè)備的性能及渣料粒徑等要求確定爆破孔的孔距，通常爆破孔孔距為1.8～2.2 m；孔深綜合考慮液壓鉆的鉆孔性能、多臂鉆錨桿施工高度、錨索的排距等因素確定分層開挖高度和梯段爆破的孔深，通常開挖高度為4.0 m，梯段爆破孔深一般超過開挖高度約50 cm；裝藥量根據(jù)爆破震動控制速度、抵抗線等計算梯段爆破孔裝藥量。爆破孔平面布置如圖3所示。

圖3 爆破孔平面布置(單位：cm)

3.4 出渣及支護

巖體爆破15 min后安排有經(jīng)驗的施工安全員對開挖面進行檢查，根據(jù)微震監(jiān)測系統(tǒng)判定爆破前后潛在危險區(qū)域的位置和范圍，從設(shè)計與施工兩方面制定相應(yīng)的安全對策措施，按全斷面薄層順序依次由上向下進行開挖爆破作業(yè)。出渣后用反鏟對掌子面危石進行安全處理，并將底板松渣清理干凈，平整工作面，使之滿足下一循環(huán)的作業(yè)要求。

邊墻開挖后，根據(jù)圈定的潛在失穩(wěn)區(qū)域，及時加強重點關(guān)注區(qū)域的支護，應(yīng)注意錨桿、錨索等支護需跨越卸荷松弛范圍。

針對高地應(yīng)力地下洞室開挖后圍巖變形特點，對支護的及時性進行分析、總結(jié)，得出地下洞室邊墻開挖后3～5 h內(nèi)(當班)必須素噴封閉，系統(tǒng)錨桿及網(wǎng)噴1周內(nèi)完成，錨索等深層支護最優(yōu)在20天內(nèi)完成。實際施工過程中，及時支護的參數(shù)量化要求，有效降低因圍巖裸露時間過長而發(fā)生松弛、片幫的破壞幾率。

3.5 工藝特點評價

(1)針對猴子巖水電站深埋地下廠房的高地應(yīng)力特征，通過采取沿邊墻結(jié)構(gòu)線預(yù)裂的爆破方式，使結(jié)構(gòu)線提前形成一道爆破縫隙達到提前釋放高地應(yīng)力的目的。

(2)根據(jù)已有的開挖支護設(shè)備、錨索分布等因素合理進行開挖分層、分區(qū)，可提高開挖支護設(shè)備使用效率。

(3)采取薄層開挖并形成全斷面開挖施工作業(yè)，并及時進行兩側(cè)邊墻的錨桿噴護、錨索等系統(tǒng)支護施工，結(jié)合微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析出潛在失穩(wěn)區(qū)域，采取隨機錨桿等重點加強支護措施，能有效控制高邊墻巖體松弛，減小廠房邊墻圍巖變形，從而提高高地應(yīng)力地下洞室邊墻成型質(zhì)量，同時降低巖爆、塌方的風(fēng)險，節(jié)約了施工工期。

4 結(jié) 語

基于微震監(jiān)測的“深層預(yù)裂、薄層開挖、隨層支護”施工工藝，創(chuàng)新大型地下洞室開挖支護的程序與施工方法。對比傳統(tǒng)的“梯段中部拉槽、兩側(cè)邊墻光爆”的大型地下洞室開挖施工方法，該工藝優(yōu)化了傳統(tǒng)梯段開挖爆破的開挖程序與施工工藝，結(jié)合微震監(jiān)測技術(shù)，通過其預(yù)測潛在的失穩(wěn)區(qū)域，有效解決了邊墻加強支護范圍與支護參數(shù)的問題，同時為后續(xù)同類地下工程開挖施工提供相關(guān)的經(jīng)驗，尤其適用于地應(yīng)力較高、圍巖容易發(fā)生巖爆和大變形的洞室開挖施工。