深埋水工隧洞巖爆微震監(jiān)測(cè)預(yù)警研究

陶 磊，石亞龍，黨康寧，王家明

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 1000382；陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710010)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)水利水電、交通運(yùn)輸、礦山礦井等多個(gè)工程領(lǐng)域的深埋長(zhǎng)大隧洞全線開(kāi)工建設(shè)，深部巖石力學(xué)問(wèn)題暴露出來(lái)，其中以巖爆災(zāi)害最為突出。巖爆災(zāi)害是指巖體在開(kāi)挖或其他外界的擾動(dòng)下，聚集巖體內(nèi)部的彈性變形勢(shì)能突然釋放，導(dǎo)致巖體發(fā)生爆裂、彈射的現(xiàn)象[1]。巖爆的危害主要是其突發(fā)性，沒(méi)有明顯的預(yù)兆，強(qiáng)烈極強(qiáng)烈對(duì)人員造成嚴(yán)重傷亡，設(shè)備的損壞，更有甚者，造成工期延誤。2009年11月28日位于四川省境內(nèi)的雅礱江錦屏Ⅱ級(jí)水電站的引水隧洞(最大埋深達(dá)到2525m)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(TBM)掘進(jìn)過(guò)程中爆發(fā)了極其罕見(jiàn)的極強(qiáng)烈?guī)r爆，此次巖爆發(fā)生在距離掌子面大約7～20m范圍內(nèi)，最大爆坑深度達(dá)到9m左右，爆落的碎石總量總計(jì)達(dá)到上千m3，最終導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)7名工人遇難，正在施工作業(yè)的TBM設(shè)備被埋，主梁斷裂，嚴(yán)重?fù)p壞[2]。國(guó)內(nèi)大伙房水庫(kù)輸水隧洞[3- 4]，滇中引水工程[5]，吉林引松供水工程[6]等水工深埋隧洞TBM施工[7- 8]也同樣遭遇到巖爆嚴(yán)重威脅。

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)方法和數(shù)值方法是目前工程界開(kāi)展巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的重要方法，其中尤以微震監(jiān)測(cè)技術(shù)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、24h連續(xù)不間斷、自動(dòng)化、信息化和智能化等優(yōu)點(diǎn)，在巖爆預(yù)警方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。最新頒布的國(guó)家能源局批準(zhǔn)執(zhí)行的NB/T 10143—2019《水電工程巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)規(guī)范》已將巖爆微震監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定作為巖爆預(yù)警的重要手段。

20世紀(jì)80年代后，高精度微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在南非、美國(guó)、加拿大等國(guó)的礦山作業(yè)中得到普遍應(yīng)用。我國(guó)現(xiàn)代化微震監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用起步較晚，且主要集中在深部礦山工程，首次應(yīng)用于冬瓜山銅礦，主要用于礦震定位、突水、瓦斯監(jiān)測(cè)等方面，在礦業(yè)開(kāi)采行業(yè)中習(xí)慣將巖爆稱之為沖擊地壓。2004年國(guó)內(nèi)引進(jìn)了加拿大ESG微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，建立了64通道全數(shù)字型微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)采礦工程沖擊地壓預(yù)報(bào)開(kāi)展了深入研究[9]。2009年在錦屏Ⅱ級(jí)水電站隧洞群，通過(guò)集成和創(chuàng)新方式構(gòu)建了首套應(yīng)用于TBM巖爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[10]。此后，眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者在微震監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用方面開(kāi)展深入研究，對(duì)巖爆判別、巖爆特征及微震監(jiān)測(cè)規(guī)律、微震活動(dòng)特征進(jìn)行分析，相關(guān)成果為深埋水工隧洞的巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警提供重要依據(jù)[11]。

錢(qián)七虎院士在錦屏Ⅱ級(jí)水電站強(qiáng)烈?guī)r爆區(qū)域巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工程實(shí)踐基礎(chǔ)上指出巖爆微震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率：中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所88.36%，大連理工大學(xué)85.5%[2]。

本文以陜西省引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞巖爆多發(fā)洞段為研究對(duì)象，采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)作為巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警手段，優(yōu)化了TBM隧洞微震監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝、傳感器陣列布置、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)姆桨福粚?duì)嶺南TBM洞段和鉆爆法洞段分別開(kāi)展了長(zhǎng)期微震監(jiān)測(cè)預(yù)警，獲取巖爆監(jiān)測(cè)信息，提前做出巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

1 工程概況

陜西省引漢濟(jì)渭工程是利用黃金峽和三河口水庫(kù)將漢江上游的水資源調(diào)至渭河流域，以緩解關(guān)中地區(qū)水資源供需矛盾，改善渭河生態(tài)環(huán)境的跨流域調(diào)水工程[12]。調(diào)水工程由黃金峽水利樞紐、秦嶺輸水隧洞和三河口水利樞紐三部分組成。秦嶺輸水隧洞以控制閘為界分黃(金峽)-三(河口)段和越嶺段，總長(zhǎng)98.3km[13]。隧洞越嶺段從底部穿越秦嶺山脈主脊，最大埋深可達(dá)2012m，主洞段全長(zhǎng)81.779km，設(shè)計(jì)流量為70m3/s，年平均輸水量15億m3，隧洞坡降為1/2500，穿越秦嶺主脊段的39km采用兩臺(tái)TBM相向施工，隧洞的開(kāi)挖直徑為8.02m，其余洞段采用鉆爆法，工程布置如圖1所示，鉆爆法和TBM隧洞斷面如圖2所示，秦嶺輸水隧洞地質(zhì)剖面圖如圖3所示。

圖1 引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞布置示意圖

圖2 秦嶺輸水隧洞斷面

圖3 越嶺段輸水隧洞的地質(zhì)剖面圖

嶺南TBM標(biāo)段位于中國(guó)陜西省寧陜縣四畝地鎮(zhèn)，從3#支洞進(jìn)入主洞下游1942m開(kāi)始，標(biāo)段全長(zhǎng)18.275km，施工樁號(hào)為K28+085～K46+360，主洞采用一臺(tái)開(kāi)敞式硬巖掘進(jìn)機(jī)施工，工區(qū)高程范圍1050～2420m，巖性主要為下元古界長(zhǎng)角壩巖群黑龍?zhí)稁r組石英巖、印支期花崗巖、華力西期閃長(zhǎng)巖以及斷層碎裂巖、糜棱巖，施工過(guò)程巖爆頻發(fā)[14]。嶺南TBM標(biāo)段圍巖類別見(jiàn)表1。

地應(yīng)力測(cè)試表明，最大水平主應(yīng)力SH值介于16.11～23.7MPa，最小水平主應(yīng)力Sh值介于10.11～15.41MPa，最大水平主應(yīng)力SH方向?yàn)镹30°～46°W，優(yōu)勢(shì)作用方向?yàn)楸蔽飨?。深鉆孔地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果表明，三向主應(yīng)力的關(guān)系為：SH>Sh>Sv(最大豎向主應(yīng)力)，具有較為明顯的水平構(gòu)造應(yīng)力作用，且地應(yīng)力值較大。

2 巖爆微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖4 巖爆微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[15]

目前在我國(guó)主要用于巖爆監(jiān)測(cè)的微震系統(tǒng)有南非IMS、加拿大ESG、波蘭SOS和中國(guó)SSS等[15]，如圖4所示。引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞引入加拿大ESG微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別在TBM和鉆爆法洞段開(kāi)展了微震監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)工作微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖5—6所示，微震監(jiān)測(cè)設(shè)備包含主機(jī)工作站、數(shù)據(jù)采集儀、加速度傳感器，如圖7所示。

圖5 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D(鉆爆法)

圖6 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D(TBM法)

嶺南TBM洞段，相比于鉆爆法洞段，微震監(jiān)測(cè)難度更大，主要有以下問(wèn)題：

(1)洞內(nèi)溫度高、濕度大，通過(guò)在數(shù)據(jù)采集儀箱內(nèi)增加小型風(fēng)扇增加空氣流通，降低儀器長(zhǎng)期溫度高、濕度大環(huán)境下工作的損傷，延長(zhǎng)儀器壽命，確保監(jiān)測(cè)工作順利進(jìn)行。

(2)TBM設(shè)備占據(jù)大量空間，導(dǎo)致隧洞內(nèi)可用空間比較狹窄，設(shè)備的安裝和移動(dòng)難度較大。挑選干燥、凹陷的位置安裝數(shù)據(jù)采集儀，安裝完成后通過(guò)紅外設(shè)備向TBM尾端照射，檢驗(yàn)采集儀外殼最突出位置是否可能觸碰TBM設(shè)備；傳感器電纜盡量懸掛于洞腰處，靠皮帶一側(cè)電纜安裝后即過(guò)頂。

(3)交通不便，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線或有線傳輸，遠(yuǎn)程控制洞內(nèi)設(shè)備，減少進(jìn)洞次數(shù)。

(4)TBM自帶鉆機(jī)鉆孔不便。采用TBM機(jī)身鉆機(jī)與氣腿式鑿巖機(jī)相結(jié)合的方式。

圖7 微震監(jiān)測(cè)設(shè)備

3 巖爆微震監(jiān)測(cè)成果分析

工程界將巖爆按輕微、中等、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈?guī)r爆四個(gè)等級(jí)進(jìn)行超前預(yù)評(píng)判?；谖⒄鸨O(jiān)測(cè)技術(shù)的巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判別標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。現(xiàn)場(chǎng)施工巖爆發(fā)生后，將開(kāi)挖掘進(jìn)前后爆坑深度作為實(shí)際發(fā)生巖爆等級(jí)的判別標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表3。

表2 基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判別標(biāo)準(zhǔn)

表3 現(xiàn)場(chǎng)巖爆等級(jí)判別

專業(yè)技術(shù)人員每日遠(yuǎn)程分析巖爆信息，關(guān)注微震參數(shù)的變化，預(yù)判前方巖爆等級(jí)，并發(fā)送巖爆預(yù)警信息，提出相應(yīng)的施工建議、防范措施，以供現(xiàn)場(chǎng)施工人員決策。

3.1 TBM洞段

TBM洞段自2017年9月到2018年10月，共計(jì)13個(gè)月，監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度2657m(樁號(hào)K33+870～K36+527)，共發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)告306期。監(jiān)測(cè)期間共統(tǒng)計(jì)巖爆次數(shù)為177次，其中較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)161次，占比90.96%，16次由于各種原因未能提前預(yù)測(cè)或預(yù)測(cè)等級(jí)偏低，占比9.04%。巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際發(fā)生巖爆結(jié)果驗(yàn)證，一般存在四類結(jié)果，即預(yù)測(cè)準(zhǔn)確、等級(jí)偏低、樁號(hào)范圍有少量偏差以及未能提前預(yù)測(cè)而實(shí)際卻發(fā)生巖爆的情況。

TBM洞段監(jiān)測(cè)期間的微震活動(dòng)分布圖如圖8所示，微震活動(dòng)較為活躍，其中共采集到2142個(gè)微震事件。該洞段微震事件發(fā)生的頻次如圖9所示。洞段微震事件矩陣級(jí)分布圖如圖10所示。

圖8 微震活動(dòng)分布圖(K33+870～K36+527)

圖9 微震事件頻次(K33+870～K36+527)

圖10 微震事件矩陣級(jí)分布圖(K33+870～K36+527)

TBM洞段微震監(jiān)測(cè)方案相較以往做了優(yōu)化與改進(jìn)。

(1)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與TBM設(shè)備分離，將加速度傳感器、信號(hào)采集儀、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)都安裝在掌子面后方洞壁，設(shè)備電源通過(guò)洞壁的固定照明電獲取，監(jiān)測(cè)工作完全不受TBM影響。

(2)優(yōu)化了傳感器布置方案。減少皮帶一側(cè)的傳感器數(shù)量，增加另一側(cè)傳感器，對(duì)微震事件的定位影響不明顯，卻使傳感器電纜損壞率大大降低。

(3)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。在TBM機(jī)身布置了4個(gè)路由器，使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋TBM操作室往后150米范圍，實(shí)現(xiàn)了洞壁數(shù)據(jù)采集工作站的無(wú)線上網(wǎng)，可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸出洞。

雖然有所優(yōu)化和改進(jìn)，但不同巖爆類型產(chǎn)生的機(jī)理、孕育過(guò)程及微震活動(dòng)性也存在明顯差異，因此后續(xù)巖爆預(yù)警研究工作也需區(qū)分巖爆類型，針對(duì)性的采取防控措施。同時(shí)，由于數(shù)據(jù)處理需要人工介入，無(wú)法實(shí)現(xiàn)巖爆風(fēng)險(xiǎn)的自動(dòng)判別與自動(dòng)預(yù)警，后續(xù)可向大數(shù)據(jù)及人工智能方向發(fā)展。

3.2 鉆爆法洞段

引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞4#支洞斜井，斜井與主洞交匯里程為K38+400，全長(zhǎng)5786m，通過(guò)區(qū)地層巖性主要為印支期花崗巖。微震監(jiān)測(cè)里程為斜4+734～斜5+780，該時(shí)間段總共掘進(jìn)1046m。

鉆爆法洞段監(jiān)測(cè)期間的微震活動(dòng)分布如圖11所示，微震活動(dòng)較為活躍，其中共采集到4072個(gè)微震事件。圖12為該洞段微震事件發(fā)生的頻次。該洞段微震事件矩陣級(jí)分布如圖13所示。

圖11 微震活動(dòng)分布圖(斜4+734～斜5+780)

圖12 微震事件頻次(斜4+734～斜5+780)

圖13 微震事件矩陣級(jí)分布圖(斜4+734～斜5+780)

4#支洞總共統(tǒng)計(jì)18次巖爆，其中1次未能提前預(yù)測(cè)，2次預(yù)測(cè)等級(jí)偏低，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率約83.3%。

2017年2月3日13:13分響炮后2小時(shí)就發(fā)現(xiàn)微震活動(dòng)異常，15:30即對(duì)施工單位發(fā)出巖爆風(fēng)險(xiǎn)提高的風(fēng)險(xiǎn)提示，2月4日開(kāi)始到2月6日，陸續(xù)發(fā)生多次輕微～中等巖爆，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖14所示。

圖14 現(xiàn)場(chǎng)巖爆產(chǎn)生的爆坑

4 結(jié)論與展望

以引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞嶺南TBM標(biāo)段為研究對(duì)象，開(kāi)展微震監(jiān)測(cè)預(yù)警研究，得出以下結(jié)論：

(1)優(yōu)化改進(jìn)了TBM隧洞安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝、傳感器布置、數(shù)據(jù)傳輸方案，取得了很好的效果。

(2)對(duì)秦嶺隧洞TBM和鉆爆法段長(zhǎng)期掘進(jìn)開(kāi)挖過(guò)程中微震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，80%以上的巖爆可提前預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確率分別達(dá)到90.96%和83.3%。

巖爆預(yù)警結(jié)果是后續(xù)合理制定巖爆防控策略的重要依據(jù)，根據(jù)預(yù)警得到的巖爆位置、范圍、等級(jí)，綜合考慮施工可行性和成本的基礎(chǔ)上，開(kāi)展相應(yīng)的防控策略。