基于微震監(jiān)測(cè)的引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞巖爆預(yù)測(cè)研究

(陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710100)

陜西省引漢濟(jì)渭工程地跨黃河、長(zhǎng)江兩大流域，穿越秦嶺屏障，主要由黃金峽水利樞紐、秦嶺輸水隧洞(黃三段和越嶺段)和三河口水利樞紐等三大部分組成。其中，秦嶺隧洞越嶺段進(jìn)水口位于三河口水利樞紐壩后匯流池，出口位于渭河一級(jí)支流黑河金盆水庫(kù)右側(cè)支溝黃池溝內(nèi)，任務(wù)是將漢江流域調(diào)出水量自流送入渭河流域關(guān)中地區(qū)[1],隧洞為明流洞，全長(zhǎng)81.779km，設(shè)計(jì)流量70m3/s，隧洞綜合坡度1/2500，采用鉆爆法+2臺(tái)TBM法施工。

根據(jù)秦嶺地區(qū)深鉆孔地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料分析，秦嶺隧洞區(qū)地應(yīng)力較高，當(dāng)在堅(jiān)硬完整、干燥無(wú)水的Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖地段的變砂巖地層中進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，由于應(yīng)力集中，在刀盤(pán)前方、掌子面及掌子面后方1～4倍左右洞徑的地段有發(fā)生巖爆甚至強(qiáng)烈?guī)r爆的可能。由于巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜、多變和未知，目前無(wú)法徹底解決巖爆問(wèn)題，甚至連巖爆的定義都尚未形成統(tǒng)一共識(shí)[2]。因此，對(duì)巖爆趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，將有效抑制巖爆對(duì)工程造成的危害。

1 巖爆預(yù)測(cè)技術(shù)研究

1.1 理論預(yù)測(cè)法

理論預(yù)測(cè)法首先要對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的巖石進(jìn)行取樣分析，根據(jù)分析獲得的信息對(duì)巖爆趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)[3]。

理論預(yù)測(cè)方法在一定程度上可以對(duì)巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)，能夠反映部分因素對(duì)巖爆的影響，同時(shí)降低巖爆預(yù)測(cè)的成本，但理論預(yù)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中，仍然無(wú)法完全反映工程現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)情況[4]，同時(shí)這些方法只能反映取試樣的點(diǎn)的應(yīng)力情況，而不能從整體應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力變化角度進(jìn)行有效的指導(dǎo)施工。因此，理論預(yù)測(cè)法盡管得到了一些應(yīng)用，但始終無(wú)法可靠、成功地實(shí)現(xiàn)巖爆預(yù)測(cè)的目標(biāo)。

1.2 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)最早起源于美國(guó)，隨后加拿大也開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行研究，北美地區(qū)對(duì)微震監(jiān)測(cè)的研究對(duì)世界其他地方開(kāi)展相關(guān)研究產(chǎn)生了巨大的影響。隨后，波蘭和德國(guó)等歐洲國(guó)家以及南非和澳大利亞等國(guó)相繼開(kāi)展了微震監(jiān)測(cè)的研究，并將其廣泛應(yīng)用于幾乎所有的巖土工程領(lǐng)域。他們不僅在現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室對(duì)微震監(jiān)測(cè)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，而且從理論的角度進(jìn)行了深入的探討，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)震源定位進(jìn)行了大量的研究[5]。近些年來(lái)，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在我國(guó)也得到了極大發(fā)展，主要是以巖體微破裂定位技術(shù)為核心，在各類(lèi)礦山、水電、隧道安全監(jiān)測(cè)方面得到了大量應(yīng)用。

對(duì)于巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，眾多國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家甚至包括微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廠商，都認(rèn)為巖爆是不可能監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的[6]。大連理工大學(xué)研究人員率先在錦屏二級(jí)水電站運(yùn)用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)TBM和鉆爆法開(kāi)挖的隧洞進(jìn)行了巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，歷時(shí)3年，取得了較好的監(jiān)測(cè)結(jié)果，為巖爆防治工作引入了新的研究手段。國(guó)內(nèi)眾多院校和科研院所，引入微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但主要應(yīng)用在礦山、水電等工程中，對(duì)巖爆監(jiān)測(cè)，多數(shù)都還在學(xué)習(xí)和摸索中。

2016年7月，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)被引入引漢濟(jì)渭工程，先在鉆爆法施工的4號(hào)支洞進(jìn)行了為期近兩月的測(cè)試，經(jīng)過(guò)總結(jié)、分析、改進(jìn)后，2016年12月對(duì)4號(hào)支洞開(kāi)始正式監(jiān)測(cè)，至2017年8月4號(hào)支洞順利貫通，之后對(duì)主洞上下游工作面繼續(xù)監(jiān)測(cè)至今。

2017年9月，3號(hào)支洞TBM工作面開(kāi)始正式監(jiān)測(cè)，2018年6月，5號(hào)支洞TBM工作面開(kāi)始正式監(jiān)測(cè)，目前各工作面均正常監(jiān)測(cè)，定期為各方發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)告，為設(shè)計(jì)和施工提供參考。

2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 微震監(jiān)測(cè)原理

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)原理可表述為：設(shè)某微震事件到N個(gè)臺(tái)站的走時(shí)為(t1,t2,t3…tn)，若已知震源位置(x0,y0,z0)及微震事件發(fā)生時(shí)間t0，則目標(biāo)函數(shù)

(1)

趨于最小，其中ri為到時(shí)殘差：

ri=ti-Ti(x0,y0,z0)

(2)

其中，Ti為震源到臺(tái)站i的理論走時(shí)。

微震事件定位原理如圖1所示。

2.2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞工程微震監(jiān)測(cè)與成像系統(tǒng)，主要由硬件系統(tǒng)(傳感器、數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng))、軟件系統(tǒng)(數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng))、數(shù)據(jù)分析解釋系統(tǒng)、電纜光纜、可視化軟件系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)等幾部分組成，具有定位精度高、臺(tái)陣布置快速靈活、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可定位、計(jì)算多個(gè)震源參數(shù)和震源機(jī)制，并進(jìn)行波速場(chǎng)成像，從而實(shí)現(xiàn)微震事件發(fā)生規(guī)律與波速場(chǎng)變化的分析處理，判斷潛在的隧洞動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)及災(zāi)害預(yù)警，方便對(duì)隧洞開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警。

以鉆爆法開(kāi)挖的4號(hào)洞為例，微震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 微震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)鉆爆法開(kāi)挖隧洞

其中，傳感器與數(shù)據(jù)采集儀為核心設(shè)備。

2.2.1 傳感器

傳感器的作用是接收巖體內(nèi)震動(dòng)波，可對(duì)巖體內(nèi)部產(chǎn)生的微破裂事件進(jìn)行24小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)，并通過(guò)電纜傳輸給數(shù)據(jù)采集儀，采集得到微震事件的基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)等多項(xiàng)相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖3)。

圖3 傳感器及其安裝示意圖

2.2.2 數(shù)據(jù)采集儀

數(shù)據(jù)采集儀(見(jiàn)圖4)連接傳感器與工作站，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，獲得微震時(shí)間的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。在實(shí)際工程中，采用鉆爆法施工的隧洞，由于爆破產(chǎn)生的飛石較遠(yuǎn)，需要將數(shù)據(jù)采集儀安裝在距離掌子面更遠(yuǎn)的安全位置，采用TBM施工的隧洞，則可以適當(dāng)往前安裝布置。

3 實(shí)際數(shù)據(jù)分析處理

3.1 匯總數(shù)據(jù)分析

對(duì)2018年8月1日—9月30日所有微震事件進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)分析，累計(jì)微震事件數(shù)596個(gè)。數(shù)據(jù)分析如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集儀

圖5 微震事件分布

圖6 微震事件密度云圖

由圖5可知，樁號(hào)斜4+220之后巖體微震活動(dòng)性明顯增強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)巖爆比較頻繁。

微震事件的密度，也就是微震活動(dòng)的集中度。從圖6可見(jiàn)樁號(hào)斜4+220之后巖體的應(yīng)力集中程度高，說(shuō)明該處應(yīng)力越集中，巖爆風(fēng)險(xiǎn)越大。

微震事件的頻度，表現(xiàn)的是微震的活躍性，巖爆與微震活躍性密切相關(guān)，多數(shù)情況下活躍性越高，巖爆風(fēng)險(xiǎn)越大。從圖7中可見(jiàn)在9月8日、13日、20—21日、25日等微震事件頻度高的時(shí)候，均發(fā)生了巖爆。

圖7 微震事件頻度

微震事件的矩震級(jí)，表現(xiàn)的是微震活動(dòng)的震級(jí)大小，震級(jí)越大，說(shuō)明巖體破壞越強(qiáng)，通常伴隨著越大的能量釋放。從圖8中可見(jiàn)在9月8日后矩震級(jí)強(qiáng)的微震事件明顯增多，表面巖爆發(fā)生的概率同樣增多。

圖8 微震事件矩震級(jí)

對(duì)該段時(shí)間的開(kāi)挖進(jìn)尺與微震頻度關(guān)系的統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)圖9)發(fā)現(xiàn)，開(kāi)挖進(jìn)尺與微震活躍性沒(méi)有直接的關(guān)系，也與巖爆風(fēng)險(xiǎn)大小沒(méi)有明顯的關(guān)系，再一次驗(yàn)證了巖體內(nèi)部存在的異構(gòu)體(弱結(jié)構(gòu))才是巖爆風(fēng)險(xiǎn)的主要影響因素。

3.2 巖爆預(yù)測(cè)分析

利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)微震事件數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析處理，對(duì)巖爆事件進(jìn)行相應(yīng)預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)結(jié)果與施工單位統(tǒng)計(jì)的巖爆信息進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所列。

由表1可知，通過(guò)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)秦嶺隧洞3號(hào)洞、4號(hào)洞上下游巖爆事件進(jìn)行預(yù)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間為11個(gè)月，通過(guò)數(shù)據(jù)可以得知，預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率分別達(dá)到95.89%、90.00%與88.46%，由此證實(shí)了微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可有效對(duì)巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖9 4號(hào)支洞開(kāi)挖進(jìn)尺與微震頻度關(guān)系

表1 巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

由于巖爆機(jī)理的復(fù)雜性和巖體結(jié)構(gòu)的多變性，尚無(wú)任何一種手段和措施可以徹底解決巖爆問(wèn)題，本文進(jìn)行了基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，針對(duì)巖爆影響，在巖爆頻發(fā)的高地應(yīng)力區(qū)，引入微震監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖爆潛在危險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確率高，有效保障了施工設(shè)備及人員安全。

在工程實(shí)際中，由于洞內(nèi)大型設(shè)備多、能見(jiàn)度低、爆破產(chǎn)生飛石，鋪設(shè)于洞壁的線纜容易受損，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集中斷或失效，因此還需進(jìn)一步改進(jìn)傳感器對(duì)稱(chēng)布置方案，降低故障率、保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。同時(shí)，針對(duì)巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且變化較大，彈性波在傳遞過(guò)程中受結(jié)構(gòu)影響，波速變動(dòng)幅度大的問(wèn)題，通過(guò)根據(jù)已知的爆破事件波形，及時(shí)修正波速，一定程度提高了不同巖體洞段內(nèi)微震事件的定位準(zhǔn)確度。

雖然本次試驗(yàn)取得了一定成功，但在工程實(shí)際中仍存在一些問(wèn)題亟待解決。由于現(xiàn)階段數(shù)據(jù)處理需要人工介入，處理結(jié)束后才能根據(jù)結(jié)果進(jìn)行巖爆風(fēng)險(xiǎn)的人工判別，導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果還存在一定的不準(zhǔn)確性，同時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)巖爆風(fēng)險(xiǎn)的自動(dòng)判別和自動(dòng)預(yù)警。在今后的工作中，將在判別指標(biāo)定量化的基礎(chǔ)上，逐步實(shí)現(xiàn)巖爆風(fēng)險(xiǎn)的自動(dòng)判別，在成功引入人工智能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果的進(jìn)一步準(zhǔn)確與巖爆風(fēng)險(xiǎn)的自動(dòng)預(yù)警，提高工程指導(dǎo)的易用性，推動(dòng)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的認(rèn)識(shí)和普及，實(shí)現(xiàn)科研向生產(chǎn)的逐步轉(zhuǎn)變。