基于微震監(jiān)測的深埋隧洞巖爆微震事件時空分布特征研究

林開盛，張蜀豫，焦雨起

(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川成都610041)

近年來，隨著科技進步，微震監(jiān)測技術得到了迅速發(fā)展。在水電站建設領域，嚴波[1]、徐奴文等[2]在猴子巖水電站地下廠房開展了微震監(jiān)測與開挖技術研究，有效提升施工質(zhì)量。于群[3-4]、張文東[5]、胡守斌等[6]在錦屏引水隧洞施工中應用微震監(jiān)測技術，進行了巖爆預測研究。李昂等[7]開展了基于微震技術的烏東德水電站右岸地下廠房巖質(zhì)高邊坡失穩(wěn)預警研究。雷英成等[8]開展了觀音巖水電站大壩混凝土微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理研究。黃志平等[9]在引漢濟渭秦嶺輸水隧洞進行了微震監(jiān)測系統(tǒng)應用研究。張伯虎等[10]在水電廠房塌空區(qū)域建立精度較高的ISS微震系統(tǒng)，通過互聯(lián)網(wǎng)實施遠程控制。

前人對于微震監(jiān)測的應用研究，主要集中在圍巖變形預警方面[11-12]，而對微震事件時空分布特征方面研究較少。本文針對雙江口水電站進廠交通洞巖爆微震事件時空分布特征進行研究分析，識別和圈定進廠交通洞巖爆災害和圍巖穩(wěn)定性的風險區(qū)域，建立基于微震監(jiān)測的巖爆變形預測系統(tǒng)，為其他類似工程提供一定的借鑒。

1 工程概況

雙江口水電站進廠交通洞進口位于左岸飛水巖溝上游側，全長約1 473.10 m，洞底高程2 253.00 m，斷面尺寸11.24 m×8.7 m(寬×高)。洞身圍巖以似斑狀黑云鉀長花崗巖為主，偉晶巖脈發(fā)育，主要裂隙有：J1.N55～80°W/SW∠25～40°、J2.N60～85°E/NW∠65～88°、J3.N20～35°W/NE∠75～86° 3組，上述裂隙面多起伏粗糙。巖體以塊狀結構為主，洞壁潮濕，局部有滴水，考慮高地應力折減后，圍巖類別以Ⅲa類為主，洞壁整體穩(wěn)定性較好。進廠交通洞最大埋深達500 m，最高地應力水平達到38.8 MPa，同時巖體不利結構面發(fā)育，強度應力比偏低，極易出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象。從雙江口水電站進廠交通洞地質(zhì)剖面(圖1)所示，當掌子面推進至樁號(交)1+110～050 m時，進廠交通洞陸續(xù)出現(xiàn)巖爆災害。

圖1 雙江口水電站進廠交通洞地質(zhì)剖面

2 微震監(jiān)測系統(tǒng)實施

2.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)原理及特點

微震監(jiān)測系統(tǒng)(Micro-seismic Monitoring System，MMS)，開發(fā)于20世紀70年代初期，近年來伴隨著科技進步，該系統(tǒng)也得到了長足發(fā)展。其采集信號原理見圖2。

圖2 微震監(jiān)測原理

微震監(jiān)測技術[13]主要特點包括：①能精準確定巖體內(nèi)部破裂的時間、空間和能量釋放強度；②傳感器存活時間長；③可以覆蓋很大的監(jiān)測區(qū)域。

2.2 微震監(jiān)測系統(tǒng)布設

微震監(jiān)測系統(tǒng)主要由軟件和硬件組成[14]。硬件含單軸加速度傳感器、Paladin傳感器連接盒等，軟件含網(wǎng)絡采集軟件、三維可視化分析軟件等。

根據(jù)進廠交通洞的現(xiàn)場施工狀況，將多支加速度傳感器分別安裝在進廠交通洞內(nèi)不同高程，在空間區(qū)域形成網(wǎng)狀結構。通過技術與經(jīng)濟論證，考慮到傳感器挪移的影響，最終確定相鄰傳感器安裝孔斷面距離為40 m，傳感器與掌子面最近的距離應為40～80 m，以同時達到保護儀器與保證監(jiān)測效果的目的。為保證傳感器監(jiān)測效果，從進廠交通洞斷面(交)1+160 m開始布設傳感器安裝孔，共計布設52個傳感器安裝孔，每個斷面布設2只傳感器，分別布設于進廠交通洞左右兩側邊墻(圖3)。

圖3 相鄰斷面間距情況下傳感器斷面與掌子面關系示意

為保證傳感器與巖體黏接牢固、能充分接收巖體應力波信息，傳感器孔深度設為2.5～3.0 m，角度設為30°傾斜向上。為方便傳感器安裝孔布設，安裝孔口與開挖底板保持2.0 m或者3.0 m的距離，同一開挖斷面兩只傳感器安裝孔孔口與開挖底板距離相同，相鄰斷面?zhèn)鞲衅靼惭b孔孔口與底板距離不同，其典型斷面布置見圖4。

a) 安裝孔直徑42 mm b) 安裝孔直徑43 mm圖4 典型傳感器安裝孔布設

2.3 三維可視化地質(zhì)模型

為了提高微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析效果，建立了進廠交通洞三維可視化地質(zhì)模型，見圖5。施工過程中將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至營地處理中心，進而對微震事件波形進行人工定位處理，確定微震事件的震源參數(shù)，然后錄入智慧工程系統(tǒng)，最終利用ESG三維可視化顯示系統(tǒng)展示出微震事件發(fā)生的時間、空間位置及震級大小，實時在線監(jiān)測進廠交通洞巖爆情況。

圖5 雙江口水電站進廠交通洞三維可視化地質(zhì)模型

2.4 巖爆等級判定方法

雙江口水電站巖爆等級判定采用矩震級和日微震事件數(shù)綜合判定[15]，針對出現(xiàn)的微震事件異常增加現(xiàn)象，考慮巖爆等級需提高一級，判定標準見表1。該標準是結合雙江口水電站巖爆微震監(jiān)測結果與現(xiàn)場實際情況校核綜合制定。

表1 巖爆等級判定方法

3 巖爆微震事件時空分布特征研究

雙江口水電站進廠交通洞巖爆微震監(jiān)測系統(tǒng)于2017年8月6日開始進場安裝，經(jīng)過敲擊試驗及調(diào)試后，于8月11日開始正常運行，實現(xiàn)實時監(jiān)測，2018年10月24日完成監(jiān)測任務。該時段內(nèi)進廠交通洞內(nèi)共采集到微震事件1 952個。成功預測31次輕微至中等巖爆，主要集中部位為洞室左拱肩(表2)。

表2 進廠交通洞成功預測巖爆統(tǒng)計

3.1 微震事件時間分布特征分析

2017年8月11日至2018年10月24日微震事件時間分布規(guī)律(圖6)可以看出：該時段內(nèi)進廠交通洞內(nèi)共采集到有效微震事件數(shù)1 952個，其中7個時間段微震事件較多，分別為：①2017年9月11日至9月19日；②2017年9月28日至10月23日；③2017年11月24日至12月10日；④2017年12月20日至12月26日；⑤2018年1月5日至1月10日；⑥2018年1月20日至1月26日；⑦2018年3月23日至4月4日。

7個時段微震活動頻繁，日均微震事件數(shù)大多在15個以上，最高達到32個，其余時間段內(nèi)微震事件數(shù)較少，除少數(shù)單日微震事件數(shù)超過15個的日期外，日微震事件數(shù)均保持在0～10個。結合現(xiàn)場施工情況做出分析：爆破作業(yè)對圍巖有擾動，引起圍巖應力重新調(diào)整，最終導致微震事件。

微震事件矩震級可以揭示圍巖損傷程度，從圖7中可以看出：微震事件矩震級主要分布范圍為-2.7～-0.5，矩震級較低，巖爆等級為輕微至中等。

圖6 微震事件時間分布

圖7 微震事件震級與時間關系

3.2 微震事件空間分布特征分析

2017年8月11日至2018年10月24日微震事件空間分布規(guī)律見圖8，對應微震事件空間密度云見圖9(球顏色代表微震事件震級，顏色越深代表震級越大；球大小代表微震事件能量大小，球越大代表釋放能量越多)。從圖9a、圖9b可以看出進廠交通洞微震事件較為聚集的共有4個區(qū)域：①(交)0+885 m～(交)0+792 m；②(交)0+708 m～(交)0+605 m；③(交)0+571 m～(交)0+486 m；④(交)0+428 m～(交)0+356 m。其中沿進尺方向左側拱肩微震事件更為聚集。

a) 俯視

b) 剖面圖8 微震事件空間分布

a) 俯視

b) 剖面圖9 微震事件密度云

3.2.1第一個微震事件活躍期空間分布特征分析

2017年9月28日至10月23日，共采集到有效微震事件數(shù)339個，主要集中在樁號：(交)0+778 m～(交)0+862 m，且洞室左拱肩比較集中(圖10—12)。

圖10 微震事件空間分布

圖11 微震事件密度云

圖12 微震事件時間分布

其中，9月28日事件數(shù)為20個，10月3日事件數(shù)為22個，10月8日事件數(shù)為23個，10月10日事件數(shù)為15個，10月11日事件數(shù)為32個，10月12日事件數(shù)為20個，10月13日事件數(shù)為21個，10月19日事件數(shù)為16個，10月22日事件數(shù)為31個，其他時間段事件數(shù)保持在1～13個，矩震級偏低，巖爆等級為輕微至中等。最終該段時間內(nèi)成功預測9次輕微至中等巖爆，現(xiàn)場表現(xiàn)為洞室左拱肩連續(xù)大面積掉塊現(xiàn)象。

3.2.2第二個微震事件活躍期空間分布特征分析

2017年11月24日至12月10日，共采集到有效微震事件數(shù)204個，主要集中在樁號：(交)0+605 m～(交)0+661 m，且洞室左拱肩比較集中(圖13、14)。

圖13 微震事件空間分布

圖14 微震事件密度云

其中，11月24日事件數(shù)為16個，11月27日事件數(shù)為18個，11月29日事件數(shù)為17個，12月4日事件數(shù)為20個，12月8日事件數(shù)為21個，12月9日事件數(shù)為16個，其他時間段事件數(shù)保持在4～13個，矩震級偏低，巖爆等級為輕微至中等。最終該段時間內(nèi)成功預測6次輕微至中等巖爆，現(xiàn)場表現(xiàn)為洞室左拱肩連續(xù)掉塊和有裂縫現(xiàn)象。

3.2.3第三個微震事件活躍期空間分布特征分析

2018年1月5日至1月10日，共采集到有效微震事件數(shù)82個，主要集中在樁號：(交)0+518 m～(交)0+533 m，且洞室左拱肩比較集中(圖15、16)。

圖15 微震事件空間分布

圖16 微震事件密度云

其中，2018年1月5日事件數(shù)為16個，1月7日事件數(shù)為22個，1月9日事件數(shù)為23個，其他時間段事件數(shù)保持在5～9個，矩震級偏低，巖爆等級為輕微至中等。最終該段時間內(nèi)成功預測3次輕微至中等巖爆，現(xiàn)場表現(xiàn)為洞室左拱肩較大面積掉塊現(xiàn)象。

3.2.4第四個微震事件活躍期空間分布特征分析

2018年3月23日至4月4日，共采集到有效微震事件數(shù)188個，主要集中在樁號：(交)0+388 m～(交)0+424 m，且洞室左拱肩比較集中(圖17、18)。

圖17 微震事件空間分布

圖18 微震事件密度云

其中，3月23日事件數(shù)為18個，3月24日事件數(shù)為24個，3月29日事件數(shù)為16個，3月30日事件數(shù)為20個，3月31日事件數(shù)為17個，4月1日事件數(shù)為17個，4月3日事件數(shù)為26個，其他時間段事件數(shù)保持在4～13個，矩震級偏低，巖爆等級為輕微至中等。最終該段時間內(nèi)成功預測7次輕微-中等巖爆，現(xiàn)場表現(xiàn)為洞室左拱肩較大面積連續(xù)掉塊現(xiàn)象，部分巖塊有較強烈的彈射現(xiàn)象。

3.3 現(xiàn)場破壞特征

雙江口水電站進廠交通開挖后二次應力分布集中在拱肩、拱腳部位，造成連續(xù)掉塊、墻面開裂、強烈彈射等巖爆現(xiàn)象。通過微震監(jiān)測數(shù)據(jù)集中區(qū)域和現(xiàn)場照片對比發(fā)現(xiàn)，微震監(jiān)測可以很好地預測現(xiàn)場巖爆情況并為調(diào)控現(xiàn)場施工進度和下一步施工計劃提供參考依據(jù)(圖19)。進廠交通洞左拱肩損傷類型主要包括連續(xù)大面積“V”型爆坑、小面積“窩型”爆坑、長裂縫，右拱腳主要為小面積損傷。

a) 左拱肩連續(xù)大面積掉塊

b) 左拱肩小范圍掉塊

c) 左拱肩裂縫

4 結語

通過對進廠交通洞巖爆微震事件時空分布特征進行研究分析，可以得出以下結論。

a) 進廠交通洞微震活動較為頻繁時間段有7個，微震事件較為聚集的區(qū)域有4個，其中進尺方向左側拱肩位置微震事件更為聚集。

b) 成功預測31次輕微至中等巖爆，現(xiàn)場表現(xiàn)為左拱肩連續(xù)大面積掉塊、左拱肩小范圍掉塊、噴混凝土長大裂縫或大方量噴混凝土剝落現(xiàn)象以及右拱腳小范圍損傷。

c) 根據(jù)微震事件聚集區(qū)域，確定洞室局部損傷嚴重區(qū)域，進而反演圍巖應力集中區(qū)域，最后初步預測最大主應力方向，為洞室的下一步開挖和雙江口水電站其他洞室的開挖確定損傷區(qū)域提供參考。