基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的巖爆特征研究

李立民 唐烈先 魏軍政 趙力 王家明 李玉波

摘?要：秦嶺輸水隧洞越嶺段巖石掘進(jìn)機(jī)法施工過(guò)程中多次出現(xiàn)巖爆風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)施工人員和設(shè)備安全產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅。采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行巖爆預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，通過(guò)分析微震事件分布特征、頻次特征、震級(jí)特征等，建立了基于能量指標(biāo)的巖爆判別方法，工程實(shí)例表明整體準(zhǔn)確預(yù)測(cè)率超過(guò)80%。結(jié)果表明，深埋硬巖隧洞中巖爆風(fēng)險(xiǎn)是完全可以預(yù)測(cè)的，對(duì)于中等及以上巖爆預(yù)測(cè)效果更加顯著，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果采取相應(yīng)的預(yù)防措施，可在一定程度上降低巖爆的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：隧洞;巖爆;微震監(jiān)測(cè);防治措施;引漢濟(jì)渭工程

中圖分類號(hào)：TV672;U459.6?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.016

Abstract： The risk of rock burst appeared repeatedly and had posed a serious threat to personnel and equipment safety in the tunnel boring machine （TBM） construction process of the summit section of Qinling water conveyance tunnel. In this paper microseismic monitoring technology was used for prediction of rock burst. Through analyzing the distribution， frequency and moment magnitude characteristics of microseismic events， the method to judge rock burst was established based on energy index. And in the engineering project the overall accurate prediction rate was more than 80%. The results show that rock burst is predictable in the deep and hard rock tunnel， and the effect is more significant for medium and above rock burst. According to the predicted results， the risk of rock burst can be reduced to a certain extent through adopting the corresponding preventive measures.

Key words： tunnel; rock burst; micro-seismic monitoring; control measures; Hanjang-to-Weihe River Water Diversion Project

引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞越嶺段穿越秦嶺山脈和主峰山體，洞線長(zhǎng)81.779 km，上覆巖體埋深大于1 100 m，最高達(dá)2 012 m，地質(zhì)條件復(fù)雜。正在掘進(jìn)的嶺南TBM施工段和4號(hào)施工支洞先后遭遇多次中等-強(qiáng)烈?guī)r爆，伴隨爆裂、松脫、剝落或拋擲現(xiàn)象，甚至多次出現(xiàn)大面積垮塌，對(duì)施工人員、設(shè)備安全造成嚴(yán)重威脅。

巖爆受巖體結(jié)構(gòu)、施工參數(shù)等諸多因素的影響，其預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)相當(dāng)困難，尚缺乏統(tǒng)一的成熟理論和方法，目前主要有基于特殊地質(zhì)現(xiàn)象的宏觀預(yù)測(cè)法、巖石力學(xué)判據(jù)預(yù)測(cè)法、非線性科學(xué)理論預(yù)測(cè)法、數(shù)值模擬法、聲發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法、電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)法及微震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)法等[1]。張政輝等[2]通過(guò)室內(nèi)巖石加卸載試驗(yàn)，探討分析了巖石在不同應(yīng)力狀態(tài)下破壞形式與巖爆的關(guān)系。何滿潮等[3]通過(guò)開展基于巖爆試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)的真三軸巖石試驗(yàn)，研究了巖石在不同應(yīng)力狀態(tài)下的變形和強(qiáng)度特征及巖爆現(xiàn)象。李天斌等[4]選取最具巖爆傾向的相似材料開展物理模擬試驗(yàn)，成功再現(xiàn)了巖爆的發(fā)生過(guò)程及發(fā)生機(jī)制。

近年來(lái)，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在硬巖礦山安全監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮了重要作用，國(guó)內(nèi)眾多院校和科研院所先后引入微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。馬天輝等[5-7]在錦屏二級(jí)水電站深埋長(zhǎng)大隧洞群首次引入微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行巖爆監(jiān)測(cè)，在TBM開挖隧洞的巖爆預(yù)測(cè)方面得到了較好的應(yīng)用。趙周能等[8-9]對(duì)TBM和鉆爆法開挖的隧洞微震特性和巖爆風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了相關(guān)研究，在新建川藏鐵路巴玉隧道工程、烏東德水電站地下廠房工程、巴基斯坦NEELUM-JHELUM水電站引水隧洞工程、大渡河猴子巖水電站地下洞室群工程中進(jìn)行了工程應(yīng)用。在引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞嶺南4號(hào)支洞及主洞接應(yīng)段等運(yùn)用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了隧洞開挖巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，取得了較好的監(jiān)測(cè)結(jié)果[10-12]。

本文通過(guò)對(duì)前期的微震監(jiān)測(cè)工作進(jìn)行歸納總結(jié)，結(jié)合特定巖性條件下微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提出巖爆等級(jí)判別方法，以便提前采取合理有效的防治措施，避免和減輕巖爆災(zāi)害對(duì)施工造成的影響。

1?工程概況

秦嶺隧洞嶺南TBM施工段起止樁號(hào)為K28+085—K37+011.5，設(shè)計(jì)斷面為圓形斷面，橫斷面開挖直徑為8.02 m。施工區(qū)位于嶺南高中山區(qū)，山高坡陡，地形起伏不平，最大高差為940 m，洞室埋深為510～1 450 m，沿大里程方向呈單面下坡，坡降為0.04%。

圍巖以花崗巖為主，石英巖次之。石英巖分布于樁號(hào)K28+085—K28+630段，灰白色，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石等，細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石單軸抗壓強(qiáng)度為81～216 MPa;花崗巖分布于樁號(hào)K28+630—K37+011.5段，灰白色，主要礦物成分為斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英和少量黑云母及角閃石，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀結(jié)構(gòu)，巖石單軸抗壓強(qiáng)度為96～242 MPa。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖長(zhǎng)度分別為8251.5、645.0、30.0 m。區(qū)內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育，巖石完整新鮮，地下水局部發(fā)育基巖裂隙水，但總體不發(fā)育，屬貧水區(qū)。嶺南TBM施工主洞工區(qū)圍巖工程地質(zhì)分段評(píng)價(jià)見(jiàn)表1。通過(guò)地質(zhì)分析可以看出，區(qū)內(nèi)地質(zhì)情況存在3個(gè)突出特點(diǎn)：①長(zhǎng)距離花崗巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬;②埋深大，地應(yīng)力大;③地下水不發(fā)育。

2?微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置方案

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠定位微震事件并確定其級(jí)別，主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和主機(jī)3部分構(gòu)成，布置方案如圖1所示。單工作面采用6個(gè)傳感器，從距離掌子面50 m處開始布置，左右側(cè)壁各布置3個(gè)，間距50 m，孔深為3 m以上，通過(guò)電纜將傳感器采集到的微震信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)采集儀。將數(shù)據(jù)采集儀懸掛于掌子面后100 m以外較為安全的洞壁，減少開挖震動(dòng)對(duì)設(shè)備的損壞，同時(shí)需要防塵、防水，通過(guò)光纜將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉赐庵鳈C(jī)。為便于數(shù)據(jù)處理和遠(yuǎn)程傳輸并延長(zhǎng)使用壽命，將主機(jī)置于洞外，通過(guò)光纜與洞內(nèi)數(shù)據(jù)采集儀連接。

3?微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

樁號(hào)K33+870—K34+353和K34+353—K35+150段TBM法工作面微震事件分布特征、頻次特征、震級(jí)特征見(jiàn)圖2～圖4。

樁號(hào)K33+870—K34+353段TBM工作面共采集到有效微震事件2 429次，由圖2（a）可以看出，震級(jí)較強(qiáng)、能量較大微震事件主要分布于K33+870—K34+300范圍內(nèi)，其余洞段微震事件數(shù)量較多，但震級(jí)和能量較小。

由圖3（a）可以看出，在TBM停機(jī)檢修期間（2017年11月12日—12月10日）采集到的有效微震事件很少，其余時(shí)間微震總體活躍性較高。由圖4（a）可以看出，多數(shù)矩震級(jí)在0.0～2.5級(jí)之間，部分達(dá)到2.5～3.0級(jí)。

樁號(hào)K34+353—K35+150段TBM工作面共采集到有效微震事件462次，由圖2（b）可以看出，震級(jí)較強(qiáng)、能量較大微震事件主要分布于K34+730—K34+820范圍內(nèi)，其余洞段微震事件數(shù)量較多，但震級(jí)和能量較小。K34+820—K34+900范圍內(nèi)工作面共采集到有效微震事件80次，震級(jí)和能量較大，其余洞段微震事件較少，微震活躍性較低，不具明顯巖爆特征。

由圖3（b）可以看出，2018年2月15—17日采集到的有效微震事件較少，其余時(shí)間的微震較K33+870—K34+353段活躍性低。由圖4（b）可以看出，多數(shù)矩震級(jí)在1.0級(jí)以下，部分在1.0～2.0級(jí)之間，少量超過(guò)2.0級(jí)。

4?基于微震監(jiān)測(cè)結(jié)果的巖爆判別

通過(guò)對(duì)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析，考慮到巖爆對(duì)TBM法施工隧洞的危害程度、危害方式及巖爆的主要表現(xiàn)特征，建立以單位時(shí)間微震事件的能量為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)判別方法，通過(guò)量化的能量值對(duì)巖爆等級(jí)進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)。微震矩震級(jí)指標(biāo)與能量存在相關(guān)關(guān)系，一般能量越大，矩震級(jí)越大。在嶺南TBM工區(qū)發(fā)生巖爆災(zāi)害時(shí)，對(duì)微震事件的能量特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)表2。

進(jìn)行巖爆判別時(shí)，原則上24 h內(nèi)有效微震事件數(shù)量應(yīng)達(dá)到20個(gè)，其中若達(dá)到同一等級(jí)能量的微震事件數(shù)在3個(gè)以上則判定為對(duì)應(yīng)等級(jí)的巖爆，即：3個(gè)以上微震事件能量在10～100 kJ之間，則判定為輕微巖爆;3個(gè)以上微震事件能量在100～1 000 kJ之間，則判定為中等巖爆;3個(gè)以上微震事件能量在1 000～5 000 kJ之間，則判定為強(qiáng)烈?guī)r爆;3個(gè)以上微震事件能量>5 000 kJ，則判定為極強(qiáng)巖爆。為保證施工人員和設(shè)備安全，判別巖爆等級(jí)時(shí)采取就高不就低的原則，見(jiàn)表3。

2017年9月8日—2018年3月31日，經(jīng)統(tǒng)計(jì)嶺南TBM工區(qū)共發(fā)生了99次不同等級(jí)的巖爆災(zāi)害，其中98次進(jìn)行了提前預(yù)測(cè)，包括86次巖爆等級(jí)預(yù)測(cè)較準(zhǔn)確，1次預(yù)報(bào)等級(jí)偏低，11次預(yù)報(bào)等級(jí)偏高，另外1次因網(wǎng)絡(luò)故障而無(wú)法傳輸數(shù)據(jù)，未能提前預(yù)測(cè);2018年4月1日—9月30日，經(jīng)統(tǒng)計(jì)共發(fā)生了118次不同等級(jí)的巖爆災(zāi)害，其中107次進(jìn)行了提前預(yù)測(cè)，包括63次巖爆等級(jí)預(yù)測(cè)較準(zhǔn)確，4次預(yù)報(bào)等級(jí)偏低，40次預(yù)報(bào)等級(jí)偏高，5次因網(wǎng)絡(luò)故障或設(shè)備故障而未提前預(yù)測(cè)，6次正常監(jiān)測(cè)未能提前預(yù)測(cè)，對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

可以看出，兩個(gè)時(shí)間段共發(fā)生217次巖爆，其中205次提前進(jìn)行了預(yù)測(cè)，提前預(yù)測(cè)率均超過(guò)90%。2017年9月8日—2018年3月31日微震系統(tǒng)剛引入TBM工作面階段，預(yù)測(cè)巖爆的等級(jí)比實(shí)際發(fā)生巖爆等級(jí)偏高的次數(shù)為11次，占11.1%;2018年4月1日—2018年9月30日針對(duì)可能發(fā)生的巖爆采取了相應(yīng)的支護(hù)措施，預(yù)測(cè)巖爆的等級(jí)比實(shí)際發(fā)生巖爆等級(jí)偏高的次數(shù)為40次，占33.9%，相比初始階段降低了巖爆破壞程度。

5?結(jié)?論

對(duì)引漢濟(jì)渭工程嶺南TBM掘進(jìn)工作面開展了基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究工作，主要得出如下結(jié)論：

（1）在以花崗巖為主的深埋硬巖隧洞中，結(jié)合微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，大多數(shù)巖爆風(fēng)險(xiǎn)是可以預(yù)測(cè)的，尤其對(duì)于中等及以上巖爆預(yù)測(cè)效果更加顯著。

（2）建立了基于能量指標(biāo)的微震預(yù)測(cè)巖爆判別方法，工程實(shí)例表明該方法應(yīng)用效果良好，但受巖體性質(zhì)、開挖方法、支護(hù)參數(shù)的影響，在實(shí)踐中仍需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與修正。

（3）預(yù)測(cè)結(jié)果可為設(shè)計(jì)和支護(hù)提供重要參考，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果采取相應(yīng)的預(yù)防措施可在一定程度上降低巖爆的風(fēng)險(xiǎn)。

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【責(zé)任編輯?張華巖】