那板水庫引水隧洞塌方災(zāi)害微震監(jiān)測與預(yù)警

馮思寧，藍 蘭，韋君恩，黃京華

（1.廣西壯族自治區(qū)水利廳那板水庫管理中心，廣西 上思 535500；2.廣西大學(xué)，南寧 530004）

1 工程概況

廣西上思縣那板水庫位于左江支流明江河上游，壩址距上思縣城4 km，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電、城鎮(zhèn)供水、養(yǎng)殖等綜合利用的大（2）型水利工程。新建1#灌溉發(fā)電放水系統(tǒng)引水隧洞是那板水庫除險加固工程的關(guān)鍵性控制工程。該隧洞分為隧洞進口漸變段、進口段、中間段及出口段，全長500 m。隧洞進口漸變段緊接放水塔，長5.0 m；隧洞段長495 m，隧洞起點底高程201.00 m，終點底高程197.486 m；隧洞出口位于北灌渠渠首放水閘旁。隧洞為圓型斷面，襯砌后斷面直徑為3 m。隧洞開挖采用手風(fēng)鉆鉆孔爆破，全段面開挖[1]。

2 微震監(jiān)測的技術(shù)特點

擬建輸水隧洞沿線共發(fā)育2組背斜、1組向斜與2 條斷層，巖層產(chǎn)狀變化較大。隧洞進口漸變段圍巖為Ⅴ類，進出口段圍巖為Ⅴ類，洞身圍巖為Ⅳ～Ⅴ類。隧洞位于地下水位以下，洞身地下水以線狀流水為主，除洞身弱風(fēng)化石英砂巖段為Ⅳ類圍巖外，其余均為Ⅴ類圍巖，隧洞施工過程中容易發(fā)生塌方地質(zhì)災(zāi)害[2]。塌方地質(zhì)災(zāi)害一旦發(fā)生，易導(dǎo)致人員傷亡、施工設(shè)備損毀、工期延誤等嚴重安全事故，為此，需加強隧洞圍巖穩(wěn)定監(jiān)測。常規(guī)監(jiān)測主要針對圍巖變形，但圍巖變形監(jiān)測不適用于圍巖失穩(wěn)前變形較小的情形，無法有效獲取變形監(jiān)測設(shè)備安裝前的圍巖變形，當(dāng)圍巖已經(jīng)發(fā)生嚴重破裂變形后量測儀器才能發(fā)揮作用，無法實時提供監(jiān)測與預(yù)警信息等。近年來，一種被喻為“巖石破裂聽診器”的微震監(jiān)測新技術(shù)日益受到巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域?qū)W術(shù)界與工程界的關(guān)注。微震監(jiān)測通過在隧洞內(nèi)部布置一定數(shù)量的微震傳感器，探測并實時記錄巖體中微破裂產(chǎn)生的彈性波，利用算法對其特征參數(shù)進行分析并作出評估，進而為災(zāi)害預(yù)報和控制提供依據(jù)的監(jiān)測技術(shù)[3]。它具備以下優(yōu)點：

（1）圍巖破裂過程的時間感知。微震信號是硬脆性巖石破裂過程中伴隨產(chǎn)生的一種微震動信號，系統(tǒng)頻帶范圍達到10～5 kHz，既保證了全隧洞范圍的微震監(jiān)測，又能對重點掌子面開挖區(qū)域進行強化監(jiān)測，并確保對監(jiān)測到的微震信號有高的線性度。通過微震監(jiān)測軟件進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，對微震信號進行除噪，獲取真實巖體破裂微震信號。

（2）圍巖破裂位置的空間感知。通過微震監(jiān)測設(shè)備可手動（自動）撿取通道信息進行震源定位，并可顯示震源在圖上的位置，及自動計算震動能量。震源定位點、能量可精確地顯示在微震事件的空間分布與輻射能圖中，可在圖中放大和平移，方便觀察震動源點。

（3）圍巖破裂的劇烈程度感知。微震監(jiān)測能夠直接反映隧洞圍巖內(nèi)部破裂過程，通過數(shù)據(jù)分析，可以得到巖體微破裂的發(fā)展趨勢，聚集程度以及能量釋放大小，能對潛在或是即將發(fā)生的圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象進行提前有效預(yù)警。

（4）圍巖破裂失穩(wěn)的實時預(yù)知。微震監(jiān)測系統(tǒng)的高頻采樣率以及P 波和S 波的全波形實時顯示，使得對微震信號的頻譜分析和事件的判別直觀方便，實現(xiàn)全天候24 小時不間斷的連續(xù)化、數(shù)字化及自動化。

3 塌方微震監(jiān)測與預(yù)警的技術(shù)要點

采用廣西大學(xué)微震監(jiān)測系統(tǒng)進行該隧洞圍巖塌方微震監(jiān)測。微震監(jiān)測與預(yù)警的主要流程包括設(shè)備安裝、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、設(shè)定預(yù)警管理等級及其預(yù)警信息發(fā)布[4]。

3.1 設(shè)備安裝

該隧洞采用鉆爆法開挖，為避免傳感器因爆破波損壞，傳感器布置時須距離開挖掌子面一定距離。此外，為了實現(xiàn)震源三維定位，傳感器布置在空間上需盡可能錯開。該隧洞布置了5 個傳感器，相鄰傳感器相距10 m，傳感器鉆孔深度0.5～1.0 m，鉆孔直徑約為安裝傳感器直徑的1.5倍。微震傳感器列陣布置示意圖見圖1。

當(dāng)掌子面向前推進時，需將距離掌子面最遠的探頭如探頭e移動到距離掌子面最近的探頭如探頭a 前方10 m 處，使得傳感器與掌子面的距離基本保持不變，這樣的列陣布置方案，不僅有利于解決圍巖破裂微震信號的空間衰減問題，而且有利于提高震源空間定位精度，并實現(xiàn)圍巖破裂微震信號的無間斷連續(xù)監(jiān)測。

3.2 數(shù)據(jù)采集

微震監(jiān)測探頭緊跟著掌子面掘進而向前移動，24 小時不間斷監(jiān)測隧洞施工過程中掌子面附近巖體破裂活動。采用8個傳感器同時進行微震信號采集，通過2 芯線傳至鋪設(shè)在與隧洞軸線平行的8 芯線，經(jīng)8芯線傳至隧洞洞口的數(shù)據(jù)采集儀，通過無線網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)傳輸至隧洞附近的微震監(jiān)測工作室的服務(wù)器（見圖2）。最后，通過互聯(lián)網(wǎng)將微震數(shù)據(jù)傳輸至廣西大學(xué)微震智慧監(jiān)測云平臺，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程隨時隨地獲取與云平臺智能自動分析。

3.3 數(shù)據(jù)分析

對原始的微震信號進行環(huán)境噪聲濾除處理，獲取真實巖體破裂微震信號。基于動態(tài)更新的隧洞分組速度模型，采用陣列外破裂源定位方法快速準(zhǔn)確地對每個巖體破裂微震事件進行定位，獲取每個微震事件發(fā)生的時間和空間位置。計算微震事件的震源參數(shù)，包括微震釋放能、視體積、地震矩、矩震級、累計微震事件數(shù)、累計微震釋放能、累計視體積、微震事件數(shù)率、微震釋放能率和微震視體積率等，分析其時空演化特征與規(guī)律。

3.4 設(shè)定預(yù)警管理等級

綜合考慮那板水庫引水隧洞微震活動空間分布特征、開挖擾動區(qū)域和施工方案特點，將掌子面后方5倍洞徑的塌方高風(fēng)險區(qū)域作為預(yù)警區(qū)域。提取預(yù)警區(qū)域內(nèi)微震活動特征參數(shù)，特征參數(shù)的選取需考慮破裂活動活躍程度、破裂微震源特性以及破裂活動時效特征，由此建立適用于本工程特點的基于微震監(jiān)測的圍巖塌方風(fēng)險等級。

3.5 預(yù)警信息發(fā)布

（1）塌方高風(fēng)險事件自動報警。智慧微震預(yù)警云平臺的計算機程序可自動濾除現(xiàn)場爆破信號、施工機械等噪音，自動判別是否出現(xiàn)高塌方風(fēng)險等級情況；現(xiàn)場監(jiān)測人員須24 h打開微震預(yù)警手機移動端App以隨時接受預(yù)警信號。

（2）塌方高風(fēng)險事件復(fù)核。接到App 報警后，后方監(jiān)測人員迅速復(fù)核預(yù)警信號是否來源于巖石破裂、巖石破裂發(fā)生位置和塌方風(fēng)險。

（3）塌方預(yù)警信息發(fā)布。塌方高風(fēng)險事件一旦復(fù)核通過，監(jiān)測人員打開現(xiàn)場聲光報警燈，及時通知現(xiàn)場施工人員迅速撤離，并通過手機通話或手機短信，立即通知現(xiàn)場施工負責(zé)人、現(xiàn)場施工監(jiān)理和項目技術(shù)負責(zé)人。若24 h內(nèi)無塌方高風(fēng)險事件，則以日報的形式發(fā)布預(yù)警結(jié)果。

（4）塌方后返工時間確定。當(dāng)微震監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)3 h不再出現(xiàn)具有塌方高風(fēng)險事件，監(jiān)測人員通知現(xiàn)場施工總負責(zé)人、現(xiàn)場總監(jiān)理和項目總工程師，為現(xiàn)場工人返洞復(fù)工的時間點確定提供科學(xué)依據(jù)。

4 工程應(yīng)用效果

2021 年4 月至2022 年4 月隧洞開挖貫通，共發(fā)生了4 次小規(guī)模塌方事件，現(xiàn)場施工人員均能及時撤離，無一次安全事故發(fā)生，微震監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)在安全施工中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。以下為其中的兩個塌方成功預(yù)警案例。

4.1 案例1

2021 年6 月4 日07：11，微震信號開始活躍（見圖3），手機App自動報警提示S0+142.5開挖斷面附近可能有塌方高風(fēng)險事件，監(jiān)測人員對預(yù)警信息進行復(fù)核后，及時通知了現(xiàn)場施工人員迅速撤出。截至4 日中午13：00，微震監(jiān)測系統(tǒng)波形趨于平穩(wěn)，無明顯起伏段，工人可返回洞中進行塌方處加固以及后續(xù)處理。事后查明，該次塌方發(fā)生在掌子面后方1 m 范圍，圍巖為紫紅色泥巖，埋深約56 m，其中上覆砂巖層厚度28 m，上覆紫紅色泥巖層厚度28 m，為泥巖埋深最深段，巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育，為Ⅴ類圍巖。塌方發(fā)生的控制因素為開挖至泥巖與砂巖交界處發(fā)育一條充填巖性交界面，因卸荷作用而產(chǎn)生的塌方。掌子面上側(cè)拱肩至拱頂發(fā)生的塌方坑，此次塌方坑為淺窩狀，爆坑平均深度約為0.2 m，塌方體積達1.2 m3（見圖4）。

4.2 案例2

2022年3月31日07：15，微震信號開始活躍（見圖5），手機App自動報警提示掌子面附近可能有塌方高風(fēng)險事件，監(jiān)測人員對預(yù)警信息進行復(fù)核后，及時通知了現(xiàn)場施工人員迅速撤出。截至31 日中午12：00，微震監(jiān)測系統(tǒng)波形趨于平穩(wěn)，無明顯起伏段，工人可返回洞中進行塌方處加固以及后續(xù)處理。事后查明，隧洞下游出口段S0+163.49 開挖斷面掌子面后方2 m范圍的圍巖發(fā)生了中等塌方事件（見圖6），附近圍巖處于J1b1-3巖組，主要為黃色弱風(fēng)化砂巖，夾雜少量紅褐色泥巖，巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育，屬Ⅳ類圍巖。

5 結(jié)論

針對目前淺埋隧洞微震監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗較少的問題，提出了適用于淺埋隧洞鉆爆法施工的微震監(jiān)測系統(tǒng)和技術(shù)方法，給出了適用于Ⅳ、Ⅴ類圍巖的微震監(jiān)測傳感器陣列布置的優(yōu)化方案，實現(xiàn)了隧洞風(fēng)險區(qū)域巖體微震活動的全天候?qū)崟r監(jiān)測，取得了良好成果。微震監(jiān)測技術(shù)所監(jiān)測的對象是隧洞圍巖內(nèi)部的變化，是直接對圍巖本身的損傷進行監(jiān)測，而非間接地通過觀測支護的位移或受力判斷圍巖是否有失穩(wěn)的可能，具有直接、實時、準(zhǔn)確的特點。那板引水隧洞圍巖塌方預(yù)警，是微震技術(shù)在廣西水利工程中的首次應(yīng)用。工程實踐表明，淺埋隧洞塌方災(zāi)害的微震監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)是可行、可靠的，應(yīng)用效果良好，具有推廣應(yīng)用價值與廣泛工程應(yīng)用前景。