錦屏二級水電站微震監測預報與巖爆特征分析＊

于 群 唐春安 李 宏 李連崇

（大連理工大學巖石破裂與失穩研究中心 大連 116024）

由于西部地區特殊的地質環境，“三高一深”（高壩、高邊坡、高地應力和深卸載裂隙）的地質條件成為各種地質災害的溫床，尤其是高地應力條件下常出現的巖爆現象，往往使得工程機械受損、工作面嚴重損壞，甚至造成人員傷亡［1］．現今，世界各國逐漸把聲發射與微震技術作為一種監測預警手段，確保地下工程及礦井生產安全．微震監測技術已在加拿大［2－3］，南非［4－6］，澳大利亞［7］等國的礦山和地下工程中得到了廣泛應用［8－11］．本文以錦屏二級水電站深埋引水隧洞為研究對象，引進加拿大ESG公司生產的微震監測系統，研究引水隧洞鉆爆法在開挖卸荷過程中對圍巖的影響，對有可能發生巖爆的洞段進行實時監測和分析，以期作出預測預報，并圈定潛在的危險區域，為深埋隧洞后期安全開挖和支護提供一定的參考意見，同時也為礦山地下開采和隧洞深埋的建設提供技術支持和經驗．

1 工程背景

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧3縣交界處的雅礱江干流錦屏大河彎上，是雅礱江干流上的重要梯級電站．水電站穿越錦屏山長隧洞由平行的4條引水隧洞和2條輔助洞組成，并在4＃引水隧洞與輔助B洞之間增設一條排水洞，見圖1．輔助洞洞線長約17．50 km，引水隧洞洞線長約16．67km，施工排水洞長約16．73km．引水隧洞一般埋深為1 500～2 000 m，最大埋深約為2 525m，具有洞線長、埋深大、洞徑大、隧洞多的特點．

圖1 錦屏二級水電站引（排）水隧洞平面圖

2 微震監測技術

2．1 微震監測原理

在外界應力作用下，巖體內部將會產生局部彈性能集

中現象．當能量達到一定程度，就會引起巖體微裂紋的萌生和擴展，同時會伴隨著彈性波的釋放并在巖體內部快速傳播．這種彈性波的地質現象稱為微震（MS）信號．微震監測技術是利用巖體開挖擾動后自身發射出的彈性波來監測工程巖體穩定性的技術方法．這些微破裂以彈性能釋放的形式產生彈性波，并可被安裝在有效范圍內的傳感器接收，而利用多個傳感器接收這種彈性波信息，通過反演方法就可以得到巖體微破裂（微震）發生的時間、位置和強度．根據微破裂的大小、集中程度及破裂密度，則有可能推斷巖石宏觀破裂的發展趨勢．

2．2 微震監測系統組成

該監測項目采用加拿大ESG（Engineering Seismology Group）公司生產的微震監測系統．系統組成見圖2．（1）Hyperion數字信號處理系統，數據儲存和處理設備，用于儲存Paladin轉換完成的數字信號，并配有相關的軟件，兼有數據處理功能；（2）Paladin數字信號采集系統，數據采集設備，用于將傳感器接收到的信號轉換成數字信號；（3）加速度傳感器，信號接收設備，安裝在巖體內，用于接收巖體內微震活動所產生的彈性波，其有效監測范圍在200m以內．

圖2 微震監測系統組成圖

監測設備可對巖體產生的微破裂事件實行全天候24h連續監測．獲得大量微震事件的時空數據、誤差、震級和能量等多項震源信息，并對已采集的數據進行濾波處理，提供用戶震源信息的完整波形和波普分析圖，可自動識別微震事件類型，通過濾波處理、設定閥值及寬帶檢波等技術手段排除噪聲事件．

3 TBM掘進3＃引水隧洞過程中微震活動規律及演化特征

微震事件的時空分布規律和動態遷移特征是用來研究巖石破裂過程的重要參考依據．總體說來聲發射的空間分布主要受巖體局部構造如節理、斷層、褶皺等天然缺陷的影響，這些因素都會對聲發射的空間分布特征起到決定性的控制作用．為及時準確地預測預報巖爆災害，每天要對微震事件的發生時間、具體位置及強度大小等參數進行分析．通過研究不同微震事件的時空分布特點，找出同類型事件的衍生發展規律，預測出潛在的危險區域，以便管理層及時作出相應的支護方案和應對措施．

巖爆發生前，受到隧洞開挖卸荷的影響，微震事件的發生無論從時間還是空間的角度上講，一般都具有明顯的規律和特征．以2011年2月11日發生的強烈巖爆事件為例（見圖3），來解釋巖爆發生前微震活動的演化規律及特征．其中圓球代表微震事件，球的大小代表能量，灰度代表震級．發生強烈巖爆的前6d，如圖3a）所示，2月5日TBM進尺6m，在此期間發生的微震事件較少，事件集中程度不高，圍巖屬正常的應力調整狀態；2月6日～7日（見圖3b）），TBM進入全斷面開挖階段，共計進尺11m，隨著TBM的向前推進，微震數量有突增的趨勢，且分布較為密集，說明圍巖內部破裂程度較大，在掌子面附近北側拱肩處有局部塌方發生．2月8日～9日（見圖3c）），TBM共計進尺14m，掌子面北側邊墻附近產生的微震事件數量較多，集中程度較高且事件震級較大，局部塌方持續發生，位置由拱肩處逐步擴展到邊墻處．2月10日（見圖3d）），TBM進尺13m，在掌子面后方約25m處北側邊墻產生的微震事件數量持續增多，集中程度持續增高，有個別事件震級較大且能量較高，北側邊墻偶爾發出清脆的破裂聲．11日凌晨03：00，在樁號為引（3）9＋637～675（此時掌子面的位置為引（3）9＋637）的范圍內發生強裂巖爆，主要以北側拱肩至邊墻為主，巖爆沿洞軸線長度約40m．爆坑最大深度達到1m（見圖4a）），有明顯的結構面痕跡，主要以拉－剪混合破壞為主，有大量片幫和碎石垮落，TBM刀盤卡住，北側拱肩處鋼筋網被拉斷，且支護錨桿遭到破壞（見圖4b））．在接下來的10d內，樁號為引（3）9＋652～603范圍內發生8起巖爆事件，巖爆等級從輕微至強烈不等，其中發生輕微巖爆1次、中等和較強巖爆各3次、強烈巖爆1次．

圖3 3＃引水隧洞強烈巖爆孕育過程中的微震事件時空分布圖

圖4 發生巖爆時的現場情況

從以上分析可以看出，隨著TBM的向前掘進，每次發生巖爆前，巖石內部的微震事件都具有一定的規律和特征．而通過這些事件活動的特征，就有可能提前判斷出發生巖爆的具體位置和等級．在第一時間為施工和設計人員提供相關資料，以采取有效的應對措施，確保人員和設備的安全．

4 結 論

1）錦屏二級水電站3＃引水隧洞的監測結果表明，微震監測系統可監測到巖石微破裂的前兆信息：如震源位置、強度、能量和震級等參數，對發生巖爆初期的預測預報具有重要的參考依據．

2）在TBM掘進過程中，微震事件在空間上的分布程度，由隨機離散狀態轉變為局部相對集中狀態，產生微震事件的數量有逐漸增多的趨勢，或有能量和震級均較大的微震事件產生．這是巖爆臨近的特征．

3）從發生的距離上講，巖爆位置緊隨掌子面的變化而變化，一般發生在距離掌子面40m的范圍內．

4）從發生的時間上看，發生巖爆主要在開挖后幾小時或幾天內不等，雖然發生的位置有可能被提前判定，但是準確的發生時間仍然難以預測．

雖然某些類型巖爆具有明顯的前兆特征，某種程度上具有可預測性；但由于受到工程地質、施工條件、支護措施等多方面復雜因素的影響，并不是所有巖爆都具有規律可循，提高巖爆預測的準確程度有待于提高．

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