深埋硬巖隧洞微震監測及微震活動特征分析

于群，唐春安，李連崇，馬天輝，唐烈先

(1.大連理工大學巖石破裂與失穩研究所，遼寧大連116024;2.遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧鞍山114051)

隨著礦山開采及地下工程建設的逐步擴大，越來越多的深埋長大隧道進入施工期，進而帶來諸多深部巖石力學問題，其中尤以巖爆最為突出。巖爆不僅破壞地下工程結構，損壞生產設備，而且嚴重威脅人身安全，已成為我國未來深部地下工程中的一大技術瓶頸問題。目前，已有許多研究方法試圖去預測巖爆的發生，包括微重力法、回彈法、鉆屑法、電磁輻射法、聲發射法等。盡管上述方法均被廣泛采用，但成功運用到實際工程的案例幾乎很少［1］。

近年來，作為一種先進的空間三維巖體微破裂監測技術—微震監測技術得到了迅速發展，利用微震監測對巖石力學性能及其穩定性進行系統化研究也越來越受到重視。唐禮忠［2］將南非ISS微震監測系統引入到冬瓜山銅礦中，針對深井硬巖礦山中的巖爆問題，利用地震學參數研究了礦山地震活動時空特征及其與采礦活動的相應關系，對圍巖的穩定性做出初步評價。楊天鴻等［3-4］基于石人溝鐵礦為研究實例，通過微震監測和ANSYS建立的力學模型，研究了采礦過程中微震活動與圍巖穩定性之間的關系。徐奴文等［5-6］以錦屏一級左岸邊坡為工程依托，結合微震監測和數值模擬手段，探討了微震活動空間演化規律誘發的巖質邊坡破壞過程及整體失穩模式。上述研究成果對微震監測系統在解決礦山地壓和邊坡穩定性方面做了積極的探索，微震監測已逐步作為巖體穩定性和安全性評價的重要手段。

錦屏二級水電站輔助A洞在施工過程中，飽受巖爆災害的威脅。據統計，在里程為 K13+624～K16+409洞段，累計洞段發生巖爆長度占總開挖長度的18%以上，造成了嚴重的人員傷亡及巨大的經濟損失［7］。因此，本文以錦屏二級水電站3#引水洞為例，對地下硐室巖體破壞過程中產生的微震信號進行處理、分析。結合現場地質條件和開挖特點，通過微震活動時空強分布、微震事件密度及微震能量密度監測參數，對地下巖體強度損傷區進行圈定。結合地震學理論，分析微震事件b值變化特征，提前判定受損巖體具有巖爆傾向性的區域并對其進行預警，實現地下硐室巖體穩定性動態分析及控制，確保人員設備安全及工期順利進行。

1 錦屏水電站深埋引水洞微震監測

1.1 工程地質概況

錦屏二級水電站位于四川省雅礱江干流錦屏大河彎上，系利用雅礱江150 km長大河彎的天然落差，采用截彎取直引水發電，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相互平行的7條隧洞組成:4條引水洞、1條排水洞及2條輔助洞，洞群布置圖如圖1所示。

圖1 錦屏二級水電站地下硐室群分布圖Fig.1 Underground tunnels layout of Jinping-II project

引水洞洞線長約 16.67 km，最大埋深達到2 525 m，深埋超 1 500 m的洞段長度占總長的75.7%～75.9%。全斷面巖石隧道掘進機(tunnel boring machine，TBM)施工段主要以白山組大理巖和鹽塘組大理巖為主，工程區內構造線以NNE走向控制，結構面發育豐富，斷層、褶皺和裂隙居多。最大主應力、中間主應力和最小主應力均隨埋深增加而增大，最大主應力達70 MPa，巖石堅硬完整，圍巖以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主。

1.2 微震監測原理

當巖體受工程擾動時，必然會引起圍巖應力的集中或轉移，造成圍巖局部彈性能集中現象。當能量積累到一定程度時，就會在巖體內部產生許多細小的微裂紋，這些微裂紋會以彈性能釋放的形式產生彈性波(這種彈性波在地質上稱為微震)，并可被傳感器接收。利用多個傳感器接收這種彈性波信息，將波形信息經數據采集系統轉換成數字信號，借助專業化的數據處理軟件，通過反演方法就可以得到巖體中微震事件發生的時間、位置和量級，即地球物理學中所謂的“時、空、強”三要素，微震事件定位原理如圖2所示。

圖2 微震事件定位原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of principle of microseismic location

1.3 微震監測系統組成

錦屏二級深埋隧洞微震實時監測系統見圖3。

圖3 錦屏水電站3#引水洞微震監測系統的組成Fig.3 Microseismic monitoring system for 3#diversion tunnel in Jinping Hydropower Station

系統主要由Paladin數字信號采集系統、Hyperion數字信號處理系統、加速度傳感器、數據通訊調制解調器、電纜光纜及基于遠程無線網絡傳輸的MMS-View三維可視化軟件組成。數據采集儀以陣列形式安裝在掌子面南北墻的拱肩處。首先，在距離掌子面后方約50 m處布置2個傳感器，且傳感器間間隔也為50 m。TBM每推進50 m時，位于掌子面最后方的2個傳感器向前跟進至距掌子面50 m處，以此循環，實現微震監測系統緊跟掌子面協同工作，達到微震實時監測的目的。

2 微震監測數據分析

2.1 微震監測區域的選取

錦屏二級3#引水隧洞監測洞段平面圖如圖4所示。該洞段埋深在2 250 m左右，最大主應力達65 MPa，因此屬于高埋深高地應力區。巖性為T2b灰～灰白色致密厚層狀結晶大理巖，圍巖硬而脆且以Ⅱ～Ⅲ類為主，完整性好。實測巖體巖爆傾向性指數Wet在1.32～5.8，反映了沿洞軸線的巖石具有高儲能性質［8］。因此，結合上述地質條件及巖性特點，該洞段已具備發生巖爆的必備條件。

圖4 3#引水洞微震監測區域平面圖Fig.4 Plane graph of microseismic monitoring zone in 3#diversion tunnel

2.2 微震活動與TBM開挖速率的關系

2011年2月TBM開挖進度、微震事件活動率與時間分布對應關系如圖5所示。總體而言，微震活動率隨TBM開挖速度的增加而增大，反之減小。但由于巖石的非均勻性和各向異性特征，即使是相同的地質條件和施工情況，這種關系并不是成比例變化。因此，在微震活動較活躍、能級釋放較大的洞段，采用短進尺、降低TBM掘進速度甚至臨時叫停的方法，使圍巖的二次應力場和應力集中現象得到充分調整，可達到降低巖爆風險的目的。

圖5 TBM掘進開挖速率、微震事件活動率與時間關系Fig.5 Relationship chart between TBM excavation footage，events rate and time

2.3 微震活動隨TBM開挖過程的時空強分布

TBM開挖過程中微震活動的時空強分布情況如圖6所示，其中圓球的顏色代表局部震級，大小代表微震輻射能量。

圖6 TBM掘進3#引水洞微震活動的時空強分布情況Fig.6 Spatio-temporal distribution of microseismic events during excavation for 3#diversion tunnel

圖6(a)和圖6(c)由于圍巖受施工開挖擾動影響較小，低能量小震級的微震事件偏多，且分布較為離散，因此發生巖爆的概率較低。而圖6 (b)即2月6日～11日，微震事件在工作面附近聚集，微震數量和釋放能量有增加趨勢，發生強巖爆的前一天受工程開挖擾動較大(當天開挖進尺12 m)，微震數量達到峰值22個(見圖5)。2月17日～2月21日產生的微震事件雖然不多，但能量高，震級高的微震事件頻現(見圖6(d))，圍巖累積釋放能量遠大于前期，日累積釋放能量為單月最大值達到6.89×104J，且在K9+607～K9+622形成微震活動簇集區。

2.4 微震活動相關參數與巖體損傷演化關系

當巖體受工程擾動時，必然引起圍巖應力的轉移，造成圍巖應力的釋放和積累，其中應力積累的區域就有可能伴隨巖石的微破裂現象(微震)。而每個微震事件都包含了巖體內部微破裂的豐富信息(如震級、輻射能量及應力降等)，通過微震震源參數及時空強序列分布可間接反映巖體內部損傷程度及內在演化規律。但在單一的微震事件中，并不能充分說明巖體受損程度。單位體積巖體內部累計微震事件數越多，事件間距離越近(或事件密度)，說明該區域內巖體受損程度越嚴重，巖體強度降低的可能性越大。然而，即使在單位體積微震事件數相同的情況下，巖體的破壞程度也不盡相同。巖體單位體積內釋放能量或能量密度越多，破壞越嚴重，越容易發生巖爆。因此，在分析累計微震事件數的基礎上，將微震事件密度與微震事件能量密度進行綜合標定，可作為衡量巖體內部損傷程度的評判依據。

1)微震事件密度

在微震事件密度計算中，聚類分析［9］為客觀定量地劃分微震活動區域提供了方法，通過計算震源之間的距離來描述事件的親疏程度，可按照遠近程度合理地進行分類［10］，表達公式為

式中:dij表示微震事件xi與xj之間的距離。微震事件密度隨時間演化過程示意圖如圖7所示。多數微震事件距離在12 m左右聚類，說明該區域內微震事件分布較為集中。根據現場監測分析結果，隨著TBM開挖擾動的進行，由于圍巖二次應力場未調整至平衡態而再次受工程擾動，區域微震事件數增多，事件密度呈上升趨勢(分別見圖7(c)、(d))。微震成核跡象明顯并呈發散狀不斷向外擴展，其直觀表象是巖體內部微裂隙可能進一步萌生、擴展直至貫通并形成裂隙帶，導致巖體強度大大降低。因此，由事件密度可對巖體發生動力失穩(即巖爆)的區域進行初步圈定，應密切注視該區域內的巖體強度劣化情況。

2)微震能量密度

事件密度的增加并不是巖體強度降低的充分條件。而微震能量的耗散(或能量密度)與巖體的強度和損傷程度密切相關，它反映了巖石內部微缺陷的不斷發展、強度不斷弱化并最終喪失的過程。因此，可在研究微震事件密度基礎上將微震能量密度相結合，是判斷巖體是否發生失穩破壞的有效途徑。

圖8為微震能量耗散密度云圖，在洞段引(3) K9+662～K9+607巖體能量耗散較大，說明該區域巖體強度損傷嚴重，圍巖穩定性大大降低。這與圖7(d)中微震事件密度分布基本吻合，說明該區域微震事件累計數與微震耗散能量主要集中在同一個區域，這更加驗證了該區域內巖體力學性能劣化的可能性。

圖7 2011年2月1日－2月21日微震事件密度演化云圖Fig.7 Density contour of microseismic events distribution in Feb.1－Feb.21.2011

圖8 2011年2月1日－2月21日微震活動能量密度云圖Fig.8 Energy density contour of microseismic activity in Feb.1－Feb.21.2011

3 巖體宏觀破壞過程與微震活動關系

3.1 巖體破壞過程中微震活動時空演化特征

巖體發生漸進破壞時微震事件時空分布情況如圖9所示。由圖可見，隨著TBM的向前推進，工程擾動區先后形成2個微震活動簇集區，分別由2個大小不同的橢圓標記。微震簇集區的巖體經歷了微裂紋的萌生、擴展并由淺表向深部發展。小裂紋形成后經相互貫通形成2條宏觀剪切裂紋。剪切裂紋相互搭接后與隧洞壁形成一個三角形閉環，當巖體達到或者超過峰值強度時，巖爆發生，且受損巖塊帶有一定的初速度向臨空面彈射。

圖9 巖體漸進破壞過程示意圖Fig.9 Progressive failure process of rock mass

3.2 巖體破壞過程中微震活動b值變化特征

已有研究結果表明，工程擾動誘發的微震事件與天然地震事件遵循同樣的規則，均遵循古登堡－里克特所引入的頻度－震級關系。對于一個微震監測區域來講，可表示為

式中:N(M)為震級M以上的微震事件總數，A和b對一定監測區域而言是常數。其中，b值是描述了在一給定時間內小震個數與大震個數的相對數，同時也是裂紋擴展尺度的函數，物理表征為該監測區域巖體介質破壞發展的程度。典型的微震事件頻度與震級關系曲線見圖10［11］。當b值增加或相對平穩時，巖體表現為相對平靜;當b值急劇下降時，說明巖體已經發生失穩破壞，并且b值越小產生的巖體動力失穩破壞的可能性越大。

總體來看，2011年2月微震事件b值經歷了2次明顯下降(見圖11)。經現場初步勘查和分析可知，高能量，大震級的微震事件頻繁出現在2月17日－21日內，且在一定范圍內聚類，造成巖體內部損傷程度嚴重，巖體強度大大降低，潛在巖爆的可能性大大增加。這與巖爆發生情況基本吻合，故而b值可以借鑒作為巖爆災害預警的一個評價指標。

圖10 典型地震頻率－震級關系曲線Fig.10 Typical frequency-magnitude relation curve

圖11 TBM掘進過程b值隨時間變化關系Fig.11 Relationship between b and time during TBM excavation

4 結論

1)錦屏深埋隧洞施工過程中的微震監測結果表明:微震事件時空序列分布與巖爆時空分布規律具有良好的相關性和一致性，微震活動在時間上的排序優先于巖爆事件。結合累積微震事件數、微震事件密度及微震能量密度綜合判定方法，可對巖體強度損傷區和巖爆潛在危險區作出初步圈定。

2)TBM的開挖過程表明，巖爆的發展及發生過程是經微裂紋的萌生、發展、擴展至巖體深部后形成宏觀剪切裂紋，由微震事件簇集區形成的宏觀剪切裂紋相互搭接后與隧洞壁形成一三角形閉環，當巖體達到或者超過峰值強度時，發生巖爆。

3)借助于震源參數，總結巖爆災害誘發微震事件b值變化特征:即當b值增大或保持不變時，巖體損傷強度無明顯下降，巖體內部處于相對平靜期;當b值驟降時，巖體損傷強度增大進而發生動力失穩破壞。綜合巖體損傷強度標定方法，利用微震事件b值變化特征可對隧洞巖爆情況進行預測預警。

［1］謝和平，PARISEAU W G.巖爆的分形特征和機理［J］.巖石力學與工程學報，1993，12(1):28-37.

XIE Heping，PARISEAU W G.Fractal character and mechanism of rock bursts［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1993，12(1):28-37.

［2］唐禮忠.深井礦山地震活動與巖爆監測及預測研究［D］.長沙:中南大學，2008:48.

TANG Lizhong.Study on monitoring and prediction of seismicity and rockburst in a deep mine［D］.Changsha:Central South University，2008::48.

［3］楊天鴻，鄭超，張鵬海，等.基于微震監測的礦山巖體強度動態標定方法研究［J］.采礦與安全工程學報，2013，30(4):548-554.

YANG Tianhong，ZHENG Chao，ZHANG Penghai，et al.Research on dynamic calibration method of rock mass strength of mine based on microseismic monitoring［J］.Journal of Mining＆Safety Engineering，2013，30(4):548-554.

［4］張鵬海，楊天鴻，鄭超，等.基于采動應力場與微震活動性的巖體穩定性分析［J］.煤炭學報，2013，38(2):183-188.

ZHANG Penghai，YANG Tianhong，ZHENG Chao，et al.Analysis of surrounding rock stability based on mining stress field and microseismicity［J］.Journal of China Coal Society，2013，38(2):183-188.

［5］XU N W，TANG C A，LI L C，et al.Microseismic monitoring and stability analysis of the left bank slope in Jinping first stage hydropower station in southwestern China［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2011，48(6):950-963.

［6］徐奴文，唐春安，周鐘，等.基于三維數值模擬和微震監測的水工巖質邊坡穩定性分析［J］.巖石力學與工程學報，2013，32(7):1373-1381.

XU Nuwen，TANG Chun＇an，ZHOU Zhong，et al.Stability analysis of hydraulic rock slope based on three-dimensional numerical simulation and microseismic monitoring［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32 (7):1373-1381.

［7］賈海波，周春宏.雅礱江錦屏二級水電站招標設計階段引水隧洞巖爆發生的時空效應研究和防治措施專題報告［R］.成都:成都理工大學，2006.

［8］王振.深埋硬巖隧洞圍巖破壞模式研究［D］.大連:大連理工大學，2012:17.

WANG Zhen.Study on failure patterns of surrounding rock in deep buried hard rock tunnel［D］.Dalian:Dalian University of Technology，2012:17.

［9］EVERITT B S，LANDAU S，LEESE M.Cluster Analysis［M］.4th ed.Chichester，West Sussex:Wiley，2001:15.

［10］吳愛祥，武力聰，劉曉輝，等.礦山微地震活動時空分布［J］.北京科技大學學報，2012，34(6):609-613.

WU Aixiang，WU Licong，LIU Xiaohui，et al.Space-time distribution of microseismic activities in mines［J］.Journal of University of Science and Technology Beijing，2012，34 (6):609-613.

［11］GIBOWICZ S J，KIJKO A.An introduction to mining seismology［M］.San Diego:Academic Press，1994:396.