基于微震監測的高速鐵路大跨度過渡段隧道開挖損傷區分布特性及演化規律

李 奧，張頂立，房 倩，孫振宇，

曹利強1，2，劉道平1，2， 閆文發1,2

(1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.北京交通大學 城市地下工程教育部重點實驗室，北京 100044)

隧道開挖卸荷破壞了巖體天然應力的平衡狀態，使圍巖應力產生重分布，當應力超過了巖體的承受能力，巖體內部將產生微裂紋。微裂紋的擴展貫通將使得隧道開挖面周圍一定范圍內巖體的物理力學性質發生明顯變化，主要表現為巖體強度、彈性模量的下降和滲透系數的增大等[1-2]。巖體的物理力學性質發生變化的區域，一般稱為圍巖開挖損傷區(Excavation Damage Zone)。隧道開挖的持續進行，圍巖損傷將進一步加劇，如果不采取及時有效的支護措施，將會導致圍巖失穩破壞，進而影響隧道施工安全[3-4]。因此如何準確獲取圍巖開挖損傷區分布特性與演化規律已經成為工程中亟待解決的關鍵技術問題，直接影響到支護的可靠性和工程的安全性，具有重要的現實意義和理論價值[5-7]。

巖石薄弱處產生裂紋的同時，裂紋內部蓄積的能量將以應力波的方式釋放，從而產生微震/聲發射信號。當前的微震/聲發射測試技術，能夠實時提供巖體損傷過程中包括微小裂紋的位置、程度和大小，以及可能的破壞進程等信息，可以快速地對巖體損傷特性和發展趨勢作出定性與定量評價，已經成功應用于一些工程實踐[8-9]。加拿大URL實驗室通過現場微震試驗開展了一系列的圍巖開挖損傷研究，其中Martin等[10]通過Mine-by圓形試驗洞微震事件分布圖，初步界定了圍巖開挖損傷區的范圍；Martino等[3]分析了圍巖開挖損傷區的影響因素；Cai等[11]基于微震監測的裂紋分布和密度等參數，研究了圍巖開挖損傷程度。陳炳瑞等[12-13]在錦屏二級水電站深埋引水隧洞開展TBM施工過程中聲發射監測試驗，研究了開挖過程中圍巖損傷的演化規律。李正旺等[14]在神岡地下基巖試驗場隧洞內進行爆破開挖后圍巖聲發射監測，分析和解釋了隧洞開挖后的“松弛現象”。以上采用微震/聲發射監測技術進行圍巖開挖損傷區研究試驗局限于地下實驗室、水工隧洞等，斷面較小，且主要進行圍巖損傷區定性研究。而高鐵隧道斷面大，圍巖參數空間差異性顯著，可靠性和安全性要求更高，因此必須針對大跨度高鐵隧道的特點開展圍巖開挖損傷區定量研究。

本文以新建京張高速鐵路八達嶺長城站大跨度過渡段隧道為研究對象，在隧道地表與洞周布設微震測點，構建立體式、全方位的微震監測系統。通過微震事件的空間分布結果，揭示微震事件分布特性與圍巖開挖損傷區之間的關系，實現圍巖開挖損傷區的預測，為大跨度隧道的圍巖開挖損傷區研究提供一種新方法，也為隧道的錨索(桿)支護設計提供依據。

1 大跨度過渡段隧道現場微震監測

1.1 工程地質概況

京張高鐵東起北京市北京北站，西迄張家口市張家口站，有11座隧道，共設10個車站。最長隧道為新八達嶺隧道，位于北京市昌平區與延慶區交界處，單洞雙線隧道，全長12 010 m。八達嶺長城站是設在新八達嶺隧道內的地下車站，也是全線唯一的地下車站，位于八達嶺景區內，毗鄰八達嶺長城。車站主體為三洞分離小凈距隧道，車站兩端與區間隧道設大跨度單洞過渡段隧道，過渡段隧道采取5種斷面形式，最大開挖跨度達32.7 m，開挖面積為494.4 m2，是目前國內開挖跨度最大的暗挖鐵路隧道，安全風險高，施工難度大[15]。大跨度過渡段隧道(張家口方向)平面和斷面如圖1所示。

在張家口方向大跨度過渡段隧道開展微震監測，監測區域內巖體主要發育3～4組節理，節理間距一般為0.1～0.5 m，均為密閉節理，中間無充填物，巖體總體較完整—較破碎，但巖脈接觸帶、局部節理密集帶、差異風化帶、蝕變帶的節理裂隙發育。受燕山期侵入巖的影響，區內斷裂構造較為發育，隧道洞身穿越F2斷層，與隧道主洞身相交于DK68+260—300，與線路相交角度為35°，斷裂產狀為236°∠80°，為壓扭性斷裂，上盤為斑狀二長花崗巖，下盤為花崗巖，斷層帶內為壓碎巖。

圖1 大跨度過渡段隧道平面和斷面(單位：m)

1.2 微震監測方案

盡管微震監測技術已經廣泛應用于國內外隧道工程[1,16-17]，但將其應用于大跨度高鐵隧道進行圍巖開挖損傷區研究，在世界上屬于首次，尚無成功的監測經驗可以直接借鑒。因此，經過不斷探索，在京張高鐵八達嶺長城站大跨度過渡段隧道的地表和隧道洞周分別布設微震測點，以達到立體式、全方位的微震監測。

1)微震監測系統

微震監測系統的硬件由檢波器、數據采集儀、供電設備、時鐘同步裝置、光纖交換機、數據存儲和處理系統組成，微震監測系統網絡結構如圖2所示。微震信號的特點是震級小，一般均低于0級，信號頻率范圍大，從幾赫茲到幾千赫茲范圍，因此對接收信號的檢波器性能要求非常高[9]。檢波器采用單分量和3分量微震檢波器，具有高靈敏度(200 V·(m·s-1)-1)，頻帶寬度較大(4.5～1 000 Hz)等高性能特點。數據采集儀采用24通道和3通道微震采集儀，具有高分辨率、高采樣率(2 000 Hz)、高觸發精度、低噪音等特點。采集儀內置有GPS接收器，為儀器提供準確的時間和位置信息。

圖2 微震監測系統網絡結構示意圖

2)測點布置

在隧道地表布設9個測點，編號為1#—9#，以9#點為圓心，80 m為半徑進行輻射，形成監測包絡；在測點鉆孔，孔深約2 m(孔底為巖體)，孔徑約100 mm；每個鉆孔安裝1個3分量檢波器，同時外接1個3通道數據采集儀和蓄電池，使用黃泥耦合，如圖3所示。隧道洞周監測，選擇2個斷面(DK68+290 m，DK68+440 m)，每個斷面設置3個測孔，共6個測點，編號為1*—6*；在測點鉆孔，孔深約12 m，在孔底部安裝3分量檢波器(1*—3*)，靠近洞口約3 m處安裝單分量檢波器(4*—6*)，使用水泥灌漿耦合，如圖4所示。隧道洞周測點布置較為集中，12臺檢波器匯總連接到24通道數據采集儀，進行信號集中采集。如此可確保隧道爆破開挖均處在傳感器的監測范圍之內，實現微震信號連續多次接收。

圖3 地表微震測點布設

圖4 洞周微震測點布設(DK68+290)(單位：m)

1.3 定位誤差

微震監測能否在隧道開挖中發揮巖體開裂準確定位和預測的作用，主要取決于定位精度能否滿足工程需求，定位誤差主要受到微震源定位方法、巖體波速的選取值以及測點的布置方式和數量等因素的影響[17-18]。通過在微震監測點進行主動震源激勵試驗，記錄激勵試驗波形，實現地質場的巖體波速標定和微震源位置的反演修正，從而提高震源定位精度。

監測周期為大跨度過渡段隧道開始施工到初期支護施作完成，開挖方向為大里程往小里程方向。期間共監測到11 846個微震事件，微震事件的定位誤差分布如圖5所示，定位誤差10 m以內的事件數占全部微震事件數的72%，定位誤差5 m以內的事件數占40%，平均誤差8.05 m。根據現有的研究成果[19-20]，當前微震監測的定位精度能夠滿足隧道圍巖穩定性評價和開挖損傷區研究的需要。

圖5 微震事件定位誤差分布

2 大跨度過渡段隧道微震活動特性

2.1 微震事件矩震級分布

為表征微震事件絕對大小的量，矩震級(M)是當前廣泛使用的震級標度[16]。大跨度過渡段隧道開挖期間微震事件矩震級分布如圖6所示，可見矩震級分布范圍為-3.75～0.48，平均矩震級為-1.94。矩震級在-3≤M≤-1區間內的微震事件數占全部微震事件數的98%，其中-2≤M≤-1占66%，此區域最為集中。從矩震級分布來看，當前微震事件大部分屬于微小震級事件[21]。

圖6 微震事件矩震級分布

研究表明，在一定時間范圍內，微震事件均服從如下矩震級—頻度關系式[9]。

lgN=a-bM

(1)

式中：N為矩震級大于等于M的事件次數；a和b為常數。

常數a表征在統計時間、區域內的微震活動水平。常數b值表征微震事件相對震級分布的函數，b值越小，矩震級大的事件數越多；同時，b值變化可以用來反映應力場的變化，斷層滑移型微震活動時，通常對應的b值較小，一般小于0.8，而爆破誘發應力遷移型的微震活動時，對應的b值通常在1.2～1.5之間[22]。通過對監測的微震事件數據進行擬合，可得a=0.8，b=1.5，如圖7所示，可見，微震事件活動的規律性較好，監測區域內微震活動主要是爆破誘發應力遷移型的微震活動。

圖7 微震事件矩震級—頻度分布

2.2 微震事件空間分布

隧道周圍的微震事件矩震級分布如圖8(a)所示，圖中球體代表微震事件，球體的大小和不同顏色表示微震事件矩震級。可以看出，微震事件主要集中在隧道兩側，且越接近隧道，微震事件震級越大。矩震級最大的微震事件主要聚集在V級圍巖隧道附近，表明圍巖級別較差時巖體開裂過程中釋放能量較多，巖體開裂的尺寸較大。微震事件密度平面分布如圖8(b)所示，圖中不同顏色代表微震事件的相對分布密度，可以看出越接近隧道的兩側位置，微震事件相對密度越大，微震事件越集中。

隧道橫剖面的微震事件分布密度(以DK68+400斷面為例)如圖9所示，可以看出，微震事件主要集中在隧道的四周，越接近隧道，微震事件密度越大，且拱頂處微震事件分布密度最大，拱底處較小。因此，根據微震事件的分布密度，可以將微震事件分布圖分為3個區域，即微震事件高密度區、中密度區和低密度區。

2.3 微震事件分區指標

利用微震事件的分布頻率和累計分布頻率定量分析大跨度隧道微震事件的空間分布特性。微震事件的分布頻率是指隧道某一位置一定深度范圍內的微震事件數與這一位置全部微震事件數的比值。對于同一個斷面形式下的隧道，分別給出隧道左拱腰、右拱腰、拱頂、拱底等位置處微震事件的分布頻率。1-1斷面隧道左右拱腰位置微震事件的分布頻率如圖10所示。由圖可知：高密度區內微震事件分布頻率較高且穩定在20%以上，中密度區內微震事件頻率有所下降，低密度區內微震事件頻率較低且穩定值低于10%。該結果也可以印證上文定性提出的3個區域具有合理性。微震事件的累計分布頻率是指隧道邊界到一定深度位置之間包含的微震事件數與全部微震事件數的比值。累計分布頻率曲線斜率越高，表明累計分布頻率增長越快，微震事件集中區域越小；累計分布頻率的斜率保持不變時，表明區域內微震事件分布特性一致；累計分布頻率曲線的斜率改變時，表明區域內微震事件分布特性存在明顯差異。

圖8 微震事件平面分布

圖9 微震事件橫剖面密度分布

圖10 隧道左右拱腰位置微震事件的分布頻率(1-1斷面)

5種斷面形式的大跨度過渡段隧道的微震事件分布頻率和累計分布頻率如圖11和圖12所示，由圖可見，高密度區的累計分布頻率在60%左右，中密度區的累計分布頻率在80%左右。因此從定量化的角度界定微震事件3個區域的位置：微震事件累計分布頻率為60%的邊界就是高密度區與中密度區的交界；累計分布頻率為80%的邊界就是中密度區與低密度區的交界。

圖11 隧道左右拱腰位置微震事件分布

圖12 隧道拱頂和拱底位置微震事件分布

3 大跨度過渡段隧道圍巖開挖損傷區特性

3.1 圍巖開挖損傷區深度

圍巖開挖損傷的原因是開挖擾動使得巖體產生大量的微小裂紋，因此圍巖的損傷程度與巖體裂縫的密集程度是一致的，巖體開裂越多的地方，圍巖損傷程度也就越高。根據開挖后圍巖的損傷和擾動程度的不同[5, 23]，將圍巖依次劃分為開挖高損傷區，開挖低損傷區和開挖擾動區。因此可將微震事件的高密度區，中密度區和低密度區域分別對應為圍巖開挖高損傷區，開挖低損傷區和開挖擾動區。隧道開挖以后，在較短的時間內，圍巖應力調整，靠近隧道的圍巖開挖高損傷區產生，且損傷區范圍和程度都有進一步擴大的趨勢，因此首先需要對圍巖高損傷區進行及時有效的約束[3, 12]，抑制圍巖高損傷區的發展，從而確保隧道施工的安全。

根據大跨度隧道微震事件分布頻率特性(圖11，圖12)，可以得到5種斷面形式下隧道不同位置的圍巖開挖高損傷區深度匯總表，見表1。為分析圍巖高損傷區深度的影響因素，計算不同圍巖級別時圍巖開挖高損傷區深度(lHDZ)與跨度(W)的比值β，得到β與圍巖級別的關系圖，如圖13所示。

表1 大跨度過渡段隧道圍巖高損傷區深度匯總

圖13 隧道不同位置的圍巖高損傷區β與圍巖級別的關系

從圖13可以看出：圍巖開挖高損傷區深度受位置影響較大，圍巖高損傷區深度總體呈現拱頂>右拱腰>左拱腰>拱底的趨勢；在3種圍巖級別條件下，隧道左右拱腰位置的β值較為集中，分別為0.28～0.29，0.29～0.32，表明左右拱腰位置的β值受圍巖級別影響較小。因此左右拱腰位置的圍巖高損傷區深度的預測公式為

lHDZ左拱腰=0.285W

(2)

lHDZ右拱腰=0.305W

(3)

拱頂和拱底位置的β值受圍巖級別影響較大，隨著圍巖條件變差，β值呈明顯增大趨勢，變化范圍分別為0.27～0.37，0.14～0.21。因此考慮隧道跨度和圍巖級別(C)的影響，拱頂和拱底位置的圍巖高損傷區深度的預測公式為

lHDZ拱頂=(0.13+0.05C)W

(4)

lHDZ拱底=(0.03+0.035C)W

(5)

對比大跨度隧道不同位置圍巖高損傷區深度預測值與實測值，得到式(2)—式(5)的預測值與實測值之間的相對誤差平均值分別為2.14%，3.91%，4.83%，11.70%，拱頂和左右拱腰位置預測公式相對誤差平均值均低于5%，拱底位置預測公式相對誤差平均值偏大，其原因是檢波器安裝位置距離隧道拱底較遠，微震定位誤差偏大。結果表明，大跨度隧道不同位置圍巖高損傷區深度預測公式具有較高的精度。

3.2 圍巖開挖損傷區損傷程度

圍巖開挖損傷區的特性除了損傷區深度，也包括開挖損傷區的損傷程度[5]。當圍巖的開挖損傷區深度一定時，圍巖損傷特性的差異主要表現為損傷程度的不同，即損傷區內部裂紋開裂和滑移的規模。隧道爆破或開挖擾動使得巖體產生應力集中而開裂，且沿著破裂面將會有一定的滑移量，由于巖體開裂釋放的能量不同，裂紋長度和滑移量也將有所差異。微震事件的平均矩震級代表一定區域內巖體開裂過程中所釋放的能量大小，因此矩震級與巖體中裂紋的破裂尺寸和滑移長度等參數有著較強的相關性[24]，如圖14所示。可見微震事件平均矩震級越大，裂紋開裂尺寸和滑移量越大，使得巖體的損傷程度加大。當巖體破裂尺寸和滑移長度達到一定程度時，局部巖塊就有可能脫落，進而引發塌方事故，因此，圍巖損傷程度可采用微震事件的平均矩震級參數進行標度。對于矩震級較大的微震事件，應該對其位置和誘發因素進行分析，確保隧道施工安全。

圖14 矩震級與裂紋尺寸和滑移長度的關系

根據微震事件的監測結果，得到不同圍巖級別下5種斷面形式的大跨度隧道微震事件平均矩震級，其與隧道跨度和圍巖級別的關系如圖15所示。由圖可知：對于同一圍巖級別(Ⅲ和Ⅳ級圍巖)，隨著隧道跨度的增加，微震事件平均矩震級變化幅度較小，但隨著圍巖條件由Ⅲ級到Ⅴ級圍巖變弱的過程中，微震事件平均矩震級增加幅度明顯，因此圍巖損傷區的損傷程度受圍巖級別影響較大，受隧道開挖跨度影響較小。

圖15 微震事件平均矩震級與隧道跨度和圍巖級別的關系

4 大跨度隧道圍巖開挖損傷區與變形的關系

巖體開裂過程中都會伴隨著裂紋變形的產生和發展[25]，通過在5種斷面形式下隧道拱頂以及左右拱腰處分別布置變形測點，可以得到圍巖高損傷區深度與隧道拱頂沉降和拱腰收斂值的關系，如圖16所示，從中可以得出如下結論。

圖16 圍巖高損傷區深度與拱頂沉降和拱腰收斂值的關系

(1)拱頂、左右拱腰圍巖高損傷區深度與拱頂沉降和拱腰收斂呈正相關關系，并且具有較強的相關性，較大的圍巖損傷區深度必將引起較大的圍巖變形，因此，可以根據圍巖變形對圍巖高損傷區深度進行預測，以判斷當前支護措施是否有效。

(2)圍巖開挖高損傷區深度與變形的關系呈現明顯的階段性特點，以拱頂圍巖高損傷區深度與變形的關系為例，圖16(a)中A，B，C，D，E點的橫縱坐標值分別對應5種斷面形式下隧道拱頂圍巖高損傷區深度和沉降。當損傷區深度較小時(A，B，C點)，圍巖變形斜率較小，當損傷區深度較大時(C，D，E點)，圍巖變形斜率明顯增大，這表明當損傷區深度較小時，圍巖的整體自穩能力較強，能夠有效地抑制變形，當損傷區深度較大時，圍巖自穩能力較弱，對變形的抑制能力降低。

(3)變形的增大并不意味著圍巖的損傷區是無限擴大的(從E點往后)，一定條件下圍巖的損傷區范圍是有限的。其原因是圍巖存在自成拱能力，開挖擾動主要集中于圍巖的承載拱內，使得承載拱內部巖體產生損傷，對承載拱以外的圍巖影響較小。但當承載拱內的圍巖損傷發展到一定程度，將會產生松弛垮落的趨勢，使得變形急劇增大，直至產生塌方。

5 大跨度過渡段隧道錨索(桿)參數設計

圍巖開挖損傷區的范圍和分布直接影響圍巖的穩定，因此是隧道支護設計的重要依據。對于預應力錨索(桿)，要求錨固段處在穩定的巖體中，因此設計的預應力錨索(桿)自由端長度(Lf)應大于圍巖損傷區的深度(lHDZ)。圍巖開挖損傷區包含高損傷區和低損傷區，兩者存在明顯的損傷裂紋密度差異性，低損傷區裂紋分布較少，表明低損傷區存在局部未損傷區，圍巖并非完全喪失承載力[6]。采用錨索(桿)穿過圍巖高損傷區，進入低損傷區一定深度，也能夠滿足保證圍巖穩定的需要。

為滿足大跨度過渡段隧道設計使用壽命300年的要求，根據圍巖高損傷區的深度(見表1)，并考慮錨索(桿)一定的整體滑移變形，預應力錨索(桿)設計需要預留出一定的安全余量，因此設計的大跨度過渡段隧道錨索(桿)參數見表2。對比表2和表1可以看出，大跨度過渡段隧道的預應力錨索自由段的設計長度足以穿過整個圍巖高損傷區，以1-1斷面為例，錨索的自由端長度(9 m)遠大于圍巖高損傷區(右拱腰處)深度(5.6 m)。隧道開挖完成以后，圍巖的變形控制在30 mm以內，表明，穿過圍巖開挖高損傷區的錨索(桿)支護，能夠有效地控制圍巖高損傷區的發展，使圍巖的變形較小，隧道施工安全得到保障。

表2 大跨度過渡段隧道錨索(桿)設計參數

6 結 論

(1)根據微震事件的空間分布密度特性，將隧道周圍的微震事件分為3個區域，分別為高密度區，中密度區和低密度區；并根據微震事件的累計分布頻率定量化3個區域的位置。微震事件累計分布頻率為60%的邊界可作為高密度區與中密度區的交界，累計分布頻率為80%的邊界可作為中密度區與低密度區的交界。

(2)將微震事件的高、中、低密度區域對應界定為圍巖開挖高損傷區、低損傷區和擾動區。分析圍巖級別和隧道跨度對圍巖開挖高損傷區深度的影響，給出了隧道不同位置處圍巖開挖高損傷區深度的預測公式，將微震事件的平均矩震級作為反映圍巖損傷程度的直接參數。

(3)圍巖開挖高損傷區深度與圍巖變形具有較強的正相關性和階段性，可根據圍巖變形對損傷區進行預測。

(4)根據圍巖高損傷區深度進行錨索(桿)的參數設計，確保預應力錨索自由段穿過整個高損傷區。圍巖變形結果表明，圍巖開挖高損傷區得到有效的抑制，確保了施工安全。