深埋水工隧洞巖爆微震監測預警研究

陶 磊，石亞龍，黨康寧，王家明

(1.中國水利水電科學研究院，北京 1000382；陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710010)

隨著我國國民經濟社會的快速發展，國內水利水電、交通運輸、礦山礦井等多個工程領域的深埋長大隧洞全線開工建設，深部巖石力學問題暴露出來，其中以巖爆災害最為突出。巖爆災害是指巖體在開挖或其他外界的擾動下，聚集巖體內部的彈性變形勢能突然釋放，導致巖體發生爆裂、彈射的現象[1]。巖爆的危害主要是其突發性，沒有明顯的預兆，強烈極強烈對人員造成嚴重傷亡，設備的損壞，更有甚者，造成工期延誤。2009年11月28日位于四川省境內的雅礱江錦屏Ⅱ級水電站的引水隧洞(最大埋深達到2525m)全斷面巖石掘進機(TBM)掘進過程中爆發了極其罕見的極強烈巖爆，此次巖爆發生在距離掌子面大約7～20m范圍內，最大爆坑深度達到9m左右，爆落的碎石總量總計達到上千m3，最終導致現場7名工人遇難，正在施工作業的TBM設備被埋，主梁斷裂，嚴重損壞[2]。國內大伙房水庫輸水隧洞[3- 4]，滇中引水工程[5]，吉林引松供水工程[6]等水工深埋隧洞TBM施工[7- 8]也同樣遭遇到巖爆嚴重威脅。

微震監測技術、經驗方法和數值方法是目前工程界開展巖爆風險預測的重要方法，其中尤以微震監測技術具有監測范圍廣、24h連續不間斷、自動化、信息化和智能化等優點，在巖爆預警方面具有獨特優勢。最新頒布的國家能源局批準執行的NB/T 10143—2019《水電工程巖爆風險評估技術規范》已將巖爆微震監測技術規定作為巖爆預警的重要手段。

20世紀80年代后，高精度微震監測技術在南非、美國、加拿大等國的礦山作業中得到普遍應用。我國現代化微震監測技術應用起步較晚，且主要集中在深部礦山工程，首次應用于冬瓜山銅礦，主要用于礦震定位、突水、瓦斯監測等方面，在礦業開采行業中習慣將巖爆稱之為沖擊地壓。2004年國內引進了加拿大ESG微震監測技術，建立了64通道全數字型微地震監測系統，并對采礦工程沖擊地壓預報開展了深入研究[9]。2009年在錦屏Ⅱ級水電站隧洞群，通過集成和創新方式構建了首套應用于TBM巖爆監測系統[10]。此后，眾多國內外學者在微震監測技術應用方面開展深入研究，對巖爆判別、巖爆特征及微震監測規律、微震活動特征進行分析，相關成果為深埋水工隧洞的巖爆監測預警提供重要依據[11]。

錢七虎院士在錦屏Ⅱ級水電站強烈巖爆區域巖爆監測預報工程實踐基礎上指出巖爆微震監測預報的準確率：中國科學院武漢巖土力學研究所88.36%，大連理工大學85.5%[2]。

本文以陜西省引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞巖爆多發洞段為研究對象，采用微震監測技術作為巖爆監測預警手段，優化了TBM隧洞微震監測設備的安裝、傳感器陣列布置、數據無線傳輸的方案；對嶺南TBM洞段和鉆爆法洞段分別開展了長期微震監測預警，獲取巖爆監測信息，提前做出巖爆風險預警。

1 工程概況

陜西省引漢濟渭工程是利用黃金峽和三河口水庫將漢江上游的水資源調至渭河流域，以緩解關中地區水資源供需矛盾，改善渭河生態環境的跨流域調水工程[12]。調水工程由黃金峽水利樞紐、秦嶺輸水隧洞和三河口水利樞紐三部分組成。秦嶺輸水隧洞以控制閘為界分黃(金峽)-三(河口)段和越嶺段，總長98.3km[13]。隧洞越嶺段從底部穿越秦嶺山脈主脊，最大埋深可達2012m，主洞段全長81.779km，設計流量為70m3/s，年平均輸水量15億m3，隧洞坡降為1/2500，穿越秦嶺主脊段的39km采用兩臺TBM相向施工，隧洞的開挖直徑為8.02m，其余洞段采用鉆爆法，工程布置如圖1所示，鉆爆法和TBM隧洞斷面如圖2所示，秦嶺輸水隧洞地質剖面圖如圖3所示。

圖1 引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞布置示意圖

圖2 秦嶺輸水隧洞斷面

圖3 越嶺段輸水隧洞的地質剖面圖

嶺南TBM標段位于中國陜西省寧陜縣四畝地鎮，從3#支洞進入主洞下游1942m開始，標段全長18.275km，施工樁號為K28+085～K46+360，主洞采用一臺開敞式硬巖掘進機施工，工區高程范圍1050～2420m，巖性主要為下元古界長角壩巖群黑龍潭巖組石英巖、印支期花崗巖、華力西期閃長巖以及斷層碎裂巖、糜棱巖，施工過程巖爆頻發[14]。嶺南TBM標段圍巖類別見表1。

地應力測試表明，最大水平主應力SH值介于16.11～23.7MPa，最小水平主應力Sh值介于10.11～15.41MPa，最大水平主應力SH方向為N30°～46°W，優勢作用方向為北西向。深鉆孔地應力實測結果表明，三向主應力的關系為：SH>Sh>Sv(最大豎向主應力)，具有較為明顯的水平構造應力作用，且地應力值較大。

2 巖爆微震監測系統

圖4 巖爆微震監測系統[15]

目前在我國主要用于巖爆監測的微震系統有南非IMS、加拿大ESG、波蘭SOS和中國SSS等[15]，如圖4所示。引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞引入加拿大ESG微震監測系統，分別在TBM和鉆爆法洞段開展了微震監測，現場工作微震監測系統拓撲圖如圖5—6所示，微震監測設備包含主機工作站、數據采集儀、加速度傳感器，如圖7所示。

圖5 微震監測系統網絡拓撲圖(鉆爆法)

圖6 微震監測系統網絡拓撲圖(TBM法)

嶺南TBM洞段，相比于鉆爆法洞段，微震監測難度更大，主要有以下問題：

(1)洞內溫度高、濕度大，通過在數據采集儀箱內增加小型風扇增加空氣流通，降低儀器長期溫度高、濕度大環境下工作的損傷，延長儀器壽命，確保監測工作順利進行。

(2)TBM設備占據大量空間，導致隧洞內可用空間比較狹窄，設備的安裝和移動難度較大。挑選干燥、凹陷的位置安裝數據采集儀，安裝完成后通過紅外設備向TBM尾端照射，檢驗采集儀外殼最突出位置是否可能觸碰TBM設備；傳感器電纜盡量懸掛于洞腰處，靠皮帶一側電纜安裝后即過頂。

(3)交通不便，實現數據的無線或有線傳輸，遠程控制洞內設備，減少進洞次數。

(4)TBM自帶鉆機鉆孔不便。采用TBM機身鉆機與氣腿式鑿巖機相結合的方式。

圖7 微震監測設備

3 巖爆微震監測成果分析

工程界將巖爆按輕微、中等、強烈、極強烈巖爆四個等級進行超前預評判。基于微震監測技術的巖爆風險預判別標準見表2。現場施工巖爆發生后，將開挖掘進前后爆坑深度作為實際發生巖爆等級的判別標準，見表3。

表2 基于微震監測技術的巖爆風險預判別標準

表3 現場巖爆等級判別

專業技術人員每日遠程分析巖爆信息，關注微震參數的變化，預判前方巖爆等級，并發送巖爆預警信息，提出相應的施工建議、防范措施，以供現場施工人員決策。

3.1 TBM洞段

TBM洞段自2017年9月到2018年10月，共計13個月，監測長度2657m(樁號K33+870～K36+527)，共發送數據報告306期。監測期間共統計巖爆次數為177次，其中較準確預測161次，占比90.96%，16次由于各種原因未能提前預測或預測等級偏低，占比9.04%。巖爆預測結果與實際發生巖爆結果驗證，一般存在四類結果，即預測準確、等級偏低、樁號范圍有少量偏差以及未能提前預測而實際卻發生巖爆的情況。

TBM洞段監測期間的微震活動分布圖如圖8所示，微震活動較為活躍，其中共采集到2142個微震事件。該洞段微震事件發生的頻次如圖9所示。洞段微震事件矩陣級分布圖如圖10所示。

圖8 微震活動分布圖(K33+870～K36+527)

圖9 微震事件頻次(K33+870～K36+527)

圖10 微震事件矩陣級分布圖(K33+870～K36+527)

TBM洞段微震監測方案相較以往做了優化與改進。

(1)微震監測系統與TBM設備分離，將加速度傳感器、信號采集儀、數據采集與存儲系統都安裝在掌子面后方洞壁，設備電源通過洞壁的固定照明電獲取，監測工作完全不受TBM影響。

(2)優化了傳感器布置方案。減少皮帶一側的傳感器數量，增加另一側傳感器，對微震事件的定位影響不明顯，卻使傳感器電纜損壞率大大降低。

(3)實現監測數據的無線傳輸。在TBM機身布置了4個路由器，使無線網絡覆蓋TBM操作室往后150米范圍，實現了洞壁數據采集工作站的無線上網，可將監測數據實時傳輸出洞。

雖然有所優化和改進，但不同巖爆類型產生的機理、孕育過程及微震活動性也存在明顯差異，因此后續巖爆預警研究工作也需區分巖爆類型，針對性的采取防控措施。同時，由于數據處理需要人工介入，無法實現巖爆風險的自動判別與自動預警，后續可向大數據及人工智能方向發展。

3.2 鉆爆法洞段

引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞4#支洞斜井，斜井與主洞交匯里程為K38+400，全長5786m，通過區地層巖性主要為印支期花崗巖。微震監測里程為斜4+734～斜5+780，該時間段總共掘進1046m。

鉆爆法洞段監測期間的微震活動分布如圖11所示，微震活動較為活躍，其中共采集到4072個微震事件。圖12為該洞段微震事件發生的頻次。該洞段微震事件矩陣級分布如圖13所示。

圖11 微震活動分布圖(斜4+734～斜5+780)

圖12 微震事件頻次(斜4+734～斜5+780)

圖13 微震事件矩陣級分布圖(斜4+734～斜5+780)

4#支洞總共統計18次巖爆，其中1次未能提前預測，2次預測等級偏低，預測準確率約83.3%。

2017年2月3日13:13分響炮后2小時就發現微震活動異常，15:30即對施工單位發出巖爆風險提高的風險提示，2月4日開始到2月6日，陸續發生多次輕微～中等巖爆，現場照片如圖14所示。

圖14 現場巖爆產生的爆坑

4 結論與展望

以引漢濟渭工程秦嶺隧洞嶺南TBM標段為研究對象，開展微震監測預警研究，得出以下結論：

(1)優化改進了TBM隧洞安裝監測設備安裝、傳感器布置、數據傳輸方案，取得了很好的效果。

(2)對秦嶺隧洞TBM和鉆爆法段長期掘進開挖過程中微震實時監測發現，80%以上的巖爆可提前預測，準確率分別達到90.96%和83.3%。

巖爆預警結果是后續合理制定巖爆防控策略的重要依據，根據預警得到的巖爆位置、范圍、等級，綜合考慮施工可行性和成本的基礎上，開展相應的防控策略。