深埋長隧洞巖爆微震監(jiān)測、預(yù)警與防控技術(shù)探討

王 旭

（新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，新疆烏魯木齊 830000）

1 工程概況

（1）西二段隧洞長140.7km，最大埋深720m，TBM掘進(jìn)長度113.0km。其中：隧洞埋深大于600m，總長度18km（樁號22+000～40+000），巖性為華力西期花崗斑巖、變質(zhì)花崗巖等，屬堅(jiān)硬巖石。由前期地應(yīng)力測試：最大水平主應(yīng)力σm=19.8～21.6MPa，主應(yīng)力方向N45°E，與洞軸線夾角75°，強(qiáng)度應(yīng)力比3.6～4.1，屬于中—高地應(yīng)力中等巖爆區(qū)（段）。

（2）喀—雙段隧洞長283.3km，最大埋深774m，TBM掘進(jìn)長度227.4km。隧洞埋深大于600m，總長度51.057km（樁號198+613～249+670），巖性為泥盆系凝灰質(zhì)砂巖、華力西期花崗巖等。由前期地應(yīng)力測試：最大水平主應(yīng)力σm=21.6～36.0MPa，主應(yīng)力方向N23°E，與洞軸線夾角42°，強(qiáng)度應(yīng)力比2.2～4.1，屬于中—高地應(yīng)力中等—強(qiáng)烈?guī)r爆區(qū)（段）。

2 巖爆及其危害

巖爆是高地應(yīng)力條件下地下工程開挖過程中，硬脆性圍巖因開挖卸荷導(dǎo)致洞壁應(yīng)力變化，原先儲存的彈性應(yīng)變能突發(fā)性急驟釋放，因而產(chǎn)生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動(dòng)力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害。也是深埋隧洞開挖過程中典型高應(yīng)力硬巖擠壓破裂局部集中化誘致的次生地質(zhì)災(zāi)害，巖爆具有很強(qiáng)的突發(fā)性、隨機(jī)性和危害性。隨著埋深的增加和地應(yīng)力水平的增高，巖體所賦存的地質(zhì)環(huán)境更為復(fù)雜，開挖誘發(fā)的巖爆災(zāi)害更加突出、嚴(yán)重，給深埋隧洞工程設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)行等帶來極大的安全隱患。具體而言，當(dāng)高地應(yīng)力硬巖區(qū)地下洞室開挖后，圍巖往往呈現(xiàn)變形小而破裂多的現(xiàn)象。輕微巖爆特征是圍巖表層呈零星爆裂脫落、剝落狀，爆坑深度小于0.3m，對施工影響較小；中等巖爆特征是圍巖呈較嚴(yán)重的爆裂脫落、剝落狀，具少量彈射，有一定持續(xù)時(shí)間，影響深度0.3～1.0m，對施工有一定影響；強(qiáng)烈?guī)r爆特征是圍巖大片爆裂脫落、具強(qiáng)烈彈射，破壞范圍和塊度大，影響深度1.0～3.0m，對施工影響大；極強(qiáng)巖爆特征是圍巖大片嚴(yán)重爆裂，大塊巖片出現(xiàn)劇烈彈射，震動(dòng)強(qiáng)烈，破壞范圍和塊度大，影響深度大于3.0m，嚴(yán)重影響工程施工。為此，開展巖爆微震監(jiān)測、預(yù)警與防控技術(shù)可實(shí)時(shí)監(jiān)測隧道開挖過程中巖體破裂的時(shí)空分布及演化特征，是目前深部硬巖工程巖爆監(jiān)測與預(yù)警的主要有效的技術(shù)手段。通過巖爆微震監(jiān)測預(yù)警可以提前預(yù)警巖爆等級，根據(jù)預(yù)警結(jié)果，采取工程措施，降低巖爆風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而保障施工安全與施工進(jìn)度。

3 巖爆微震監(jiān)測預(yù)警的目的

（1）巖爆是深埋隧洞開挖過程中典型高應(yīng)力硬巖擠壓破裂局部集中化誘導(dǎo)的次生地質(zhì)災(zāi)害，它具有很強(qiáng)的突發(fā)性、滯后性、延續(xù)性、衰減性、位置性。隨著隧洞埋深的增加和地應(yīng)力水平的增高，巖體所賦存的地質(zhì)環(huán)境更為復(fù)雜，開挖誘發(fā)的巖爆災(zāi)害更加突出，給深埋隧洞工程設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)行等帶來了極大的挑戰(zhàn)。

①巖爆突發(fā)性：巖爆現(xiàn)象是一種高應(yīng)力能量的突然釋放，在發(fā)生前沒有明顯的預(yù)兆。一部分巖爆發(fā)生是隨著TBM施工掘進(jìn)過程中，巖體在刀盤掌子面和護(hù)盾內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生了巖爆（長度約6～8m），巖爆一般分布在隧洞頂部左右60°范圍，如剝皮、薄層狀、板狀、厚層狀等現(xiàn)象。這類巖爆一般危害性可控，施工中可隨著TBM向前方掘進(jìn)工程中，在洞室圍巖出護(hù)盾后立即進(jìn)行支護(hù)處理。

②巖爆滯后性：還有一部巖爆發(fā)生并不伴隨巖體開挖立刻發(fā)生，而往往在巖體開挖后幾小時(shí)或數(shù)十小時(shí)、幾天甚至更長時(shí)間（一個(gè)月）才發(fā)生，發(fā)生的頻率和爆聲能量隨暴露后時(shí)間延長而降低。

③巖爆延續(xù)性：巖爆的發(fā)生并不是一次就終止了，往往具有延續(xù)性。首次巖爆后幾天或幾十天再次發(fā)生，有的可能持續(xù)較長時(shí)間才結(jié)束。

④巖爆衰減性：巖爆一般在開挖初期比較強(qiáng)烈，隨時(shí)間推移，能量釋放減弱，強(qiáng)度也隨之衰減或不在發(fā)生巖爆。

⑤巖爆位置性：巖體應(yīng)力分布的微小擾動(dòng)，也能導(dǎo)致巖爆發(fā)生。巖爆易發(fā)生硐室主要位置一般在掌子面和洞頂左右60°范圍（即10點(diǎn)鐘～2點(diǎn)鐘方向），洞壁和洞底板分布較少。

（2）巖爆監(jiān)測預(yù)警是深埋隧洞施工過程中一項(xiàng)極其重要的工作，是化解前期勘察設(shè)計(jì)工作隱藏（或未暴露）風(fēng)險(xiǎn)的補(bǔ)充工作內(nèi)容，在隧洞施工過程中起到指導(dǎo)和預(yù)防作用。由于本工程隧洞線路長、埋深較大，地質(zhì)條件復(fù)雜，在施工過程中肯定會(huì)遇到巖爆、圍巖變形等誘發(fā)的工程地質(zhì)災(zāi)害。限于現(xiàn)在的技術(shù)水平和各方面條件限制,這些問題在前期勘察階段難以完全查明。通過施工期的超前巖爆監(jiān)測預(yù)警，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧洞前方的地質(zhì)缺陷和異常情況，及時(shí)預(yù)報(bào)突發(fā)性巖爆地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果，才能比較客觀實(shí)際地評價(jià)圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)作用，修正開挖及支護(hù)參數(shù)，可以及時(shí)采取措施，提前做好超前加固及其它跟進(jìn)施工措施，做到安全施工、高效掘進(jìn)。鑒于本工程深埋隧洞巖爆段長度大，發(fā)生中等和強(qiáng)烈?guī)r爆可能性大，存在安全風(fēng)險(xiǎn)、工期風(fēng)險(xiǎn)、投資風(fēng)險(xiǎn)大。因此，開展本工程深埋隧洞段的全程時(shí)時(shí)巖爆預(yù)警及風(fēng)險(xiǎn)控制工作，對工程施工前與施工過程中和后期運(yùn)行制定超前預(yù)案、形成有效的防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)對策，保證施工中人員生命、財(cái)產(chǎn)安全，提高施工效率已成為現(xiàn)實(shí)的迫切需要。

4 巖爆等級劃分與圍巖類別

（1）勘察設(shè)計(jì)階段，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50487-2008應(yīng)采用巖石強(qiáng)度應(yīng)力比來判定巖爆等級，巖爆劃分為四個(gè)等級：4＜Rb/σm≤7為輕微巖爆；2＜Rb/σm≤4為中等巖爆；1＜Rb/σm≤2為強(qiáng)烈?guī)r爆；Rb/σm＜4為極強(qiáng)巖爆。

（2）施工階段，根據(jù)2020年11月《全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)法水工隧洞工程技術(shù)規(guī)范》（討論稿），巖爆等級劃分因素應(yīng)考慮現(xiàn)場巖爆發(fā)生時(shí)的聲響特征和發(fā)生頻次、圍巖破裂特征、爆坑深度、巖爆震動(dòng)能量及支護(hù)破壞程度等，將其劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 隧洞TBM掘進(jìn)施工巖爆等級分類與圍巖類別

5 巖爆微震監(jiān)測、預(yù)警方法

5.1 SSS微震監(jiān)測系統(tǒng)（加拿大微震監(jiān)測系統(tǒng)）

巖爆監(jiān)測方法主要包括：①施工地質(zhì)超前宏觀觀測法。②直接監(jiān)測法，鉆屑法、鉆孔應(yīng)力測量法。③地球物理方法，包括微震法、電磁輻射法。其中SSS微震監(jiān)測系統(tǒng)是通過監(jiān)測低頻高能事件，實(shí)現(xiàn)工程巖爆的實(shí)時(shí)、連續(xù)、動(dòng)態(tài)、大范圍監(jiān)測，是目前各個(gè)行業(yè)地下工程巖爆災(zāi)害監(jiān)測中應(yīng)用最廣泛、最實(shí)用的方法。該技術(shù)集信息化、智能化、可視化于一體，可全天候、大范圍地對巖體漸進(jìn)破壞全過程動(dòng)態(tài)監(jiān)測，能有效識別和圈定巖體損傷破壞區(qū)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巖爆的監(jiān)測預(yù)警、降低巖爆造成的危害，并可基于豐富的微震信息采取多種研究手段進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析評價(jià)。預(yù)警原理則是通過實(shí)時(shí)監(jiān)測開挖施工擾動(dòng)而誘發(fā)的微震現(xiàn)象，并基于采集到的聲波信息，獲得相應(yīng)的震源參數(shù)（微震事件數(shù)、釋放能量、視體積等），最終通過聯(lián)合反演計(jì)算出微破裂發(fā)生的時(shí)間、空間位置和強(qiáng)度等震源信息，即微破裂的“時(shí)、空、強(qiáng)”三要素。工程實(shí)踐表明，微破裂是巖石工程動(dòng)力災(zāi)害的主要前兆信息，基于微震信息揭示震源參數(shù)的“時(shí)、空、強(qiáng)”演化規(guī)律，結(jié)合工程地質(zhì)、巖石力學(xué)特征及巖爆傾向性研究結(jié)果，最終建立巖爆預(yù)警判據(jù)，由此實(shí)現(xiàn)工程巖爆的監(jiān)測預(yù)警（見圖1）。

圖1 巖爆預(yù)警方法

5.2 SSS微震監(jiān)測測預(yù)警方法

為了滿足TBM隧洞工程現(xiàn)場巖爆監(jiān)測預(yù)警的要求，需結(jié)合現(xiàn)場條件進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警方案設(shè)計(jì)。隧洞的微震監(jiān)測系統(tǒng)主要用于地下深埋長隧洞工程，如圖2所示。

圖2 TBM施工深埋長隧洞工程微震監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

微震監(jiān)測系統(tǒng)最為關(guān)鍵的是傳感器的空間布置，在TBM掘進(jìn)過程中，傳感器交替前移，以使得掌子面始終保持在微震監(jiān)測傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)，尤其是在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜范圍內(nèi)加密布置速度型傳感器。通常布置兩個(gè)監(jiān)測斷面，在每個(gè)監(jiān)測斷面布置3個(gè)或4個(gè)微震傳感器，隨著施工推進(jìn)，每個(gè)監(jiān)測斷面間距20～50m，如圖3所示。

圖3 TBM施工隧洞微震監(jiān)測傳感器布置圖

具體實(shí)施過程如下：

步驟1：在距離掌子面合適距離（80～120m）布置第1組單向速度型傳感器(共4個(gè)，編號D1-1至D1-4)，見圖3。其中，鉆孔深度0.5～1m。各傳感器在空間上錯(cuò)開式布置。

步驟2：當(dāng)?shù)?組傳感器距離掌子面距離增加至40m時(shí)，安裝第2組傳感器(共4只，編號D2-1至D2-4)，其中傳感器類型及布置方式與第1組相同。

步驟3：當(dāng)?shù)?組傳感器距掌子面距離增加至40m時(shí)，將第1組傳感器回收并移至距當(dāng)前第2組傳感器40m處。

步驟4：隨著掌子面的推進(jìn)，重復(fù)上述步驟，使兩組傳感器交替前移，使得掌子面始終保持在微震監(jiān)測傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)。

通過上述方法組建完成微震監(jiān)測系統(tǒng)，并通過監(jiān)測系統(tǒng)定位精度和波速的標(biāo)定、信號采集與波形識別、處理，分析出有關(guān)震源參數(shù)的時(shí)空分布規(guī)律，基于圖1所示的巖爆預(yù)警方法，實(shí)現(xiàn)巖爆監(jiān)測預(yù)警。具體流程如圖4所示。

圖4 TBM施工微震監(jiān)測預(yù)警流程圖

5.3 SSS微震監(jiān)測的預(yù)警范圍

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)分析，目前工程界地下洞室采用的SSS微震監(jiān)測設(shè)備和其它微震監(jiān)測設(shè)備，在實(shí)際工程應(yīng)用中預(yù)測預(yù)警有效（或較準(zhǔn)確）范圍，一般在掌子面前方10～15m和掌子面后方10～20m范圍內(nèi)，超出該范圍準(zhǔn)確度較低。

6 案例（SSS微震監(jiān)測系統(tǒng)在隧洞KS-Ⅷ標(biāo)應(yīng)用）

2020年9月受喀雙隧洞KS-Ⅷ標(biāo)山西水工局項(xiàng)目部委托，東北大學(xué)深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——巖爆監(jiān)測團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了基于微震監(jiān)測的巖爆預(yù)警試驗(yàn)性測試工作。2020年9月30日～10月31日，累計(jì)監(jiān)測26d，監(jiān)測洞段長度約300m，共發(fā)布正式KS下游引水隧洞巖爆預(yù)警報(bào)告23期，監(jiān)測短報(bào)8期，如圖5所示。

圖5 下游KS227+540～840段巖爆微震監(jiān)測與預(yù)警預(yù)測實(shí)施示意圖

如圖6所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示10月7日9時(shí)～10月8日9時(shí)K227+540～575微震事件累計(jì)能量較高，且在10～12點(diǎn)區(qū)域形成叢集區(qū)域[見圖6（a）]，采用巖爆風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)定量預(yù)警方法得到發(fā)生中等巖爆發(fā)生概率35.8%，輕微巖爆發(fā)生概率為30.7%，于是發(fā)布預(yù)警報(bào)告，巖爆等級為輕微—中等巖爆[見圖6（b）]。18時(shí)227+566～568發(fā)生中等巖爆，爆坑深度0.7m，主要分布于10～12點(diǎn)區(qū)域[見圖6（c）]。

圖6 巖爆預(yù)警案例：中等巖爆

如圖7所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示10月16日9時(shí)～10月17日9時(shí)KS227+620～665微震事件累計(jì)能量較高，在9～1點(diǎn)區(qū)域形成叢集區(qū)域[見圖7（a）]，采用巖爆風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)定量預(yù)警方法得到輕微巖爆發(fā)生概率為63.7%，于是發(fā)布預(yù)警報(bào)告，巖爆等級為輕微巖爆[見圖7（b）]。18日227+659發(fā)生輕微巖爆，爆坑深度0.15m，主要分布于11點(diǎn)區(qū)域[見圖7（c）]。

圖7 巖爆預(yù)警案例：輕微巖爆

如圖8所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示10月19日9時(shí)～10月20日9時(shí)KS227+675～710微震事件累計(jì)能量較低，分布較分散[見圖8（a）]，采用巖爆風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)定量預(yù)警方法得到無巖爆發(fā)生概率為85.8%，于是發(fā)布預(yù)警報(bào)告，巖爆等級為無巖爆[見圖8（b）]。最終，該區(qū)域無巖爆發(fā)生[見圖8（c）]。

圖8 巖爆預(yù)警案例：無巖爆

如圖9所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示11月1日9～13時(shí)KS227+826附近連續(xù)發(fā)生巖石破裂事件[見圖9（a）]，且破裂持續(xù)擴(kuò)展，于是發(fā)布時(shí)滯型巖爆預(yù)警[見圖9（b）]。施工方及時(shí)補(bǔ)充支護(hù)了鋼拱架。最終，該區(qū)域發(fā)生了時(shí)滯型輕微巖爆，支護(hù)措施有效控制了該時(shí)滯型巖爆[見圖9（c）]。

圖9 巖爆預(yù)警案例：時(shí)滯型巖爆

通過前期KS隧洞巖爆監(jiān)測與預(yù)警，可以看出：

（1）KS隧洞圍巖破壞具有顯著的時(shí)效特征，受地應(yīng)力方向影響破壞主要發(fā)生在9～1點(diǎn)方向，但受地質(zhì)條件影響在斷面位置及破壞類型有一定變化；

（2）搭建了KS隧洞巖爆微震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，連續(xù)監(jiān)測28d，累計(jì)監(jiān)測長度300m，發(fā)布預(yù)警23次，預(yù)警與實(shí)際一致19次；

（3）巖爆微震監(jiān)測預(yù)警結(jié)果可以為現(xiàn)場支護(hù)參數(shù)的確定提供依據(jù)；

（4）隨著巖爆案例的增加，可以進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)警模型，提高預(yù)警準(zhǔn)確率，特別是時(shí)滯型巖爆的準(zhǔn)確率，為接下來的巖爆風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)控奠定良好基礎(chǔ)。

7 小結(jié)

巖爆預(yù)警與開挖速率有著近似反比的關(guān)系，即巖爆預(yù)警等級越高，開挖速率越低，這是由于給出巖爆預(yù)警等級后，通過降低開挖速率可以降低巖爆風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，當(dāng)預(yù)警無巖爆時(shí)，可以適當(dāng)提高掘進(jìn)速率，以保證施工進(jìn)度；巖爆預(yù)警與現(xiàn)場支護(hù)措施參數(shù)有明顯的相關(guān)性，預(yù)警等級越高，支護(hù)強(qiáng)度及參數(shù)越高，同樣，通過巖爆預(yù)警，適當(dāng)增加支護(hù)強(qiáng)度及參數(shù)，以達(dá)到控制巖爆的目的，無巖爆時(shí)，降低支護(hù)強(qiáng)度及參數(shù)，保證經(jīng)濟(jì)性；巖爆預(yù)警給現(xiàn)場施工速率及支護(hù)措施設(shè)計(jì)提供重要指導(dǎo)作用。