超長深埋隧洞巖爆監測與預警技術應用
——以引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞為例

李立民, 唐烈先, 趙 力

(1. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司, 陜西 西安 710043; 2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院), 陜西 西安 710043; 3. 遼寧科技大學礦業工程學院, 遼寧 鞍山 114051; 4. 陜西省引漢濟渭工程建設有限公司, 陜西 西安 710010)

0 引言

目前,國內外修建的地下工程越來越多,埋深越來越大,隨著埋深的增加,高地應力引發的地質災害問題愈發嚴峻。深部地下巖體工程開挖擾動極易誘發巖爆災害,造成人員傷亡、設備損毀,導致工期延遲、投資增加。深部工程建設對巖爆預警提出了新的要求。

目前,我國學者在巖爆監測預警[1-5]、巖爆風險控制[6]、微震活動特征和圍巖穩定性[7]以及微震監測技術[8]等方面積累了大量研究成果,取得了一些應對巖爆災害的經驗;也有學者開展了巖爆微震參數預測研究[9],這些研究推動了巖爆防治及微震監測技術的發展。但目前在實際施工中引入微震監測系統對巖爆進行連續長距離監測預警的工程還不多,僅有錦屏Ⅱ級水電站工程、BY鐵路隧道、巴基斯坦N-J水電工程等,仍缺乏高地應力深埋隧洞施工過程中對強烈級別以上巖爆有效監測和預警的方法。引漢濟渭工程施工過程中基于微震監測技術開展了一系列針對巖爆孕育發展及預警的相關研究[10-16],為巖爆風險分析提供了參考,但尚缺少整體效果評價。

秦嶺輸水隧洞總長98.3 km,埋深超過1 km的洞段長度超過27 km,近4 km洞段埋深超過1.5 km,在勘察設計階段主要采用臨界埋深法、強度應力比、地質綜合分析法等對巖爆災害進行宏觀判斷,并對巖爆高風險區域進行了預警。但由于地下工程巖體分布不均勻、局部地應力變化多樣以及施工方案影響等,實際施工中巖爆的空間和時間分布與宏觀判別結果有較大差異。

本文主要針對秦嶺輸水隧洞施工過程中面臨的高地應力巖爆問題,在單洞長度超過13 km的洞段創新性地連續應用以微震監測技術為主的巖爆監測預警技術,并通過總結施工現場巖爆發生的規律,提出基于微震指標的巖爆等級劃分標準,以期為類似工程提供參考。

1 工程概況與地質特征

1.1 工程概況

秦嶺輸水隧洞越嶺段地處秦嶺西部山脈,山系呈東西向展布,山體兩側呈南緩北陡之勢,地形地質條件極其復雜,區內山峰高程為500～2 500 m,隧洞越嶺段起止里程為K0+000～K81+779,進口高程為542.65 m,出口高程為510.00 m,最大埋深為2 012 m。秦嶺輸水隧洞越嶺段地質剖面如圖1所示。

1.2 地質特征

秦嶺輸水隧洞越嶺段出露的圍巖主要為花崗巖、閃長巖、變質砂巖等,巖石強度高,且以塊狀結構居多。圍巖以Ⅰ、Ⅱ類為主,少部分為Ⅲ類,節理裂隙不發育,完整性好。勘察設計階段預警發生巖爆洞段多分布于高地應力硬質巖地段。單軸抗壓強度試驗結果顯示,該段巖體質地堅硬,強度普遍大于70 MPa,最高甚至可達242 MPa,巖石完整性系數一般大于或等于0.55。實測地應力成果顯示,其初始最大主應力值均超過20 MPa,最高達70.1 MPa;采用線性回歸公式預測隧洞最大主應力可達100 MPa。

現場巖爆實錄資料顯示,隧洞內發生過巖爆的地段巖體完整、干燥、巖質堅硬、地下水不發育。

2 巖爆特征

2.1 巖爆表現形式

秦嶺輸水隧洞開挖過程中,受極高地應力的影響,巖爆頻繁發生,導致鋼筋網失效、拱架變形下沉或彎曲斷裂、TBM卡機、設備損壞及人身傷害等。巖爆等級以中等—強烈巖爆為主,多表現為巖體剝落、拱部巖體爆裂及崩塌、底部底板隆起崩裂等。巖爆應力破壞類型以構造型為主,強度應力型次之。

2.1.1 巖體剝落

巖體剝落主要發生在拱頂,剝落后圍巖呈鱗片狀,巖體剝落后塌腔深度一般小于0.5 m。

2.1.2 巖體爆裂、崩塌

2019年4月5日1:00左右,嶺北TBM掘進至K46+140.6處,隧洞埋深1 119 m,巖性為變質砂巖,隧洞拱部TBM護盾上方發生強烈巖爆,巖體爆裂后致使護盾上方壓力劇增,護盾被壓死,TBM無法前進和后移,設備被卡。通過人工配合風鎬將巖體破碎清理,2 d后才使護盾脫困,TBM恢復掘進。

2019年6月1日8:17,TBM掘進至K45+711處,隧洞埋深1 249 m,巖性為閃長巖,護盾后上方連續發生3次強烈巖爆,伴有悶雷聲,巖體發生崩塌,形成長約7 m、寬8.5 m、深3.9 m的塌腔;護盾后方面向掘進方向11:00至15:00位置已支護鋼拱架扭曲變形,部分被壓彎至TBM作業平臺上,現場停機進行換拱處理。

2.1.3 底板隆起

2019年8月28日,K40+201.2～+207段隧洞底部發生強烈巖爆,最大能量3.3×106J,3塊仰拱塊左側被集體抬高,左側已回填混凝土被震散,導向輪位置鋼軌被震斷,導向輪跳道,仰拱塊最大被抬高16 cm。停機處理導向輪6 h。

2019年9月2日,K40+233～+239段隧底發生巖爆,最大能量1.19×106J,2榀拱架底部發生變形,左側巖體被爆裂成碎塊,形成松散體。

2.2 巖爆發生規模及頻率

自2017年9月至2022年2月,引漢濟渭秦嶺輸水隧洞K33+870～K47+150段共發生巖爆3 990次,見表1。巖爆等級統計結果如圖2所示。有的段落在爆破后即發出巖爆聲,并伴隨剝落掉塊現象;有的段落則在開挖一段時間后發生巖爆現象。大多數巖爆發生在開挖后4～6 h,有的段落持續時間長,開挖后3～5 d仍然發出類似爆破聲的巨響、悶響或者類似鞭炮的清脆響聲。巖爆破壞形式以巖石剝落、崩塌及爆裂掉塊等為主,嚴重的有從洞頂或洞壁彈射出巖片、巖塊等,坍塌下來的巖爆塊體形狀多呈透鏡狀、片狀、板狀、棱塊狀,甚至大塊體等;有時在開挖面附近能明顯看到巖石漸進破壞過程產生的新生裂隙。巖爆塌腔破壞深度多為0.5～3.0 m,最大深度可達10 m以上。

表1 秦嶺輸水隧洞巖爆統計

圖2 秦嶺輸水隧洞巖爆等級統計結果

輕微巖爆一般聲音清脆,像鞭炮聲,掉塊后塌腔深度小于0.5 m,多發生在掌子面后約1倍洞徑范圍內,主要集中在拱部90°范圍,出現在邊墻部位的次數較少。

中等、較強巖爆一般聲音沉悶,中等巖爆塌腔深度一般為0.5～1.5 m,較強巖爆塌腔深度一般為1.5～2.5 m。中等、較強巖爆多發生在掌子面后約2倍洞徑范圍內,主要集中在隧洞拱部150°范圍,邊墻也有出現,底板偶有出現,部分地段兩側仰拱處有巖體鼓起呈魚鱗狀剝落。

對于強烈和極強巖爆,可聽到持續的巖體爆裂聲,部分伴隨強烈震感,強烈巖爆塌腔深度為2.5～3.5 m,極強巖爆塌腔深度為3.5 m以上。巖體瞬間大面積爆落可導致整個隧洞拱部及邊墻破壞,甚至可能造成隧洞底部巖體向上隆起,最高隆起達60 cm,強烈和極強巖爆影響范圍可達掌子面后3～5倍洞徑。如果長大節理發育,巖爆疊加不利結構面引起的巖體坍塌破壞規模會更大,且該類洞段更易發生滯后性巖爆。

3 巖爆監測與預警

3.1 微震監測技術

秦嶺輸水隧洞施工階段主要基于微震監測技術對巖爆災害進行監測與預警,監測系統及運行模式如圖3所示。

圖3 巖爆監測系統及運行模式

在掌子面前的隧洞左右壁各布置3個以上高靈敏度和高精度的微震傳感器,前后間距約50 m,靠近掌子面的監測斷面距掌子面約70 m。首先,施工擾動下當巖體發生破壞時產生的彈性波被傳感器接收后,數據采集系統會通過信號轉換、波形識別、閾值觸發形成微震事件,并詳細記錄微震活動的“時空強”信息,數據處理系統獲得微震事件頻次、能量、震級以及分布范圍、集中度等指標;然后,對比現場已發生巖爆的統計信息,確定該施工洞段的巖爆判別標準;最后,根據判別標準中能量范圍對應的振幅設定預警觸發閾值,結合同時觸發閾值的傳感器數量和位置,實現對巖爆風險等級和范圍的預警,并根據現場實際巖爆情況驗證預警的準確性。

3.2 典型案例

2018年6月29日6:00～ 6月30日6:00微震監測系統采集到的有效微震事件在K39+375～+435段高達92次,其中50次達到中等級別以上,頻次高、能量大、震級強且分布集中。本次微震監測到的最大單次能量達3.86×106J,相當于200 kg巖石炸藥爆炸當量,超過了強烈巖爆判別能量閾值,及時發出了巖爆預警信息。

2018年6月30日8:41,4號洞下游鉆爆法工作面K39+401發生強烈巖爆,塌腔縱向長度約為4 m,環向長度超過10 m,塌腔最深約5.8 m,隧洞埋深1 223 m,巖性為花崗巖; 2018年7月1日5:30～6:15,該洞段再次發生強烈巖爆,巖爆疊加長大節理導致最大塌腔深度超過10 m。在本次強巖爆前微震監測系統發出了預警信息,有效指導了現場安全施工。

2020年11月15日,某專家組計劃考察秦嶺輸水隧洞現場施工情況,上午8:00隧洞掘進里程K41+809,隧洞埋深1 756 m,巖性為花崗巖,巖石強度應力比為1.81,預判巖爆風險等級為強烈。基于微震數據發出了巖爆預警信息,如下:

1)當日8:22,預警信息提示近2日掌子面附近微震較活躍、頻次較高,存在滯后性巖體破壞的風險,預判拱頂和右側壁風險較大,建議專家組進洞考察時要距離掌子面20 m且少停留,并盡可能靠左側行走。

2)當日13:04,自動報警系統推送信息顯示,前方偏右側有震級較強、能量較大的微震事件發生,微震最大能量為7.1×104J。

3)當日13:10,自動報警系統推送信息顯示,數據出現異常,5 min內有超過10次微震事件發生,微震能量為1.9×104～7.8×104J。

2020年11月15日巖爆實際情況為:在13:10～13:12,TBM護盾后5 m范圍內,即距離掌子面6～11 m右側發生強烈滯后性巖爆,巖爆樁號為K41+800～+802,最大單次能量為1.28×106J,造成4榀拱架出現了不同程度的破壞和變形下沉。說明微震監測系統的預警信息是有效的。

3.3 微震規律研究

秦嶺輸水隧洞施工階段微震監測系統布置在勘察設計階段巖爆等級評價為強烈和極強[17-18]以及巖爆風險等級評價為中等及以上的施工段落[19]。微震監測設備鋪設在掌子面后傳感器可以采集有效數據的范圍內[20],并隨著掌子面推進不斷交替向前移動,對掌子面前后250 m范圍實現24 h連續實時監測。

3.3.1 微震能量特征

為了研究微震活動的能量特征,選取洞段K39+550～K40+550發生的巖爆次數與累計能量進行對比分析,結果如圖4所示。K39+550～K40+100段每50 m的巖爆次數為10～28,累計能量為6.3×105～1.13×107J; K40+100～+550段每50 m的巖爆次數為33～52,累計能量為2.2×107～6.87×107J。說明巖爆次數與微震累計能量吻合度較好。

圖4 嶺南K39+550～K40+550段巖爆次數與累計能量統計圖

研究結果表明,將一定時間段內微震事件的累計能量作為巖爆風險的重要判斷指標之一是合理的。由于不同的微震監測系統對信號振幅有不同的監測量程(刻度),導致不同的微震監測系統計算出的微震能量量級不一致。因此,在用微震能量對微震事件進行等級劃分時,需要結合現場反饋進行調整。

3.3.2 微震活動頻次特征

為了分析微震活動的頻次特征,選取K39+550～K40+550段發生的巖爆次數與微震頻次進行對比分析,結果如圖5所示。K39+550～K40+100段每50 m的巖爆次數為10～28,微震頻次為155～444;K40+100～+550段每50 m的巖爆次數為33～52,微震頻次為366～849。說明巖爆次數與微震頻次指標吻合度較好,因此將微震頻次作為巖爆風險的重要判斷指標之一也是合理的。

圖5 嶺南K39+550～K40+550段巖爆次數與微震頻次統計圖

微震監測系統能夠監測到的指標較多,文獻[21]對微震及巖爆沿隧洞橫斷面的分布規律進行了分析,監測結果與實際揭露結果較為吻合。在工程應用中,現場技術人員需要簡單易讀的結果,便于快速采取應對措施。因此,在引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞連續監測工作中,通過與現場人員不斷溝通交流,形成了“以微震能量為主、以微震頻次和集中度為輔”的簡易量化分析方法,通過統計一定時間范圍內的微震最大能量、累計微震頻次和微震活動分布,并通過數據分析平臺處理后將巖爆風險等級和范圍以及發生概率呈現給相關技術人員,大大提高了監測數據的利用效率。

3.3.3 基于微震能量的巖爆等級劃分

目前,國內外對巖爆等級的劃分標準較多,主要差異點在于: 對巖爆劃分的級數不一樣;對巖爆破壞深度描述不一樣;對巖爆事件微震能量的定量描述不一樣。產生差異的原因有很多,例如: 1)不同的工程出現巖爆的次數和劇烈程度不同,若一個工程中僅有極少的地段發生巖爆,那么對巖爆等級判定的明確度和準確度要求則會較低;但對于巖爆頻繁發生的工程,對巖爆等級劃分的明確度和準確度要求則較高,對巖爆的描述也更為詳細。2)不同巖性條件、不同施工方法均會造成巖爆發生時現象的差異,如采用TBM法施工時,由于圍巖受到的擾動相對鉆爆法較小,造成其應力及能量的集中程度稍高于鉆爆法施工,因此相同等級的巖爆其微震事件能量要高于鉆爆法。但總體來看,巖爆等級與事件能量具有明顯的正向關聯性。

勘察設計階段可以采用目前最常用的基于強度應力比理論的巖爆判據進行巖爆等級評價[18-19]。對于施工階段無微震監測的地下工程,可以在勘察設計階段巖爆風險評估的基礎上,通過聲響特征、圍巖破裂特征、破壞深度等宏觀表象判定巖爆等級;對于有微震監測的地下工程,則可將微震監測的相關指標納入巖爆等級評價中,通過將巖爆表象與微震相關指標相結合,使得對巖爆的判定能夠實現定性與定量相結合,從而做出更加精細的評價。

在秦嶺輸水隧洞開展微震監測工作達5年2個月,主洞監測范圍為K33+870～K47+150,累計監測長度為14.33 km,搭建了包含99 784次微震事件的數據庫,集成了傳感器坐標、事件波形、事件位置、能量、震級等信息,通過對微震監測大數據進行篩選分析研究,對其中實際發生3 990次巖爆的微震事件標注了對應的巖爆位置、等級等信息,為巖爆風險等級的劃分及預警提供了強大的數據驅動力。

前期為了使該巖爆等級評價體系具有較好的適用性,選取了4號支洞1.046 km典型洞段開展了巖爆等級劃分試驗研究。通過多次巖爆特征及表象的對比分析,逐步將巖爆風險判別指標簡化為“以微震能量為主、以微震頻次和集中度為輔”,經現場驗證,預警準確率可達83%。為此,基于前期工程實踐經驗和巖爆發生前兆微震能量變化規律,同時考慮不同工程、不同施工方法條件下的不同巖爆等級的微震能量,細化了巖爆分級,將巖爆劃分為輕微巖爆、中等巖爆、較強巖爆、強烈巖爆和極強巖爆5個等級,并對巖爆的現象進行了表觀描述,得到了表2中基于能量閾值的巖爆等級劃分標準。

表2 基于能量閾值的巖爆等級劃分標準

3.4 監測結果分析

秦嶺輸水隧洞自2008年開工建設以來,巖爆災害共發生4 000余次,尤其是隨著隧洞向大埋深方向掘進,中等及以上等級巖爆頻發,埋深與巖爆等級具有明顯的正相關性。從最初的平均每掘進30 m發生1次巖爆災害,發展到每掘進2 m發生1次巖爆災害,巖爆頻率和強度均呈明顯增大趨勢。2020年以來,某地震臺網測定顯示,部分地段巖爆能量已經達到區域小型地震級別,震級達ML1.6級。

引入微震監測技術后,在秦嶺輸水隧洞主洞13 280 m的連續監測里程范圍內,共監測到有效微震事件95 712次,監測段內實際發生巖爆3 990次,預警準確率如表3所示。

表3 微震監測技術預警準確率

基于微震監測技術的巖爆監測預警方法,能有效獲得隧洞工作面前后一定范圍內的微震事件、微震能量及巖爆發生概率,實現巖爆定量化風險判別,預警準確率加權平均值達90.45%,成功指導了工程施工,保障了人員和設備安全,極大緩解了施工人員進洞的恐懼心理。

4 結論與展望

本文通過微震監測技術對最大埋深2 012 m的引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞連續5年開展單洞長度超過13 km洞段的巖爆監測預警工作,主要得出如下結論:

1)采用微震監測技術成功預警了隧洞施工中監測區域發生的大多數巖爆,綜合預警準確率約為90%。

2)基于工程應用級的微震大數據分析與比對,形成了“以微震能量為主、以微震頻次和集中度為輔”的巖爆風險簡易定量化判別方法,可增強數據可讀性、提高技術人員的接受度、充分發揮施工指導作用。在不同地質背景的深埋地下工程中,結合實際情況對判別指標進行適當修正或調整即可。

3)受巖爆機制、巖體性質、巖體結構、施工工法等因素影響,巖爆發生的具體時間尚無法準確預測,但隨著人工智能技術的發展和深入應用,有望根據微震大數據對未來一定時間段內的巖爆風險進行智能預測。

4)對于深埋隧洞巖爆高風險地段,采用微震監測技術對巖爆災害進行超前預報是非常必要的,對隧洞掘進可以起到較好的指導作用,對滇藏鐵路、新藏鐵路等國家重點工程建設具有重要的意義。