某深埋凝灰質砂巖隧洞破壞特征及微震演化規律

董 棟，陳 松，王 建，朱馬哈提，姚志賓

(1.新疆水發建設集團有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.東北大學遼寧省深部工程與智能技術重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

0 引言

“向地球深部進軍是我們必須解決的戰略科技問題”，近年來，我國深部巖石工程如礦山、油氣開發、交通隧道、引水隧洞等發展迅速。巖石工程進入深部，面臨高地應力、高溫、高滲透壓和強擾動的力學環境，施工難度和成本增加，存在較大安全風險，許多專家學者針對上述問題展開研究，使得深部工程施工技術迅速發展，對深部巖石工程災害的認識更加清晰，防治手段進一步豐富。

機械化、智能化發展成為我國深部巖石工程趨勢[1-3]。隨著經濟技術水平和施工需求的提升，國產TBM(Tunnel Boring Machine，全斷面掘進機)設計制造技術不斷突破、日趨成熟，且實現部分智能化[4-6]，相較進口TBM，國產TBM設備性能指標已達到或超過國際同類產品[3，7]，設備價格和維護成本進一步降低；越來越多巖石工程使用TBM施工，表現出掘進、支護、襯砌一體化作業的高效優勢[8-10]。

深埋巖石工程地質條件、力學環境復雜，巖爆、大變形、塌方等地質破壞嚴重威脅人員和設備安全[11-16]。為降低施工風險，提高支護針對性，微震監測、超前地質預報、輔助智能掘進系統得到廣泛應用[17]，例如，某工程在施工中遇到構造引起的塌方、巖爆、大變形、突涌水等地質災害，使用地質調查法、三維地震波、激發極化法、超前地質鉆探法進行超前地質預報，使用微震監測進行預警，綜合預報準確率達到96%以上，保證了TBM施工洞段的施工安全與工期安全，取得了很好的經濟效益和社會效益[18]；徐飛[19]等建立掘進特征參數與圍巖級別線性回歸預測模型的方法，找到了可以實時反映施工圍巖變化的掘進特征參數，對于動態識別圍巖、及時調整掘進參數具有重要意義。在破壞識別與防治技術方面，馮夏庭[20]等按發生時間和空間分布分別將巖爆分為3種類型，基于微震活動時空演化規律分析了巖爆孕育過程，并指出在大多數情況下，利用微震監測信息，可對巖爆的位置和巖爆等級進行預警；姚志賓[21]等利用微震監測，對巖性界面區域圍巖破壞與受力特征進行了研究，提出了支護措施優化建議。王軍[22]等基于巖性、地質及微震活動特征，建立了地質災害類型判別方法；譚雙[23]等構建微震監測系統，研究了塌方孕育過程微震活動時空演化規律，為深部塌方災害的預警和防治提供參考；陳慶[24]等通過對塌方原因分析，總結了某隧道噴射混凝土加固塌方洞穴、密排柔性鋼架法通過塌方段及超前小導管注漿法加固塌方區周邊圍巖塌方治理技術；李吉艷[25]等研究了工程地質災害發生情況及其與圍巖等級及出水量的關系，分析了地質災害監測技術的適用性及應用情況。

上述研究說明，基于地質特征和微震監測信息，可以實現對不同類型破壞的判識，能夠對現場施工和支護措施提供有效指導。為研究某深埋凝灰質砂巖TBM隧洞破壞判識方法，本文選取該隧洞K185+400—K185+800共400m長洞段為研究區域，連續開展微震監測，以現場地質踏勘資料和掘進參數為基礎，總結不同類型破壞的特征，分析地質特征、掘進參數與破壞特征的相關性；結合微震監測信息，研究不同類型破壞分布與微震活動時空演化的對應關系，總結不同類型破壞的微震活動特征。

1 工程背景

圖1 地質縱剖圖

該隧洞掘進時，圍巖完整性變化較快，破壞特征和規模變化較大，存在安全風險，支護方案選取困難，施工成本增加，針對該隧洞破壞特征和規律展開研究十分必要。

2 不同類型破壞特征

2.1 地質特征

研究區域(K185+400～K185+800)埋深600～615m，變化幅度2.50%，起伏較小，巖性、巖體結構與工程整體情況一致，洞段開挖巖壁整體干燥，局部滴滲水，涌水量7.39～56.13m3/h。為便于描述，如圖2所示，將隧洞圓形斷面分為12個方位，拱頂和拱底分別對應12點和6點方位。

圖2 隧洞斷面圖

研究區域內結構面發育，以軟弱結構面為主，充填物為硅酸鹽和碳質充填，特征如圖3所示，局部有少量硬性結構面出現。為定量描述研究區域內結構面變化，統計了共404條結構面，并以每10m范圍為研究單元，使用結構面綜合密度指標分別對每個研究單元的結構面綜合密度進行了計算，圖4可見結構面綜合密度變化規律，結構面綜合密度指標計算方法，用公式表示為[26]：

圖3 軟弱結構面特征

圖4 研究區域每10m結構面綜合密度曲線圖

(1)

式中，Lp—結構面綜合密度；L1，L2，L3，…，Ln—包含在面積A內各結構面跡長；A—所取區域的面積。

研究區域內整體結構面發育，特別是軟弱結構面發育較多，且空間分布復雜，差異明顯，在此區域內容易產生多種特征和規模的破壞。

2.2 破壞特征

地質踏勘統計結果顯示，研究區域內共有115處破壞，包括塌方、松弛掉塊、輕微巖爆，破壞深度0.07～0.80m。如圖5所示，對研究區域內不同類型破壞發生的頻次進行了統計，可見破壞以松弛掉塊為主，占比超過60%，局部發生有塌方，輕微巖爆發生較少，占比分別為34%和3%。

圖5 研究區域內各類型破壞發生頻次統計

在破壞空間分布上，松弛掉塊分布范圍廣，局部和塌方交替發生；塌方發生位置較集中，偶爾有散發；輕微巖爆呈零星散發的特點。圖6整理了研究區域內破壞分布，其中K185+400—K185+465、K185+490—K185+540、K185+615—K185+660區域破壞以松弛掉塊為主，局部有塌方發生；K185+465—K185+490、K185+540—K185+570、K185+660—K185+745區域破壞以塌方為主，局部有松弛掉塊或輕微巖爆發生；K185+570—K185+615和K185+745—K185+800發生破壞較少，局部有松弛掉塊和塌方發生，破壞規模較小。

圖6 研究區域破壞展布圖

各類型破壞特征如下：

(1)松弛掉塊。研究區域內破壞深度0.10～0.29m，平均深度0.18m，破壞面積0.4～17.2m2，平均面積2.0m2，破壞規模較小，破壞區域內有多條結構面穿過，破壞邊界由結構面控制，呈塊狀破壞，破壞規模大小與結構面發育程度有關，典型破壞照片如圖7(a)所示。

圖7 研究區域各類型破壞典型特征照片

(2)塌方。研究區域內破壞深度0.30～0.80m，平均深度0.43m，破壞面積1.8～19.5m2，平均面積4.5m2，破壞規模較大，破壞區域內結構面發育，破壞邊界由結構面控制，呈塊狀破壞，部分塌方中存在高應力特征，典型破壞照片如圖7(b)所示。

(3)輕微巖爆。研究區域內爆坑深度0.11～0.23m，平均深度0.16m，破壞面積1.1～3.2m2，平均面積1.7m2，破壞區域內存在明顯高應力特征并起控制作用，有新鮮巖面揭露，破壞呈板狀、片狀，破壞區域內無結構面穿過或不起控制作用，典型破壞照片如圖7(c)所示。

2.3 不同破壞分布區域的地質特點

通過比較各區域地質特征與現場破壞分布，發現結構面綜合密度與破壞規模和類型有相關性。

(1)K185+400—K185+465、K185+490—K185+540、K185+615—K185+660區域破壞以松弛掉塊為主，局部有塌方發生。上述3個區域內，平均結構面綜合密度分別為0.27、0.23、0.23m-1，結構面發育程度相近。

(2)K185+465—K185+490、K185+540—K185+570、K185+660—K185+745區域破壞以塌方為主，局部有松弛掉塊或輕微巖爆發生。上述3個區域內，平均結構面綜合密度分別為0.39、0.30、0.33m-1，可見結構面發育程度越高塌方發生的可能性越高。

(3)K185+570—K185+615和K185+745—K185+800發生破壞較少，破壞規模小，上述2個區域平均結構面綜合密度分別為0.15、0.16m-1，說明結構面發育程度越低，圍巖完整性越好，發生塌方風險越低。

通過對3種不同的破壞分布區域結構面和推進力情況的分析可知，當結構面綜合密度小于0.20m-1，發生破壞規模和數量較少，塌方風險低；當結構面綜合密度位于0.20～0.30m-1，發生破壞以松弛掉塊為主，局部可能有塌方發生；當結構面綜合密度超過0.30m-1時，存在較大塌方風險。但由于巖爆一般發生于應力集中區域，地質特征難以反映掘進區域應力集中情況，不能用于巖爆風險判識，需要結合其他監測數據同步分析。微震監測技術通過采集分析巖體內破裂信號，可以實時感知巖體內微破裂，有效反映巖體內應力集中情況，進行巖爆風險預警。

3 研究區域微震活動特征

3.1 微震監測布置

該隧洞采用SSS(SinoSeiSm)微震監測系統，連續、實時監測巖體微震信號。該系統配備8個高精度傳感器，可以采集巖體內部破裂信號，依次通過信號放大器、防電涌保護卡、采集儀、光纖將數據傳輸至地面數據采集處理中心。

監測系統整體布置如圖8所示，8個傳感器分兩組布置，每組交錯布置在隧洞斷面160°范圍，第一組傳感器布置于護盾尾部5m范圍內，在第一組傳感器后方10～20m位置安裝第二組傳感器，當TBM掘進超過15m，將第二組傳感器移至護盾尾部5m范圍內繼續監測，繼續掘進，兩組傳感器交替前移實現連續監測。

圖8 微震監測系統布置圖

3.2 微震活動時空演化規律

研究區域掘進過程中共采集到245個有效破裂事件，其時空分布和空間演化如圖9所示，不同區域微震活動差異明顯，結合現場破壞情況，可以發現微震活動分布與破壞特征存在明顯對應關系。

圖9 研究區域微震活動時空分布及空間演化圖

(1)K185+400—K185+465、K185+490—K185+540、K185+615—K185+660區域每10m平均微震事件數分別為5.57、5.50、5.21個，每10m平均微震釋放能分別為580.61、998.29、606.13J，對應現場破壞以松弛掉塊為主，局部有塌方發生，無巖爆發生。

(2)K185+465—K185+490和K185+540—K185+570區域每10m平均微震事件數分別為7.33、6.75個，每10m平均微震釋放能分別為2457.45、3038.17J，對應現場破壞以塌方為主，局部發生輕微巖爆。

(3)K185+660—K185+745區域每10m平均微震事件數為6.85個，每10m平均微震釋放能為1418.25J，對應現場破壞以塌方為主，局部發生松弛掉塊，無巖爆發生。

(4)K185+570—K185+615和K185+745—K185+800區域每10m平均微震事件數分別為2.33、3.66個，每10m平均微震釋放能為283.08、267.52J，對應現場破壞數量少規模小。

通過上述分析可知，現場破壞情況與微震活動演化規律一致性較好，當每10m微震事件數少于5個，每10m微震釋放能低于500J時，現場破壞數量少，規模小，以松弛掉塊為主，塌方和巖爆風險均較低；當每10m微震事件數介于5～6個，每10m微震釋放能介于500～1000J時，現場破壞以松弛掉塊為主，塌方風險上升，巖爆風險較低；當每10m微震事件數多于6個，每10m微震釋放能介于1000～1500J時，存在較大塌方風險，巖爆風險較低，同樣事件數情況下，當每10m微震釋放能超過1500J時，存在巖爆風險。

4 結論

本文對某深埋凝灰質砂巖TBM隧洞的破壞進行了總結，詳細描述了不同類型破壞的特征，并選取400m洞段作為研究范圍，深入分析了地質特征、掘進參數和微震活動演化規律與現場破壞的對應關系，得到以下結論。

(1)該隧洞破壞以松弛掉塊為主，局部有塌方發生，巖爆發生較少，各類型破壞占比分別為63%、34%、3%。

(2)地質特征與現場破壞情況具有相關性，現場破壞規模與結構面綜合密度呈正相關，塌方風險隨著結構面綜合密度的升高而增加。

(3)微震監測信息與現場破壞情況一致性較好，現場破壞規模與微震事件數和微震釋放能均呈正相關關系，塌方風險隨著微震事件數及微震釋放能的增加而增加，當微震每10m平均微震釋放能超1500J時，存在巖爆風險。

(4)通過分析地質特征，可以有效判識破壞規模和塌方風險，通過微震活動時空演化規律的分析，可以有效判識破壞規模、塌方及巖爆風險，能夠為現場掘進和支護工作提供有力指導。