基于微震监测的深埋隧洞岩爆特征规律研究

吴振役

摘要：为了规避和降低敞开式TBM在深埋隧洞掘进中存在的岩爆风险，以引汉济渭秦岭输水隧洞岭南TBM第二掘进段为研究对象，通过在TBM喷浆桥后方安装监测设备进行实时监测，分析微震事件的分布、频次等特征与实际情况进行比对，结果表明，深埋隧洞中岩爆强烈程度的发生与岩性、埋深等存在一定的关联性，可在一定程度上采取预防措施以降低岩爆的风险。

关键词：引汉济渭；岭南TBM；深埋；岩爆；微震监测；岩性

0引言

随着地下工程的施工深度逐渐增大，岩爆问题就成为影响工程施工的重要因素之一，因其具有突发性和强破坏性，没有明显的发生征兆，使得作业人员的安全和设备受到严重威胁，更有甚者造成工期延误。国内知名工程锦屏Ⅱ级水电站引水隧洞、滇中香炉山隧洞、川藏铁路等在掘进中接踵遭受岩爆这一“拦路虎”的严重威胁。马天辉等[1-2]在锦屏Ⅱ级水电站长大深埋隧洞群初次引入微震监测体系，并在TBM开挖隧洞的岩爆展望方面获得了较好的利用。钱七虎院士分析总结大连理工大学在锦屏Ⅱ级水电站工程中利用微震监测对岩爆的预测准确率高达85.5%[3]。引汉济渭秦岭输水隧洞引进大连理工大学微震监测技术进行超前监测,发挥了重要作用。

1工程概况

引汉济渭工程是破解陕西省水资源瓶颈的工程，是缓解关中各缺水地区的重点工程。秦岭隧洞越岭段全长81.78km，设计流量70m3/s，多年平均输水量15.0亿m3，隧洞平均坡降1/2500。岭南TBM标段采用TBM法施工（12.571km）+钻爆法施工（2.945km）。第二掘进段洞室沿线上覆岩体高程范围1318～2420m，最大埋深为2012m，以印支期花岗岩及华力西期闪长岩为主。

2岩爆产生的诱因分析

深钻孔地应力表明，三向主应力关系为：SH＞Sh＞Sv，具有较为明显的水平构造应力作用，地应力值较大。在深埋和高地应力综合影响下，由于隧洞开挖，洞室附近产生应力集中，具备发生岩爆的应力条件。在长期施工过程中按照岩爆破坏程度，将岩爆按轻微、中等、强烈及极强四个等级进行评判，结合实测资料及秦岭特长铁路隧道施工经验，分析认为秦岭隧洞区地应力较高，当在坚硬完整、干燥的Ⅰ、Ⅱ类围岩地段的花岗岩、闪长岩洞段中进行开挖时，由于应力集中，在掌子面或离掌子面一倍左右洞径的洞段便会发生岩爆甚至发生较强烈的岩爆。预测及施工过程中的岩爆段落统计见表1。

表1  秦岭隧洞（贯通段）岩爆统计表

序号	里程	长度 （m）	岩爆等级 （设计阶段）	岩爆等级 （施工阶段）	岩性	备注
1	K39+551～K40+030	479	中等岩爆	中等、较强烈为主， 少量轻微、强烈	花岗岩	岭南
2	K40+030～K40+170	140	中等岩爆	中等为主	花岗岩	岭南
3	K40+170～K41+000	830	中等岩爆	较强烈、强烈为主， 少量中等、极强	花岗岩	岭南
4	K41+000～K41+780	780	强烈岩爆	强烈为主，少量 中等、极强	花岗岩	岭南
5	K41+780～K42+300	520	强烈岩爆	强烈为主，少量 中等、极强	闪长岩	岭南
6	K42+300～K44+850	2550	强烈岩爆	中等为主，少量 轻微、强烈	闪长岩	过渡
7	K44+850～K45+770	920	中等岩爆	中等为主，少量 轻微、强烈	闪长岩	岭北
8	K45+770～K45+870	100	中岩岩爆	轻微、中等岩爆	闪长岩	岭北
9	K45+870～K46+360	490	中等岩爆	中等岩爆为主	闪长岩	岭北

第二掘进段岩性主要为花岗岩和闪长岩，根据合同文件与现场试验显示，该段围岩强度强度远超与合同文件，详细对比情况见下表2。

表2  岩石物理力学指标对比统计表

桩号	合同		实测
	抗压强度（MPa）
	范围	平均	范围	平均
K39+551～K41+780	140～193	166.5	193.8～268.1	207.5
K41+780～K42+280	140～193	166.5	163.5～201.6	180.7
K42+280～K42+380	94	94	174.3	174.3
K42+380～K43+601	116～138	127	152.2-207.8	173.5

2019年3月底开始掘进至2022年2月22日贯通，对施工期现场所发生的岩爆总次数、不同岩性岩爆等级次数及累计影响段落长度等进行统计，不同埋深与岩性洞段中岩爆等级分布情况见下图1。

图1 不同埋深与岩性中岩爆等级分布图

对大量统计资料和现场实际情况进行分析研究，得出岩爆的几个特征如下：

（1）强烈岩爆发生位置多集中在花岗岩洞段，个别位置乃至产生极强岩爆；在TBM进入闪长岩洞段后，强烈岩爆发生次数骤降，以中等岩爆及轻微岩爆占主导，个别位置仍有强烈岩爆发生。

（2）在2019年8月初TBM掘进至K40+190处进入埋深呈直线大幅上升洞段，在掘进过程中，出露护盾后方及隧洞底板发生滞后性极强岩爆且持续时间较长，监测能量最高达到4080kJ，平均在930kJ左右，致使支护体系及设备遭到破坏。可以看出随着埋深不断增加及围岩变化，在花岗岩洞段中多为高频强岩爆，而进入闪长岩洞段后，岩爆等级相反有所下降，进入最大埋深2012m时，按照施工资料推断该是高频强岩爆洞段，因岩性、地应力、围岩强度发生变化，该段多以轻微、中等岩爆为主，偶有强烈岩爆发生。

（3）通过对已施工段岩爆部位、发生时间、爆坑大小、落实块径等分析总结，埋深500m以上开始出现岩爆迹象且总体规模随埋深加大逐步增加，花岗岩洞段与之基本相符，而闪长岩洞段无明显规律性。

（4）试验报告显示，花岗岩洞段石英含量43.7%～58.3%，闪长岩洞段石英含量18.4%～47.9%，印证了在高石英含量的硬岩掘进中，在花岗岩洞段中等程度以上岩爆的发生要高于闪长岩洞段。

3微震监测结果分析

桩号K39+551～K41+840和K41+840～K43+601段TBM法施工，工作面的微震监测事件见图3（1-2）、中等强度岩爆以上微震事件见图4（1-2）。

图3（1）图3（2）

图4（1）图4（2）

花岗岩洞段（K39+551～K41+840）共采集到有效微震事件30744次，由图3（1）、图4（1）可以看出，埋深不断增加，微震事件个数也在不断积累增加，事件增加频次与埋深基本呈正相关。图中a、d段在TBM停机检修期间（2020年1月4日-2月26日，含疫情停工）采集到的有效微震事件很少，基本表现为轻微事件，其余时间微震总体活跃性较高，中等强度以上微震事件尤为明显。

闪长岩洞段（K41+840～K43+601）共采集到有效微震事件14060次，由图3（2）、图4（2）可以看出，埋深不断增加，微震事件个数或增或减，事件发生频次呈现不规律性。图中b、e段在TBM停机检修期间（2021年1月12日-2月27日，含顶护盾更换）采集到的有效微震事件很少，基本表现为轻微事件，其余时间微震总体活跃性较花岗岩洞段有所减少，中等强度以上微震事件尤为明显。图中c、f段虽为秦岭岭脊最大埋深2012m爬坡段，但因该段出现不同程度的渗涌水而软化围岩，减少了诱发岩爆的发生的条件，故该段围岩成型较好、局部有掉块现象，微震监测显示多以轻微事件为主。

4基于微震监测的岩爆评判

考虑TBM法施工掘进机对围岩的扰动，微震监测通过事件量化对岩爆等级进行评判。岩爆的评判标准原则上为24h内采集的有效微震事件，根据采集到能量的大小进行事件划分，具体评判标准见表3。

表3  基于微震监测的预判别标准

能量范围（kJ）	微震事件数（个）	岩爆等级
0～1	＜10	局部掉块
1～30	＞5	轻微
30～100	＞5	中等
100～800	＞5	强烈
＞800	＞5	极强

注：通过与钻爆法开挖过程中的能量对比，推算得2万焦微震能量相当于约1公斤炸药爆炸所释放的能量。

自K39+551开始至K43+601贯通，实际发生岩爆1653次，微震监测980期，微震事件44804次，其中强烈以上多达9701次。通过对岩爆发生、强烈程度与微震监测进行分析，可以看出岩爆的产生与强烈程度和微震监测预报的基本相符。

在花岗岩洞段能量大于100kJ的发生2256次，大于800kJ的发生了137次，最高达4082kJ。相比闪长岩洞段能量大于100kJ的仅发生294次，大于800kJ的发生了3次。结合微震监测，现场采取了有效的防护措施，但由于岩爆的发生没有规律可循，无法准时预测，施工现场虽采取了必要的防护措施，仍有支护体系及设备相继遭到破坏，尤其是在高地应力洞段。

4结语

通过对第二掘进段岩性、埋深、围岩强度与微震监测结合进行综合分析，可以看出在花岗岩洞段中，随着埋深的不断增加，岩爆发生的频次和强烈程度呈正相关的规律性，对今后施工具有一定的指导意义。但由于岩爆发生的时间尚无准确预测，岩爆发生的等级基本可以通过微震事件统计优化后确定。经由过程中大量数据分析显示，第二掘进段监测数据与实际发生的岩爆等级基本相吻合，存在一定的关联性，同时也从工程角度验证了微震监测技术手段在深埋岩体隧洞中对岩爆预测的可行性和可靠性。

5参考文献

[1]马天辉,唐春安,唐烈先,等.基于微震监测技术的岩爆预测机制研究[J].岩石力学与工程学报, 2016, 35(3):14.

[2]于群,唐春安,李连崇,等.基于微震监测的锦屏二级水电站深埋隧洞岩爆孕育过程分析[J].岩土工程学报, 2014(12):8.

[3]钱七虎．地下工程建设安全面临的挑战与对策[J]．岩石力学与 工程学报,2012，31(10):1945-1956．