吳海源，于 群，杜志遠(yuǎn)，郭 晉，廖志毅，唐春安

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110870；2.深圳大學(xué) 廣東省深地科學(xué)與地?zé)崮荛_發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深地科學(xué)與綠色能源研究院，土木與交通工程學(xué)院， 廣東 深圳 518060；3.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024)

巖爆是在外界擾動(dòng)影響下，存儲(chǔ)于巖體中的彈性應(yīng)變能突然釋放，導(dǎo)致圍巖爆裂彈射的動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象，是地下工程尤其是深部地下工程常見的動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害。巖爆的危險(xiǎn)性主要在于發(fā)生過程短促，具有很強(qiáng)的突發(fā)性、隨機(jī)性和危害性[1-3]，常常使人猝不及防造成嚴(yán)重傷亡，甚至摧垮整個(gè)工作面，對(duì)工程建設(shè)威脅巨大。2009年11月28日，四川雅礱江錦屏Ⅱ級(jí)水電站施工排水洞突發(fā)極強(qiáng)巖爆，塌方總量達(dá)400余m3，并造成價(jià)值1.2億TBM(Tunnel Boring Machine,TBM)永久性長(zhǎng)埋和7死1傷的慘痛局面。由此可見，巖爆對(duì)于地下工程建設(shè)和人員安全危害巨大，如何有效預(yù)測(cè)及控制巖爆災(zāi)害的發(fā)生已成為我國(guó)地下工程安全建設(shè)亟待解決的問題。

對(duì)巖爆監(jiān)測(cè)而言，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段僅能測(cè)得局部巖體的應(yīng)力或應(yīng)變，卻無法評(píng)價(jià)整體巖體的穩(wěn)定性。近年來，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)(Microseismic Monitoring Technology,MMT)作為先進(jìn)的空間巖體微破裂監(jiān)測(cè)技術(shù)，基于對(duì)巖體微破裂事件的捕獲和定位算法，從而對(duì)潛在危險(xiǎn)區(qū)和巖爆區(qū)進(jìn)行圈定和識(shí)別。該監(jiān)測(cè)技術(shù)已在采礦工程[4-6]、地下工程[7]、隧道工程[8]、水利水電工程[9-11]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并取得了豐富的研究成果，使得對(duì)巖體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及巖爆的預(yù)測(cè)預(yù)警成為可能。但上述研究?jī)?nèi)容及成果仍存在以下不足：

(1) 巖爆預(yù)警指標(biāo)單一。巖體微破裂的每個(gè)信號(hào)都包含了巖體狀態(tài)變化的豐富信息，而如何面對(duì)先進(jìn)系統(tǒng)獲取大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，基于對(duì)數(shù)據(jù)的挖掘進(jìn)行合理的解釋，從中得到預(yù)測(cè)巖爆的多元信息，則是巖爆預(yù)警工作中的重點(diǎn)。

(2) 巖爆預(yù)測(cè)預(yù)警判別標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)判體系不夠健全?，F(xiàn)有關(guān)于微震信息在巖爆預(yù)警中應(yīng)用的報(bào)道主要體現(xiàn)在成功個(gè)案上，由此建立的預(yù)警判據(jù)和方法缺乏普適性。

全長(zhǎng)超過17 km的雅礱江錦屏水電工程交通隧洞穿越不同地層單元，全面貫通后巖爆累計(jì)長(zhǎng)度達(dá)3.31 km，發(fā)生烈度大頻度高，造成嚴(yán)重的人員傷亡和設(shè)備損失。因此，本文以錦屏水電工程引水洞發(fā)生的多次中等至強(qiáng)烈?guī)r爆為例，通過微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，基于微震事件“時(shí)空強(qiáng)”演化特征，對(duì)巖爆發(fā)生前的微破裂前兆特征開展研究，揭示微震預(yù)警指標(biāo)，包括微震累積事件數(shù)、微震能量密度、累積視體積及能量指數(shù)的時(shí)空變化規(guī)律與巖爆內(nèi)在聯(lián)系，提出深埋隧道巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警方法。

1 工程地質(zhì)概況及微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 工程概況

錦屏水電工程坐落于四川涼山州雅礱江上，是我國(guó)西電東送的重要標(biāo)志性工程。水電工程隧洞群是由平均長(zhǎng)度超過16.7 km，走向N58°W的相互平行的7條隧洞組成，分別由交通洞、引水洞及排水洞組成。施工過程分別采用TBM法和鉆爆法掘進(jìn)。各條隧洞開挖形狀、截面尺寸及剖面布置詳圖如圖1所示。

圖1 錦屏水電工程隧洞群總體布置及施工詳圖

1.2 地質(zhì)概況

錦屏二級(jí)水電站工程地質(zhì)平面圖詳見圖2，工程所處地層總體走向以NNE向?yàn)橹鳎矶慈河晌魍鶘|依次穿過的主要巖層有三迭系下統(tǒng)綠泥石片巖和變質(zhì)中細(xì)砂巖等地層T1、雜古腦組大理巖T2Z、三迭系上統(tǒng)板砂巖T3、白山組大理巖T2b及鹽塘組大理巖T2y。圍巖新鮮性脆硬質(zhì)巖，巖體完整性較好，圍巖抗壓強(qiáng)度在55 MPa～114 MPa，隧洞群埋深深度從1 500 m至2 200 m不等，最大埋深為2 525 m，該隧洞具有埋深大、洞線長(zhǎng)、施工難度大及地質(zhì)條件多樣復(fù)雜等特點(diǎn)，是我國(guó)現(xiàn)有的特大型地下水電工程。

圖2 錦屏二級(jí)水電工程地質(zhì)平面圖

1.3 微震監(jiān)測(cè)原理及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

工程擾動(dòng)影響下，巖體內(nèi)部必將產(chǎn)生局部應(yīng)力積累和集中現(xiàn)象，當(dāng)積累的應(yīng)力能超過巖體強(qiáng)度后，就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生微破裂事件，并伴隨彈性波的快速釋放和傳播，這種現(xiàn)象在地質(zhì)上稱為微震(MS)。與此同時(shí)，該彈性波可被由周圍布置的多個(gè)傳感器所接收，通過對(duì)波形的處理分析并基于反演方法就可以得到巖體中微破裂事件發(fā)生的時(shí)間、空間和強(qiáng)度，即地球物理學(xué)中的“時(shí)、空、強(qiáng)”三要素[12]。微震事件定位原理如圖3所示。根據(jù)微裂紋的破裂和損傷程度，就有可能推斷巖石宏觀破裂的發(fā)展趨勢(shì)。

圖3 微震監(jiān)測(cè)原理圖

錦屏水電工程微震監(jiān)測(cè)采用ESG(Engineering Solution Group，ESG)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：信號(hào)采集系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)及傳感器。傳感器以陣列形式安裝在隧洞壁的兩側(cè)(每側(cè)布置三個(gè))，傳感器間隔50 m。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理及工作流程見圖4所示。

圖4 錦屏水電工程微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

2 巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警方法研究

2.1 巖爆預(yù)測(cè)預(yù)警指標(biāo)

隨著地球物理學(xué)的發(fā)展及對(duì)巖爆問題認(rèn)識(shí)的深入，借助天然地震預(yù)測(cè)的研究成果，基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)手段對(duì)巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警成為可能[12]。通過ESG監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，震源參數(shù)除包括震源時(shí)空位置、里氏震級(jí)和應(yīng)力降外，還包括微震能量密度、地震距、視應(yīng)力等重要參數(shù)。通過對(duì)上述震源參數(shù)的量化分析及時(shí)空變化規(guī)律判斷巖爆微破裂前兆特征，進(jìn)而確定巖爆潛在危險(xiǎn)區(qū)并發(fā)出預(yù)警警示。預(yù)警相關(guān)參數(shù)描述如下：

(1) 微震累計(jì)事件數(shù)。巖爆的物理過程可以通過損傷力學(xué)來描述[13]。巖體內(nèi)部產(chǎn)生新?lián)p傷的同時(shí)一定伴隨微震(聲發(fā)射)的發(fā)生，微震累積事件數(shù)直接對(duì)應(yīng)著巖體的損傷程度[7,14]。微震累計(jì)事件數(shù)越多，對(duì)應(yīng)破裂區(qū)域的巖體強(qiáng)度弱化程度越嚴(yán)重，由此可作為巖體微破裂損傷和巖爆破壞的依據(jù)。

(2) 微震能量密度。微震能量密度表示單位體積內(nèi)巖體微破裂釋放和耗散的能量，它可以綜合反映巖體微破裂損傷的程度，并可以表征損傷區(qū)域內(nèi)巖體應(yīng)變能的釋放及演化過程。巖體中的高能量密度分布區(qū)對(duì)應(yīng)著巖體微破裂集中區(qū)和損傷嚴(yán)重區(qū)[15]，其關(guān)系式可表示為：

(1)

式中：εi為能量密度；E為地震輻射能量；D為空間維數(shù)；a為邊長(zhǎng)。

(3) 累積視體積和能量指數(shù)。地震學(xué)中，視體積和能量指數(shù)通常是用來研究地震孕育過程的重要參數(shù)，它們可以反映出地震發(fā)生前圍巖的變化特征和演化規(guī)律[16-17]。當(dāng)能量指數(shù)隨著累積視體積的增加而增加時(shí)，說明巖體處于應(yīng)變硬化階段，此時(shí)巖體趨于穩(wěn)定；當(dāng)累計(jì)視體積增大而能量指數(shù)迅速減小時(shí)，說明震源區(qū)內(nèi)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力也迅速下降，且應(yīng)力降越快，巖體劣化失穩(wěn)越嚴(yán)重，此時(shí)的巖體將處于嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài)，發(fā)生巖爆的概率大大增加。因此，可通上述參數(shù)變化特征獲取巖爆微破裂前兆信息。視體積和能量指數(shù)的關(guān)系表達(dá)式如下：

(2)

式中：VA為視體積；σA為視應(yīng)力；M為地震矩。

(3)

式中：EI為能量指數(shù)；E為地震輻射能量；P為地震勢(shì)；c1，c2為常量。

2.2 巖爆預(yù)測(cè)預(yù)警的一般模式

自錦屏二級(jí)水電站深埋隧洞微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行以來，獲取了大量有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)?；趯?duì)上述震源參數(shù)的分析結(jié)果，建立了錦屏深埋隧洞巖爆預(yù)測(cè)預(yù)警方法及一般模式，詳見圖5。對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的5條隧洞(包括4條引水洞及1條排水洞)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在現(xiàn)場(chǎng)記錄的237次巖爆中，有191次被準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)警，包括巖爆發(fā)生位置和發(fā)生烈度，準(zhǔn)確率達(dá)到80.6%[18]。該方法可對(duì)隧洞施工開挖提供指導(dǎo)依據(jù)，并為此類隧洞巖爆的預(yù)測(cè)預(yù)警提供借鑒意義。

圖5 深埋隧洞巖爆預(yù)測(cè)預(yù)警流程圖

3 典型案例分析

典型巖爆事件發(fā)生在3#引水洞9+000 m—9+300 m之間，該洞段開挖過程中經(jīng)歷多次中等—強(qiáng)烈不同烈度的巖爆。其中，在2011年7月1日—7月25日期間內(nèi)發(fā)生中等巖爆4次及強(qiáng)烈?guī)r爆1次，巖爆發(fā)生時(shí)間、具體位置及發(fā)生烈度詳見表1。

表1 3#引水洞巖爆發(fā)生基本概況

3.1 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖6為3#引水洞在2011年7月3日—7月20日微震活動(dòng)“時(shí)空強(qiáng)”演化分布圖。從空間上看：圖6(a)顯示在掌子面引(3)9 + 248出現(xiàn)7個(gè)高能微震事件，單個(gè)微震能量最大值達(dá)到2.74×104J。隨后幾天，微震事件進(jìn)一步聚集，在引(3)9 +239 m—9 + 259 m形成一個(gè)微震事件簇集區(qū)A，見圖6(b)。由于在該期間產(chǎn)生的高能事件較多且呈群集狀態(tài)，微震活動(dòng)由起初的無序分散漸進(jìn)向有序自組織演化。在接下來的9 d內(nèi)，隨著工作面的推進(jìn)，微震事件也有一定發(fā)展，掌子面后方高能大震事件持續(xù)出現(xiàn)，且微震事件簇集區(qū)A逐漸擴(kuò)大至簇集區(qū)B，此過程也是應(yīng)力不斷積累的過程。與此同時(shí)，圍巖強(qiáng)度隨時(shí)間發(fā)展也在不斷裂化，最終于2011年7月20日發(fā)生強(qiáng)巖爆。

圖6 3#引水洞微震活動(dòng)“時(shí)、空、強(qiáng)”分布情況

3.2 微震累計(jì)事件數(shù)分析

從時(shí)間上看：2011年7月3日—7月20日期間內(nèi)3#引水洞單日微震累計(jì)事件數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系曲線詳見圖7。

圖7 3#引水洞微震活動(dòng)事件頻率

由圖7可知，每次巖爆發(fā)生前，微震事件均經(jīng)歷一個(gè)迅速上升過程，每日累積事件數(shù)均大于25個(gè)(日平均事件數(shù)為16個(gè))，單日累計(jì)事件最大數(shù)達(dá)38個(gè)，巖爆發(fā)生在微震活動(dòng)高峰期的當(dāng)日或相鄰日。因此，微震事件突然劇增可視為巖爆的微破裂前兆特征。

3.3 微震能量密度特征分析

圖8為2011年7月3日—7月20日期間內(nèi)微震能量密度云隨時(shí)間的演化示意圖。在7月6日，即巖爆發(fā)生的前一天巖爆核心區(qū)開始顯現(xiàn)。隨后9 d內(nèi)(見圖8(b)和8(c))，由能量密度云顯示的成核區(qū)十分顯著并逐步向四周發(fā)展擴(kuò)大，這說明巖體內(nèi)部損傷程度開始加劇，微裂紋正經(jīng)歷萌生、發(fā)展、合并及貫通進(jìn)而形成大尺度裂紋的過程。該期間內(nèi)，巖體累計(jì)損傷愈加嚴(yán)重，巖體力學(xué)性能嚴(yán)重劣化，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度和穩(wěn)定性大大降低。該演化過程和微震活動(dòng)時(shí)空分布規(guī)律基本相一致，且能量損失區(qū)和微震聚集區(qū)相重疊，這更加映證了該區(qū)域內(nèi)巖體力學(xué)性能嚴(yán)重劣化的可能性。最終于2011年7月20日微震能量耗散密度云值達(dá)到峰值并發(fā)生強(qiáng)巖爆。因此，微震能量密度云可很好的反映出工程擾動(dòng)影響下，巖體損傷程度隨時(shí)空演化關(guān)系，可在第一時(shí)間確定巖爆成核區(qū)的位置及發(fā)展情況。

圖8 3#引水洞微震能量密度演化示意圖

3.4 累積視體積與能量指數(shù)時(shí)序特征分析

圖9顯示了3#引水洞累積視體積和能量指數(shù)的時(shí)序變化曲線(2011年7日3日—7月20日)。由圖9可知，該曲線可劃分為巖爆預(yù)警期和危險(xiǎn)期。在預(yù)警內(nèi)，能量指數(shù)快速下降而累計(jì)視體積迅速上升，這是巖爆發(fā)生前的顯著特征，隨后圍巖進(jìn)入巖爆危險(xiǎn)期。2011年7月4日—7月9日，能量指數(shù)迅速下降而累計(jì)視體積持續(xù)增長(zhǎng)，這說明該時(shí)期的圍巖經(jīng)歷破壞前的壓密和彈性變形階段后，震源區(qū)域內(nèi)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力迅速增大，巖體進(jìn)入峰值強(qiáng)度前的破壞階段，巖體力學(xué)性能裂化，巖爆概率大大增加。隨后4天內(nèi)(7月12日至7月15日)，圍巖又重復(fù)經(jīng)歷一次上述過程，該時(shí)期內(nèi)的曲線斜率較上一階段更加陡峭，說明巖爆烈度加劇，最終在7月20日發(fā)生強(qiáng)巖爆。

圖9 3#引水洞的累積視體積與能量指數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

4 結(jié) 論

(1) 將微震監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于錦屏深埋隧道的巖爆監(jiān)測(cè)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)深埋隧洞巖爆潛在危險(xiǎn)區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)警。為錦屏水電工程地下洞室開挖及動(dòng)態(tài)支護(hù)提供超前預(yù)測(cè)和技術(shù)支持。

(2) 通過提取和分析微震參數(shù)，包括微震累計(jì)事件數(shù)、能量密度、累積視體積及能量指數(shù)，揭示了微震事件的時(shí)空演化規(guī)律與巖爆間內(nèi)在聯(lián)系。巖爆發(fā)生前，微震事件由空間無序分布逐漸向有序的自組織演化，微震能量密度以成核區(qū)逐漸擴(kuò)大，微震累計(jì)事件數(shù)和累積視體積∑VA突增，而能量指數(shù)lg(EI)驟降，這些參數(shù)的異常變化均可為巖爆微破裂前兆信息和預(yù)警指標(biāo)。

(3) 基于上述研究成果，提出高地應(yīng)力條件下深埋隧洞巖爆預(yù)測(cè)預(yù)警方法及一般模式。通過現(xiàn)場(chǎng)巖爆記錄比對(duì)，該方法預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到80.6%，具有較高的準(zhǔn)確率和實(shí)用性，同時(shí)也為同類隧洞工程的巖爆預(yù)測(cè)及防治提供借鑒。