李名川 李邵軍 肖亞勛 李宏璧
(①雅礱江流域水電開發(fā)有限公司, 成都 610051, 中國)
(②中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所, 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室, 武漢 430071, 中國)
深部地下實驗室是一個國家關(guān)鍵性的重大基礎(chǔ)科學(xué)研究設(shè)施,是開展暗物質(zhì)探測、中微子物理實驗等重大前沿課題研究的場所,同時涉及巖土力學(xué)、地球科學(xué)、生物學(xué)等實驗研究(Coccia, 2006; Bettini, 2011; 程建平等, 2011; 李邵軍等, 2021a)。從20世紀(jì)60年代起,國際上所建設(shè)的10余個極深地下實驗室(垂直巖石覆蓋厚度大于1000m)相繼產(chǎn)出了多項諾貝爾獎級別的研究成果(趙蕊等, 2017)。
中國錦屏地下實驗室是目前世界上最深的地下實驗室,埋深達(dá)2400m。該實驗室不僅是我國極深地下實驗室建設(shè)從0到1的突破,而且提供了領(lǐng)跑國際地下科學(xué)研究的契機。2014年啟動的中國錦屏實驗室二期(CJPL-Ⅱ)擴建工程,將實驗室空間由4000m3提升至300000m3。期間所開展的原位巖石力學(xué)試驗,在為CJPL-Ⅱ安全建設(shè)提供技術(shù)支撐的同時,極大地推進了深部巖體力學(xué)與工程安全領(lǐng)域研究(馮夏庭等, 2016; Zheng et al.,2020; 李邵軍等, 2021b)。2021年,國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設(shè)施”(簡稱“錦屏大設(shè)施”)在CJPL-Ⅱ正式開工。根據(jù)錦屏大設(shè)施建設(shè)方案,需在現(xiàn)有輔助隧道上進行非對稱擴挖,該開挖方式造成原有應(yīng)力場非對稱重分布,極大影響洞室的穩(wěn)定性甚至發(fā)生災(zāi)變。為保障擴挖過程的工程安全,開展監(jiān)測預(yù)警和深部工程災(zāi)害動態(tài)防控研究是確保錦屏大設(shè)施項目順利實施的關(guān)鍵所在。
本文針對錦屏大設(shè)施擴挖過程潛在的高等級巖爆風(fēng)險,建立了深部地下實驗室擴挖巖爆微震監(jiān)測與預(yù)警方法,揭示了擴挖過程中圍巖微破裂時空演化規(guī)律,提出了針對性的擴挖巖爆防控措施,為錦屏大設(shè)施安全高效擴挖提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
2009年,為了提高錦屏二級水電站引水隧洞群的開挖效率,在最大埋深處附近由交通洞A向排水洞布置了兩條輔助施工隧洞(圖1中的1#和2#輔助隧道)。CJPL-Ⅱ主體工程位于1#輔助隧道南側(cè),由4洞9廳組成。各實驗室均為截面14m×14m的城門洞型,長65m。此次錦屏大設(shè)施擴挖在2#輔助隧道中實施,如圖1所示,可分為如下兩部分:
圖1 擴挖工程布置示意Fig. 1 Project layout of anisotropic extension excavation
(1)通道A和通道B的相鄰?fù)蚨潭词议_挖,位于2#輔助隧道上游南側(cè),兩通道為城門洞型,開挖截面為8.2m×8.2m,長度均為20m,兩通道相鄰洞壁間距為70m。
(2)擴挖段A和擴挖段B的單側(cè)相向擴挖,位于2#輔助隧道下游北側(cè),擴挖段A擴挖深度為4.2m,長度189m,擴挖段B擴挖深度為3.2m,長度為100m。
巖爆是深埋工程開挖過程中常見的地質(zhì)災(zāi)害(周航等, 2020; 宮鳳強等, 2021)。錦屏大設(shè)施擴挖工程處在錦屏山工程最大埋深位置,臨近的引水隧洞群在開挖過程中高等級巖爆頻發(fā),造成嚴(yán)重的人員傷亡和設(shè)備損失。而錦屏大設(shè)施主體工程(9個實驗廳與其交通洞)開挖過程中發(fā)生了4次強巖爆和一次大規(guī)模塌方(李邵軍等,2021b)。C1實驗廳開挖過程中南側(cè)邊墻發(fā)生1次強烈?guī)r爆,最大破壞深度達(dá)3m,巖爆發(fā)生時刻對應(yīng)微震事件能量達(dá)2.6×106J,巖爆區(qū)域內(nèi)隧洞拱肩部位已有錨桿和初噴支護嚴(yán)重?fù)p壞。D1和D2實驗廳開挖過程中發(fā)生3次強巖爆,其中:D1和D2實驗廳交叉部位南側(cè)邊墻至拱肩部位1次極強巖爆爆出巖塊體積共約350m3,巖爆區(qū)域長約44m,高5~6m,最大爆坑深度3.2m,最大爆塊尺寸達(dá)2.4m×2.4m×1m,巖塊最大彈射距離7~10m。巖爆造成了對應(yīng)區(qū)域已有支護系統(tǒng)嚴(yán)重破壞,錨桿被拉斷和拔出、鋼筋網(wǎng)和初噴混凝土被拋出,如圖2所示。
圖2 CJPL-Ⅱ主體工程開挖極強巖爆F(xiàn)ig. 2 Extreme rockburst during excavation of CJPL-II
基于臨近工程開挖過程的圍巖失穩(wěn)情況,類比分析可知,錦屏大設(shè)施擴挖過程中圍巖失穩(wěn)風(fēng)險以巖爆為主,且極有可能發(fā)生高等級巖爆。因此,擴挖安全監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)警與防控應(yīng)主要針對巖爆風(fēng)險而展開。
微震監(jiān)測是目前最為直接與有效的巖爆孕育過程實時監(jiān)測手段(Li et al.,2012; 于群等, 2014; Xiao et al.,2016b; 馮夏庭等, 2019; 陳柯竹等, 2020; 竇林名等, 2021)。隧道硬巖巖爆在發(fā)生前通常呈現(xiàn)出圍巖表層小變形但內(nèi)部多破裂的特征。巖爆孕育的本質(zhì)是一系列巖體破裂累積直至圍巖猛烈失穩(wěn)的過程。隧道80%以上巖爆發(fā)生在開挖面附近,因此,隧道微震監(jiān)測通常在開挖面一定距離(<200m)內(nèi)布置6~8個微震傳感器,實時感知開挖面附近巖體破裂時向外輻射的微震動波。隨后基于定量地震學(xué)理論,運用專業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件對微震動數(shù)據(jù)進行整理與分析,獲得巖體破裂微震事件震源參數(shù)信息(位置、能量、視體積等)?;谖⒄鹗录臄?shù)量及其震源參數(shù)的時空演化信息,可對隧道開挖過程中巖爆風(fēng)險進行動態(tài)預(yù)警。
新增通道A和B為短距離同向開挖。考慮通訊線纜走線銜接路線及其便利性,微震傳感器的可布置空間十分有限,僅通道之間的區(qū)域具備布設(shè)條件。在兩通道洞壁之間間距僅約70m的情況下,為了充分保障傳感器陣列在空間的展布性。因此,設(shè)計了2組6排固定布置的傳感器,每組傳感器由3排組成,每排傳感器之間的平面間距是5m,兩組傳感器之間的平面距離是10m。新增試驗通道A和B微震傳感器平面和斷面布置如圖3所示。
圖3 新增通道A和B微震傳感器布置示意Fig. 3 Layout of microseismic sensor at new tunnel A and Ba. 平面布置; b. A1,A3,A4,A6排斷面布置; c. A2,A5排斷面布置
擴挖段A和B為單側(cè)相向擴挖,利用其相向擴挖之間的空間布置微震傳感器,在發(fā)生較大尺寸巖體破裂時,兩開挖面的傳感器可聯(lián)合作業(yè),提供更為準(zhǔn)確的巖體破裂位置、能量等監(jiān)測信息。爆破飛石易造成線路與設(shè)備損壞,這要求傳感器與工作面之間距離應(yīng)大于爆破安全距離。
以擴挖段A為例說明單側(cè)相向擴挖微震傳感器移動式布置設(shè)計。在擴挖段A未開挖前,在掘進方向上距開挖起始位置90m, 110m和130m處各布置1排傳感器(A-1,A-2,A-3),每排傳感器數(shù)量為2個,如圖4a所示,每個傳感器在斷面上的布置如圖4b,圖4c和圖4d所示。以進尺20m作為一次傳感器回收與安裝循環(huán),即每開挖20m,回收距離工作面最近的那排傳感器,并將其安裝至距工作面130m處,回收與安裝傳感器的布置方式相同。由此隨著開挖循環(huán)移動傳感器,保證傳感器距工作面距離70~130m。擴挖段A開挖至180m時,按上述規(guī)則最后1次移動傳感器。在擴挖完成后,待微震活動顯示圍巖穩(wěn)定可回收針對該擴挖段布置的傳感器,至此,擴挖段A巖爆微震監(jiān)測結(jié)束。擴挖段B監(jiān)測方案與擴挖段A相似,不再贅述。
圖4 擴挖段A微震傳感器布置示意Fig. 4 Layout of microseismic sensor at expanding section Aa. 平面布置; b. A-1排斷面布置; c. A-2排斷面布置; d. A-3排斷面布置
巖爆預(yù)警采用基于微震監(jiān)測信息的鉆爆法巖爆預(yù)警法(Feng et al.,2015)。巖爆等級和發(fā)生概率按下式計算:
(1)
式中:i是巖爆等級,包括無巖爆、輕微巖爆、中等巖爆、強烈?guī)r爆和極強巖爆;j是預(yù)警區(qū)域微震監(jiān)測信息,分別為累積微震事件數(shù)、累積微震釋放能、累積微震視體積、微震事件率、微震釋放能速率和微震視體積率。wj是預(yù)警區(qū)域微震監(jiān)測信息的權(quán)系數(shù);Pji是基于預(yù)警區(qū)域微震監(jiān)測信息獲取的i巖爆等級的巖爆發(fā)生概率。
巖爆預(yù)警結(jié)果為所計算最大發(fā)生概率對應(yīng)的巖爆等級及其發(fā)生概率。若多個巖爆等級的發(fā)生概率相差不到5%,且大于其他巖爆等級發(fā)生概率時,選擇其中最高的巖爆等級及其發(fā)生概率作為巖爆預(yù)警結(jié)果。不同等級巖爆預(yù)警閾值參考了相臨工程錦屏二級水電站引水隧洞巖爆微震監(jiān)測信息。
為了提高開挖效率,擴挖的4個掌子面中往往存在2~3個平行作業(yè),而巖爆預(yù)警前需經(jīng)過監(jiān)測傳感器和系統(tǒng)動態(tài)布置,大量監(jiān)測數(shù)據(jù)處理,現(xiàn)場踏勘,監(jiān)測設(shè)備維護,監(jiān)測信息分析與報告編寫等多個步驟。針對鉆爆法洞室,常規(guī)的預(yù)警頻次為1炮1預(yù)警,多個掌子面平行作業(yè)時就需投入大量的人力和時間。若監(jiān)測結(jié)果顯示的巖爆風(fēng)險較低時,適當(dāng)加長預(yù)警周期,降低預(yù)警頻次,可有效優(yōu)化資源投入,這也在一定程度上保障了巖爆風(fēng)險高掌子面預(yù)警的及時性。為此,建立了基于巖爆風(fēng)險程度的鉆爆法洞室?guī)r爆預(yù)警頻次優(yōu)化原則,即巖爆風(fēng)險高的洞室1炮1預(yù)警,巖爆風(fēng)險低的洞室可適當(dāng)降低巖爆預(yù)警頻次。確定該原則的依據(jù)在于,巖爆風(fēng)險較高的洞室開挖過程中存在較大的可能微震活動會突增,潛在巖爆發(fā)生等級會提高,根據(jù)微震監(jiān)測信息動態(tài)更新巖爆預(yù)警結(jié)果非常必要,是及時調(diào)整巖爆防控措施的依據(jù)。因此,針對巖爆風(fēng)險較高洞室應(yīng)堅持1炮1預(yù)警。巖爆風(fēng)險較低的洞室通常微震活動發(fā)展較為平緩,多個連續(xù)開挖循環(huán)內(nèi)呈現(xiàn)低巖爆風(fēng)險狀態(tài),此時增大巖爆預(yù)警周期對施工安全基本無影響。若出現(xiàn)微震活動增加而巖爆風(fēng)險增大的情況,可提高巖爆預(yù)警頻次。針對錦屏大設(shè)施擴挖工程,巖爆風(fēng)險較高的通道A和B采用1炮1預(yù)警,而巖爆風(fēng)險較低的擴挖段A和B采用每開挖20~30m 預(yù)警1次。若均采用1炮1預(yù)警的方式,錦屏大設(shè)施擴挖工程巖爆監(jiān)測與預(yù)警需投入2名地質(zhì)踏勘和檢修人員、4名數(shù)據(jù)分析和2名報告編寫人員; 采用基于巖爆風(fēng)險程度的鉆爆法洞室?guī)r爆預(yù)警頻次優(yōu)化原則后,在保證巖爆預(yù)警效果的基礎(chǔ)下,減少了近3/4的重復(fù)的低風(fēng)險巖爆預(yù)警報告,且人員投入減半。
采用上述微震監(jiān)測方案,實時獲得了深部地下實驗室擴挖過程所產(chǎn)生的巖體破裂微震事件。巖體破裂微震事件識別采用了連續(xù)/離散小波-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)濾噪方法(馮夏庭等, 2013),微震事件位置定位使用了隧道陣列外破裂震源粒子流定位方法(陳炳瑞等, 2009),微震事件震源參數(shù)由SinoSeiSm自帶高精度微震信號自動分析軟件GMS自動計算。對比分析了各擴挖洞段開挖過程中微震信息的時空演化規(guī)律。
圖5~圖8是各擴挖洞段開挖過程中微震事件空間分布演化,每一個球體代表一個微震事件,球體大小表示微震釋放能量,微震釋放能量越大,球體越大。微震活動空間演化呈現(xiàn)出如下特征:
圖5 通道A開挖微震活動空間演化Fig. 5 Spatial evolution of microseismicity in tunnel Aa. 開挖全過程; b. 0+0~0+7; c. 0+7~0+14; d. 0+14~0+20
圖6 通道B開挖微震活動空間演化Fig. 6 Spatial evolution of microseismicity in tunnel Ba. 開挖全過程; b. 0+0~0+4.5; c. 0+4.5~12.5; d. 0+12.5~0+20
(3)擴挖段A和B的微震活動不活躍,大能量微震事件較少且離散分布,如圖7和圖8所示。
圖7 擴挖段A開挖微震活動分布Fig. 7 Distribution of microseismicity at expanding section A
圖8 擴挖段B開挖微震活動分布Fig. 8 Distribution of microseismicity at expanding section A
(1)通道A在開口階段微震活動較為平靜,隨著開挖向原巖區(qū)域深入,微震事件數(shù)量明顯增加且微震釋放能量有逐漸增大的趨勢,整體來看,微震事件隨工作面推進主要發(fā)生在工作面附近,未出現(xiàn)明顯的聚核現(xiàn)象,如圖5所示。
(2)通道B微震事件在各開挖階段均較多,值得注意的是,隨著工作面的推進,微震事件仍主要發(fā)生在0+5斷面附近,釋放能量最大的微震事件就發(fā)生在開挖該部位時,微震活動呈現(xiàn)向該局部區(qū)域聚核發(fā)展的趨勢,如圖6所示。
各擴挖洞段開挖過程中微震事件的累積數(shù)量與累積釋放能量演化如圖9所示??梢钥闯?,盡管新增通道B開挖長度最小(僅為擴挖段A的1/10),但無論微震事件總數(shù)和釋放總能均最大。其中:微震事件總數(shù)接近擴挖段A的2倍,而微震釋放總能高于擴挖段A約1個數(shù)量級。新增通道A微震事件總數(shù)和釋放總量與擴挖段A大致相當(dāng),擴挖段B均位于最低水平。整體來看,各擴挖段微震事件數(shù)量隨時間發(fā)展較為平緩,微震釋放能僅新增通道B有突然增長的現(xiàn)象。
圖9 各擴挖洞段開挖過程中微震事件的累積數(shù)量與累積釋放能量演化Fig. 9 Evolution of cumulative number and cumulative energy of microseismic events during excavation process of each sectiona. 新增通道A; b. 新增通道B; c. 擴挖段A; d. 擴挖段B
從微震監(jiān)測信息時空演化情況可以判斷:新增通道微震活動明顯強于擴挖段,新增通道B微震活動最為活躍,通道A和擴挖段A次之,擴挖段B相對平靜。
首先,新增通道和擴挖段的微震活動存在差異,單位開挖長度上,前者微震活動明顯較后者活躍。其原因為:(1)新增通道的開挖斷面面積要遠(yuǎn)大于擴挖段; (2)2#輔助隧道已開挖完成逾10年,其圍巖松動范圍較深,甚至可能超過了擴挖段開挖斷面在隧道徑向的長度,擴挖段開挖區(qū)域圍巖完整性相對較差,開挖卸荷時圍巖釋放能量較低,相應(yīng)的巖體破裂尺寸較小。
其次,新增通道A和B的微震活動整體和演化存在差異,這是因為通道B在開挖過程中0+5附近揭露了一條與其洞軸線呈小夾角的陡傾結(jié)構(gòu)面(圖10),該不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)附近在開挖卸荷作用下產(chǎn)生了應(yīng)力集中,致使微震活動在該部位聚集且伴有大能量巖體破裂發(fā)生,從而產(chǎn)生了較高的巖爆風(fēng)險。
基于2.2節(jié)所述巖爆預(yù)警方法與預(yù)警頻次優(yōu)化原則,對新增通道A和新增通道B開挖1個循環(huán)(2.5~3m)預(yù)警巖爆風(fēng)險1次,各自預(yù)警了7次。其中13次巖爆預(yù)警與實際發(fā)生一致,均為預(yù)警無巖爆風(fēng)險,實際亦未發(fā)生; 新增通道B巖爆預(yù)警輕微-中等巖爆風(fēng)險1次,現(xiàn)場隨后采取了相應(yīng)防控措施,實際未發(fā)生,該次巖爆風(fēng)險監(jiān)測與防控過程見4.3節(jié)所述。擴挖段A和擴挖段B則為開挖20~30m預(yù)警巖爆風(fēng)險1次,巖爆預(yù)警次數(shù)分別為9次和4次,均為預(yù)警無巖爆風(fēng)險,實際亦未發(fā)生。整體來看,巖爆預(yù)警與實際發(fā)生基本一致。
單從巖爆風(fēng)險預(yù)警結(jié)果來看,深部地下實驗室擴挖過程中巖爆風(fēng)險較低,但其背后,適宜的巖爆施工設(shè)計才是關(guān)鍵。通過前期錦屏二級水電站引水隧洞群和地下實驗室主實驗廳巖爆施工豐富經(jīng)驗,已總結(jié)形成了深部大理巖隧道鉆爆法不同等級巖爆施工方案。以中等巖爆施工洞段為例:
(1)掘進進尺控制在3m左右;
(2)開挖方式、斷面形狀和尺寸等暫不調(diào)整;
(3)開挖后緊跟掌子面噴鋼纖維或仿鋼纖維混凝土即時封閉圍巖,厚度約10~15cm;
(4)緊跟布置隨機水漲式錨桿,間距1m左右,梅花形布置,長度3.5m,加鋼墊板,厚度10mm,邊長15cm。
新增通道B是首先開挖的,其監(jiān)測信息與巖爆風(fēng)險對后續(xù)施工設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。從圖5可以看出,在新增通道B開挖初期就呈現(xiàn)出微震活動活躍并聚集的特征,并發(fā)生了微震釋放能為1.4×105的大尺寸巖體破裂事件,巖爆風(fēng)險顯示具備輕微-中等巖爆風(fēng)險。參考臨近主實驗廳發(fā)生過多次強烈與極強巖爆,后續(xù)施工設(shè)計采用了上述中等巖爆鉆爆法施工方案的(1)~(3)條,隨機支護則加強為系統(tǒng)支護,系統(tǒng)布置普通砂漿錨桿和漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿,間距1m,梅花形布置,長度4.5~6m,加鋼墊板,厚度12mm,邊長20~30cm; 掛網(wǎng),?8mm,@15cm×15cm; 復(fù)噴鋼纖維或防鋼纖維混凝土15cm。且實施了1炮1支護,系統(tǒng)支護緊跟掌子面。
對新增通道B施工過程中發(fā)生的微震事件進行了濾噪及定位分析,獲得2021年9月3日至9月8日微震事件數(shù)和能量隨時間演化規(guī)律,如圖9所示。2021年9月6日18時40分現(xiàn)場爆破后,短時間內(nèi)監(jiān)測到多個低能量微震事件,且在19時01分發(fā)生了一個微震能量為1.4×105J的大能量事件。整體而言,新增通道B微震事件數(shù)量增長快且累積能量處于較高水平(累積微震釋放能對數(shù)(lgE/J)為5.14)。
基于以上微震活動性特征和規(guī)律,采用2.2節(jié)所述巖爆預(yù)警方法, 9月7日預(yù)警有輕微-中等巖爆風(fēng)險(IRSM-JPDSS-YB-RB-003報告)。巖爆預(yù)警經(jīng)業(yè)主、設(shè)計和施工方,現(xiàn)場及時采取了4.2節(jié)所述巖爆施工方案,如下措施:加強支護,隨機支護變?yōu)橄到y(tǒng)支護,且實行1炮1支護。采取措施后,獲得如下效果:
(1)有效降低微震活動程度,如圖11所示,微震事件數(shù)和能量都表現(xiàn)為明顯的降低。微震活動整體趨于平靜。
(2)有效避免了巖爆發(fā)生。巖爆風(fēng)險預(yù)警等級為輕微-中等巖爆,實際無巖爆。
正是在所制定的巖爆施工方案實施情況下,開挖所誘發(fā)的巖體破裂活動得到了很好的控制,后續(xù)微震監(jiān)測結(jié)果均顯示巖爆風(fēng)險較低,這表明所設(shè)計的巖爆風(fēng)險防控措施是適宜的,有效控制了錦屏大設(shè)施開挖過程的巖爆風(fēng)險。
本文圍繞CJPL-Ⅱ非對稱擴挖監(jiān)測預(yù)警與防控技術(shù)開展了相關(guān)研究,獲得了如下成果:
(1)建立了深部地下實驗室相鄰?fù)蚨潭词夜潭ㄊ胶蛦蝹?cè)相向擴挖移動式微震傳感器陣列優(yōu)化布置方法,準(zhǔn)確連續(xù)獲取了CJPL-Ⅱ擴挖全過程的巖體微破裂演化信息; 采用了基于微震監(jiān)測信息的鉆爆法巖爆預(yù)警法,構(gòu)建了基于巖爆風(fēng)險程度的巖爆預(yù)警頻次優(yōu)化原則,實現(xiàn)了CJPL-Ⅱ擴挖過程的巖爆風(fēng)險實時動態(tài)預(yù)警,潛在巖爆發(fā)生區(qū)域與等級預(yù)警與實際情況吻合良好。
(2)揭示了CJPL-Ⅱ擴挖各洞段開挖過程微破裂時空演化規(guī)律,新增通道微震活動較擴挖段更為活躍,巖爆風(fēng)險亦更高,擴挖微震活動活躍程度與空間集聚特征受擴挖斷面尺寸,擴挖深度以及結(jié)構(gòu)面影響。
(3)提出了針對性的CJPL-Ⅱ擴挖巖爆防控措施,在微震監(jiān)測結(jié)果顯示CJPL-Ⅱ擴挖存在中等巖爆風(fēng)險的基礎(chǔ)上,優(yōu)化了現(xiàn)有中等巖爆洞室施工的支護參數(shù)與時機,典型巖爆預(yù)警與防控案例驗證了其有效性,保障了CJPL-Ⅱ擴挖安全順利完成。