基于微震监测技术的岩爆特征研究

李立民 唐烈先 魏军政 赵力 王家明 李玉波

摘 要：秦岭输水隧洞越岭段岩石掘进机法施工过程中多次出现岩爆风险，对施工人员和设备安全产生了严重威胁。采用微震监测技术进行岩爆预测预报，通过分析微震事件分布特征、频次特征、震级特征等，建立了基于能量指标的岩爆判别方法，工程实例表明整体准确预测率超过80%。结果表明，深埋硬岩隧洞中岩爆风险是完全可以预测的，对于中等及以上岩爆预测效果更加显著，根据预测结果采取相应的预防措施，可在一定程度上降低岩爆的风險。

关键词：隧洞;岩爆;微震监测;防治措施;引汉济渭工程

中图分类号：TV672;U459.6 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.016

Abstract： The risk of rock burst appeared repeatedly and had posed a serious threat to personnel and equipment safety in the tunnel boring machine （TBM） construction process of the summit section of Qinling water conveyance tunnel. In this paper microseismic monitoring technology was used for prediction of rock burst. Through analyzing the distribution， frequency and moment magnitude characteristics of microseismic events， the method to judge rock burst was established based on energy index. And in the engineering project the overall accurate prediction rate was more than 80%. The results show that rock burst is predictable in the deep and hard rock tunnel， and the effect is more significant for medium and above rock burst. According to the predicted results， the risk of rock burst can be reduced to a certain extent through adopting the corresponding preventive measures.

Key words： tunnel; rock burst; micro-seismic monitoring; control measures; Hanjang-to-Weihe River Water Diversion Project

引汉济渭工程秦岭输水隧洞越岭段穿越秦岭山脉和主峰山体，洞线长81.779 km，上覆岩体埋深大于1 100 m，最高达2 012 m，地质条件复杂。正在掘进的岭南TBM施工段和4号施工支洞先后遭遇多次中等-强烈岩爆，伴随爆裂、松脱、剥落或抛掷现象，甚至多次出现大面积垮塌，对施工人员、设备安全造成严重威胁。

岩爆受岩体结构、施工参数等诸多因素的影响，其预测预报相当困难，尚缺乏统一的成熟理论和方法，目前主要有基于特殊地质现象的宏观预测法、岩石力学判据预测法、非线性科学理论预测法、数值模拟法、声发射现场监测法、电磁辐射监测预报法及微震监测预报法等[1]。张政辉等[2]通过室内岩石加卸载试验，探讨分析了岩石在不同应力状态下破坏形式与岩爆的关系。何满潮等[3]通过开展基于岩爆试验模拟系统的真三轴岩石试验，研究了岩石在不同应力状态下的变形和强度特征及岩爆现象。李天斌等[4]选取最具岩爆倾向的相似材料开展物理模拟试验，成功再现了岩爆的发生过程及发生机制。

近年来，微震监测技术在硬岩矿山安全监测方面发挥了重要作用，国内众多院校和科研院所先后引入微震监测系统。马天辉等[5-7]在锦屏二级水电站深埋长大隧洞群首次引入微震监测系统进行岩爆监测，在TBM开挖隧洞的岩爆预测方面得到了较好的应用。赵周能等[8-9]对TBM和钻爆法开挖的隧洞微震特性和岩爆风险进行了相关研究，在新建川藏铁路巴玉隧道工程、乌东德水电站地下厂房工程、巴基斯坦NEELUM-JHELUM水电站引水隧洞工程、大渡河猴子岩水电站地下洞室群工程中进行了工程应用。在引汉济渭工程秦岭隧洞岭南4号支洞及主洞接应段等运用微震监测技术进行了隧洞开挖岩爆监测预报，取得了较好的监测结果[10-12]。

本文通过对前期的微震监测工作进行归纳总结，结合特定岩性条件下微震监测数据提出岩爆等级判别方法，以便提前采取合理有效的防治措施，避免和减轻岩爆灾害对施工造成的影响。

1 工程概况

秦岭隧洞岭南TBM施工段起止桩号为K28+085—K37+011.5，设计断面为圆形断面，横断面开挖直径为8.02 m。施工区位于岭南高中山区，山高坡陡，地形起伏不平，最大高差为940 m，洞室埋深为510～1 450 m，沿大里程方向呈单面下坡，坡降为0.04%。

围岩以花岗岩为主，石英岩次之。石英岩分布于桩号K28+085—K28+630段，灰白色，主要矿物成分为石英、长石等，细粒变晶结构，块状构造，岩石单轴抗压强度为81～216 MPa;花岗岩分布于桩号K28+630—K37+011.5段，灰白色，主要矿物成分为斜长石、钾长石、石英和少量黑云母及角闪石，粒状变晶结构，块状结构，岩石单轴抗压强度为96～242 MPa。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩长度分别为8251.5、645.0、30.0 m。区内构造不发育，岩石完整新鲜，地下水局部发育基岩裂隙水，但总体不发育，属贫水区。岭南TBM施工主洞工区围岩工程地质分段评价见表1。通过地质分析可以看出，区内地质情况存在3个突出特点：①长距离花岗岩，岩质坚硬;②埋深大，地应力大;③地下水不发育。

2 微震监测系统布置方案

微震监测系统能够定位微震事件并确定其级别，主要由传感器、数据采集仪和主机3部分构成，布置方案如图1所示。单工作面采用6个传感器，从距离掌子面50 m处开始布置，左右侧壁各布置3个，间距50 m，孔深为3 m以上，通过电缆将传感器采集到的微震信号传输给数据采集仪。将数据采集仪悬挂于掌子面后100 m以外较为安全的洞壁，减少开挖震动对设备的损坏，同时需要防尘、防水，通过光缆将采集到的数据传输到洞外主机。为便于数据处理和远程传输并延長使用寿命，将主机置于洞外，通过光缆与洞内数据采集仪连接。

3 微震监测结果分析

桩号K33+870—K34+353和K34+353—K35+150段TBM法工作面微震事件分布特征、频次特征、震级特征见图2～图4。

桩号K33+870—K34+353段TBM工作面共采集到有效微震事件2 429次，由图2（a）可以看出，震级较强、能量较大微震事件主要分布于K33+870—K34+300范围内，其余洞段微震事件数量较多，但震级和能量较小。

由图3（a）可以看出，在TBM停机检修期间（2017年11月12日—12月10日）采集到的有效微震事件很少，其余时间微震总体活跃性较高。由图4（a）可以看出，多数矩震级在0.0～2.5级之间，部分达到2.5～3.0级。

桩号K34+353—K35+150段TBM工作面共采集到有效微震事件462次，由图2（b）可以看出，震级较强、能量较大微震事件主要分布于K34+730—K34+820范围内，其余洞段微震事件数量较多，但震级和能量较小。K34+820—K34+900范围内工作面共采集到有效微震事件80次，震级和能量较大，其余洞段微震事件较少，微震活跃性较低，不具明显岩爆特征。

由图3（b）可以看出，2018年2月15—17日采集到的有效微震事件较少，其余时间的微震较K33+870—K34+353段活跃性低。由图4（b）可以看出，多数矩震级在1.0级以下，部分在1.0～2.0级之间，少量超过2.0级。

4 基于微震监测结果的岩爆判别

通过对微震监测数据的综合分析，考虑到岩爆对TBM法施工隧洞的危害程度、危害方式及岩爆的主要表现特征，建立以单位时间微震事件的能量为主要评价指标的经验判别方法，通过量化的能量值对岩爆等级进行综合预测。微震矩震级指标与能量存在相关关系，一般能量越大，矩震级越大。在岭南TBM工区发生岩爆灾害时，对微震事件的能量特征进行了统计分析，见表2。

进行岩爆判别时，原则上24 h内有效微震事件数量应达到20个，其中若达到同一等级能量的微震事件数在3个以上则判定为对应等级的岩爆，即：3个以上微震事件能量在10～100 kJ之间，则判定为轻微岩爆;3个以上微震事件能量在100～1 000 kJ之间，则判定为中等岩爆;3个以上微震事件能量在1 000～5 000 kJ之间，则判定为强烈岩爆;3个以上微震事件能量>5 000 kJ，则判定为极强岩爆。为保证施工人员和设备安全，判别岩爆等级时采取就高不就低的原则，见表3。

2017年9月8日—2018年3月31日，经统计岭南TBM工区共发生了99次不同等级的岩爆灾害，其中98次进行了提前预测，包括86次岩爆等级预测较准确，1次预报等级偏低，11次预报等级偏高，另外1次因网络故障而无法传输数据，未能提前预测;2018年4月1日—9月30日，经统计共发生了118次不同等级的岩爆灾害，其中107次进行了提前预测，包括63次岩爆等级预测较准确，4次预报等级偏低，40次预报等级偏高，5次因网络故障或设备故障而未提前预测，6次正常监测未能提前预测，对比统计结果见表4。

可以看出，两个时间段共发生217次岩爆，其中205次提前进行了预测，提前预测率均超过90%。2017年9月8日—2018年3月31日微震系统刚引入TBM工作面阶段，预测岩爆的等级比实际发生岩爆等级偏高的次数为11次，占11.1%;2018年4月1日—2018年9月30日针对可能发生的岩爆采取了相应的支护措施，预测岩爆的等级比实际发生岩爆等级偏高的次数为40次，占33.9%，相比初始阶段降低了岩爆破坏程度。

5 结 论

对引汉济渭工程岭南TBM掘进工作面开展了基于微震监测技术的岩爆风险预测预报研究工作，主要得出如下结论：

（1）在以花岗岩为主的深埋硬岩隧洞中，结合微震监测技术，大多数岩爆风险是可以预测的，尤其对于中等及以上岩爆预测效果更加显著。

（2）建立了基于能量指标的微震预测岩爆判别方法，工程实例表明该方法应用效果良好，但受岩体性质、开挖方法、支护参数的影响，在实践中仍需结合现场进行适当的调整与修正。

（3）预测结果可为设计和支护提供重要参考，根据预测结果采取相应的预防措施可在一定程度上降低岩爆的风险。

参考文献：

[1] 李天斌，孟陆波，王兰生.高地应力隧道稳定性及岩爆、大变形灾害防治[M].北京：科学出版社，2016：501-615.

[2] 张政辉，蔡美峰.岩石的卸载力学特性及其对地应力测量的影响[J].矿冶，2001，10（3）：6-10.

[3] 何满潮，苗金丽，李德建，等.深部花岗岩试样岩爆过程实验研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26（5）：865-876.

[4] 李天斌，肖学沛.地下工程岩爆预测的综合集成方法[J].地球科学进展，2008（5）：533-540.

[5] 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）：470-483.

[6] 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，2014，36（12）：2315-2322.

[7] 王振，唐春安，马天辉，等.锦屏二级水电站1#引水隧洞岩爆洞段数值分析[J].地下空间与工程学报，2011，7（增刊2）：1747-1752.

[8] 赵周能，冯夏庭，肖亚勋，等.不同开挖方式下深埋隧洞微震特性与岩爆风险分析[J].岩土工程学报，2016，28（5）：867-876.

[9] 陈炳瑞，冯夏庭，曾雄辉，等.深埋隧洞TBM掘进微震实时监测与特性分析[J].岩石力学与工程学报，2011，30（2）：275-283.

[10] 高见，张元生，郭飚，等.甘东南流动台阵微震监测结果[J].地震工程学报，2013，35（1）：177-182.

[11] 李元来，王俊.引汉济渭工程秦岭输水隧洞4#施工支洞岩爆预测及预防处理措施[J].水利水电技术，2017，48（8）：96-100.

[12] 黄志平，阎石，刘福生，等.引汉济渭秦岭输水隧洞4#支洞微震监测系统及工程应用[J].水利水电技术，2018，49（9）：102-109.

【责任编辑 张华岩】