超长深埋隧洞岩爆监测与预警技术应用——以引汉济渭工程秦岭输水隧洞为例

李立民, 唐烈先, 赵 力

(1. 中铁第一勘察设计院集团有限公司, 陕西 西安 710043; 2. 陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院), 陕西 西安 710043; 3. 辽宁科技大学矿业工程学院, 辽宁 鞍山 114051; 4. 陕西省引汉济渭工程建设有限公司, 陕西 西安 710010)

0 引言

目前,国内外修建的地下工程越来越多,埋深越来越大,随着埋深的增加,高地应力引发的地质灾害问题愈发严峻。深部地下岩体工程开挖扰动极易诱发岩爆灾害,造成人员伤亡、设备损毁,导致工期延迟、投资增加。深部工程建设对岩爆预警提出了新的要求。

目前,我国学者在岩爆监测预警[1-5]、岩爆风险控制[6]、微震活动特征和围岩稳定性[7]以及微震监测技术[8]等方面积累了大量研究成果,取得了一些应对岩爆灾害的经验;也有学者开展了岩爆微震参数预测研究[9],这些研究推动了岩爆防治及微震监测技术的发展。但目前在实际施工中引入微震监测系统对岩爆进行连续长距离监测预警的工程还不多,仅有锦屏Ⅱ级水电站工程、BY铁路隧道、巴基斯坦N-J水电工程等,仍缺乏高地应力深埋隧洞施工过程中对强烈级别以上岩爆有效监测和预警的方法。引汉济渭工程施工过程中基于微震监测技术开展了一系列针对岩爆孕育发展及预警的相关研究[10-16],为岩爆风险分析提供了参考,但尚缺少整体效果评价。

秦岭输水隧洞总长98.3 km,埋深超过1 km的洞段长度超过27 km,近4 km洞段埋深超过1.5 km,在勘察设计阶段主要采用临界埋深法、强度应力比、地质综合分析法等对岩爆灾害进行宏观判断,并对岩爆高风险区域进行了预警。但由于地下工程岩体分布不均匀、局部地应力变化多样以及施工方案影响等,实际施工中岩爆的空间和时间分布与宏观判别结果有较大差异。

本文主要针对秦岭输水隧洞施工过程中面临的高地应力岩爆问题,在单洞长度超过13 km的洞段创新性地连续应用以微震监测技术为主的岩爆监测预警技术,并通过总结施工现场岩爆发生的规律,提出基于微震指标的岩爆等级划分标准,以期为类似工程提供参考。

1 工程概况与地质特征

1.1 工程概况

秦岭输水隧洞越岭段地处秦岭西部山脉,山系呈东西向展布,山体两侧呈南缓北陡之势,地形地质条件极其复杂,区内山峰高程为500～2 500 m,隧洞越岭段起止里程为K0+000～K81+779,进口高程为542.65 m,出口高程为510.00 m,最大埋深为2 012 m。秦岭输水隧洞越岭段地质剖面如图1所示。

1.2 地质特征

秦岭输水隧洞越岭段出露的围岩主要为花岗岩、闪长岩、变质砂岩等,岩石强度高,且以块状结构居多。围岩以Ⅰ、Ⅱ类为主,少部分为Ⅲ类,节理裂隙不发育,完整性好。勘察设计阶段预警发生岩爆洞段多分布于高地应力硬质岩地段。单轴抗压强度试验结果显示,该段岩体质地坚硬,强度普遍大于70 MPa,最高甚至可达242 MPa,岩石完整性系数一般大于或等于0.55。实测地应力成果显示,其初始最大主应力值均超过20 MPa,最高达70.1 MPa;采用线性回归公式预测隧洞最大主应力可达100 MPa。

现场岩爆实录资料显示,隧洞内发生过岩爆的地段岩体完整、干燥、岩质坚硬、地下水不发育。

2 岩爆特征

2.1 岩爆表现形式

秦岭输水隧洞开挖过程中,受极高地应力的影响,岩爆频繁发生,导致钢筋网失效、拱架变形下沉或弯曲断裂、TBM卡机、设备损坏及人身伤害等。岩爆等级以中等—强烈岩爆为主,多表现为岩体剥落、拱部岩体爆裂及崩塌、底部底板隆起崩裂等。岩爆应力破坏类型以构造型为主,强度应力型次之。

2.1.1 岩体剥落

岩体剥落主要发生在拱顶,剥落后围岩呈鳞片状,岩体剥落后塌腔深度一般小于0.5 m。

2.1.2 岩体爆裂、崩塌

2019年4月5日1:00左右,岭北TBM掘进至K46+140.6处,隧洞埋深1 119 m,岩性为变质砂岩,隧洞拱部TBM护盾上方发生强烈岩爆,岩体爆裂后致使护盾上方压力剧增,护盾被压死,TBM无法前进和后移,设备被卡。通过人工配合风镐将岩体破碎清理,2 d后才使护盾脱困,TBM恢复掘进。

2019年6月1日8:17,TBM掘进至K45+711处,隧洞埋深1 249 m,岩性为闪长岩,护盾后上方连续发生3次强烈岩爆,伴有闷雷声,岩体发生崩塌,形成长约7 m、宽8.5 m、深3.9 m的塌腔;护盾后方面向掘进方向11:00至15:00位置已支护钢拱架扭曲变形,部分被压弯至TBM作业平台上,现场停机进行换拱处理。

2.1.3 底板隆起

2019年8月28日,K40+201.2～+207段隧洞底部发生强烈岩爆,最大能量3.3×106J,3块仰拱块左侧被集体抬高,左侧已回填混凝土被震散,导向轮位置钢轨被震断,导向轮跳道,仰拱块最大被抬高16 cm。停机处理导向轮6 h。

2019年9月2日,K40+233～+239段隧底发生岩爆,最大能量1.19×106J,2榀拱架底部发生变形,左侧岩体被爆裂成碎块,形成松散体。

2.2 岩爆发生规模及频率

自2017年9月至2022年2月,引汉济渭秦岭输水隧洞K33+870～K47+150段共发生岩爆3 990次,见表1。岩爆等级统计结果如图2所示。有的段落在爆破后即发出岩爆声,并伴随剥落掉块现象;有的段落则在开挖一段时间后发生岩爆现象。大多数岩爆发生在开挖后4～6 h,有的段落持续时间长,开挖后3～5 d仍然发出类似爆破声的巨响、闷响或者类似鞭炮的清脆响声。岩爆破坏形式以岩石剥落、崩塌及爆裂掉块等为主,严重的有从洞顶或洞壁弹射出岩片、岩块等,坍塌下来的岩爆块体形状多呈透镜状、片状、板状、棱块状,甚至大块体等;有时在开挖面附近能明显看到岩石渐进破坏过程产生的新生裂隙。岩爆塌腔破坏深度多为0.5～3.0 m,最大深度可达10 m以上。

表1 秦岭输水隧洞岩爆统计

图2 秦岭输水隧洞岩爆等级统计结果

轻微岩爆一般声音清脆,像鞭炮声,掉块后塌腔深度小于0.5 m,多发生在掌子面后约1倍洞径范围内,主要集中在拱部90°范围,出现在边墙部位的次数较少。

中等、较强岩爆一般声音沉闷,中等岩爆塌腔深度一般为0.5～1.5 m,较强岩爆塌腔深度一般为1.5～2.5 m。中等、较强岩爆多发生在掌子面后约2倍洞径范围内,主要集中在隧洞拱部150°范围,边墙也有出现,底板偶有出现,部分地段两侧仰拱处有岩体鼓起呈鱼鳞状剥落。

对于强烈和极强岩爆,可听到持续的岩体爆裂声,部分伴随强烈震感,强烈岩爆塌腔深度为2.5～3.5 m,极强岩爆塌腔深度为3.5 m以上。岩体瞬间大面积爆落可导致整个隧洞拱部及边墙破坏,甚至可能造成隧洞底部岩体向上隆起,最高隆起达60 cm,强烈和极强岩爆影响范围可达掌子面后3～5倍洞径。如果长大节理发育,岩爆叠加不利结构面引起的岩体坍塌破坏规模会更大,且该类洞段更易发生滞后性岩爆。

3 岩爆监测与预警

3.1 微震监测技术

秦岭输水隧洞施工阶段主要基于微震监测技术对岩爆灾害进行监测与预警,监测系统及运行模式如图3所示。

图3 岩爆监测系统及运行模式

在掌子面前的隧洞左右壁各布置3个以上高灵敏度和高精度的微震传感器,前后间距约50 m,靠近掌子面的监测断面距掌子面约70 m。首先,施工扰动下当岩体发生破坏时产生的弹性波被传感器接收后,数据采集系统会通过信号转换、波形识别、阈值触发形成微震事件,并详细记录微震活动的“时空强”信息,数据处理系统获得微震事件频次、能量、震级以及分布范围、集中度等指标;然后,对比现场已发生岩爆的统计信息,确定该施工洞段的岩爆判别标准;最后,根据判别标准中能量范围对应的振幅设定预警触发阈值,结合同时触发阈值的传感器数量和位置,实现对岩爆风险等级和范围的预警,并根据现场实际岩爆情况验证预警的准确性。

3.2 典型案例

2018年6月29日6:00～ 6月30日6:00微震监测系统采集到的有效微震事件在K39+375～+435段高达92次,其中50次达到中等级别以上,频次高、能量大、震级强且分布集中。本次微震监测到的最大单次能量达3.86×106J,相当于200 kg岩石炸药爆炸当量,超过了强烈岩爆判别能量阈值,及时发出了岩爆预警信息。

2018年6月30日8:41,4号洞下游钻爆法工作面K39+401发生强烈岩爆,塌腔纵向长度约为4 m,环向长度超过10 m,塌腔最深约5.8 m,隧洞埋深1 223 m,岩性为花岗岩; 2018年7月1日5:30～6:15,该洞段再次发生强烈岩爆,岩爆叠加长大节理导致最大塌腔深度超过10 m。在本次强岩爆前微震监测系统发出了预警信息,有效指导了现场安全施工。

2020年11月15日,某专家组计划考察秦岭输水隧洞现场施工情况,上午8:00隧洞掘进里程K41+809,隧洞埋深1 756 m,岩性为花岗岩,岩石强度应力比为1.81,预判岩爆风险等级为强烈。基于微震数据发出了岩爆预警信息,如下:

1)当日8:22,预警信息提示近2日掌子面附近微震较活跃、频次较高,存在滞后性岩体破坏的风险,预判拱顶和右侧壁风险较大,建议专家组进洞考察时要距离掌子面20 m且少停留,并尽可能靠左侧行走。

2)当日13:04,自动报警系统推送信息显示,前方偏右侧有震级较强、能量较大的微震事件发生,微震最大能量为7.1×104J。

3)当日13:10,自动报警系统推送信息显示,数据出现异常,5 min内有超过10次微震事件发生,微震能量为1.9×104～7.8×104J。

2020年11月15日岩爆实际情况为:在13:10～13:12,TBM护盾后5 m范围内,即距离掌子面6～11 m右侧发生强烈滞后性岩爆,岩爆桩号为K41+800～+802,最大单次能量为1.28×106J,造成4榀拱架出现了不同程度的破坏和变形下沉。说明微震监测系统的预警信息是有效的。

3.3 微震规律研究

秦岭输水隧洞施工阶段微震监测系统布置在勘察设计阶段岩爆等级评价为强烈和极强[17-18]以及岩爆风险等级评价为中等及以上的施工段落[19]。微震监测设备铺设在掌子面后传感器可以采集有效数据的范围内[20],并随着掌子面推进不断交替向前移动,对掌子面前后250 m范围实现24 h连续实时监测。

3.3.1 微震能量特征

为了研究微震活动的能量特征,选取洞段K39+550～K40+550发生的岩爆次数与累计能量进行对比分析,结果如图4所示。K39+550～K40+100段每50 m的岩爆次数为10～28,累计能量为6.3×105～1.13×107J; K40+100～+550段每50 m的岩爆次数为33～52,累计能量为2.2×107～6.87×107J。说明岩爆次数与微震累计能量吻合度较好。

图4 岭南K39+550～K40+550段岩爆次数与累计能量统计图

研究结果表明,将一定时间段内微震事件的累计能量作为岩爆风险的重要判断指标之一是合理的。由于不同的微震监测系统对信号振幅有不同的监测量程(刻度),导致不同的微震监测系统计算出的微震能量量级不一致。因此,在用微震能量对微震事件进行等级划分时,需要结合现场反馈进行调整。

3.3.2 微震活动频次特征

为了分析微震活动的频次特征,选取K39+550～K40+550段发生的岩爆次数与微震频次进行对比分析,结果如图5所示。K39+550～K40+100段每50 m的岩爆次数为10～28,微震频次为155～444;K40+100～+550段每50 m的岩爆次数为33～52,微震频次为366～849。说明岩爆次数与微震频次指标吻合度较好,因此将微震频次作为岩爆风险的重要判断指标之一也是合理的。

图5 岭南K39+550～K40+550段岩爆次数与微震频次统计图

微震监测系统能够监测到的指标较多,文献[21]对微震及岩爆沿隧洞横断面的分布规律进行了分析,监测结果与实际揭露结果较为吻合。在工程应用中,现场技术人员需要简单易读的结果,便于快速采取应对措施。因此,在引汉济渭工程秦岭输水隧洞连续监测工作中,通过与现场人员不断沟通交流,形成了“以微震能量为主、以微震频次和集中度为辅”的简易量化分析方法,通过统计一定时间范围内的微震最大能量、累计微震频次和微震活动分布,并通过数据分析平台处理后将岩爆风险等级和范围以及发生概率呈现给相关技术人员,大大提高了监测数据的利用效率。

3.3.3 基于微震能量的岩爆等级划分

目前,国内外对岩爆等级的划分标准较多,主要差异点在于: 对岩爆划分的级数不一样;对岩爆破坏深度描述不一样;对岩爆事件微震能量的定量描述不一样。产生差异的原因有很多,例如: 1)不同的工程出现岩爆的次数和剧烈程度不同,若一个工程中仅有极少的地段发生岩爆,那么对岩爆等级判定的明确度和准确度要求则会较低;但对于岩爆频繁发生的工程,对岩爆等级划分的明确度和准确度要求则较高,对岩爆的描述也更为详细。2)不同岩性条件、不同施工方法均会造成岩爆发生时现象的差异,如采用TBM法施工时,由于围岩受到的扰动相对钻爆法较小,造成其应力及能量的集中程度稍高于钻爆法施工,因此相同等级的岩爆其微震事件能量要高于钻爆法。但总体来看,岩爆等级与事件能量具有明显的正向关联性。

勘察设计阶段可以采用目前最常用的基于强度应力比理论的岩爆判据进行岩爆等级评价[18-19]。对于施工阶段无微震监测的地下工程,可以在勘察设计阶段岩爆风险评估的基础上,通过声响特征、围岩破裂特征、破坏深度等宏观表象判定岩爆等级;对于有微震监测的地下工程,则可将微震监测的相关指标纳入岩爆等级评价中,通过将岩爆表象与微震相关指标相结合,使得对岩爆的判定能够实现定性与定量相结合,从而做出更加精细的评价。

在秦岭输水隧洞开展微震监测工作达5年2个月,主洞监测范围为K33+870～K47+150,累计监测长度为14.33 km,搭建了包含99 784次微震事件的数据库,集成了传感器坐标、事件波形、事件位置、能量、震级等信息,通过对微震监测大数据进行筛选分析研究,对其中实际发生3 990次岩爆的微震事件标注了对应的岩爆位置、等级等信息,为岩爆风险等级的划分及预警提供了强大的数据驱动力。

前期为了使该岩爆等级评价体系具有较好的适用性,选取了4号支洞1.046 km典型洞段开展了岩爆等级划分试验研究。通过多次岩爆特征及表象的对比分析,逐步将岩爆风险判别指标简化为“以微震能量为主、以微震频次和集中度为辅”,经现场验证,预警准确率可达83%。为此,基于前期工程实践经验和岩爆发生前兆微震能量变化规律,同时考虑不同工程、不同施工方法条件下的不同岩爆等级的微震能量,细化了岩爆分级,将岩爆划分为轻微岩爆、中等岩爆、较强岩爆、强烈岩爆和极强岩爆5个等级,并对岩爆的现象进行了表观描述,得到了表2中基于能量阈值的岩爆等级划分标准。

表2 基于能量阈值的岩爆等级划分标准

3.4 监测结果分析

秦岭输水隧洞自2008年开工建设以来,岩爆灾害共发生4 000余次,尤其是随着隧洞向大埋深方向掘进,中等及以上等级岩爆频发,埋深与岩爆等级具有明显的正相关性。从最初的平均每掘进30 m发生1次岩爆灾害,发展到每掘进2 m发生1次岩爆灾害,岩爆频率和强度均呈明显增大趋势。2020年以来,某地震台网测定显示,部分地段岩爆能量已经达到区域小型地震级别,震级达ML1.6级。

引入微震监测技术后,在秦岭输水隧洞主洞13 280 m的连续监测里程范围内,共监测到有效微震事件95 712次,监测段内实际发生岩爆3 990次,预警准确率如表3所示。

表3 微震监测技术预警准确率

基于微震监测技术的岩爆监测预警方法,能有效获得隧洞工作面前后一定范围内的微震事件、微震能量及岩爆发生概率,实现岩爆定量化风险判别,预警准确率加权平均值达90.45%,成功指导了工程施工,保障了人员和设备安全,极大缓解了施工人员进洞的恐惧心理。

4 结论与展望

本文通过微震监测技术对最大埋深2 012 m的引汉济渭工程秦岭输水隧洞连续5年开展单洞长度超过13 km洞段的岩爆监测预警工作,主要得出如下结论:

1)采用微震监测技术成功预警了隧洞施工中监测区域发生的大多数岩爆,综合预警准确率约为90%。

2)基于工程应用级的微震大数据分析与比对,形成了“以微震能量为主、以微震频次和集中度为辅”的岩爆风险简易定量化判别方法,可增强数据可读性、提高技术人员的接受度、充分发挥施工指导作用。在不同地质背景的深埋地下工程中,结合实际情况对判别指标进行适当修正或调整即可。

3)受岩爆机制、岩体性质、岩体结构、施工工法等因素影响,岩爆发生的具体时间尚无法准确预测,但随着人工智能技术的发展和深入应用,有望根据微震大数据对未来一定时间段内的岩爆风险进行智能预测。

4)对于深埋隧洞岩爆高风险地段,采用微震监测技术对岩爆灾害进行超前预报是非常必要的,对隧洞掘进可以起到较好的指导作用,对滇藏铁路、新藏铁路等国家重点工程建设具有重要的意义。