張伯虎，鄧建輝，周志輝，呂洪旭，吳基昌，吳思浩

（1. 四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；2. 西南石油大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，成都 610500；3. 國(guó)電大渡河大崗山水電開(kāi)發(fā)公司，四川 石棉 625400）

1 引 言

在深部開(kāi)采或地下空間開(kāi)發(fā)過(guò)程中會(huì)遇到斷層或結(jié)構(gòu)面發(fā)育的巖體，要重視其對(duì)洞室圍巖整體穩(wěn)定性的影響。除對(duì)洞壁周邊進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測(cè)外，還要對(duì)遠(yuǎn)離洞壁的深層巖體進(jìn)行評(píng)估，這就需要采用微震監(jiān)測(cè)對(duì)深部巖體的微小活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)潛在危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行判斷和預(yù)測(cè)。早期微震監(jiān)測(cè)，如南非的金礦、美國(guó)和日本等國(guó)的礦山[1－4]以及我國(guó)的門(mén)頭溝煤礦[5]、凡口鉛鋅礦[6]、冬瓜山銅礦[7－12]等，主要對(duì)深部礦區(qū)巖體活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，確定礦區(qū)地壓，預(yù)測(cè)巖爆的出現(xiàn)等。近些年來(lái)，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)也被應(yīng)用于水電工程中，如陳炳瑞等[13]在錦屏二級(jí)電站的3#引水隧洞布置微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)引水隧洞TBM施工洞段開(kāi)展微震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析了巖爆產(chǎn)生前深層巖體微震活動(dòng)的演化特征與規(guī)律，為巖爆預(yù)測(cè)提供了準(zhǔn)確信息。徐奴文等[14－16]對(duì)水電邊坡的潛在滑動(dòng)失穩(wěn)區(qū)進(jìn)行了判定，指導(dǎo)了水電大壩的施工。作為先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，微震監(jiān)測(cè)能夠?qū)ι畈康V井、水電工程、邊坡等進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，對(duì)工程安全施工和安全運(yùn)行有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

2 廠房斷層及工程影響

2.1 地下廠房的控制性斷層

大崗山地下廠房以Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖為主，洞室圍巖整體較穩(wěn)定，但據(jù) PD03CZ平洞揭示，在 980 m平切面圖上（見(jiàn)圖1），斷層β80出露于副廠房中心線偏下游部位。產(chǎn)狀 NW25°/SW∠55°～65°，寬4.4 m，延伸長(zhǎng)大于240 m，脈體破碎，與圍巖呈斷層式接觸；斷層β81出露于3#機(jī)中心線部位，從3#機(jī)中心線上游約10 m頂拱部位切入主廠房，于4#機(jī)中心線部位插入主廠房底板，β81產(chǎn)狀N26°W/SW∠68°，寬1.7 m，延伸長(zhǎng)大于140 m。洞室圍巖基本穩(wěn)定～局部穩(wěn)定性差，受結(jié)構(gòu)面的控制以及輝綠巖脈和其他方向隨機(jī)分布裂隙的不利組合，邊墻和頂拱穩(wěn)定存在局部失穩(wěn)問(wèn)題，特別是需對(duì)β80等輝綠巖脈出露洞段應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

圖1 地下廠房控制斷層平面分布Fig.1 Plane distribution of control fault in underground power house

2.2 β80斷層導(dǎo)致的拱頂破壞塌空區(qū)

地下廠房地應(yīng)力水平較高，巖脈發(fā)育，與洞室走向近于平行的緩傾角和陡傾角長(zhǎng)大結(jié)構(gòu)面亦很發(fā)育。2008年12月16日，主廠房上游側(cè)β80輝綠巖脈段開(kāi)挖至樁號(hào)0+132～0+135時(shí)，12:00左右放炮后，12:40左右頂拱部位上游側(cè)開(kāi)始發(fā)生掉塊現(xiàn)象，至13:00開(kāi)始大塌方，塌渣方量為2968 m2。塌方出現(xiàn)在副廠房，系 β80輝綠巖脈斷層在頂拱的出露部位，偏向上游一側(cè)。β80與圍巖的兩個(gè)交界面早期均受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，發(fā)生了強(qiáng)烈的錯(cuò)動(dòng)，接觸帶糜棱化嚴(yán)重，同時(shí)，地下水較為豐富，局部已經(jīng)形成斷層泥（見(jiàn)圖2）。塌方發(fā)生后，塌方段先后進(jìn)行了砼噴、錨桿支護(hù)、錨索加固、固結(jié)灌漿與2層工字鋼施工等處理施工，但經(jīng)過(guò)常規(guī)位移和應(yīng)力監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，淺層的位移變形不收斂，應(yīng)力松弛，而未在塌方區(qū)圍巖表面發(fā)現(xiàn)明顯的變形破壞，故存在深部變形的可能性。微震監(jiān)測(cè)可獲得深部潛在的危險(xiǎn)區(qū)，為工程施工和運(yùn)行期間的巖體穩(wěn)定性提供參考。

圖2 β80巖脈斷層性狀及塌空區(qū)的形成Fig.2 The character of β80rock dikes fault and the collapse area formation

3 微震監(jiān)測(cè)及其布置

本次采用南非ISS（integrated seismic system）微震系統(tǒng)，通過(guò)采集微震事件的時(shí)空信息（x,y,z,t）和能級(jí)信息（能量E，地震矩M），分析判獲得微震事件的震級(jí)ML、視應(yīng)力σA、視體積VA等，通過(guò)微震事件的積聚和震級(jí)大小判斷巖體的穩(wěn)定性，結(jié)合結(jié)構(gòu)面位錯(cuò)滑移，分析出巖體的破壞特性和規(guī)律，相關(guān)參數(shù)定義見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由地面與地下控制系統(tǒng)組成。地下系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器 GS、GPS授時(shí)器、協(xié)議轉(zhuǎn)換，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并通過(guò)相關(guān)通訊轉(zhuǎn)換將其傳輸?shù)降孛妗５孛嫦到y(tǒng)包括控制軟件系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程傳輸與控制系統(tǒng)，能對(duì)地下數(shù)據(jù)進(jìn)行控制、授時(shí)、診斷、報(bào)警等。24 h無(wú)人值守，不間斷的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，其中，采用Geophone傳感器（頻帶寬7～2000 Hz），在塌空區(qū)形成三維立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，重點(diǎn)對(duì)2條斷層及周邊區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳感器（S1～S8）布置如圖3所示。

圖3 傳感器埋設(shè)位置示意圖Fig.3 Sketch of positions of embedded sensors

4 拱頂破壞區(qū)域穩(wěn)定性分析

地下廠房拱頂破壞區(qū)分析區(qū)域?yàn)榫嗥渲行?倍直徑范圍內(nèi)的巖體。圖4為2011年1～6月微震事件分布。圖 4(a)中，球體為微震事件，球體直徑大小與震級(jí)相關(guān)。根據(jù)ISS微震監(jiān)測(cè)理論模型，震級(jí)超過(guò) 0即為大事件。從震級(jí)分布來(lái)看，在-3.72～-0.68范圍，均屬于微小震級(jí)，說(shuō)明巖體震動(dòng)破壞可能性較小。圖4(b)反映出能量指數(shù)的分布，球體直徑大小與能量指數(shù)有關(guān)。能量指數(shù)反映巖體破壞驅(qū)動(dòng)應(yīng)力的變化，能量指數(shù)較大（lgEI ＞ 0）時(shí)，巖體破壞驅(qū)動(dòng)應(yīng)力越大，非彈性單位變形釋放的能量就越高，破壞的可能性也越大。而從圖4(b)來(lái)看，能量指數(shù)對(duì)數(shù)值均小于 0，說(shuō)明巖體變形破壞的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力較小，巖體較為穩(wěn)定。

圖4 拱頂破壞區(qū)域微震分布Fig.4 Microseismic distribution near vault collapse area

5 巖脈斷層兩邊巖體穩(wěn)定性分析

5.1 輝綠巖脈斷層微震研究模型

從圖 5(a)斷層的軸向分布來(lái)看，β80和 β81巖脈斷層控制著廠房的整體穩(wěn)定性，其中 β80控制塌方區(qū)的巖體穩(wěn)定性，而 β81控制著廠房拱頂和邊墻的穩(wěn)定性，因此，需要重點(diǎn)監(jiān)控?cái)鄬又苓厧r體的活動(dòng)情況，實(shí)時(shí)了解巖體的穩(wěn)定性。根據(jù)圖 5(a)中的斷層分布圖，建立了圖 5(b)的微震 JDI（南非 ISS系統(tǒng)分析軟件）分析模型，重點(diǎn)分析 β80、β81兩大輝綠巖脈斷層的微震事件分布特點(diǎn)，以此判定斷層周邊巖體活動(dòng)規(guī)律，以及對(duì)地下廠房圍巖穩(wěn)定性的影響。

圖5 巖脈斷層及其JDI分析模型Fig.5 Rock dike fault and its JDI model

5.2 斷層面巖體的微震分布規(guī)律

5.2.1 震級(jí)分布規(guī)律

從圖 6可見(jiàn)，β80斷層上微震震級(jí)為-3.72～-0.44，震級(jí)較小，也沒(méi)有大于0的大事件發(fā)生。而在β81斷層上，微震震級(jí)為-3.59～0.39，震級(jí)較??；震級(jí)大于0的大事件僅2個(gè)，主要發(fā)生在副廠房的下部區(qū)域。從微震事件空間分布來(lái)看，在斷層周邊分布較為均勻，沒(méi)有出現(xiàn)集中的現(xiàn)象。

5.2.2 斷層面巖體變形分析

圖6 微震事件沿?cái)鄬诱鸺?jí)分布Fig.6 Microseisms magnitude distribution near the fault

圖7 斷層周邊巖體變形等值線圖Fig.7 Contour map of slide displacement distribution near the fault

從圖7可以看出，β80和β81斷層厚度方向一定范圍內(nèi)的巖體發(fā)生了微弱的變形。β80斷層最大位移為0.18 mm，發(fā)生在斷層的下部區(qū)域，β81斷層最大位移為0.19 mm，也發(fā)生在斷層的下部區(qū)域，兩個(gè)斷層發(fā)生大位移的巖體基本上在同一高度，與廠房區(qū)域巖體變形特征一致，說(shuō)明廠房下部的大部分區(qū)域巖體發(fā)生一定的位移變形，從而產(chǎn)生微震事件，不過(guò)巖體變形量較少，對(duì)地下廠房圍巖和塌空區(qū)巖體的穩(wěn)定性影響相對(duì)較小。

5.2.3 斷層巖體能量指數(shù)分析

圖8為兩斷層面上巖體的能量指數(shù)分布。從圖中可以看出，能量指數(shù)對(duì)數(shù)值為負(fù)數(shù)，說(shuō)明兩斷層一定厚度范圍內(nèi)的巖體較為穩(wěn)定，內(nèi)在破壞力較小。

圖8 斷層周邊巖體能量指數(shù)分布Fig.8 EI distribution near the fault

6 斷層對(duì)廠房邊墻的影響分析

6.1 斷層控制下的邊墻地質(zhì)概況

上游邊墻區(qū)域 β81輝綠巖脈規(guī)模較大，且脈體破碎，在重力和地下水的作用下可以形成松動(dòng)潰散失穩(wěn)。根據(jù)主機(jī)間下游邊墻赤平投影圖（見(jiàn)圖 9）分析可知，下游邊墻第⑥組緩傾角裂隙與第①、②組裂隙組合形成的較大不利塊體，其交棱線緩傾邊墻外，對(duì)主機(jī)間邊墻穩(wěn)定不利；裂隙 N50°～60°W/NE∠74°～78°分別與第①、②組裂隙組合形成的較小不利塊體，其交棱線中傾邊墻外，為潛在不穩(wěn)定塊體。上游邊墻NW向陡傾角裂隙或第⑥組緩傾角裂隙與第④組裂隙組合可形成不利塊體，其交棱線緩傾邊墻外，對(duì)主機(jī)間邊墻穩(wěn)定不利。此外，隨機(jī)分布的裂隙的不利組合，亦可能形成潛在不穩(wěn)定塊體，對(duì)邊墻穩(wěn)定不利。

圖9 下游邊墻的結(jié)構(gòu)面赤平投影Fig.9 The structure stereographic projection in the downstream side wall

6.2 上、下游邊墻穩(wěn)定性分析

從工程地質(zhì)情況來(lái)看，上下游邊墻受斷層和結(jié)構(gòu)面的影響，可能會(huì)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。但從圖 10中地下廠房上、下游邊墻的微震事件空間分布和震級(jí)分布來(lái)看，微震事件在上、下游邊墻分布數(shù)量較少，震級(jí)較小，上、下游邊墻相對(duì)穩(wěn)定。

圖10 廠房上、下游邊墻微震空間分布Fig.10 Spatial distribution of seismic events near two side walls

7 結(jié) 論

（1）微震傳感器進(jìn)行三維空間布置，重點(diǎn)監(jiān)控地下廠房拱頂斷層區(qū)域巖體穩(wěn)定性，兼顧廠房整體穩(wěn)定性分析。微震斷層分析模型能夠有效分析斷層巖體微震事件的時(shí)空、震級(jí)、能量、應(yīng)力等，對(duì)斷層周邊區(qū)域進(jìn)行整體和局部穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

（2）地下廠房斷層區(qū)域巖體有一定的活躍性，但斷層附近微震事件分布不集中，震級(jí)較小，巖體裂紋位錯(cuò)滑移較小，斷層的相對(duì)位移也較小，斷層面巖體整體上趨于穩(wěn)定，對(duì)地下廠房整體穩(wěn)定性影響不大。

（3）從斷層控制的塌空區(qū)域在噴錨加固后所的微震監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，巖體整體變形量較小，震級(jí)和能量指數(shù)都在較低的安全范圍內(nèi)，塌空區(qū)域巖體區(qū)域穩(wěn)定。

（4）地下廠房的拱頂和邊墻的微震事件較少，震級(jí)較小，地下廠房整體穩(wěn)定好。斷層的發(fā)育導(dǎo)致施工期間的拱頂塌方，對(duì)塌方區(qū)進(jìn)行加固后，巖體總體上穩(wěn)定，巖體加固支護(hù)效果較好，起到了穩(wěn)定斷層和提高廠房整體穩(wěn)定性的目的。

微震系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)到的物理量來(lái)獲得震級(jí)或能量指標(biāo)，用這些指標(biāo)來(lái)判斷巖體穩(wěn)定性需要大量的經(jīng)驗(yàn)積累，本文的穩(wěn)定性判斷標(biāo)準(zhǔn)還需要進(jìn)一步研究，以便能更準(zhǔn)確地判斷巖體的活動(dòng)性能。

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