于 群 唐春安 李 宏 李連崇

（大連理工大學巖石破裂與失穩(wěn)研究中心 大連 116024）

由于西部地區(qū)特殊的地質(zhì)環(huán)境，“三高一深”（高壩、高邊坡、高地應(yīng)力和深卸載裂隙）的地質(zhì)條件成為各種地質(zhì)災(zāi)害的溫床，尤其是高地應(yīng)力條件下常出現(xiàn)的巖爆現(xiàn)象，往往使得工程機械受損、工作面嚴重損壞，甚至造成人員傷亡［1］．現(xiàn)今，世界各國逐漸把聲發(fā)射與微震技術(shù)作為一種監(jiān)測預(yù)警手段，確保地下工程及礦井生產(chǎn)安全．微震監(jiān)測技術(shù)已在加拿大［2－3］，南非［4－6］，澳大利亞［7］等國的礦山和地下工程中得到了廣泛應(yīng)用［8－11］．本文以錦屏二級水電站深埋引水隧洞為研究對象，引進加拿大ESG公司生產(chǎn)的微震監(jiān)測系統(tǒng)，研究引水隧洞鉆爆法在開挖卸荷過程中對圍巖的影響，對有可能發(fā)生巖爆的洞段進行實時監(jiān)測和分析，以期作出預(yù)測預(yù)報，并圈定潛在的危險區(qū)域，為深埋隧洞后期安全開挖和支護提供一定的參考意見，同時也為礦山地下開采和隧洞深埋的建設(shè)提供技術(shù)支持和經(jīng)驗．

1 工程背景

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧3縣交界處的雅礱江干流錦屏大河彎上，是雅礱江干流上的重要梯級電站．水電站穿越錦屏山長隧洞由平行的4條引水隧洞和2條輔助洞組成，并在4＃引水隧洞與輔助B洞之間增設(shè)一條排水洞，見圖1．輔助洞洞線長約17．50 km，引水隧洞洞線長約16．67km，施工排水洞長約16．73km．引水隧洞一般埋深為1 500～2 000 m，最大埋深約為2 525m，具有洞線長、埋深大、洞徑大、隧洞多的特點．

圖1 錦屏二級水電站引（排）水隧洞平面圖

2 微震監(jiān)測技術(shù)

2．1 微震監(jiān)測原理

在外界應(yīng)力作用下，巖體內(nèi)部將會產(chǎn)生局部彈性能集

中現(xiàn)象．當能量達到一定程度，就會引起巖體微裂紋的萌生和擴展，同時會伴隨著彈性波的釋放并在巖體內(nèi)部快速傳播．這種彈性波的地質(zhì)現(xiàn)象稱為微震（MS）信號．微震監(jiān)測技術(shù)是利用巖體開挖擾動后自身發(fā)射出的彈性波來監(jiān)測工程巖體穩(wěn)定性的技術(shù)方法．這些微破裂以彈性能釋放的形式產(chǎn)生彈性波，并可被安裝在有效范圍內(nèi)的傳感器接收，而利用多個傳感器接收這種彈性波信息，通過反演方法就可以得到巖體微破裂（微震）發(fā)生的時間、位置和強度．根據(jù)微破裂的大小、集中程度及破裂密度，則有可能推斷巖石宏觀破裂的發(fā)展趨勢．

2．2 微震監(jiān)測系統(tǒng)組成

該監(jiān)測項目采用加拿大ESG（Engineering Seismology Group）公司生產(chǎn)的微震監(jiān)測系統(tǒng)．系統(tǒng)組成見圖2．（1）Hyperion數(shù)字信號處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)儲存和處理設(shè)備，用于儲存Paladin轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字信號，并配有相關(guān)的軟件，兼有數(shù)據(jù)處理功能；（2）Paladin數(shù)字信號采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用于將傳感器接收到的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；（3）加速度傳感器，信號接收設(shè)備，安裝在巖體內(nèi)，用于接收巖體內(nèi)微震活動所產(chǎn)生的彈性波，其有效監(jiān)測范圍在200m以內(nèi)．

圖2 微震監(jiān)測系統(tǒng)組成圖

監(jiān)測設(shè)備可對巖體產(chǎn)生的微破裂事件實行全天候24h連續(xù)監(jiān)測．獲得大量微震事件的時空數(shù)據(jù)、誤差、震級和能量等多項震源信息，并對已采集的數(shù)據(jù)進行濾波處理，提供用戶震源信息的完整波形和波普分析圖，可自動識別微震事件類型，通過濾波處理、設(shè)定閥值及寬帶檢波等技術(shù)手段排除噪聲事件．

3 TBM掘進3＃引水隧洞過程中微震活動規(guī)律及演化特征

微震事件的時空分布規(guī)律和動態(tài)遷移特征是用來研究巖石破裂過程的重要參考依據(jù)．總體說來聲發(fā)射的空間分布主要受巖體局部構(gòu)造如節(jié)理、斷層、褶皺等天然缺陷的影響，這些因素都會對聲發(fā)射的空間分布特征起到?jīng)Q定性的控制作用．為及時準確地預(yù)測預(yù)報巖爆災(zāi)害，每天要對微震事件的發(fā)生時間、具體位置及強度大小等參數(shù)進行分析．通過研究不同微震事件的時空分布特點，找出同類型事件的衍生發(fā)展規(guī)律，預(yù)測出潛在的危險區(qū)域，以便管理層及時作出相應(yīng)的支護方案和應(yīng)對措施．

巖爆發(fā)生前，受到隧洞開挖卸荷的影響，微震事件的發(fā)生無論從時間還是空間的角度上講，一般都具有明顯的規(guī)律和特征．以2011年2月11日發(fā)生的強烈?guī)r爆事件為例（見圖3），來解釋巖爆發(fā)生前微震活動的演化規(guī)律及特征．其中圓球代表微震事件，球的大小代表能量，灰度代表震級．發(fā)生強烈?guī)r爆的前6d，如圖3a）所示，2月5日TBM進尺6m，在此期間發(fā)生的微震事件較少，事件集中程度不高，圍巖屬正常的應(yīng)力調(diào)整狀態(tài)；2月6日～7日（見圖3b）），TBM進入全斷面開挖階段，共計進尺11m，隨著TBM的向前推進，微震數(shù)量有突增的趨勢，且分布較為密集，說明圍巖內(nèi)部破裂程度較大，在掌子面附近北側(cè)拱肩處有局部塌方發(fā)生．2月8日～9日（見圖3c）），TBM共計進尺14m，掌子面北側(cè)邊墻附近產(chǎn)生的微震事件數(shù)量較多，集中程度較高且事件震級較大，局部塌方持續(xù)發(fā)生，位置由拱肩處逐步擴展到邊墻處．2月10日（見圖3d）），TBM進尺13m，在掌子面后方約25m處北側(cè)邊墻產(chǎn)生的微震事件數(shù)量持續(xù)增多，集中程度持續(xù)增高，有個別事件震級較大且能量較高，北側(cè)邊墻偶爾發(fā)出清脆的破裂聲．11日凌晨03：00，在樁號為引（3）9＋637～675（此時掌子面的位置為引（3）9＋637）的范圍內(nèi)發(fā)生強裂巖爆，主要以北側(cè)拱肩至邊墻為主，巖爆沿洞軸線長度約40m．爆坑最大深度達到1m（見圖4a）），有明顯的結(jié)構(gòu)面痕跡，主要以拉－剪混合破壞為主，有大量片幫和碎石垮落，TBM刀盤卡住，北側(cè)拱肩處鋼筋網(wǎng)被拉斷，且支護錨桿遭到破壞（見圖4b））．在接下來的10d內(nèi)，樁號為引（3）9＋652～603范圍內(nèi)發(fā)生8起巖爆事件，巖爆等級從輕微至強烈不等，其中發(fā)生輕微巖爆1次、中等和較強巖爆各3次、強烈?guī)r爆1次．

圖3 3＃引水隧洞強烈?guī)r爆孕育過程中的微震事件時空分布圖

圖4 發(fā)生巖爆時的現(xiàn)場情況

從以上分析可以看出，隨著TBM的向前掘進，每次發(fā)生巖爆前，巖石內(nèi)部的微震事件都具有一定的規(guī)律和特征．而通過這些事件活動的特征，就有可能提前判斷出發(fā)生巖爆的具體位置和等級．在第一時間為施工和設(shè)計人員提供相關(guān)資料，以采取有效的應(yīng)對措施，確保人員和設(shè)備的安全．

4 結(jié) 論

1）錦屏二級水電站3＃引水隧洞的監(jiān)測結(jié)果表明，微震監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測到巖石微破裂的前兆信息：如震源位置、強度、能量和震級等參數(shù)，對發(fā)生巖爆初期的預(yù)測預(yù)報具有重要的參考依據(jù)．

2）在TBM掘進過程中，微震事件在空間上的分布程度，由隨機離散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫植肯鄬袪顟B(tài)，產(chǎn)生微震事件的數(shù)量有逐漸增多的趨勢，或有能量和震級均較大的微震事件產(chǎn)生．這是巖爆臨近的特征．

3）從發(fā)生的距離上講，巖爆位置緊隨掌子面的變化而變化，一般發(fā)生在距離掌子面40m的范圍內(nèi)．

4）從發(fā)生的時間上看，發(fā)生巖爆主要在開挖后幾小時或幾天內(nèi)不等，雖然發(fā)生的位置有可能被提前判定，但是準確的發(fā)生時間仍然難以預(yù)測．

雖然某些類型巖爆具有明顯的前兆特征，某種程度上具有可預(yù)測性；但由于受到工程地質(zhì)、施工條件、支護措施等多方面復(fù)雜因素的影響，并不是所有巖爆都具有規(guī)律可循，提高巖爆預(yù)測的準確程度有待于提高．

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