李永亮， 喬志斌， 牛文靜， 王劍超

(1. 西藏鐵路建設(shè)有限公司， 西藏 拉薩 850000； 2. 中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司， 山西 太原 030024；3. 東北大學(xué) 深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽(yáng) 110819；4. 成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610059)

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的大力發(fā)展，眾多埋深超過1 000 m的深埋隧道工程不斷涌現(xiàn)，但隨之而來的巖爆、應(yīng)力型塌方、突水、地壓顯現(xiàn)，巖體大變形等規(guī)模性地質(zhì)災(zāi)害的威脅也越來越大[1]。在高應(yīng)力環(huán)境下，深部大型巖體工程活動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)擾動(dòng)將導(dǎo)致隧道圍巖產(chǎn)生突發(fā)性的、無前兆的破壞，這種突變性動(dòng)力響應(yīng)往往表現(xiàn)為圍巖大范圍地失穩(wěn)[2-3]。特別是深部硬巖開挖時(shí)，受較高的原巖地應(yīng)力影響，在開挖過程中或隨后一段時(shí)間內(nèi)，可能出現(xiàn)巖爆、應(yīng)力型塌方等高應(yīng)力災(zāi)害，可能嚴(yán)重威脅施工人員及設(shè)備安全[4-6]。面對(duì)高應(yīng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，如何適時(shí)地調(diào)整施工方法、施工工序和施工時(shí)機(jī)顯得尤為重要。

深埋硬巖隧道開挖時(shí)，圍巖在變形破壞的整個(gè)過程中幾乎都伴隨著裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展、摩擦和能量積聚，并且以應(yīng)力波的形式向外釋放應(yīng)變能量，從而產(chǎn)生了微震事件[7]。圍巖變形、破壞整個(gè)過程中的信息均可通過微震監(jiān)測(cè)獲取。微震活動(dòng)的時(shí)間、位置及強(qiáng)度反映了巖體內(nèi)發(fā)生變形破壞的時(shí)間、位置及程度，因而潛在應(yīng)力型災(zāi)害的深埋硬巖隧道施工時(shí)，常采用微震監(jiān)測(cè)手段對(duì)應(yīng)力型災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。結(jié)合微震活動(dòng)信息表征的圍巖災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，可動(dòng)態(tài)地指導(dǎo)施工過程。例如，周朝等[8]針對(duì)荒溝電站地下廠房，通過微震監(jiān)測(cè)分析微震事件活動(dòng)與爆破開挖施工強(qiáng)度的關(guān)系，并以此指導(dǎo)安全施工； 嚴(yán)波等[9]基于微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)潛在的失穩(wěn)區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立了“深層預(yù)裂、薄層開挖、隨層支護(hù)”的高地應(yīng)力深埋地下廠房中下層梯段開挖施工程序和工藝； 褚冬攀等[10]利用微震監(jiān)測(cè)手段，分析了微震事件頻次、特征，揭露了巖爆與微震事件的內(nèi)在聯(lián)系，并以此指導(dǎo)隧道開挖； 李桐等[11]通過微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，原位觀測(cè)了巖爆位置偏轉(zhuǎn)過程中的巖體破裂演化規(guī)律，為針對(duì)性施工和支護(hù)提供了可靠依據(jù)。由此可見，利用施工過程中的微震活動(dòng)信息，可以有效指導(dǎo)施工過程管理。因此，開展依據(jù)微震信息變化情況，在施工過程管理中動(dòng)態(tài)選擇施工時(shí)機(jī)和方式的工程實(shí)例研究，具有重要意義。

有鑒于此，本文擬依托某鉆爆法開挖的深埋鐵路硬巖隧道，利用微震監(jiān)測(cè)方法對(duì)隧道施工過程中的圍巖破裂情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過分析監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的微震活動(dòng)動(dòng)態(tài)演化過程所表征的隧道高應(yīng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)大小變化情況，合理選擇施工工序、施工時(shí)機(jī)、施工方式等，科學(xué)指導(dǎo)施工過程管理，以期為深埋隧道安全、高效施工提供參考。

1 工程背景與微震監(jiān)測(cè)概況

1.1 工程背景

某在建的鐵路隧道埋深超過2 000 m，巖性絕大部分為黑云花崗巖夾雜部分閃長(zhǎng)巖，花崗巖呈灰白色，質(zhì)地堅(jiān)硬、性脆、強(qiáng)度高，單軸抗壓強(qiáng)度為160 MPa、抗拉強(qiáng)度為7.6 MPa。該隧道包括正洞和平行導(dǎo)洞(平導(dǎo))，隧道長(zhǎng)約13 km，均采用鉆爆法開挖，如圖1所示。由于隧道埋深大、巖石強(qiáng)度大、巖性硬脆，在建設(shè)過程中，平導(dǎo)和正洞的巖爆、應(yīng)力型塌方、片幫等災(zāi)害發(fā)生均較頻繁。特別是巖爆災(zāi)害尤為突出，該隧道預(yù)設(shè)計(jì)階段的巖爆災(zāi)害洞段超過90%。為此，在建設(shè)過程中對(duì)該隧道開展了微震監(jiān)測(cè)。

圖1 隧道工程布置概況

1.2 微震監(jiān)測(cè)概況

該隧道開挖過程中，在隧道掌子面后方布置2組監(jiān)測(cè)斷面共8個(gè)單向速度型微震監(jiān)測(cè)傳感器，監(jiān)測(cè)隧道開挖過程的微震信息[12]。每組4個(gè)傳感器，第1組布置在距掌子面約70 m處，編號(hào)D1-1～D1-4； 第2組布置在掌子面后方100 m處，編號(hào)D2-1～D2-4。微震傳感器布置于孔徑75 mm、孔深2.3 m的微震監(jiān)測(cè)鉆孔中?；阢@爆法隧道工程及開挖過程的微震活動(dòng)分布特點(diǎn)，為盡可能監(jiān)測(cè)到掌子面附近產(chǎn)生的所有巖石微破裂信號(hào)且保證傳感器不被爆轟波、爆破飛石等損壞，依據(jù)文獻(xiàn)[12]所述方法設(shè)置傳感器的空間布置方式，如圖2所示。

(a) 微震監(jiān)測(cè)方案

(b) 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

Fig.2 Layout scheme of microseismic sensors and microseismic monitoring center

隧道開挖過程中，結(jié)合微震監(jiān)測(cè)技術(shù)和微震活動(dòng)與高應(yīng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度間的關(guān)系，對(duì)施工方式、支護(hù)方法、防控措施等進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，有效保障了隧道的安全、快速施工。因此，動(dòng)態(tài)調(diào)控高應(yīng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，必須先建立微震活動(dòng)與高應(yīng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度之間的定性或定量關(guān)系。

2 微震活動(dòng)與高應(yīng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度的關(guān)系

深埋硬巖隧道應(yīng)力型災(zāi)害破裂類型均以脆性的拉破裂為主，且在發(fā)生災(zāi)害前常伴隨有圍巖的微破裂活動(dòng)。通過微震監(jiān)測(cè)手段可監(jiān)測(cè)、分析巖體破裂微震事件，推測(cè)巖體發(fā)生破壞的程度，評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性。以該隧道正洞DK195+980～DK196+180段開挖過程中的微震活動(dòng)和巖爆災(zāi)害為例，簡(jiǎn)述巖爆災(zāi)害與微震活動(dòng)的時(shí)空關(guān)系，如圖3和圖4所示。圖中每一個(gè)球體代表一個(gè)巖體破裂微震事件，顏色表示其震級(jí)大小，球體大小表示其釋放能大小，球體越大，微震釋放能越大。

(a) 開挖區(qū)域微震活動(dòng)演化特征

圖4 隧道開挖過程中微震活動(dòng)的演化特征

Fig.4 Evolution characteristics of microseismic activities during tunnel excavation

DK195+980～DK196+180段圍巖較完整、干燥，除局部濕潤(rùn)外其余圍巖均較干燥，地下水不發(fā)育。此外，該區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)面規(guī)模較小，無大型斷層等不利結(jié)構(gòu)面，圍巖自穩(wěn)性較好。

由圖3和圖4可知： 該段開挖過程中微震活動(dòng)活躍，微震事件數(shù)整體呈上升趨勢(shì)，微震釋放能在高位波動(dòng)，從分布范圍及演化規(guī)律角度其大致可分為2個(gè)階段： 在DK195+980～DK196+010段開挖過程中，微震活動(dòng)特性處于較平靜的階段，微震事件數(shù)、微震釋放能隨著開挖的推進(jìn)均在低位進(jìn)行小范圍的波動(dòng)，且微震釋放能有逐步遞減的趨勢(shì)； DK196+010～+180段開挖過程中，微震活動(dòng)逐漸活躍，微震事件數(shù)、微震釋放能均呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，特別是微震釋放能逐步增加到較高位置，巖爆風(fēng)險(xiǎn)不斷增加。DK195+980～DK196+010段無巖爆發(fā)生，對(duì)應(yīng)該區(qū)域的微震活動(dòng)相對(duì)較平靜，微震事件數(shù)較少，且微震釋放能較小，在開挖的卸荷和擾動(dòng)作用下產(chǎn)生了小巖石破裂事件； DK196+010～+180段開挖過程中，微震事件數(shù)、微震釋放能從低位顯著向高位增加，并且微震釋放能增加較大，大能量破裂微震事件不斷產(chǎn)生。由于該區(qū)域圍巖干燥、較完整，且無大型的不利結(jié)構(gòu)面，因此發(fā)生巖爆的風(fēng)險(xiǎn)較高。實(shí)際該區(qū)域開挖過程中也產(chǎn)生了較多規(guī)模較大的巖石破裂事件，巖爆災(zāi)害頻發(fā)，并且在微震活動(dòng)最活躍的DK196+130～+140處(圖3中紅色區(qū)域)產(chǎn)生了中等巖爆。

由上述分析可知，微震活動(dòng)性與高應(yīng)力災(zāi)害具有時(shí)空對(duì)應(yīng)特性。微震活動(dòng)的時(shí)間、位置及強(qiáng)度反映了巖體內(nèi)發(fā)生的變形或破壞的時(shí)間、位置及程度，利用微震活動(dòng)的空間聚集狀態(tài)和時(shí)間活躍程度，可以有效評(píng)價(jià)某區(qū)域內(nèi)圍巖潛在的高應(yīng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和失穩(wěn)特性。微震活動(dòng)隨時(shí)間的演化特征，反映了隧道圍巖潛在的高應(yīng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度高低的動(dòng)態(tài)變化情況。微震活動(dòng)在某區(qū)域內(nèi)越集中，該區(qū)域越有可能發(fā)生高應(yīng)力災(zāi)害；該區(qū)域內(nèi)微震活動(dòng)參數(shù)值越高，發(fā)生高應(yīng)力災(zāi)害的等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)越高。由文獻(xiàn)[7,13-15]所述方法可確定微震釋放能、微震事件數(shù)與不同等級(jí)巖爆間的定性或定量關(guān)系。結(jié)合文獻(xiàn)所述方法及圖3和圖4中微震活動(dòng)與巖爆災(zāi)害的關(guān)系可確定，當(dāng)微震事件數(shù)大于80個(gè)或微震釋放能常用對(duì)數(shù)大于4.0時(shí)，該隧道可能潛在巖爆等高應(yīng)力災(zāi)害。

因此，利用微震活動(dòng)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，可為動(dòng)態(tài)調(diào)整施工策略、支護(hù)方法和施工時(shí)機(jī)等提供可靠的依據(jù)。

3 基于微震監(jiān)測(cè)的隧道施工管理

該隧道結(jié)合微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過動(dòng)態(tài)調(diào)控施工方案和支護(hù)措施等，取得了較好的效果，具體操作的基本流程如圖5所示。本文以該隧道進(jìn)口正洞DK196+725～+760段為例，簡(jiǎn)述微震監(jiān)測(cè)指導(dǎo)隧道施工過程管理的具體方式。

圖5 基于微震監(jiān)測(cè)的隧道施工過程管理流程

Fig.5 Management flowchart of tunnel construction based on microseismic monitoring

3.1 進(jìn)口正洞DK196+725～+760段地質(zhì)情況

進(jìn)口正洞DK196+725～+760段掌子面及圍巖巖性為花崗巖，灰白色，塊體狀，掌子面比較平整。掌子面及圍巖發(fā)育3組明顯節(jié)理，如圖6所示。第1組節(jié)理產(chǎn)狀10°∠60°，間距約0.5～1.0 m，節(jié)理微張，有綠色充填物，未風(fēng)化，分布于掌子面，延伸到拱腳及頂拱；第2組節(jié)理產(chǎn)狀200°∠80°，間距約2 m，節(jié)理張開，有白色充填物，未風(fēng)化，分布于掌子面中部，延伸到頂拱；中部發(fā)育1組石英脈，產(chǎn)狀200°∠20°，寬度約0.2 m，未風(fēng)化，分布于掌子面，延伸到北側(cè)圍巖及頂拱。該段圍巖及掌子面巖體干燥，節(jié)理較發(fā)育，容易發(fā)生巖爆、應(yīng)力型塌方等高應(yīng)力災(zāi)害。

(a) 掌子面地質(zhì)踏勘

(b)掌子面地質(zhì)素描

3.2 進(jìn)口正洞DK196+725～+760段微震活動(dòng)性分析

該隧道進(jìn)口正洞DK196+725～+760段開挖過程中，掌子面附近區(qū)域的微震活動(dòng)如圖7所示。

圖7 DK196+725～+760預(yù)警區(qū)域內(nèi)微震活動(dòng)時(shí)空分布特征

Fig.7 Spatial and temporal distribution characteristics of microseismic activities in early warning area of section DK196+725～+760

由圖7可知，該區(qū)域微震活動(dòng)較活躍，微震事件空間分布較集中，累積微震事件數(shù)、累積微震釋放能持續(xù)顯著增加(見圖8)。該區(qū)域2019-01-13 T 8:00至2019-01-18 T 8:00累積微震事件數(shù)為200個(gè)，累積微震釋放能對(duì)數(shù)(lgE)為5.89 J。其中，17日掌子面爆破后30 min，準(zhǔn)備出渣時(shí)(2019-01-17 T 13:34:57)，在掌子面附近南側(cè)有一個(gè)大能量事件發(fā)生，微震釋放能對(duì)數(shù)為5.57 J，有較高的累積微震事件數(shù)和累積微震釋放能，并且開挖后圍巖又有較大能量的突然釋放，表明該區(qū)域后續(xù)開挖過程中潛在應(yīng)力型災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)較高。特別是隧道南側(cè)，微震事件集中程度更高，該區(qū)域發(fā)生高應(yīng)力災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)更高。

圖8 DK196+725～+760預(yù)警區(qū)域內(nèi)微震事件數(shù)及釋放能隨時(shí)間演化規(guī)律

Fig.8 Evolution law of number of microseismic events and release energy with time in early warning area of section DK196+725～+760

此外，掌子面及附近圍巖干燥，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，將圍巖切割為塊體狀。綜合微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及圍巖地質(zhì)條件，依據(jù)文獻(xiàn)[13]中所述的方法建立巖爆與微震活動(dòng)的定性或定量關(guān)系，確立該隧道開挖過程中不同應(yīng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)與微震活動(dòng)之間的定性關(guān)系。經(jīng)分析，DK196+750～+760段施工過程中，該區(qū)域潛在中等巖爆風(fēng)險(xiǎn)，巖爆過程可能誘發(fā)規(guī)模性應(yīng)力塌方破壞。因此，在DK196+750～+760段施工過程中需密切關(guān)注掌子面附近地質(zhì)情況和微震活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化情況，視情況及時(shí)調(diào)整施工方案和支護(hù)方案。

3.3 基于微震活動(dòng)的施工過程管理

由前述分析可知，進(jìn)口正洞DK196+750～+760段施工過程中，可能引起DK196+725～+760區(qū)域發(fā)生巖爆、應(yīng)力型塌方等高應(yīng)力災(zāi)害。因此，密切依托微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)DK196+750～+760段進(jìn)行了開挖優(yōu)化。鑒于該區(qū)域應(yīng)力型災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較高，有較大能量的突然釋放，因此減緩了施工進(jìn)度。該區(qū)域施工過程中，2019-01-19 T 06:00—2019-01-20 T 24:00的微震活動(dòng)演化規(guī)律及施工工序與方案隨微震活動(dòng)演化的動(dòng)態(tài)調(diào)整情況，如圖9所示。

圖9 DK196+725～+760區(qū)域不同時(shí)間微震活動(dòng)演化規(guī)律及對(duì)應(yīng)的施工工序與方案動(dòng)態(tài)調(diào)整情況

Fig.9 Evolution law of microseismic activities at different time in section DK196+725～+760 and dynamic adjustment of corresponding construction procedures and schemes

2019年1月18日掌子面未爆破，微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也無異常。在2019-01-19 T 06:51:51時(shí)，對(duì)掌子面進(jìn)行了爆破，進(jìn)尺約3 m。掌子面爆破后，短時(shí)間內(nèi)小能量微震事件大幅產(chǎn)生，并且該區(qū)域圍巖完整性較差，因此發(fā)生應(yīng)力型塌方和掉塊的風(fēng)險(xiǎn)較大。針對(duì)微震數(shù)據(jù)指向的應(yīng)力型災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)采取的施工方案為： 逐步出渣，在獲得一定空間后立即采取鋼拱架支護(hù)，并且減小立架間距。采取該方案后，微震活動(dòng)明顯降低。

截至2019-01-19 T 21:00左右，后方完成了出渣的區(qū)域已進(jìn)行了鋼拱架支護(hù)，僅掌子面附近剩余較少的巖渣。因此，接下來的工序是清除掌子面剩余的巖渣。但在2019-01-19 T 22:00左右，突然有較大能量的微震事件發(fā)生，微震活動(dòng)變得活躍，巖爆、應(yīng)力型塌方災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)又急劇升高。因此，現(xiàn)場(chǎng)采取的施工方案是： 立即停止出渣、排險(xiǎn)等工序，進(jìn)行停工等待。停工等待過程中，該區(qū)域在DK196+752處發(fā)生了巖爆、應(yīng)力型塌方的復(fù)合型破壞，如圖10所示。

圖10 DK196+752處巖爆-應(yīng)力型塌方復(fù)合破壞

Fig.10 Compound failure of rockburst and stress-induced collapse at section DK196+752

發(fā)生巖爆和應(yīng)力型塌方破壞后，釋放了圍巖中的部分能量，而且停工后減少了對(duì)掌子面附近圍巖的擾動(dòng)，掌子面附近的微震活動(dòng)由活躍變得平靜。在微震活動(dòng)平靜后，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)掌子面進(jìn)行排險(xiǎn)和出渣，排險(xiǎn)后暫停施工，觀察微震活動(dòng)情況的方案。在2019-01-20 T 3:00～6:00排險(xiǎn)和出渣期間，微震事件數(shù)和釋放能雖有所增加，但未達(dá)到較高位置，發(fā)生應(yīng)力型災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)不高。

在排險(xiǎn)出渣后的幾 h內(nèi)，微震活動(dòng)在較低位置平穩(wěn)波動(dòng)，且有逐漸平靜的趨勢(shì)，發(fā)生應(yīng)力型災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)降低。因此，2019-01-20 T 12:00左右現(xiàn)場(chǎng)采取了繼續(xù)施作鋼拱架支護(hù)的方案。在此后的施工過程中，DK196+725～+760段最終未發(fā)生巖爆、應(yīng)力型塌方等災(zāi)害。

因此，DK196+725～+760段依據(jù)微震活動(dòng)演化規(guī)律合理選擇施工工序、支護(hù)方式、作業(yè)時(shí)機(jī)的案例表明，微震監(jiān)測(cè)在深埋隧道施工過程管理中的應(yīng)用，有助于降低安全風(fēng)險(xiǎn)，確保作業(yè)人員和設(shè)備的安全。

4 結(jié)論與建議

1)利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以監(jiān)測(cè)隧道施工過程中的圍巖破裂情況，不同的微震活動(dòng)性表征了隧道潛在的不同的高應(yīng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)大小，特別是微震釋放能和微震事件數(shù)變化情況，動(dòng)態(tài)反映了隧道的安全穩(wěn)定性。

2)利用監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)不同時(shí)間的微震活動(dòng)特性變化情況所動(dòng)態(tài)表征的隧道高應(yīng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)大小，可以采取如暫緩施工、加強(qiáng)支護(hù)等針對(duì)性的施工方案，合理選擇施工工序、施工時(shí)機(jī)、施工方式等。

3)通過微震活動(dòng)變化情況動(dòng)態(tài)反映的隧道高應(yīng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，在隧道施工過程管理中采取針對(duì)性措施，有助于降低施工過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，確保人員、設(shè)備的安全，可為我國(guó)“一帶一路”建設(shè)、川藏鐵路建設(shè)中其他重大深埋隧道工程的施工提供參考。

4)為進(jìn)一步加強(qiáng)隧道施工過程的精準(zhǔn)管理，今后需深入研究不同類型和不同等級(jí)高應(yīng)力災(zāi)害與微震活動(dòng)的定量關(guān)系，依托定量關(guān)系及前兆信息提前做出預(yù)警，并依據(jù)預(yù)警結(jié)果合理選擇施工時(shí)機(jī)與方式。