李 奧，張頂立，房 倩，孫振宇，

曹利強(qiáng)1，2，劉道平1，2， 閆文發(fā)1,2

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

隧道開(kāi)挖卸荷破壞了巖體天然應(yīng)力的平衡狀態(tài)，使圍巖應(yīng)力產(chǎn)生重分布，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)了巖體的承受能力，巖體內(nèi)部將產(chǎn)生微裂紋。微裂紋的擴(kuò)展貫通將使得隧道開(kāi)挖面周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)巖體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯變化，主要表現(xiàn)為巖體強(qiáng)度、彈性模量的下降和滲透系數(shù)的增大等[1-2]。巖體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的區(qū)域，一般稱(chēng)為圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)(Excavation Damage Zone)。隧道開(kāi)挖的持續(xù)進(jìn)行，圍巖損傷將進(jìn)一步加劇，如果不采取及時(shí)有效的支護(hù)措施，將會(huì)導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)破壞，進(jìn)而影響隧道施工安全[3-4]。因此如何準(zhǔn)確獲取圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)分布特性與演化規(guī)律已經(jīng)成為工程中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，直接影響到支護(hù)的可靠性和工程的安全性，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值[5-7]。

巖石薄弱處產(chǎn)生裂紋的同時(shí)，裂紋內(nèi)部蓄積的能量將以應(yīng)力波的方式釋放，從而產(chǎn)生微震/聲發(fā)射信號(hào)。當(dāng)前的微震/聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)提供巖體損傷過(guò)程中包括微小裂紋的位置、程度和大小，以及可能的破壞進(jìn)程等信息，可以快速地對(duì)巖體損傷特性和發(fā)展趨勢(shì)作出定性與定量評(píng)價(jià)，已經(jīng)成功應(yīng)用于一些工程實(shí)踐[8-9]。加拿大URL實(shí)驗(yàn)室通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)微震試驗(yàn)開(kāi)展了一系列的圍巖開(kāi)挖損傷研究，其中Martin等[10]通過(guò)Mine-by圓形試驗(yàn)洞微震事件分布圖，初步界定了圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)的范圍；Martino等[3]分析了圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)的影響因素；Cai等[11]基于微震監(jiān)測(cè)的裂紋分布和密度等參數(shù)，研究了圍巖開(kāi)挖損傷程度。陳炳瑞等[12-13]在錦屏二級(jí)水電站深埋引水隧洞開(kāi)展TBM施工過(guò)程中聲發(fā)射監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，研究了開(kāi)挖過(guò)程中圍巖損傷的演化規(guī)律。李正旺等[14]在神岡地下基巖試驗(yàn)場(chǎng)隧洞內(nèi)進(jìn)行爆破開(kāi)挖后圍巖聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，分析和解釋了隧洞開(kāi)挖后的“松弛現(xiàn)象”。以上采用微震/聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)研究試驗(yàn)局限于地下實(shí)驗(yàn)室、水工隧洞等，斷面較小，且主要進(jìn)行圍巖損傷區(qū)定性研究。而高鐵隧道斷面大，圍巖參數(shù)空間差異性顯著，可靠性和安全性要求更高，因此必須針對(duì)大跨度高鐵隧道的特點(diǎn)開(kāi)展圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)定量研究。

本文以新建京張高速鐵路八達(dá)嶺長(zhǎng)城站大跨度過(guò)渡段隧道為研究對(duì)象，在隧道地表與洞周布設(shè)微震測(cè)點(diǎn)，構(gòu)建立體式、全方位的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)微震事件的空間分布結(jié)果，揭示微震事件分布特性與圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)的預(yù)測(cè)，為大跨度隧道的圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)研究提供一種新方法，也為隧道的錨索(桿)支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 大跨度過(guò)渡段隧道現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)

1.1 工程地質(zhì)概況

京張高鐵東起北京市北京北站，西迄張家口市張家口站，有11座隧道，共設(shè)10個(gè)車(chē)站。最長(zhǎng)隧道為新八達(dá)嶺隧道，位于北京市昌平區(qū)與延慶區(qū)交界處，單洞雙線隧道，全長(zhǎng)12 010 m。八達(dá)嶺長(zhǎng)城站是設(shè)在新八達(dá)嶺隧道內(nèi)的地下車(chē)站，也是全線唯一的地下車(chē)站，位于八達(dá)嶺景區(qū)內(nèi)，毗鄰八達(dá)嶺長(zhǎng)城。車(chē)站主體為三洞分離小凈距隧道，車(chē)站兩端與區(qū)間隧道設(shè)大跨度單洞過(guò)渡段隧道，過(guò)渡段隧道采取5種斷面形式，最大開(kāi)挖跨度達(dá)32.7 m，開(kāi)挖面積為494.4 m2，是目前國(guó)內(nèi)開(kāi)挖跨度最大的暗挖鐵路隧道，安全風(fēng)險(xiǎn)高，施工難度大[15]。大跨度過(guò)渡段隧道(張家口方向)平面和斷面如圖1所示。

在張家口方向大跨度過(guò)渡段隧道開(kāi)展微震監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)巖體主要發(fā)育3～4組節(jié)理，節(jié)理間距一般為0.1～0.5 m，均為密閉節(jié)理，中間無(wú)充填物，巖體總體較完整—較破碎，但巖脈接觸帶、局部節(jié)理密集帶、差異風(fēng)化帶、蝕變帶的節(jié)理裂隙發(fā)育。受燕山期侵入巖的影響，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，隧道洞身穿越F2斷層，與隧道主洞身相交于DK68+260—300，與線路相交角度為35°，斷裂產(chǎn)狀為236°∠80°，為壓扭性斷裂，上盤(pán)為斑狀二長(zhǎng)花崗巖，下盤(pán)為花崗巖，斷層帶內(nèi)為壓碎巖。

圖1 大跨度過(guò)渡段隧道平面和斷面(單位：m)

1.2 微震監(jiān)測(cè)方案

盡管微震監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外隧道工程[1,16-17]，但將其應(yīng)用于大跨度高鐵隧道進(jìn)行圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)研究，在世界上屬于首次，尚無(wú)成功的監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)可以直接借鑒。因此，經(jīng)過(guò)不斷探索，在京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站大跨度過(guò)渡段隧道的地表和隧道洞周分別布設(shè)微震測(cè)點(diǎn)，以達(dá)到立體式、全方位的微震監(jiān)測(cè)。

1)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件由檢波器、數(shù)據(jù)采集儀、供電設(shè)備、時(shí)鐘同步裝置、光纖交換機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理系統(tǒng)組成，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。微震信號(hào)的特點(diǎn)是震級(jí)小，一般均低于0級(jí)，信號(hào)頻率范圍大，從幾赫茲到幾千赫茲范圍，因此對(duì)接收信號(hào)的檢波器性能要求非常高[9]。檢波器采用單分量和3分量微震檢波器，具有高靈敏度(200 V·(m·s-1)-1)，頻帶寬度較大(4.5～1 000 Hz)等高性能特點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集儀采用24通道和3通道微震采集儀，具有高分辨率、高采樣率(2 000 Hz)、高觸發(fā)精度、低噪音等特點(diǎn)。采集儀內(nèi)置有GPS接收器，為儀器提供準(zhǔn)確的時(shí)間和位置信息。

圖2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2)測(cè)點(diǎn)布置

在隧道地表布設(shè)9個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為1#—9#，以9#點(diǎn)為圓心，80 m為半徑進(jìn)行輻射，形成監(jiān)測(cè)包絡(luò)；在測(cè)點(diǎn)鉆孔，孔深約2 m(孔底為巖體)，孔徑約100 mm；每個(gè)鉆孔安裝1個(gè)3分量檢波器，同時(shí)外接1個(gè)3通道數(shù)據(jù)采集儀和蓄電池，使用黃泥耦合，如圖3所示。隧道洞周監(jiān)測(cè)，選擇2個(gè)斷面(DK68+290 m，DK68+440 m)，每個(gè)斷面設(shè)置3個(gè)測(cè)孔，共6個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為1*—6*；在測(cè)點(diǎn)鉆孔，孔深約12 m，在孔底部安裝3分量檢波器(1*—3*)，靠近洞口約3 m處安裝單分量檢波器(4*—6*)，使用水泥灌漿耦合，如圖4所示。隧道洞周測(cè)點(diǎn)布置較為集中，12臺(tái)檢波器匯總連接到24通道數(shù)據(jù)采集儀，進(jìn)行信號(hào)集中采集。如此可確保隧道爆破開(kāi)挖均處在傳感器的監(jiān)測(cè)范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)微震信號(hào)連續(xù)多次接收。

圖3 地表微震測(cè)點(diǎn)布設(shè)

圖4 洞周微震測(cè)點(diǎn)布設(shè)(DK68+290)(單位：m)

1.3 定位誤差

微震監(jiān)測(cè)能否在隧道開(kāi)挖中發(fā)揮巖體開(kāi)裂準(zhǔn)確定位和預(yù)測(cè)的作用，主要取決于定位精度能否滿(mǎn)足工程需求，定位誤差主要受到微震源定位方法、巖體波速的選取值以及測(cè)點(diǎn)的布置方式和數(shù)量等因素的影響[17-18]。通過(guò)在微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行主動(dòng)震源激勵(lì)試驗(yàn)，記錄激勵(lì)試驗(yàn)波形，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)場(chǎng)的巖體波速標(biāo)定和微震源位置的反演修正，從而提高震源定位精度。

監(jiān)測(cè)周期為大跨度過(guò)渡段隧道開(kāi)始施工到初期支護(hù)施作完成，開(kāi)挖方向?yàn)榇罄锍掏±锍谭较颉Ｆ陂g共監(jiān)測(cè)到11 846個(gè)微震事件，微震事件的定位誤差分布如圖5所示，定位誤差10 m以?xún)?nèi)的事件數(shù)占全部微震事件數(shù)的72%，定位誤差5 m以?xún)?nèi)的事件數(shù)占40%，平均誤差8.05 m。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果[19-20]，當(dāng)前微震監(jiān)測(cè)的定位精度能夠滿(mǎn)足隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和開(kāi)挖損傷區(qū)研究的需要。

圖5 微震事件定位誤差分布

2 大跨度過(guò)渡段隧道微震活動(dòng)特性

2.1 微震事件矩震級(jí)分布

為表征微震事件絕對(duì)大小的量，矩震級(jí)(M)是當(dāng)前廣泛使用的震級(jí)標(biāo)度[16]。大跨度過(guò)渡段隧道開(kāi)挖期間微震事件矩震級(jí)分布如圖6所示，可見(jiàn)矩震級(jí)分布范圍為-3.75～0.48，平均矩震級(jí)為-1.94。矩震級(jí)在-3≤M≤-1區(qū)間內(nèi)的微震事件數(shù)占全部微震事件數(shù)的98%，其中-2≤M≤-1占66%，此區(qū)域最為集中。從矩震級(jí)分布來(lái)看，當(dāng)前微震事件大部分屬于微小震級(jí)事件[21]。

圖6 微震事件矩震級(jí)分布

研究表明，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，微震事件均服從如下矩震級(jí)—頻度關(guān)系式[9]。

lgN=a-bM

(1)

式中：N為矩震級(jí)大于等于M的事件次數(shù)；a和b為常數(shù)。

常數(shù)a表征在統(tǒng)計(jì)時(shí)間、區(qū)域內(nèi)的微震活動(dòng)水平。常數(shù)b值表征微震事件相對(duì)震級(jí)分布的函數(shù)，b值越小，矩震級(jí)大的事件數(shù)越多；同時(shí)，b值變化可以用來(lái)反映應(yīng)力場(chǎng)的變化，斷層滑移型微震活動(dòng)時(shí)，通常對(duì)應(yīng)的b值較小，一般小于0.8，而爆破誘發(fā)應(yīng)力遷移型的微震活動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的b值通常在1.2～1.5之間[22]。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)的微震事件數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得a=0.8，b=1.5，如圖7所示，可見(jiàn)，微震事件活動(dòng)的規(guī)律性較好，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)微震活動(dòng)主要是爆破誘發(fā)應(yīng)力遷移型的微震活動(dòng)。

圖7 微震事件矩震級(jí)—頻度分布

2.2 微震事件空間分布

隧道周?chē)奈⒄鹗录卣鸺?jí)分布如圖8(a)所示，圖中球體代表微震事件，球體的大小和不同顏色表示微震事件矩震級(jí)?？梢钥闯觯⒄鹗录饕性谒淼纼蓚?cè)，且越接近隧道，微震事件震級(jí)越大。矩震級(jí)最大的微震事件主要聚集在V級(jí)圍巖隧道附近，表明圍巖級(jí)別較差時(shí)巖體開(kāi)裂過(guò)程中釋放能量較多，巖體開(kāi)裂的尺寸較大。微震事件密度平面分布如圖8(b)所示，圖中不同顏色代表微震事件的相對(duì)分布密度，可以看出越接近隧道的兩側(cè)位置，微震事件相對(duì)密度越大，微震事件越集中。

隧道橫剖面的微震事件分布密度(以DK68+400斷面為例)如圖9所示，可以看出，微震事件主要集中在隧道的四周，越接近隧道，微震事件密度越大，且拱頂處微震事件分布密度最大，拱底處較小。因此，根據(jù)微震事件的分布密度，可以將微震事件分布圖分為3個(gè)區(qū)域，即微震事件高密度區(qū)、中密度區(qū)和低密度區(qū)。

2.3 微震事件分區(qū)指標(biāo)

利用微震事件的分布頻率和累計(jì)分布頻率定量分析大跨度隧道微震事件的空間分布特性。微震事件的分布頻率是指隧道某一位置一定深度范圍內(nèi)的微震事件數(shù)與這一位置全部微震事件數(shù)的比值。對(duì)于同一個(gè)斷面形式下的隧道，分別給出隧道左拱腰、右拱腰、拱頂、拱底等位置處微震事件的分布頻率。1-1斷面隧道左右拱腰位置微震事件的分布頻率如圖10所示。由圖可知：高密度區(qū)內(nèi)微震事件分布頻率較高且穩(wěn)定在20%以上，中密度區(qū)內(nèi)微震事件頻率有所下降，低密度區(qū)內(nèi)微震事件頻率較低且穩(wěn)定值低于10%。該結(jié)果也可以印證上文定性提出的3個(gè)區(qū)域具有合理性。微震事件的累計(jì)分布頻率是指隧道邊界到一定深度位置之間包含的微震事件數(shù)與全部微震事件數(shù)的比值。累計(jì)分布頻率曲線斜率越高，表明累計(jì)分布頻率增長(zhǎng)越快，微震事件集中區(qū)域越小；累計(jì)分布頻率的斜率保持不變時(shí)，表明區(qū)域內(nèi)微震事件分布特性一致；累計(jì)分布頻率曲線的斜率改變時(shí)，表明區(qū)域內(nèi)微震事件分布特性存在明顯差異。

圖8 微震事件平面分布

圖9 微震事件橫剖面密度分布

圖10 隧道左右拱腰位置微震事件的分布頻率(1-1斷面)

5種斷面形式的大跨度過(guò)渡段隧道的微震事件分布頻率和累計(jì)分布頻率如圖11和圖12所示，由圖可見(jiàn)，高密度區(qū)的累計(jì)分布頻率在60%左右，中密度區(qū)的累計(jì)分布頻率在80%左右。因此從定量化的角度界定微震事件3個(gè)區(qū)域的位置：微震事件累計(jì)分布頻率為60%的邊界就是高密度區(qū)與中密度區(qū)的交界；累計(jì)分布頻率為80%的邊界就是中密度區(qū)與低密度區(qū)的交界。

圖11 隧道左右拱腰位置微震事件分布

圖12 隧道拱頂和拱底位置微震事件分布

3 大跨度過(guò)渡段隧道圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)特性

3.1 圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)深度

圍巖開(kāi)挖損傷的原因是開(kāi)挖擾動(dòng)使得巖體產(chǎn)生大量的微小裂紋，因此圍巖的損傷程度與巖體裂縫的密集程度是一致的，巖體開(kāi)裂越多的地方，圍巖損傷程度也就越高。根據(jù)開(kāi)挖后圍巖的損傷和擾動(dòng)程度的不同[5, 23]，將圍巖依次劃分為開(kāi)挖高損傷區(qū)，開(kāi)挖低損傷區(qū)和開(kāi)挖擾動(dòng)區(qū)。因此可將微震事件的高密度區(qū)，中密度區(qū)和低密度區(qū)域分別對(duì)應(yīng)為圍巖開(kāi)挖高損傷區(qū)，開(kāi)挖低損傷區(qū)和開(kāi)挖擾動(dòng)區(qū)。隧道開(kāi)挖以后，在較短的時(shí)間內(nèi)，圍巖應(yīng)力調(diào)整，靠近隧道的圍巖開(kāi)挖高損傷區(qū)產(chǎn)生，且損傷區(qū)范圍和程度都有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)，因此首先需要對(duì)圍巖高損傷區(qū)進(jìn)行及時(shí)有效的約束[3, 12]，抑制圍巖高損傷區(qū)的發(fā)展，從而確保隧道施工的安全。

根據(jù)大跨度隧道微震事件分布頻率特性(圖11，圖12)，可以得到5種斷面形式下隧道不同位置的圍巖開(kāi)挖高損傷區(qū)深度匯總表，見(jiàn)表1。為分析圍巖高損傷區(qū)深度的影響因素，計(jì)算不同圍巖級(jí)別時(shí)圍巖開(kāi)挖高損傷區(qū)深度(lHDZ)與跨度(W)的比值β，得到β與圍巖級(jí)別的關(guān)系圖，如圖13所示。

表1 大跨度過(guò)渡段隧道圍巖高損傷區(qū)深度匯總

圖13 隧道不同位置的圍巖高損傷區(qū)β與圍巖級(jí)別的關(guān)系

從圖13可以看出：圍巖開(kāi)挖高損傷區(qū)深度受位置影響較大，圍巖高損傷區(qū)深度總體呈現(xiàn)拱頂>右拱腰>左拱腰>拱底的趨勢(shì)；在3種圍巖級(jí)別條件下，隧道左右拱腰位置的β值較為集中，分別為0.28～0.29，0.29～0.32，表明左右拱腰位置的β值受?chē)鷰r級(jí)別影響較小。因此左右拱腰位置的圍巖高損傷區(qū)深度的預(yù)測(cè)公式為

lHDZ左拱腰=0.285W

(2)

lHDZ右拱腰=0.305W

(3)

拱頂和拱底位置的β值受?chē)鷰r級(jí)別影響較大，隨著圍巖條件變差，β值呈明顯增大趨勢(shì)，變化范圍分別為0.27～0.37，0.14～0.21。因此考慮隧道跨度和圍巖級(jí)別(C)的影響，拱頂和拱底位置的圍巖高損傷區(qū)深度的預(yù)測(cè)公式為

lHDZ拱頂=(0.13+0.05C)W

(4)

lHDZ拱底=(0.03+0.035C)W

(5)

對(duì)比大跨度隧道不同位置圍巖高損傷區(qū)深度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值，得到式(2)—式(5)的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的相對(duì)誤差平均值分別為2.14%，3.91%，4.83%，11.70%，拱頂和左右拱腰位置預(yù)測(cè)公式相對(duì)誤差平均值均低于5%，拱底位置預(yù)測(cè)公式相對(duì)誤差平均值偏大，其原因是檢波器安裝位置距離隧道拱底較遠(yuǎn)，微震定位誤差偏大。結(jié)果表明，大跨度隧道不同位置圍巖高損傷區(qū)深度預(yù)測(cè)公式具有較高的精度。

3.2 圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)損傷程度

圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)的特性除了損傷區(qū)深度，也包括開(kāi)挖損傷區(qū)的損傷程度[5]。當(dāng)圍巖的開(kāi)挖損傷區(qū)深度一定時(shí)，圍巖損傷特性的差異主要表現(xiàn)為損傷程度的不同，即損傷區(qū)內(nèi)部裂紋開(kāi)裂和滑移的規(guī)模。隧道爆破或開(kāi)挖擾動(dòng)使得巖體產(chǎn)生應(yīng)力集中而開(kāi)裂，且沿著破裂面將會(huì)有一定的滑移量，由于巖體開(kāi)裂釋放的能量不同，裂紋長(zhǎng)度和滑移量也將有所差異。微震事件的平均矩震級(jí)代表一定區(qū)域內(nèi)巖體開(kāi)裂過(guò)程中所釋放的能量大小，因此矩震級(jí)與巖體中裂紋的破裂尺寸和滑移長(zhǎng)度等參數(shù)有著較強(qiáng)的相關(guān)性[24]，如圖14所示?？梢?jiàn)微震事件平均矩震級(jí)越大，裂紋開(kāi)裂尺寸和滑移量越大，使得巖體的損傷程度加大。當(dāng)巖體破裂尺寸和滑移長(zhǎng)度達(dá)到一定程度時(shí)，局部巖塊就有可能脫落，進(jìn)而引發(fā)塌方事故，因此，圍巖損傷程度可采用微震事件的平均矩震級(jí)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)度。對(duì)于矩震級(jí)較大的微震事件，應(yīng)該對(duì)其位置和誘發(fā)因素進(jìn)行分析，確保隧道施工安全。

圖14 矩震級(jí)與裂紋尺寸和滑移長(zhǎng)度的關(guān)系

根據(jù)微震事件的監(jiān)測(cè)結(jié)果，得到不同圍巖級(jí)別下5種斷面形式的大跨度隧道微震事件平均矩震級(jí)，其與隧道跨度和圍巖級(jí)別的關(guān)系如圖15所示。由圖可知：對(duì)于同一圍巖級(jí)別(Ⅲ和Ⅳ級(jí)圍巖)，隨著隧道跨度的增加，微震事件平均矩震級(jí)變化幅度較小，但隨著圍巖條件由Ⅲ級(jí)到Ⅴ級(jí)圍巖變?nèi)醯倪^(guò)程中，微震事件平均矩震級(jí)增加幅度明顯，因此圍巖損傷區(qū)的損傷程度受?chē)鷰r級(jí)別影響較大，受隧道開(kāi)挖跨度影響較小。

圖15 微震事件平均矩震級(jí)與隧道跨度和圍巖級(jí)別的關(guān)系

4 大跨度隧道圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)與變形的關(guān)系

巖體開(kāi)裂過(guò)程中都會(huì)伴隨著裂紋變形的產(chǎn)生和發(fā)展[25]，通過(guò)在5種斷面形式下隧道拱頂以及左右拱腰處分別布置變形測(cè)點(diǎn)，可以得到圍巖高損傷區(qū)深度與隧道拱頂沉降和拱腰收斂值的關(guān)系，如圖16所示，從中可以得出如下結(jié)論。

圖16 圍巖高損傷區(qū)深度與拱頂沉降和拱腰收斂值的關(guān)系

(1)拱頂、左右拱腰圍巖高損傷區(qū)深度與拱頂沉降和拱腰收斂呈正相關(guān)關(guān)系，并且具有較強(qiáng)的相關(guān)性，較大的圍巖損傷區(qū)深度必將引起較大的圍巖變形，因此，可以根據(jù)圍巖變形對(duì)圍巖高損傷區(qū)深度進(jìn)行預(yù)測(cè)，以判斷當(dāng)前支護(hù)措施是否有效。

(2)圍巖開(kāi)挖高損傷區(qū)深度與變形的關(guān)系呈現(xiàn)明顯的階段性特點(diǎn)，以拱頂圍巖高損傷區(qū)深度與變形的關(guān)系為例，圖16(a)中A，B，C，D，E點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)值分別對(duì)應(yīng)5種斷面形式下隧道拱頂圍巖高損傷區(qū)深度和沉降。當(dāng)損傷區(qū)深度較小時(shí)(A，B，C點(diǎn))，圍巖變形斜率較小，當(dāng)損傷區(qū)深度較大時(shí)(C，D，E點(diǎn))，圍巖變形斜率明顯增大，這表明當(dāng)損傷區(qū)深度較小時(shí)，圍巖的整體自穩(wěn)能力較強(qiáng)，能夠有效地抑制變形，當(dāng)損傷區(qū)深度較大時(shí)，圍巖自穩(wěn)能力較弱，對(duì)變形的抑制能力降低。

(3)變形的增大并不意味著圍巖的損傷區(qū)是無(wú)限擴(kuò)大的(從E點(diǎn)往后)，一定條件下圍巖的損傷區(qū)范圍是有限的。其原因是圍巖存在自成拱能力，開(kāi)挖擾動(dòng)主要集中于圍巖的承載拱內(nèi)，使得承載拱內(nèi)部巖體產(chǎn)生損傷，對(duì)承載拱以外的圍巖影響較小。但當(dāng)承載拱內(nèi)的圍巖損傷發(fā)展到一定程度，將會(huì)產(chǎn)生松弛垮落的趨勢(shì)，使得變形急劇增大，直至產(chǎn)生塌方。

5 大跨度過(guò)渡段隧道錨索(桿)參數(shù)設(shè)計(jì)

圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)的范圍和分布直接影響圍巖的穩(wěn)定，因此是隧道支護(hù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索(桿)，要求錨固段處在穩(wěn)定的巖體中，因此設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力錨索(桿)自由端長(zhǎng)度(Lf)應(yīng)大于圍巖損傷區(qū)的深度(lHDZ)。圍巖開(kāi)挖損傷區(qū)包含高損傷區(qū)和低損傷區(qū)，兩者存在明顯的損傷裂紋密度差異性，低損傷區(qū)裂紋分布較少，表明低損傷區(qū)存在局部未損傷區(qū)，圍巖并非完全喪失承載力[6]。采用錨索(桿)穿過(guò)圍巖高損傷區(qū)，進(jìn)入低損傷區(qū)一定深度，也能夠滿(mǎn)足保證圍巖穩(wěn)定的需要。

為滿(mǎn)足大跨度過(guò)渡段隧道設(shè)計(jì)使用壽命300年的要求，根據(jù)圍巖高損傷區(qū)的深度(見(jiàn)表1)，并考慮錨索(桿)一定的整體滑移變形，預(yù)應(yīng)力錨索(桿)設(shè)計(jì)需要預(yù)留出一定的安全余量，因此設(shè)計(jì)的大跨度過(guò)渡段隧道錨索(桿)參數(shù)見(jiàn)表2。對(duì)比表2和表1可以看出，大跨度過(guò)渡段隧道的預(yù)應(yīng)力錨索自由段的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度足以穿過(guò)整個(gè)圍巖高損傷區(qū)，以1-1斷面為例，錨索的自由端長(zhǎng)度(9 m)遠(yuǎn)大于圍巖高損傷區(qū)(右拱腰處)深度(5.6 m)。隧道開(kāi)挖完成以后，圍巖的變形控制在30 mm以?xún)?nèi)，表明，穿過(guò)圍巖開(kāi)挖高損傷區(qū)的錨索(桿)支護(hù)，能夠有效地控制圍巖高損傷區(qū)的發(fā)展，使圍巖的變形較小，隧道施工安全得到保障。

表2 大跨度過(guò)渡段隧道錨索(桿)設(shè)計(jì)參數(shù)

6 結(jié) 論

(1)根據(jù)微震事件的空間分布密度特性，將隧道周?chē)奈⒄鹗录譃?個(gè)區(qū)域，分別為高密度區(qū)，中密度區(qū)和低密度區(qū)；并根據(jù)微震事件的累計(jì)分布頻率定量化3個(gè)區(qū)域的位置。微震事件累計(jì)分布頻率為60%的邊界可作為高密度區(qū)與中密度區(qū)的交界，累計(jì)分布頻率為80%的邊界可作為中密度區(qū)與低密度區(qū)的交界。

(2)將微震事件的高、中、低密度區(qū)域?qū)?yīng)界定為圍巖開(kāi)挖高損傷區(qū)、低損傷區(qū)和擾動(dòng)區(qū)。分析圍巖級(jí)別和隧道跨度對(duì)圍巖開(kāi)挖高損傷區(qū)深度的影響，給出了隧道不同位置處圍巖開(kāi)挖高損傷區(qū)深度的預(yù)測(cè)公式，將微震事件的平均矩震級(jí)作為反映圍巖損傷程度的直接參數(shù)。

(3)圍巖開(kāi)挖高損傷區(qū)深度與圍巖變形具有較強(qiáng)的正相關(guān)性和階段性，可根據(jù)圍巖變形對(duì)損傷區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(4)根據(jù)圍巖高損傷區(qū)深度進(jìn)行錨索(桿)的參數(shù)設(shè)計(jì)，確保預(yù)應(yīng)力錨索自由段穿過(guò)整個(gè)高損傷區(qū)。圍巖變形結(jié)果表明，圍巖開(kāi)挖高損傷區(qū)得到有效的抑制，確保了施工安全。