高地应力隧洞微震监测岩爆预测技术

张海云

(中铁十三局集团第五工程有限公司，四川成都 610017)

尽管在大埋深高地应力的隧洞掘进施工过程中可以依据诸如超前预报、既往探洞实测以及能量理论等方法进行岩爆预测预报，并据此采取相应对策，但目前预测水平及其准确性均不高。况且随着隧洞开挖施工的进行，因地质条件、断面形状与尺寸、施工方法、施工顺序和其他因素的综合影响，岩爆规模及烈度均会出现较大的变化，如果处理不当则会导致设备毁损、顶板轮廓破坏、支护成本增加、人身伤害、施工人员心理出现障碍等大量问题。因此，研究出与工程实际相适应的岩爆灾害预防及其相应对策极为紧迫。

1 锦屏工程及岩爆条件分析

锦屏二级水电站地下结构建筑主要包括地下厂房、4条引水隧洞、2条交通辅助洞、1条排水洞，其中4条引水隧洞长达16.67 km。引水隧洞群穿越锦屏山主峰山体，沿线上覆岩体埋深1 500～2 525 m。具有埋深大、洞线长、洞径大的特点，为典型的深埋长隧洞特大型地下水电工程。受高地应力和地质条件等因素影响，岩爆发生频繁，预测沿线最大主应力将达70 MPa左右，已施工的长探洞及辅助洞、施工排水洞、引水隧洞均出现中等～强烈不同程度的岩爆。因此，高地应力引起的岩爆是引水隧洞的主要工程地质问题之一。例如在3#，4#引水隧洞以及排水洞由小里程向大里程(下游至上游)方向6～10 km区间，地层为T2b大理岩洞段，埋深约为2 100 m，均为高地应力强岩爆区，已经引发了多次岩爆。4#引水隧洞开挖至埋深为1 300 m的K15+295处时，从K15+370处开始出现较强岩爆现象。爆破开挖后3～4 h出现大片岩层剥落，剥落厚度在50～150 cm，超挖严重，排险后隧洞无洞形。在 K15+315—K15+295处多次发生岩爆塌方，最大剥落岩坑达6 m，导致临时支护锚杆、钢筋网随落石掉下，且剥落范围有向隧洞下游发展趋势。K15+315—K15+300有松动的迹象，现场掌子面的钻爆已停工，出渣、排险车辆及支护人员无法接近。另外，顶板和洞壁岩石在爆破和支护作业过程中不断出现爆裂、松脱、剥落或抛掷现象，甚至多次出现大量顶板岩石塌落。岩爆如此频繁，除了对设备、施工人员及隧洞结构等严重影响外，加上停工损失、支护成本和单循环进尺时间延长等因素，岩爆已对3#和4#引水隧洞施工造成了极大危害，甚至已经影响到了整个工程建设的进程。

2 微震监测岩爆预测原理

岩石介质一般是非均匀的，岩体在宏观破坏前都会产生许多细小的微破裂，而这些微破裂会以弹性能释放的形式产生弹性波。基于岩石这种性质，如果在预估到的因受应力变化而发生破裂的岩石附近安装微震传感器，则传感器能够接收到岩体弹性波信息的变化，再通过反演就可以得到岩体微破裂发生的时刻、位置和震级，即地球物理学中所谓的“时空强”三要素。根据微破裂的大小、集中程度、破裂密度，特别是微破裂分布及其丛集规律(即变形破坏过程局部化现象)，可以推断岩石宏观破裂的发展趋势，这就是岩体微破裂三维空间监测技术原理。

对于岩爆地段，当隧洞围岩承受较大的地应力时，其岩体就会出现变形，如果应力达到一定程度，就有可能发生岩爆。如果采用微震监测技术［1-2］，则能够较为清楚地预测出隧洞施工过程岩爆烈度、规模及其具体部位。

3 微震监测系统操作及其结果分析方法

依据文献［3-5］，结合锦屏工程实际情况，提出微震监测系统操作及其分析方法。

3.1 系统安装与布置

由于锦屏二级电站施工排水洞最早进入强岩爆段，在掘进过程中，正常情况下初喷混凝土和锚杆系统支护紧跟作业面，掌子面后40 m左右开始复喷混凝土。在距离作业面100 m位置安放主机处理系统和接收分站，传感器和分站之间用通信电缆连接，分站和主机处理系统之间用光纤连接，实现信号传输。考虑到传感器安装与回收过程的安全、顺利，根据现场的实际情况，传感器布置如图1所示。

图1 传感器布置(单位:m)

3.2 微震监测方法与岩爆预测操作

由于岩爆本身具有突发性特点，对于岩爆的预测必须经历一个从监测、分析、对比、再到预报的过程。

通过监测系统，监测到的微震事件会显示到三维图上，从图中即可直观根据其特点做出分析、判断。图2为实际采集到的监测数据，为锦屏工程中的排水洞和辅助洞三维结果图。

图2中，深色隧道为施工排水洞，浅色隧道为与排水洞相邻的A、B辅助洞，球体则代表微震事件，其中浓淡代表了微震事件的矩震级，大小则代表瞬时震级。事件发生的时间、位置及震级等信息均可以通过点击球体进行查看。

图2 微震事件监测数据(三维图)

4 锦屏隧洞微震监测与岩爆预测结果分析

为分析微震监测对岩爆预测结果的准确性，把对实际施工区段的岩爆监测结果和实际发生的岩爆进行对比。

4.1 4#引水隧洞岩爆预测与实际对比

图3为2011年10月4日4#引水隧洞K15+315—K15+295处监测到的微震事件。

由图3可看出，由于大部分微震事件均出现在隧道左侧或者上部20～50 m范围，因此预测岩爆位置为洞顶和隧洞左拱肩，级别为极强，规模极大。实际现场于2011年10月9日上午，4#引水隧洞 K15+315—K15+295处发生了极强岩爆，现场照片见图4。岩爆具体特征为爆破开挖后4 h出现大片岩层剥落，剥落厚度在50～120 cm，超挖严重，排险后隧洞无洞形。

图3 2011年10月4日微震监测数据

图4 2011年10月9日4#引水隧洞极强岩爆实况

4.2 排水洞SK9+280岩爆预测与实际对比

图5为2011年10月4至7日微震事件的累积图。

图5 10月4至7日微震监测数据

从图5中可知，在桩号SK9+280附近的微震事件有增多并集中，于10月7日晚发出排水洞即将发生岩爆的预警。预测岩爆位置为洞顶和隧洞左拱肩，级别为极强，规模极大。

实际现场于2011年10月12日，排水洞SK9+280处发生了极强岩爆，现场照片见图6。岩爆具体特征为在该区段多次发生岩爆塌方，最大剥落岩坑达到4 m，临时支护锚杆及钢筋网全部失效，钻爆停工，出渣、排险车辆及支护人员全部不能靠近［6］。

图6 2011年10月9日排水洞极强岩爆实况

实践表明运用微震监测方法可以很准确地对岩爆发生位置、几率、规模以及烈度进行预测，并且准确率非常高，完全可以为进一步岩爆治理提供可靠依据。

5 结论

1)锦屏隧洞建设过程中，岩爆规模及烈度均会出现较大的变化，导致了设备毁损、顶板轮廓破坏、支护成本增加、人身伤害以及施工人员心理出现障碍等大量问题，必须采取与工程实际相适应的岩爆灾害预防及其相应对策以确保施工安全。

2)从实际效果看，采用微震监测技术可较准确地对岩爆发生位置、几率、规模以及烈度进行预测，能克服地质超前预报、既往探洞实测以及能量理论等方法进行岩爆预测预报准确性不高的不足，可以为进一步岩爆治理提供可靠依据。

3)鉴于锦屏隧洞工程地质及施工条件的特殊性，采用微震监测技术进行岩爆预测还需对其中的一系列关键技术作进一步研究，以便推广应用。

［1］赵向东，陈波，姜福兴．微地震工程应用研究［J］．岩石力学与工程学报，2002，21(增 2):2609-2612．

［2］刘志刚，刘秀峰．TSP(隧道地震勘探)在隧道隧洞超前预报中的应用与发展［J］．岩石力学与工程学报，2003，22(8):1399-1402．

［3］黄今．水工隧道围岩微地震监测信号分析与研究［D］．成都:西南科技大学，2007．

［4］杨承祥，罗周全，唐礼忠．基于微地震监测技术的深井开采地压活动规律研究［J］．岩石力学与工程学报，2007，26(4):818-824．

［5］逢焕东，姜福兴，张兴民．微地震监测技术在矿井灾害防治中的应用［J］．金属矿山，2004(12):58-61．

［6］朱宏锐．锦屏引水隧洞岩爆特征及其影响因素分析［J］．铁道建筑，2009(5):71-74．