深埋硬岩隧洞微震监测及微震活动特征分析

于群，唐春安，李连崇，马天辉，唐烈先

(1.大连理工大学岩石破裂与失稳研究所，辽宁大连116024;2.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁鞍山114051)

随着矿山开采及地下工程建设的逐步扩大，越来越多的深埋长大隧道进入施工期，进而带来诸多深部岩石力学问题，其中尤以岩爆最为突出。岩爆不仅破坏地下工程结构，损坏生产设备，而且严重威胁人身安全，已成为我国未来深部地下工程中的一大技术瓶颈问题。目前，已有许多研究方法试图去预测岩爆的发生，包括微重力法、回弹法、钻屑法、电磁辐射法、声发射法等。尽管上述方法均被广泛采用，但成功运用到实际工程的案例几乎很少［1］。

近年来，作为一种先进的空间三维岩体微破裂监测技术—微震监测技术得到了迅速发展，利用微震监测对岩石力学性能及其稳定性进行系统化研究也越来越受到重视。唐礼忠［2］将南非ISS微震监测系统引入到冬瓜山铜矿中，针对深井硬岩矿山中的岩爆问题，利用地震学参数研究了矿山地震活动时空特征及其与采矿活动的相应关系，对围岩的稳定性做出初步评价。杨天鸿等［3-4］基于石人沟铁矿为研究实例，通过微震监测和ANSYS建立的力学模型，研究了采矿过程中微震活动与围岩稳定性之间的关系。徐奴文等［5-6］以锦屏一级左岸边坡为工程依托，结合微震监测和数值模拟手段，探讨了微震活动空间演化规律诱发的岩质边坡破坏过程及整体失稳模式。上述研究成果对微震监测系统在解决矿山地压和边坡稳定性方面做了积极的探索，微震监测已逐步作为岩体稳定性和安全性评价的重要手段。

锦屏二级水电站辅助A洞在施工过程中，饱受岩爆灾害的威胁。据统计，在里程为 K13+624～K16+409洞段，累计洞段发生岩爆长度占总开挖长度的18%以上，造成了严重的人员伤亡及巨大的经济损失［7］。因此，本文以锦屏二级水电站3#引水洞为例，对地下硐室岩体破坏过程中产生的微震信号进行处理、分析。结合现场地质条件和开挖特点，通过微震活动时空强分布、微震事件密度及微震能量密度监测参数，对地下岩体强度损伤区进行圈定。结合地震学理论，分析微震事件b值变化特征，提前判定受损岩体具有岩爆倾向性的区域并对其进行预警，实现地下硐室岩体稳定性动态分析及控制，确保人员设备安全及工期顺利进行。

1 锦屏水电站深埋引水洞微震监测

1.1 工程地质概况

锦屏二级水电站位于四川省雅砻江干流锦屏大河弯上，系利用雅砻江150 km长大河弯的天然落差，采用截弯取直引水发电，是雅砻江干流上的重要梯级电站。水电站穿越锦屏山长隧洞由相互平行的7条隧洞组成:4条引水洞、1条排水洞及2条辅助洞，洞群布置图如图1所示。

图1 锦屏二级水电站地下硐室群分布图Fig.1 Underground tunnels layout of Jinping-II project

引水洞洞线长约 16.67 km，最大埋深达到2 525 m，深埋超 1 500 m的洞段长度占总长的75.7%～75.9%。全断面岩石隧道掘进机(tunnel boring machine，TBM)施工段主要以白山组大理岩和盐塘组大理岩为主，工程区内构造线以NNE走向控制，结构面发育丰富，断层、褶皱和裂隙居多。最大主应力、中间主应力和最小主应力均随埋深增加而增大，最大主应力达70 MPa，岩石坚硬完整，围岩以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主。

1.2 微震监测原理

当岩体受工程扰动时，必然会引起围岩应力的集中或转移，造成围岩局部弹性能集中现象。当能量积累到一定程度时，就会在岩体内部产生许多细小的微裂纹，这些微裂纹会以弹性能释放的形式产生弹性波(这种弹性波在地质上称为微震)，并可被传感器接收。利用多个传感器接收这种弹性波信息，将波形信息经数据采集系统转换成数字信号，借助专业化的数据处理软件，通过反演方法就可以得到岩体中微震事件发生的时间、位置和量级，即地球物理学中所谓的“时、空、强”三要素，微震事件定位原理如图2所示。

图2 微震事件定位原理示意图Fig.2 Schematic diagram of principle of microseismic location

1.3 微震监测系统组成

锦屏二级深埋隧洞微震实时监测系统见图3。

图3 锦屏水电站3#引水洞微震监测系统的组成Fig.3 Microseismic monitoring system for 3#diversion tunnel in Jinping Hydropower Station

系统主要由Paladin数字信号采集系统、Hyperion数字信号处理系统、加速度传感器、数据通讯调制解调器、电缆光缆及基于远程无线网络传输的MMS-View三维可视化软件组成。数据采集仪以阵列形式安装在掌子面南北墙的拱肩处。首先，在距离掌子面后方约50 m处布置2个传感器，且传感器间间隔也为50 m。TBM每推进50 m时，位于掌子面最后方的2个传感器向前跟进至距掌子面50 m处，以此循环，实现微震监测系统紧跟掌子面协同工作，达到微震实时监测的目的。

2 微震监测数据分析

2.1 微震监测区域的选取

锦屏二级3#引水隧洞监测洞段平面图如图4所示。该洞段埋深在2 250 m左右，最大主应力达65 MPa，因此属于高埋深高地应力区。岩性为T2b灰～灰白色致密厚层状结晶大理岩，围岩硬而脆且以Ⅱ～Ⅲ类为主，完整性好。实测岩体岩爆倾向性指数Wet在1.32～5.8，反映了沿洞轴线的岩石具有高储能性质［8］。因此，结合上述地质条件及岩性特点，该洞段已具备发生岩爆的必备条件。

图4 3#引水洞微震监测区域平面图Fig.4 Plane graph of microseismic monitoring zone in 3#diversion tunnel

2.2 微震活动与TBM开挖速率的关系

2011年2月TBM开挖进度、微震事件活动率与时间分布对应关系如图5所示。总体而言，微震活动率随TBM开挖速度的增加而增大，反之减小。但由于岩石的非均匀性和各向异性特征，即使是相同的地质条件和施工情况，这种关系并不是成比例变化。因此，在微震活动较活跃、能级释放较大的洞段，采用短进尺、降低TBM掘进速度甚至临时叫停的方法，使围岩的二次应力场和应力集中现象得到充分调整，可达到降低岩爆风险的目的。

图5 TBM掘进开挖速率、微震事件活动率与时间关系Fig.5 Relationship chart between TBM excavation footage，events rate and time

2.3 微震活动随TBM开挖过程的时空强分布

TBM开挖过程中微震活动的时空强分布情况如图6所示，其中圆球的颜色代表局部震级，大小代表微震辐射能量。

图6 TBM掘进3#引水洞微震活动的时空强分布情况Fig.6 Spatio-temporal distribution of microseismic events during excavation for 3#diversion tunnel

图6(a)和图6(c)由于围岩受施工开挖扰动影响较小，低能量小震级的微震事件偏多，且分布较为离散，因此发生岩爆的概率较低。而图6 (b)即2月6日～11日，微震事件在工作面附近聚集，微震数量和释放能量有增加趋势，发生强岩爆的前一天受工程开挖扰动较大(当天开挖进尺12 m)，微震数量达到峰值22个(见图5)。2月17日～2月21日产生的微震事件虽然不多，但能量高，震级高的微震事件频现(见图6(d))，围岩累积释放能量远大于前期，日累积释放能量为单月最大值达到6.89×104J，且在K9+607～K9+622形成微震活动簇集区。

2.4 微震活动相关参数与岩体损伤演化关系

当岩体受工程扰动时，必然引起围岩应力的转移，造成围岩应力的释放和积累，其中应力积累的区域就有可能伴随岩石的微破裂现象(微震)。而每个微震事件都包含了岩体内部微破裂的丰富信息(如震级、辐射能量及应力降等)，通过微震震源参数及时空强序列分布可间接反映岩体内部损伤程度及内在演化规律。但在单一的微震事件中，并不能充分说明岩体受损程度。单位体积岩体内部累计微震事件数越多，事件间距离越近(或事件密度)，说明该区域内岩体受损程度越严重，岩体强度降低的可能性越大。然而，即使在单位体积微震事件数相同的情况下，岩体的破坏程度也不尽相同。岩体单位体积内释放能量或能量密度越多，破坏越严重，越容易发生岩爆。因此，在分析累计微震事件数的基础上，将微震事件密度与微震事件能量密度进行综合标定，可作为衡量岩体内部损伤程度的评判依据。

1)微震事件密度

在微震事件密度计算中，聚类分析［9］为客观定量地划分微震活动区域提供了方法，通过计算震源之间的距离来描述事件的亲疏程度，可按照远近程度合理地进行分类［10］，表达公式为

式中:dij表示微震事件xi与xj之间的距离。微震事件密度随时间演化过程示意图如图7所示。多数微震事件距离在12 m左右聚类，说明该区域内微震事件分布较为集中。根据现场监测分析结果，随着TBM开挖扰动的进行，由于围岩二次应力场未调整至平衡态而再次受工程扰动，区域微震事件数增多，事件密度呈上升趋势(分别见图7(c)、(d))。微震成核迹象明显并呈发散状不断向外扩展，其直观表象是岩体内部微裂隙可能进一步萌生、扩展直至贯通并形成裂隙带，导致岩体强度大大降低。因此，由事件密度可对岩体发生动力失稳(即岩爆)的区域进行初步圈定，应密切注视该区域内的岩体强度劣化情况。

2)微震能量密度

事件密度的增加并不是岩体强度降低的充分条件。而微震能量的耗散(或能量密度)与岩体的强度和损伤程度密切相关，它反映了岩石内部微缺陷的不断发展、强度不断弱化并最终丧失的过程。因此，可在研究微震事件密度基础上将微震能量密度相结合，是判断岩体是否发生失稳破坏的有效途径。

图8为微震能量耗散密度云图，在洞段引(3) K9+662～K9+607岩体能量耗散较大，说明该区域岩体强度损伤严重，围岩稳定性大大降低。这与图7(d)中微震事件密度分布基本吻合，说明该区域微震事件累计数与微震耗散能量主要集中在同一个区域，这更加验证了该区域内岩体力学性能劣化的可能性。

图7 2011年2月1日－2月21日微震事件密度演化云图Fig.7 Density contour of microseismic events distribution in Feb.1－Feb.21.2011

图8 2011年2月1日－2月21日微震活动能量密度云图Fig.8 Energy density contour of microseismic activity in Feb.1－Feb.21.2011

3 岩体宏观破坏过程与微震活动关系

3.1 岩体破坏过程中微震活动时空演化特征

岩体发生渐进破坏时微震事件时空分布情况如图9所示。由图可见，随着TBM的向前推进，工程扰动区先后形成2个微震活动簇集区，分别由2个大小不同的椭圆标记。微震簇集区的岩体经历了微裂纹的萌生、扩展并由浅表向深部发展。小裂纹形成后经相互贯通形成2条宏观剪切裂纹。剪切裂纹相互搭接后与隧洞壁形成一个三角形闭环，当岩体达到或者超过峰值强度时，岩爆发生，且受损岩块带有一定的初速度向临空面弹射。

图9 岩体渐进破坏过程示意图Fig.9 Progressive failure process of rock mass

3.2 岩体破坏过程中微震活动b值变化特征

已有研究结果表明，工程扰动诱发的微震事件与天然地震事件遵循同样的规则，均遵循古登堡－里克特所引入的频度－震级关系。对于一个微震监测区域来讲，可表示为

式中:N(M)为震级M以上的微震事件总数，A和b对一定监测区域而言是常数。其中，b值是描述了在一给定时间内小震个数与大震个数的相对数，同时也是裂纹扩展尺度的函数，物理表征为该监测区域岩体介质破坏发展的程度。典型的微震事件频度与震级关系曲线见图10［11］。当b值增加或相对平稳时，岩体表现为相对平静;当b值急剧下降时，说明岩体已经发生失稳破坏，并且b值越小产生的岩体动力失稳破坏的可能性越大。

总体来看，2011年2月微震事件b值经历了2次明显下降(见图11)。经现场初步勘查和分析可知，高能量，大震级的微震事件频繁出现在2月17日－21日内，且在一定范围内聚类，造成岩体内部损伤程度严重，岩体强度大大降低，潜在岩爆的可能性大大增加。这与岩爆发生情况基本吻合，故而b值可以借鉴作为岩爆灾害预警的一个评价指标。

图10 典型地震频率－震级关系曲线Fig.10 Typical frequency-magnitude relation curve

图11 TBM掘进过程b值随时间变化关系Fig.11 Relationship between b and time during TBM excavation

4 结论

1)锦屏深埋隧洞施工过程中的微震监测结果表明:微震事件时空序列分布与岩爆时空分布规律具有良好的相关性和一致性，微震活动在时间上的排序优先于岩爆事件。结合累积微震事件数、微震事件密度及微震能量密度综合判定方法，可对岩体强度损伤区和岩爆潜在危险区作出初步圈定。

2)TBM的开挖过程表明，岩爆的发展及发生过程是经微裂纹的萌生、发展、扩展至岩体深部后形成宏观剪切裂纹，由微震事件簇集区形成的宏观剪切裂纹相互搭接后与隧洞壁形成一三角形闭环，当岩体达到或者超过峰值强度时，发生岩爆。

3)借助于震源参数，总结岩爆灾害诱发微震事件b值变化特征:即当b值增大或保持不变时，岩体损伤强度无明显下降，岩体内部处于相对平静期;当b值骤降时，岩体损伤强度增大进而发生动力失稳破坏。综合岩体损伤强度标定方法，利用微震事件b值变化特征可对隧洞岩爆情况进行预测预警。

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