基于微震监测的高地应力深埋地下厂房中下层开挖技术研究

严 波，李红心，陈飞东

(国电大渡河猴子岩水电建设有限公司，四川 康定 626005)

1 工程概况

猴子岩水电站地下厂房位于大渡河右岸山体内，共装机4台机组，总容量1 700 MW。安装间、主厂房及第一副厂房并排布置，主厂房开挖轮廓尺寸为219.5 m×29.2 m×68.7 m(长×宽×高)，垂直埋深400～660 m，水平埋深280～510 m。地下厂房岩体主要以白云质灰岩、变质灰岩为主，岩体受次级小断层、节理裂隙及挤压破碎带切割，存在不利组合块体，对局部围岩稳定不利，厂区地下水不丰，以渗滴水为主；深埋地下厂房地应力为高地应力地区，最大值达36.43 MPa，岩体局部地应力方向与地下厂房轴线大角度相交，岩爆、塌方现象尤为突出。

2 微震监测技术

微震活动是地下洞室开挖卸荷失稳破坏的前兆，根据微震活动规律特征可识别并圈定地下洞室潜在危险失稳区域。针对传统监测(如锚杆测力计、多点位移计等)难以及时对岩石微破裂活动进行有效监测，通过引入高精度的ESG微震监测技术实时分析地下洞室失稳破坏前的微震活动特征，从而实现深埋地下厂房开挖强卸荷过程中围岩微破裂活动的实时定位和分析[1]。

2.1 设备介绍

高精度的ESG微震监测系统采用加拿大ESG公司生产的矿山微震监测系统，系统主要由Hyperion与Paladin数字信号采集系统、电缆光缆、加速度传感器、数据通讯调制解调器以及基于远程网络传输的MMS-View三维可视化软件组成[2]。通过自动过滤和人工识别剔除干扰事件，运用波形观察和频谱分析，可将地下厂房开挖中识别到的微震分为开挖爆破、岩石破裂、噪音及机械振动等3大类别。

2.2 传感器布置与安装

主厂房周边布置高中低三层排水平洞，利用超前施工的排水平洞，沿最高层排水平洞顶拱均匀布置6支微震监测传感器，对比传统直接从地表向地下洞室监测区域钻孔的方法，直接在排水平洞钻孔安装，保证传感器与岩壁耦合紧密，且永久性地被固定在钻孔内，微震信号能够直接被传感器接收，同时提高安装效率，节省安装成本。

传感器钻孔要求孔径应在32～38 mm之间，钻孔深度为3～5 m，为了便于安装传感器，应尽量往顶板上打孔，孔的倾角至少应大于70°，传感器钻孔示意如图1所示，从而保证大仰角使孔内积水及时自动排出，避免孔底树脂的固定作用失效，同时，传感器接收信号时不受到厂房施工产生的噪音干扰。

图1 传感器钻孔示意

按传感器布置方案进行钻孔，结合现场条件，可以对传感器的钻孔位置稍作调整。安装前预先至少要打好4个钻孔，并量测到实际钻孔的准确孔口三维坐标，通过几何计算最终获得各个孔底的三维坐标。这些孔底坐标输入系统软件参与定位计算，监测中会直接影响到最后的微震事件定位。传感器安装于孔底，安装传感器前，应全面检查孔底成孔情况并清理钻孔残渣，使传感器与岩壁紧密耦合，同时，应在钻孔口测试传感器，确保传感器工作正常。传感器安装组成示意如图2所示。

图2 传感器安装组成示意

2.3 微震监测数据分析

微震活动事件的空间分布、频次与震级能直观、有效地反映岩体内部发生微破裂的位置和大小，并进一步预测判断地下厂房的潜在危险区域，据此可提前从设计方案、施工方案上制定相应的对策措施，比如临近边墙部位的开挖出渣采取有效的安全防护措施，及时对边墙采取加强支护措施等。

(1)地下厂房下游边墙微震监测系统数据显示，微震活动事件主要处于2号与3号母线洞之间，且形成条带状分布，该区域围岩损伤主要受断层控制，由爆破开挖诱导，建议加强该区域支护；上游边墙微震监测数据系统显示，微震活动事件主要聚集在上游侧4号机组段，且微震事件震级高、能量大，微震变形云图也表明了该区域变形较大，围岩应力、能量仍未充分释放，建议开挖后及时支护，以免变形扩展。微震监测预判潜在危险失稳区域与传统监测变形基本吻合。

(2)高地应力地下洞室围岩开挖后卸荷松弛变形大、速度快。高地应力条件下洞室开挖后，洞周地应力释放使裂隙岩体产生卸荷效应，同时也会引起岩体内部地应力重新分布。通过监测分析，大部分区域围岩浅表层卸荷松弛变形1周内基本完成，深层围岩松弛变形大致1个月内基本完成。

(3)高地应力地下洞室开挖支护后的围岩应力调整时间长。结合内观监测和物探资料发现，地下洞室开挖支护后变形及应力变化持续时间长，围岩松弛深度也随之持续增长，从开挖出露到最终收敛要1年左右，持续的变形破坏对施工影响非常大。

3 深层预裂、薄层开挖、随层支护施工工艺

3.1 分层厚度参数

为有利于进行开挖边墙的及时支护，根据地下厂房的锚索分布情况及锚索施工工艺，确定厂房的开挖分层厚度与分层高程，一般开挖分层高度为锚索的排距，即4 m，分层高程比锚索高程低0.8～1.5 m左右。根据开挖分层高度确定预裂深度，一般预裂深度为2～3层开挖高度。

3.2 预裂爆破

预裂爆破试验主要确定的参数为预裂爆破的孔距、孔深和线装密度。预裂孔的间距一般为0.6～1.0 m，在厂房中部(梯段开挖范围内)进行预裂爆破试验，选定3种不同间距的预裂孔孔位(0.6、0.8、1.0 m)；预裂孔的孔深一般超过开挖厚度约50 cm，若地质情况较差(岩体松弛、裂隙发育)，预裂孔孔深可以与开挖厚度一致；根据施工经验，借鉴同类水电站施工参数，线密度一般在500～1 000 g/m之间，选定500、800、1 000 g/m 3种不同的线装密度。

对不同孔距、不同孔深及不同线装密度进行排列组合并试验，选定最适合地下厂房条件的预裂开挖爆破参数；猴子岩水电站高地应力深埋地下厂房开挖施工最优预裂爆破参数为：孔深12～20 m，孔距0.8 m，线装药密度1 000 g/m。

地下厂房边墙预裂孔采用100E潜孔钻机(反向钻机)进行造孔，主爆孔采用100B或液压钻进行造孔，预裂孔开孔部位上部1.5 m范围内(钻机位置)需提前进行技术性超挖10 cm，以便钻机充分就位，减少超欠挖现象的发生[3]。

3.3 梯段爆破

梯段爆破试验主要确定的参数为梯段爆破的孔距、孔深和装药量。孔距根据出渣、装渣设备的性能及渣料粒径等要求确定爆破孔的孔距，通常爆破孔孔距为1.8～2.2 m；孔深综合考虑液压钻的钻孔性能、多臂钻锚杆施工高度、锚索的排距等因素确定分层开挖高度和梯段爆破的孔深，通常开挖高度为4.0 m，梯段爆破孔深一般超过开挖高度约50 cm；装药量根据爆破震动控制速度、抵抗线等计算梯段爆破孔装药量。爆破孔平面布置如图3所示。

图3 爆破孔平面布置(单位：cm)

3.4 出渣及支护

岩体爆破15 min后安排有经验的施工安全员对开挖面进行检查，根据微震监测系统判定爆破前后潜在危险区域的位置和范围，从设计与施工两方面制定相应的安全对策措施，按全断面薄层顺序依次由上向下进行开挖爆破作业。出渣后用反铲对掌子面危石进行安全处理，并将底板松渣清理干净，平整工作面，使之满足下一循环的作业要求。

边墙开挖后，根据圈定的潜在失稳区域，及时加强重点关注区域的支护，应注意锚杆、锚索等支护需跨越卸荷松弛范围。

针对高地应力地下洞室开挖后围岩变形特点，对支护的及时性进行分析、总结，得出地下洞室边墙开挖后3～5 h内(当班)必须素喷封闭，系统锚杆及网喷1周内完成，锚索等深层支护最优在20天内完成。实际施工过程中，及时支护的参数量化要求，有效降低因围岩裸露时间过长而发生松弛、片帮的破坏几率。

3.5 工艺特点评价

(1)针对猴子岩水电站深埋地下厂房的高地应力特征，通过采取沿边墙结构线预裂的爆破方式，使结构线提前形成一道爆破缝隙达到提前释放高地应力的目的。

(2)根据已有的开挖支护设备、锚索分布等因素合理进行开挖分层、分区，可提高开挖支护设备使用效率。

(3)采取薄层开挖并形成全断面开挖施工作业，并及时进行两侧边墙的锚杆喷护、锚索等系统支护施工，结合微震监测数据分析出潜在失稳区域，采取随机锚杆等重点加强支护措施，能有效控制高边墙岩体松弛，减小厂房边墙围岩变形，从而提高高地应力地下洞室边墙成型质量，同时降低岩爆、塌方的风险，节约了施工工期。

4 结 语

基于微震监测的“深层预裂、薄层开挖、随层支护”施工工艺，创新大型地下洞室开挖支护的程序与施工方法。对比传统的“梯段中部拉槽、两侧边墙光爆”的大型地下洞室开挖施工方法，该工艺优化了传统梯段开挖爆破的开挖程序与施工工艺，结合微震监测技术，通过其预测潜在的失稳区域，有效解决了边墙加强支护范围与支护参数的问题，同时为后续同类地下工程开挖施工提供相关的经验，尤其适用于地应力较高、围岩容易发生岩爆和大变形的洞室开挖施工。