微震监测技术在某深埋铁路隧道施工管理中的应用

李永亮， 乔志斌， 牛文静， 王剑超

(1. 西藏铁路建设有限公司， 西藏 拉萨 850000； 2. 中铁十二局集团第二工程有限公司， 山西 太原 030024；3. 东北大学 深部金属矿山安全开采教育部重点实验室， 辽宁 沈阳 110819；4. 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， 四川 成都 610059)

0 引言

随着我国基础建设的大力发展，众多埋深超过1 000 m的深埋隧道工程不断涌现，但随之而来的岩爆、应力型塌方、突水、地压显现，岩体大变形等规模性地质灾害的威胁也越来越大[1]。在高应力环境下，深部大型岩体工程活动产生的强扰动将导致隧道围岩产生突发性的、无前兆的破坏，这种突变性动力响应往往表现为围岩大范围地失稳[2-3]。特别是深部硬岩开挖时，受较高的原岩地应力影响，在开挖过程中或随后一段时间内，可能出现岩爆、应力型塌方等高应力灾害，可能严重威胁施工人员及设备安全[4-6]。面对高应力灾害风险，如何适时地调整施工方法、施工工序和施工时机显得尤为重要。

深埋硬岩隧道开挖时，围岩在变形破坏的整个过程中几乎都伴随着裂纹的产生、扩展、摩擦和能量积聚，并且以应力波的形式向外释放应变能量，从而产生了微震事件[7]。围岩变形、破坏整个过程中的信息均可通过微震监测获取。微震活动的时间、位置及强度反映了岩体内发生变形破坏的时间、位置及程度，因而潜在应力型灾害的深埋硬岩隧道施工时，常采用微震监测手段对应力型灾害风险进行评估和预测。结合微震活动信息表征的围岩灾害风险，可动态地指导施工过程。例如，周朝等[8]针对荒沟电站地下厂房，通过微震监测分析微震事件活动与爆破开挖施工强度的关系，并以此指导安全施工； 严波等[9]基于微震监测系统对潜在的失稳区域进行预测，建立了“深层预裂、薄层开挖、随层支护”的高地应力深埋地下厂房中下层梯段开挖施工程序和工艺； 褚冬攀等[10]利用微震监测手段，分析了微震事件频次、特征，揭露了岩爆与微震事件的内在联系，并以此指导隧道开挖； 李桐等[11]通过微震监测系统，原位观测了岩爆位置偏转过程中的岩体破裂演化规律，为针对性施工和支护提供了可靠依据。由此可见，利用施工过程中的微震活动信息，可以有效指导施工过程管理。因此，开展依据微震信息变化情况，在施工过程管理中动态选择施工时机和方式的工程实例研究，具有重要意义。

有鉴于此，本文拟依托某钻爆法开挖的深埋铁路硬岩隧道，利用微震监测方法对隧道施工过程中的围岩破裂情况进行监测，并通过分析监测区域内的微震活动动态演化过程所表征的隧道高应力灾害风险大小变化情况，合理选择施工工序、施工时机、施工方式等，科学指导施工过程管理，以期为深埋隧道安全、高效施工提供参考。

1 工程背景与微震监测概况

1.1 工程背景

某在建的铁路隧道埋深超过2 000 m，岩性绝大部分为黑云花岗岩夹杂部分闪长岩，花岗岩呈灰白色，质地坚硬、性脆、强度高，单轴抗压强度为160 MPa、抗拉强度为7.6 MPa。该隧道包括正洞和平行导洞(平导)，隧道长约13 km，均采用钻爆法开挖，如图1所示。由于隧道埋深大、岩石强度大、岩性硬脆，在建设过程中，平导和正洞的岩爆、应力型塌方、片帮等灾害发生均较频繁。特别是岩爆灾害尤为突出，该隧道预设计阶段的岩爆灾害洞段超过90%。为此，在建设过程中对该隧道开展了微震监测。

图1 隧道工程布置概况

1.2 微震监测概况

该隧道开挖过程中，在隧道掌子面后方布置2组监测断面共8个单向速度型微震监测传感器，监测隧道开挖过程的微震信息[12]。每组4个传感器，第1组布置在距掌子面约70 m处，编号D1-1～D1-4； 第2组布置在掌子面后方100 m处，编号D2-1～D2-4。微震传感器布置于孔径75 mm、孔深2.3 m的微震监测钻孔中。基于钻爆法隧道工程及开挖过程的微震活动分布特点，为尽可能监测到掌子面附近产生的所有岩石微破裂信号且保证传感器不被爆轰波、爆破飞石等损坏，依据文献[12]所述方法设置传感器的空间布置方式，如图2所示。

(a) 微震监测方案

(b) 微震监测系统

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

隧道开挖过程中，结合微震监测技术和微震活动与高应力灾害风险程度间的关系，对施工方式、支护方法、防控措施等进行动态调控，有效保障了隧道的安全、快速施工。因此，动态调控高应力灾害风险，必须先建立微震活动与高应力灾害风险程度之间的定性或定量关系。

2 微震活动与高应力灾害风险程度的关系

深埋硬岩隧道应力型灾害破裂类型均以脆性的拉破裂为主，且在发生灾害前常伴随有围岩的微破裂活动。通过微震监测手段可监测、分析岩体破裂微震事件，推测岩体发生破坏的程度，评价围岩稳定性。以该隧道正洞DK195+980～DK196+180段开挖过程中的微震活动和岩爆灾害为例，简述岩爆灾害与微震活动的时空关系，如图3和图4所示。图中每一个球体代表一个岩体破裂微震事件，颜色表示其震级大小，球体大小表示其释放能大小，球体越大，微震释放能越大。

(a) 开挖区域微震活动演化特征

图4 隧道开挖过程中微震活动的演化特征

Fig.4 Evolution characteristics of microseismic activities during tunnel excavation

DK195+980～DK196+180段围岩较完整、干燥，除局部湿润外其余围岩均较干燥，地下水不发育。此外，该区域内结构面规模较小，无大型断层等不利结构面，围岩自稳性较好。

由图3和图4可知： 该段开挖过程中微震活动活跃，微震事件数整体呈上升趋势，微震释放能在高位波动，从分布范围及演化规律角度其大致可分为2个阶段： 在DK195+980～DK196+010段开挖过程中，微震活动特性处于较平静的阶段，微震事件数、微震释放能随着开挖的推进均在低位进行小范围的波动，且微震释放能有逐步递减的趋势； DK196+010～+180段开挖过程中，微震活动逐渐活跃，微震事件数、微震释放能均呈现不断增长的趋势，特别是微震释放能逐步增加到较高位置，岩爆风险不断增加。DK195+980～DK196+010段无岩爆发生，对应该区域的微震活动相对较平静，微震事件数较少，且微震释放能较小，在开挖的卸荷和扰动作用下产生了小岩石破裂事件； DK196+010～+180段开挖过程中，微震事件数、微震释放能从低位显著向高位增加，并且微震释放能增加较大，大能量破裂微震事件不断产生。由于该区域围岩干燥、较完整，且无大型的不利结构面，因此发生岩爆的风险较高。实际该区域开挖过程中也产生了较多规模较大的岩石破裂事件，岩爆灾害频发，并且在微震活动最活跃的DK196+130～+140处(图3中红色区域)产生了中等岩爆。

由上述分析可知，微震活动性与高应力灾害具有时空对应特性。微震活动的时间、位置及强度反映了岩体内发生的变形或破坏的时间、位置及程度，利用微震活动的空间聚集状态和时间活跃程度，可以有效评价某区域内围岩潜在的高应力灾害风险和失稳特性。微震活动随时间的演化特征，反映了隧道围岩潜在的高应力灾害风险程度高低的动态变化情况。微震活动在某区域内越集中，该区域越有可能发生高应力灾害；该区域内微震活动参数值越高，发生高应力灾害的等级和风险越高。由文献[7,13-15]所述方法可确定微震释放能、微震事件数与不同等级岩爆间的定性或定量关系。结合文献所述方法及图3和图4中微震活动与岩爆灾害的关系可确定，当微震事件数大于80个或微震释放能常用对数大于4.0时，该隧道可能潜在岩爆等高应力灾害。

因此，利用微震活动的动态演化规律，可为动态调整施工策略、支护方法和施工时机等提供可靠的依据。

3 基于微震监测的隧道施工管理

该隧道结合微震监测技术，通过动态调控施工方案和支护措施等，取得了较好的效果，具体操作的基本流程如图5所示。本文以该隧道进口正洞DK196+725～+760段为例，简述微震监测指导隧道施工过程管理的具体方式。

图5 基于微震监测的隧道施工过程管理流程

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

3.1 进口正洞DK196+725～+760段地质情况

进口正洞DK196+725～+760段掌子面及围岩岩性为花岗岩，灰白色，块体状，掌子面比较平整。掌子面及围岩发育3组明显节理，如图6所示。第1组节理产状10°∠60°，间距约0.5～1.0 m，节理微张，有绿色充填物，未风化，分布于掌子面，延伸到拱脚及顶拱；第2组节理产状200°∠80°，间距约2 m，节理张开，有白色充填物，未风化，分布于掌子面中部，延伸到顶拱；中部发育1组石英脉，产状200°∠20°，宽度约0.2 m，未风化，分布于掌子面，延伸到北侧围岩及顶拱。该段围岩及掌子面岩体干燥，节理较发育，容易发生岩爆、应力型塌方等高应力灾害。

(a) 掌子面地质踏勘

(b)掌子面地质素描

3.2 进口正洞DK196+725～+760段微震活动性分析

该隧道进口正洞DK196+725～+760段开挖过程中，掌子面附近区域的微震活动如图7所示。

图7 DK196+725～+760预警区域内微震活动时空分布特征

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

由图7可知，该区域微震活动较活跃，微震事件空间分布较集中，累积微震事件数、累积微震释放能持续显著增加(见图8)。该区域2019-01-13 T 8:00至2019-01-18 T 8:00累积微震事件数为200个，累积微震释放能对数(lgE)为5.89 J。其中，17日掌子面爆破后30 min，准备出渣时(2019-01-17 T 13:34:57)，在掌子面附近南侧有一个大能量事件发生，微震释放能对数为5.57 J，有较高的累积微震事件数和累积微震释放能，并且开挖后围岩又有较大能量的突然释放，表明该区域后续开挖过程中潜在应力型灾害的风险较高。特别是隧道南侧，微震事件集中程度更高，该区域发生高应力灾害的风险更高。

图8 DK196+725～+760预警区域内微震事件数及释放能随时间演化规律

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，掌子面及附近围岩干燥，结构面发育，将围岩切割为块体状。综合微震监测数据及围岩地质条件，依据文献[13]中所述的方法建立岩爆与微震活动的定性或定量关系，确立该隧道开挖过程中不同应力灾害风险与微震活动之间的定性关系。经分析，DK196+750～+760段施工过程中，该区域潜在中等岩爆风险，岩爆过程可能诱发规模性应力塌方破坏。因此，在DK196+750～+760段施工过程中需密切关注掌子面附近地质情况和微震活动的动态变化情况，视情况及时调整施工方案和支护方案。

3.3 基于微震活动的施工过程管理

由前述分析可知，进口正洞DK196+750～+760段施工过程中，可能引起DK196+725～+760区域发生岩爆、应力型塌方等高应力灾害。因此，密切依托微震监测数据，对DK196+750～+760段进行了开挖优化。鉴于该区域应力型灾害风险较高，有较大能量的突然释放，因此减缓了施工进度。该区域施工过程中，2019-01-19 T 06:00—2019-01-20 T 24:00的微震活动演化规律及施工工序与方案随微震活动演化的动态调整情况，如图9所示。

图9 DK196+725～+760区域不同时间微震活动演化规律及对应的施工工序与方案动态调整情况

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，微震监测数据也无异常。在2019-01-19 T 06:51:51时，对掌子面进行了爆破，进尺约3 m。掌子面爆破后，短时间内小能量微震事件大幅产生，并且该区域围岩完整性较差，因此发生应力型塌方和掉块的风险较大。针对微震数据指向的应力型灾害风险，现场采取的施工方案为： 逐步出渣，在获得一定空间后立即采取钢拱架支护，并且减小立架间距。采取该方案后，微震活动明显降低。

截至2019-01-19 T 21:00左右，后方完成了出渣的区域已进行了钢拱架支护，仅掌子面附近剩余较少的岩渣。因此，接下来的工序是清除掌子面剩余的岩渣。但在2019-01-19 T 22:00左右，突然有较大能量的微震事件发生，微震活动变得活跃，岩爆、应力型塌方灾害的风险又急剧升高。因此，现场采取的施工方案是： 立即停止出渣、排险等工序，进行停工等待。停工等待过程中，该区域在DK196+752处发生了岩爆、应力型塌方的复合型破坏，如图10所示。

图10 DK196+752处岩爆-应力型塌方复合破坏

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

发生岩爆和应力型塌方破坏后，释放了围岩中的部分能量，而且停工后减少了对掌子面附近围岩的扰动，掌子面附近的微震活动由活跃变得平静。在微震活动平静后，现场对掌子面进行排险和出渣，排险后暂停施工，观察微震活动情况的方案。在2019-01-20 T 3:00～6:00排险和出渣期间，微震事件数和释放能虽有所增加，但未达到较高位置，发生应力型灾害的风险不高。

在排险出渣后的几 h内，微震活动在较低位置平稳波动，且有逐渐平静的趋势，发生应力型灾害的风险降低。因此，2019-01-20 T 12:00左右现场采取了继续施作钢拱架支护的方案。在此后的施工过程中，DK196+725～+760段最终未发生岩爆、应力型塌方等灾害。

因此，DK196+725～+760段依据微震活动演化规律合理选择施工工序、支护方式、作业时机的案例表明，微震监测在深埋隧道施工过程管理中的应用，有助于降低安全风险，确保作业人员和设备的安全。

4 结论与建议

1)利用微震监测技术可以监测隧道施工过程中的围岩破裂情况，不同的微震活动性表征了隧道潜在的不同的高应力灾害风险大小，特别是微震释放能和微震事件数变化情况，动态反映了隧道的安全稳定性。

2)利用监测区域内不同时间的微震活动特性变化情况所动态表征的隧道高应力灾害风险大小，可以采取如暂缓施工、加强支护等针对性的施工方案，合理选择施工工序、施工时机、施工方式等。

3)通过微震活动变化情况动态反映的隧道高应力灾害风险，在隧道施工过程管理中采取针对性措施，有助于降低施工过程中的安全风险，确保人员、设备的安全，可为我国“一带一路”建设、川藏铁路建设中其他重大深埋隧道工程的施工提供参考。

4)为进一步加强隧道施工过程的精准管理，今后需深入研究不同类型和不同等级高应力灾害与微震活动的定量关系，依托定量关系及前兆信息提前做出预警，并依据预警结果合理选择施工时机与方式。