基于微震监测的深埋隧洞岩爆微震事件时空分布特征研究

2020-03-11林开盛张蜀豫焦雨起

人民珠江 2020年2期

林开盛，张蜀豫，焦雨起

(国电大渡河流域水电开发有限公司，四川成都610041)

近年来，随着科技进步，微震监测技术得到了迅速发展。在水电站建设领域，严波[1]、徐奴文等[2]在猴子岩水电站地下厂房开展了微震监测与开挖技术研究，有效提升施工质量。于群[3-4]、张文东[5]、胡守斌等[6]在锦屏引水隧洞施工中应用微震监测技术，进行了岩爆预测研究。李昂等[7]开展了基于微震技术的乌东德水电站右岸地下厂房岩质高边坡失稳预警研究。雷英成等[8]开展了观音岩水电站大坝混凝土微震监测数据分析处理研究。黄志平等[9]在引汉济渭秦岭输水隧洞进行了微震监测系统应用研究。张伯虎等[10]在水电厂房塌空区域建立精度较高的ISS微震系统，通过互联网实施远程控制。

前人对于微震监测的应用研究，主要集中在围岩变形预警方面[11-12]，而对微震事件时空分布特征方面研究较少。本文针对双江口水电站进厂交通洞岩爆微震事件时空分布特征进行研究分析，识别和圈定进厂交通洞岩爆灾害和围岩稳定性的风险区域，建立基于微震监测的岩爆变形预测系统，为其他类似工程提供一定的借鉴。

1 工程概况

双江口水电站进厂交通洞进口位于左岸飞水岩沟上游侧，全长约1 473.10 m，洞底高程2 253.00 m，断面尺寸11.24 m×8.7 m(宽×高)。洞身围岩以似斑状黑云钾长花岗岩为主，伟晶岩脉发育，主要裂隙有：J1.N55～80°W/SW∠25～40°、J2.N60～85°E/NW∠65～88°、J3.N20～35°W/NE∠75～86° 3组，上述裂隙面多起伏粗糙。岩体以块状结构为主，洞壁潮湿，局部有滴水，考虑高地应力折减后，围岩类别以Ⅲa类为主，洞壁整体稳定性较好。进厂交通洞最大埋深达500 m，最高地应力水平达到38.8 MPa，同时岩体不利结构面发育，强度应力比偏低，极易出现岩爆现象。从双江口水电站进厂交通洞地质剖面(图1)所示，当掌子面推进至桩号(交)1+110～050 m时，进厂交通洞陆续出现岩爆灾害。

图1 双江口水电站进厂交通洞地质剖面

2 微震监测系统实施

2.1 微震监测系统原理及特点

微震监测系统(Micro-seismic Monitoring System，MMS)，开发于20世纪70年代初期，近年来伴随着科技进步，该系统也得到了长足发展。其采集信号原理见图2。

图2 微震监测原理

微震监测技术[13]主要特点包括：①能精准确定岩体内部破裂的时间、空间和能量释放强度；②传感器存活时间长；③可以覆盖很大的监测区域。

2.2 微震监测系统布设

微震监测系统主要由软件和硬件组成[14]。硬件含单轴加速度传感器、Paladin传感器连接盒等，软件含网络采集软件、三维可视化分析软件等。

根据进厂交通洞的现场施工状况，将多支加速度传感器分别安装在进厂交通洞内不同高程，在空间区域形成网状结构。通过技术与经济论证，考虑到传感器挪移的影响，最终确定相邻传感器安装孔断面距离为40 m，传感器与掌子面最近的距离应为40～80 m，以同时达到保护仪器与保证监测效果的目的。为保证传感器监测效果，从进厂交通洞断面(交)1+160 m开始布设传感器安装孔，共计布设52个传感器安装孔，每个断面布设2只传感器，分别布设于进厂交通洞左右两侧边墙(图3)。

图3 相邻断面间距情况下传感器断面与掌子面关系示意

为保证传感器与岩体黏接牢固、能充分接收岩体应力波信息，传感器孔深度设为2.5～3.0 m，角度设为30°倾斜向上。为方便传感器安装孔布设，安装孔口与开挖底板保持2.0 m或者3.0 m的距离，同一开挖断面两只传感器安装孔孔口与开挖底板距离相同，相邻断面传感器安装孔孔口与底板距离不同，其典型断面布置见图4。

a) 安装孔直径42 mm b) 安装孔直径43 mm图4 典型传感器安装孔布设

2.3 三维可视化地质模型

为了提高微震监测数据的综合分析效果，建立了进厂交通洞三维可视化地质模型，见图5。施工过程中将监测数据传输至营地处理中心，进而对微震事件波形进行人工定位处理，确定微震事件的震源参数，然后录入智慧工程系统，最终利用ESG三维可视化显示系统展示出微震事件发生的时间、空间位置及震级大小，实时在线监测进厂交通洞岩爆情况。

图5 双江口水电站进厂交通洞三维可视化地质模型

2.4 岩爆等级判定方法

双江口水电站岩爆等级判定采用矩震级和日微震事件数综合判定[15]，针对出现的微震事件异常增加现象，考虑岩爆等级需提高一级，判定标准见表1。该标准是结合双江口水电站岩爆微震监测结果与现场实际情况校核综合制定。

表1 岩爆等级判定方法

3 岩爆微震事件时空分布特征研究

双江口水电站进厂交通洞岩爆微震监测系统于2017年8月6日开始进场安装，经过敲击试验及调试后，于8月11日开始正常运行，实现实时监测，2018年10月24日完成监测任务。该时段内进厂交通洞内共采集到微震事件1 952个。成功预测31次轻微至中等岩爆，主要集中部位为洞室左拱肩(表2)。

表2 进厂交通洞成功预测岩爆统计

3.1 微震事件时间分布特征分析

2017年8月11日至2018年10月24日微震事件时间分布规律(图6)可以看出：该时段内进厂交通洞内共采集到有效微震事件数1 952个，其中7个时间段微震事件较多，分别为：①2017年9月11日至9月19日；②2017年9月28日至10月23日；③2017年11月24日至12月10日；④2017年12月20日至12月26日；⑤2018年1月5日至1月10日；⑥2018年1月20日至1月26日；⑦2018年3月23日至4月4日。

7个时段微震活动频繁，日均微震事件数大多在15个以上，最高达到32个，其余时间段内微震事件数较少，除少数单日微震事件数超过15个的日期外，日微震事件数均保持在0～10个。结合现场施工情况做出分析：爆破作业对围岩有扰动，引起围岩应力重新调整，最终导致微震事件。

微震事件矩震级可以揭示围岩损伤程度，从图7中可以看出：微震事件矩震级主要分布范围为-2.7～-0.5，矩震级较低，岩爆等级为轻微至中等。

图6 微震事件时间分布

图7 微震事件震级与时间关系

3.2 微震事件空间分布特征分析

2017年8月11日至2018年10月24日微震事件空间分布规律见图8，对应微震事件空间密度云见图9(球颜色代表微震事件震级，颜色越深代表震级越大；球大小代表微震事件能量大小，球越大代表释放能量越多)。从图9a、图9b可以看出进厂交通洞微震事件较为聚集的共有4个区域：①(交)0+885 m～(交)0+792 m；②(交)0+708 m～(交)0+605 m；③(交)0+571 m～(交)0+486 m；④(交)0+428 m～(交)0+356 m。其中沿进尺方向左侧拱肩微震事件更为聚集。

a) 俯视

b) 剖面图8 微震事件空间分布

a) 俯视

b) 剖面图9 微震事件密度云

3.2.1第一个微震事件活跃期空间分布特征分析

2017年9月28日至10月23日，共采集到有效微震事件数339个，主要集中在桩号：(交)0+778 m～(交)0+862 m，且洞室左拱肩比较集中(图10—12)。

图10 微震事件空间分布

图11 微震事件密度云

图12 微震事件时间分布

其中，9月28日事件数为20个，10月3日事件数为22个，10月8日事件数为23个，10月10日事件数为15个，10月11日事件数为32个，10月12日事件数为20个，10月13日事件数为21个，10月19日事件数为16个，10月22日事件数为31个，其他时间段事件数保持在1～13个，矩震级偏低，岩爆等级为轻微至中等。最终该段时间内成功预测9次轻微至中等岩爆，现场表现为洞室左拱肩连续大面积掉块现象。

3.2.2第二个微震事件活跃期空间分布特征分析

2017年11月24日至12月10日，共采集到有效微震事件数204个，主要集中在桩号：(交)0+605 m～(交)0+661 m，且洞室左拱肩比较集中(图13、14)。

图13 微震事件空间分布

图14 微震事件密度云

其中，11月24日事件数为16个，11月27日事件数为18个，11月29日事件数为17个，12月4日事件数为20个，12月8日事件数为21个，12月9日事件数为16个，其他时间段事件数保持在4～13个，矩震级偏低，岩爆等级为轻微至中等。最终该段时间内成功预测6次轻微至中等岩爆，现场表现为洞室左拱肩连续掉块和有裂缝现象。

3.2.3第三个微震事件活跃期空间分布特征分析

2018年1月5日至1月10日，共采集到有效微震事件数82个，主要集中在桩号：(交)0+518 m～(交)0+533 m，且洞室左拱肩比较集中(图15、16)。

图15 微震事件空间分布

图16 微震事件密度云

其中，2018年1月5日事件数为16个，1月7日事件数为22个，1月9日事件数为23个，其他时间段事件数保持在5～9个，矩震级偏低，岩爆等级为轻微至中等。最终该段时间内成功预测3次轻微至中等岩爆，现场表现为洞室左拱肩较大面积掉块现象。

3.2.4第四个微震事件活跃期空间分布特征分析

2018年3月23日至4月4日，共采集到有效微震事件数188个，主要集中在桩号：(交)0+388 m～(交)0+424 m，且洞室左拱肩比较集中(图17、18)。

图17 微震事件空间分布

图18 微震事件密度云

其中，3月23日事件数为18个，3月24日事件数为24个，3月29日事件数为16个，3月30日事件数为20个，3月31日事件数为17个，4月1日事件数为17个，4月3日事件数为26个，其他时间段事件数保持在4～13个，矩震级偏低，岩爆等级为轻微至中等。最终该段时间内成功预测7次轻微-中等岩爆，现场表现为洞室左拱肩较大面积连续掉块现象，部分岩块有较强烈的弹射现象。

3.3 现场破坏特征

双江口水电站进厂交通开挖后二次应力分布集中在拱肩、拱脚部位，造成连续掉块、墙面开裂、强烈弹射等岩爆现象。通过微震监测数据集中区域和现场照片对比发现，微震监测可以很好地预测现场岩爆情况并为调控现场施工进度和下一步施工计划提供参考依据(图19)。进厂交通洞左拱肩损伤类型主要包括连续大面积“V”型爆坑、小面积“窝型”爆坑、长裂缝，右拱脚主要为小面积损伤。