深埋长隧洞岩爆微震监测、预警与防控技术探讨

王 旭

（新疆水利水电规划设计管理局，新疆乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

（1）西二段隧洞长140.7km，最大埋深720m，TBM掘进长度113.0km。其中：隧洞埋深大于600m，总长度18km（桩号22+000～40+000），岩性为华力西期花岗斑岩、变质花岗岩等，属坚硬岩石。由前期地应力测试：最大水平主应力σm=19.8～21.6MPa，主应力方向N45°E，与洞轴线夹角75°，强度应力比3.6～4.1，属于中—高地应力中等岩爆区（段）。

（2）喀—双段隧洞长283.3km，最大埋深774m，TBM掘进长度227.4km。隧洞埋深大于600m，总长度51.057km（桩号198+613～249+670），岩性为泥盆系凝灰质砂岩、华力西期花岗岩等。由前期地应力测试：最大水平主应力σm=21.6～36.0MPa，主应力方向N23°E，与洞轴线夹角42°，强度应力比2.2～4.1，属于中—高地应力中等—强烈岩爆区（段）。

2 岩爆及其危害

岩爆是高地应力条件下地下工程开挖过程中，硬脆性围岩因开挖卸荷导致洞壁应力变化，原先储存的弹性应变能突发性急骤释放，因而产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害。也是深埋隧洞开挖过程中典型高应力硬岩挤压破裂局部集中化诱致的次生地质灾害，岩爆具有很强的突发性、随机性和危害性。随着埋深的增加和地应力水平的增高，岩体所赋存的地质环境更为复杂，开挖诱发的岩爆灾害更加突出、严重，给深埋隧洞工程设计、施工与运行等带来极大的安全隐患。具体而言，当高地应力硬岩区地下洞室开挖后，围岩往往呈现变形小而破裂多的现象。轻微岩爆特征是围岩表层呈零星爆裂脱落、剥落状，爆坑深度小于0.3m，对施工影响较小；中等岩爆特征是围岩呈较严重的爆裂脱落、剥落状，具少量弹射，有一定持续时间，影响深度0.3～1.0m，对施工有一定影响；强烈岩爆特征是围岩大片爆裂脱落、具强烈弹射，破坏范围和块度大，影响深度1.0～3.0m，对施工影响大；极强岩爆特征是围岩大片严重爆裂，大块岩片出现剧烈弹射，震动强烈，破坏范围和块度大，影响深度大于3.0m，严重影响工程施工。为此，开展岩爆微震监测、预警与防控技术可实时监测隧道开挖过程中岩体破裂的时空分布及演化特征，是目前深部硬岩工程岩爆监测与预警的主要有效的技术手段。通过岩爆微震监测预警可以提前预警岩爆等级，根据预警结果，采取工程措施，降低岩爆风险，进而保障施工安全与施工进度。

3 岩爆微震监测预警的目的

（1）岩爆是深埋隧洞开挖过程中典型高应力硬岩挤压破裂局部集中化诱导的次生地质灾害，它具有很强的突发性、滞后性、延续性、衰减性、位置性。随着隧洞埋深的增加和地应力水平的增高，岩体所赋存的地质环境更为复杂，开挖诱发的岩爆灾害更加突出，给深埋隧洞工程设计、施工与运行等带来了极大的挑战。

①岩爆突发性：岩爆现象是一种高应力能量的突然释放，在发生前没有明显的预兆。一部分岩爆发生是随着TBM施工掘进过程中，岩体在刀盘掌子面和护盾内已经产生了岩爆（长度约6～8m），岩爆一般分布在隧洞顶部左右60°范围，如剥皮、薄层状、板状、厚层状等现象。这类岩爆一般危害性可控，施工中可随着TBM向前方掘进工程中，在洞室围岩出护盾后立即进行支护处理。

②岩爆滞后性：还有一部岩爆发生并不伴随岩体开挖立刻发生，而往往在岩体开挖后几小时或数十小时、几天甚至更长时间（一个月）才发生，发生的频率和爆声能量随暴露后时间延长而降低。

③岩爆延续性：岩爆的发生并不是一次就终止了，往往具有延续性。首次岩爆后几天或几十天再次发生，有的可能持续较长时间才结束。

④岩爆衰减性：岩爆一般在开挖初期比较强烈，随时间推移，能量释放减弱，强度也随之衰减或不在发生岩爆。

⑤岩爆位置性：岩体应力分布的微小扰动，也能导致岩爆发生。岩爆易发生硐室主要位置一般在掌子面和洞顶左右60°范围（即10点钟～2点钟方向），洞壁和洞底板分布较少。

（2）岩爆监测预警是深埋隧洞施工过程中一项极其重要的工作，是化解前期勘察设计工作隐藏（或未暴露）风险的补充工作内容，在隧洞施工过程中起到指导和预防作用。由于本工程隧洞线路长、埋深较大，地质条件复杂，在施工过程中肯定会遇到岩爆、围岩变形等诱发的工程地质灾害。限于现在的技术水平和各方面条件限制,这些问题在前期勘察阶段难以完全查明。通过施工期的超前岩爆监测预警，可以及时发现隧洞前方的地质缺陷和异常情况，及时预报突发性岩爆地质灾害。根据预报结果，才能比较客观实际地评价围岩稳定性和支护作用，修正开挖及支护参数，可以及时采取措施，提前做好超前加固及其它跟进施工措施，做到安全施工、高效掘进。鉴于本工程深埋隧洞岩爆段长度大，发生中等和强烈岩爆可能性大，存在安全风险、工期风险、投资风险大。因此，开展本工程深埋隧洞段的全程时时岩爆预警及风险控制工作，对工程施工前与施工过程中和后期运行制定超前预案、形成有效的防灾减灾技术对策，保证施工中人员生命、财产安全，提高施工效率已成为现实的迫切需要。

4 岩爆等级划分与围岩类别

（1）勘察设计阶段，根据《水利水电工程地质勘察规范》GB50487-2008应采用岩石强度应力比来判定岩爆等级，岩爆划分为四个等级：4＜Rb/σm≤7为轻微岩爆；2＜Rb/σm≤4为中等岩爆；1＜Rb/σm≤2为强烈岩爆；Rb/σm＜4为极强岩爆。

（2）施工阶段，根据2020年11月《全断面岩石掘进机法水工隧洞工程技术规范》（讨论稿），岩爆等级划分因素应考虑现场岩爆发生时的声响特征和发生频次、围岩破裂特征、爆坑深度、岩爆震动能量及支护破坏程度等，将其划分标准见表1。

表1 隧洞TBM掘进施工岩爆等级分类与围岩类别

5 岩爆微震监测、预警方法

5.1 SSS微震监测系统（加拿大微震监测系统）

岩爆监测方法主要包括：①施工地质超前宏观观测法。②直接监测法，钻屑法、钻孔应力测量法。③地球物理方法，包括微震法、电磁辐射法。其中SSS微震监测系统是通过监测低频高能事件，实现工程岩爆的实时、连续、动态、大范围监测，是目前各个行业地下工程岩爆灾害监测中应用最广泛、最实用的方法。该技术集信息化、智能化、可视化于一体，可全天候、大范围地对岩体渐进破坏全过程动态监测，能有效识别和圈定岩体损伤破坏区，进而实现岩爆的监测预警、降低岩爆造成的危害，并可基于丰富的微震信息采取多种研究手段进行围岩稳定性分析评价。预警原理则是通过实时监测开挖施工扰动而诱发的微震现象，并基于采集到的声波信息，获得相应的震源参数（微震事件数、释放能量、视体积等），最终通过联合反演计算出微破裂发生的时间、空间位置和强度等震源信息，即微破裂的“时、空、强”三要素。工程实践表明，微破裂是岩石工程动力灾害的主要前兆信息，基于微震信息揭示震源参数的“时、空、强”演化规律，结合工程地质、岩石力学特征及岩爆倾向性研究结果，最终建立岩爆预警判据，由此实现工程岩爆的监测预警（见图1）。

图1 岩爆预警方法

5.2 SSS微震监测测预警方法

为了满足TBM隧洞工程现场岩爆监测预警的要求，需结合现场条件进行监测预警方案设计。隧洞的微震监测系统主要用于地下深埋长隧洞工程，如图2所示。

图2 TBM施工深埋长隧洞工程微震监测系统示意图

微震监测系统最为关键的是传感器的空间布置，在TBM掘进过程中，传感器交替前移，以使得掌子面始终保持在微震监测传感器监测范围内，尤其是在地质构造复杂范围内加密布置速度型传感器。通常布置两个监测断面，在每个监测断面布置3个或4个微震传感器，随着施工推进，每个监测断面间距20～50m，如图3所示。

图3 TBM施工隧洞微震监测传感器布置图

具体实施过程如下：

步骤1：在距离掌子面合适距离（80～120m）布置第1组单向速度型传感器(共4个，编号D1-1至D1-4)，见图3。其中，钻孔深度0.5～1m。各传感器在空间上错开式布置。

步骤2：当第1组传感器距离掌子面距离增加至40m时，安装第2组传感器(共4只，编号D2-1至D2-4)，其中传感器类型及布置方式与第1组相同。

步骤3：当第2组传感器距掌子面距离增加至40m时，将第1组传感器回收并移至距当前第2组传感器40m处。

步骤4：随着掌子面的推进，重复上述步骤，使两组传感器交替前移，使得掌子面始终保持在微震监测传感器监测范围内。

通过上述方法组建完成微震监测系统，并通过监测系统定位精度和波速的标定、信号采集与波形识别、处理，分析出有关震源参数的时空分布规律，基于图1所示的岩爆预警方法，实现岩爆监测预警。具体流程如图4所示。

图4 TBM施工微震监测预警流程图

5.3 SSS微震监测的预警范围

根据实际工程经验分析，目前工程界地下洞室采用的SSS微震监测设备和其它微震监测设备，在实际工程应用中预测预警有效（或较准确）范围，一般在掌子面前方10～15m和掌子面后方10～20m范围内，超出该范围准确度较低。

6 案例（SSS微震监测系统在隧洞KS-Ⅷ标应用）

2020年9月受喀双隧洞KS-Ⅷ标山西水工局项目部委托，东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室——岩爆监测团队承担了基于微震监测的岩爆预警试验性测试工作。2020年9月30日～10月31日，累计监测26d，监测洞段长度约300m，共发布正式KS下游引水隧洞岩爆预警报告23期，监测短报8期，如图5所示。

图5 下游KS227+540～840段岩爆微震监测与预警预测实施示意图

如图6所示，监测数据显示10月7日9时～10月8日9时K227+540～575微震事件累计能量较高，且在10～12点区域形成丛集区域[见图6（a）]，采用岩爆风险的动态定量预警方法得到发生中等岩爆发生概率35.8%，轻微岩爆发生概率为30.7%，于是发布预警报告，岩爆等级为轻微—中等岩爆[见图6（b）]。18时227+566～568发生中等岩爆，爆坑深度0.7m，主要分布于10～12点区域[见图6（c）]。

图6 岩爆预警案例：中等岩爆

如图7所示，监测数据显示10月16日9时～10月17日9时KS227+620～665微震事件累计能量较高，在9～1点区域形成丛集区域[见图7（a）]，采用岩爆风险的动态定量预警方法得到轻微岩爆发生概率为63.7%，于是发布预警报告，岩爆等级为轻微岩爆[见图7（b）]。18日227+659发生轻微岩爆，爆坑深度0.15m，主要分布于11点区域[见图7（c）]。

图7 岩爆预警案例：轻微岩爆

如图8所示，监测数据显示10月19日9时～10月20日9时KS227+675～710微震事件累计能量较低，分布较分散[见图8（a）]，采用岩爆风险的动态定量预警方法得到无岩爆发生概率为85.8%，于是发布预警报告，岩爆等级为无岩爆[见图8（b）]。最终，该区域无岩爆发生[见图8（c）]。

图8 岩爆预警案例：无岩爆

如图9所示，监测数据显示11月1日9～13时KS227+826附近连续发生岩石破裂事件[见图9（a）]，且破裂持续扩展，于是发布时滞型岩爆预警[见图9（b）]。施工方及时补充支护了钢拱架。最终，该区域发生了时滞型轻微岩爆，支护措施有效控制了该时滞型岩爆[见图9（c）]。

图9 岩爆预警案例：时滞型岩爆

通过前期KS隧洞岩爆监测与预警，可以看出：

（1）KS隧洞围岩破坏具有显著的时效特征，受地应力方向影响破坏主要发生在9～1点方向，但受地质条件影响在断面位置及破坏类型有一定变化；

（2）搭建了KS隧洞岩爆微震监测预警系统，连续监测28d，累计监测长度300m，发布预警23次，预警与实际一致19次；

（3）岩爆微震监测预警结果可以为现场支护参数的确定提供依据；

（4）随着岩爆案例的增加，可以进一步优化预警模型，提高预警准确率，特别是时滞型岩爆的准确率，为接下来的岩爆风险动态调控奠定良好基础。

7 小结

岩爆预警与开挖速率有着近似反比的关系，即岩爆预警等级越高，开挖速率越低，这是由于给出岩爆预警等级后，通过降低开挖速率可以降低岩爆风险，同时，当预警无岩爆时，可以适当提高掘进速率，以保证施工进度；岩爆预警与现场支护措施参数有明显的相关性，预警等级越高，支护强度及参数越高，同样，通过岩爆预警，适当增加支护强度及参数，以达到控制岩爆的目的，无岩爆时，降低支护强度及参数，保证经济性；岩爆预警给现场施工速率及支护措施设计提供重要指导作用。