深部地下实验室扩挖岩爆监测与动态防控技术研究*

李名川 李邵军 肖亚勋 李宏璧

(①雅砻江流域水电开发有限公司， 成都 610051， 中国)

(②中国科学院武汉岩土力学研究所， 岩土力学与工程国家重点实验室， 武汉 430071， 中国)

0 引 言

深部地下实验室是一个国家关键性的重大基础科学研究设施，是开展暗物质探测、中微子物理实验等重大前沿课题研究的场所，同时涉及岩土力学、地球科学、生物学等实验研究(Coccia， 2006； Bettini， 2011； 程建平等， 2011； 李邵军等， 2021a)。从20世纪60年代起，国际上所建设的10余个极深地下实验室(垂直岩石覆盖厚度大于1000m)相继产出了多项诺贝尔奖级别的研究成果(赵蕊等， 2017)。

中国锦屏地下实验室是目前世界上最深的地下实验室，埋深达2400m。该实验室不仅是我国极深地下实验室建设从0到1的突破，而且提供了领跑国际地下科学研究的契机。2014年启动的中国锦屏实验室二期(CJPL-Ⅱ)扩建工程，将实验室空间由4000m3提升至300000m3。期间所开展的原位岩石力学试验，在为CJPL-Ⅱ安全建设提供技术支撑的同时，极大地推进了深部岩体力学与工程安全领域研究(冯夏庭等， 2016； Zheng et al.，2020； 李邵军等， 2021b)。2021年，国家重大科技基础设施“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”(简称“锦屏大设施”)在CJPL-Ⅱ正式开工。根据锦屏大设施建设方案，需在现有辅助隧道上进行非对称扩挖，该开挖方式造成原有应力场非对称重分布，极大影响洞室的稳定性甚至发生灾变。为保障扩挖过程的工程安全，开展监测预警和深部工程灾害动态防控研究是确保锦屏大设施项目顺利实施的关键所在。

本文针对锦屏大设施扩挖过程潜在的高等级岩爆风险，建立了深部地下实验室扩挖岩爆微震监测与预警方法，揭示了扩挖过程中围岩微破裂时空演化规律，提出了针对性的扩挖岩爆防控措施，为锦屏大设施安全高效扩挖提供了关键技术支撑。

1 工程概况

2009年，为了提高锦屏二级水电站引水隧洞群的开挖效率，在最大埋深处附近由交通洞A向排水洞布置了两条辅助施工隧洞(图1中的1#和2#辅助隧道)。CJPL-Ⅱ主体工程位于1#辅助隧道南侧，由4洞9厅组成。各实验室均为截面14m×14m的城门洞型，长65m。此次锦屏大设施扩挖在2#辅助隧道中实施，如图1所示，可分为如下两部分：

图1 扩挖工程布置示意Fig. 1 Project layout of anisotropic extension excavation

(1)通道A和通道B的相邻同向短洞室开挖，位于2#辅助隧道上游南侧，两通道为城门洞型，开挖截面为8.2m×8.2m，长度均为20m，两通道相邻洞壁间距为70m。

(2)扩挖段A和扩挖段B的单侧相向扩挖，位于2#辅助隧道下游北侧，扩挖段A扩挖深度为4.2m，长度189m，扩挖段B扩挖深度为3.2m，长度为100m。

岩爆是深埋工程开挖过程中常见的地质灾害(周航等， 2020； 宫凤强等， 2021)。锦屏大设施扩挖工程处在锦屏山工程最大埋深位置，临近的引水隧洞群在开挖过程中高等级岩爆频发，造成严重的人员伤亡和设备损失。而锦屏大设施主体工程(9个实验厅与其交通洞)开挖过程中发生了4次强岩爆和一次大规模塌方(李邵军等，2021b)。C1实验厅开挖过程中南侧边墙发生1次强烈岩爆，最大破坏深度达3m，岩爆发生时刻对应微震事件能量达2.6×106J，岩爆区域内隧洞拱肩部位已有锚杆和初喷支护严重损坏。D1和D2实验厅开挖过程中发生3次强岩爆，其中：D1和D2实验厅交叉部位南侧边墙至拱肩部位1次极强岩爆爆出岩块体积共约350m3，岩爆区域长约44m，高5～6m，最大爆坑深度3.2m，最大爆块尺寸达2.4m×2.4m×1m，岩块最大弹射距离7～10m。岩爆造成了对应区域已有支护系统严重破坏，锚杆被拉断和拔出、钢筋网和初喷混凝土被抛出，如图2所示。

图2 CJPL-Ⅱ主体工程开挖极强岩爆Fig. 2 Extreme rockburst during excavation of CJPL-II

基于临近工程开挖过程的围岩失稳情况，类比分析可知，锦屏大设施扩挖过程中围岩失稳风险以岩爆为主，且极有可能发生高等级岩爆。因此，扩挖安全监测、灾害预警与防控应主要针对岩爆风险而展开。

2 扩挖岩爆监测与预警方法

微震监测是目前最为直接与有效的岩爆孕育过程实时监测手段(Li et al.，2012； 于群等， 2014； Xiao et al.，2016b； 冯夏庭等， 2019； 陈柯竹等， 2020； 窦林名等， 2021)。隧道硬岩岩爆在发生前通常呈现出围岩表层小变形但内部多破裂的特征。岩爆孕育的本质是一系列岩体破裂累积直至围岩猛烈失稳的过程。隧道80%以上岩爆发生在开挖面附近，因此，隧道微震监测通常在开挖面一定距离(<200m)内布置6～8个微震传感器，实时感知开挖面附近岩体破裂时向外辐射的微震动波。随后基于定量地震学理论，运用专业数据分析软件对微震动数据进行整理与分析，获得岩体破裂微震事件震源参数信息(位置、能量、视体积等)。基于微震事件的数量及其震源参数的时空演化信息，可对隧道开挖过程中岩爆风险进行动态预警。

2.1 微震监测方案

新增通道A和B为短距离同向开挖。考虑通讯线缆走线衔接路线及其便利性，微震传感器的可布置空间十分有限，仅通道之间的区域具备布设条件。在两通道洞壁之间间距仅约70m的情况下，为了充分保障传感器阵列在空间的展布性。因此，设计了2组6排固定布置的传感器，每组传感器由3排组成，每排传感器之间的平面间距是5m，两组传感器之间的平面距离是10m。新增试验通道A和B微震传感器平面和断面布置如图3所示。

图3 新增通道A和B微震传感器布置示意Fig. 3 Layout of microseismic sensor at new tunnel A and Ba. 平面布置； b. A1，A3，A4，A6排断面布置; c. A2，A5排断面布置

扩挖段A和B为单侧相向扩挖，利用其相向扩挖之间的空间布置微震传感器，在发生较大尺寸岩体破裂时，两开挖面的传感器可联合作业，提供更为准确的岩体破裂位置、能量等监测信息。爆破飞石易造成线路与设备损坏，这要求传感器与工作面之间距离应大于爆破安全距离。

以扩挖段A为例说明单侧相向扩挖微震传感器移动式布置设计。在扩挖段A未开挖前，在掘进方向上距开挖起始位置90m， 110m和130m处各布置1排传感器(A-1，A-2，A-3)，每排传感器数量为2个，如图4a所示，每个传感器在断面上的布置如图4b，图4c和图4d所示。以进尺20m作为一次传感器回收与安装循环，即每开挖20m，回收距离工作面最近的那排传感器，并将其安装至距工作面130m处，回收与安装传感器的布置方式相同。由此随着开挖循环移动传感器，保证传感器距工作面距离70～130m。扩挖段A开挖至180m时，按上述规则最后1次移动传感器。在扩挖完成后，待微震活动显示围岩稳定可回收针对该扩挖段布置的传感器，至此，扩挖段A岩爆微震监测结束。扩挖段B监测方案与扩挖段A相似，不再赘述。

图4 扩挖段A微震传感器布置示意Fig. 4 Layout of microseismic sensor at expanding section Aa. 平面布置; b. A-1排断面布置; c. A-2排断面布置; d. A-3排断面布置

2.2 岩爆预警方法

岩爆预警采用基于微震监测信息的钻爆法岩爆预警法(Feng et al.，2015)。岩爆等级和发生概率按下式计算：

(1)

式中：i是岩爆等级，包括无岩爆、轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆和极强岩爆；j是预警区域微震监测信息，分别为累积微震事件数、累积微震释放能、累积微震视体积、微震事件率、微震释放能速率和微震视体积率。wj是预警区域微震监测信息的权系数；Pji是基于预警区域微震监测信息获取的i岩爆等级的岩爆发生概率。

岩爆预警结果为所计算最大发生概率对应的岩爆等级及其发生概率。若多个岩爆等级的发生概率相差不到5%，且大于其他岩爆等级发生概率时，选择其中最高的岩爆等级及其发生概率作为岩爆预警结果。不同等级岩爆预警阈值参考了相临工程锦屏二级水电站引水隧洞岩爆微震监测信息。

为了提高开挖效率，扩挖的4个掌子面中往往存在2～3个平行作业，而岩爆预警前需经过监测传感器和系统动态布置，大量监测数据处理，现场踏勘，监测设备维护，监测信息分析与报告编写等多个步骤。针对钻爆法洞室，常规的预警频次为1炮1预警，多个掌子面平行作业时就需投入大量的人力和时间。若监测结果显示的岩爆风险较低时，适当加长预警周期，降低预警频次，可有效优化资源投入，这也在一定程度上保障了岩爆风险高掌子面预警的及时性。为此，建立了基于岩爆风险程度的钻爆法洞室岩爆预警频次优化原则，即岩爆风险高的洞室1炮1预警，岩爆风险低的洞室可适当降低岩爆预警频次。确定该原则的依据在于，岩爆风险较高的洞室开挖过程中存在较大的可能微震活动会突增，潜在岩爆发生等级会提高，根据微震监测信息动态更新岩爆预警结果非常必要，是及时调整岩爆防控措施的依据。因此，针对岩爆风险较高洞室应坚持1炮1预警。岩爆风险较低的洞室通常微震活动发展较为平缓，多个连续开挖循环内呈现低岩爆风险状态，此时增大岩爆预警周期对施工安全基本无影响。若出现微震活动增加而岩爆风险增大的情况，可提高岩爆预警频次。针对锦屏大设施扩挖工程，岩爆风险较高的通道A和B采用1炮1预警，而岩爆风险较低的扩挖段A和B采用每开挖20～30m 预警1次。若均采用1炮1预警的方式，锦屏大设施扩挖工程岩爆监测与预警需投入2名地质踏勘和检修人员、4名数据分析和2名报告编写人员； 采用基于岩爆风险程度的钻爆法洞室岩爆预警频次优化原则后，在保证岩爆预警效果的基础下，减少了近3/4的重复的低风险岩爆预警报告，且人员投入减半。

3 扩挖微震监测结果分析

采用上述微震监测方案，实时获得了深部地下实验室扩挖过程所产生的岩体破裂微震事件。岩体破裂微震事件识别采用了连续/离散小波-神经网络滤噪方法(冯夏庭等， 2013)，微震事件位置定位使用了隧道阵列外破裂震源粒子流定位方法(陈炳瑞等， 2009)，微震事件震源参数由SinoSeiSm自带高精度微震信号自动分析软件GMS自动计算。对比分析了各扩挖洞段开挖过程中微震信息的时空演化规律。

3.1 扩挖过程微震监测信息空间演化规律

图5～图8是各扩挖洞段开挖过程中微震事件空间分布演化，每一个球体代表一个微震事件，球体大小表示微震释放能量，微震释放能量越大，球体越大。微震活动空间演化呈现出如下特征：

图5 通道A开挖微震活动空间演化Fig. 5 Spatial evolution of microseismicity in tunnel Aa. 开挖全过程； b. 0+0～0+7； c. 0+7～0+14； d. 0+14～0+20

图6 通道B开挖微震活动空间演化Fig. 6 Spatial evolution of microseismicity in tunnel Ba. 开挖全过程； b. 0+0～0+4.5； c. 0+4.5～12.5； d. 0+12.5～0+20

(3)扩挖段A和B的微震活动不活跃，大能量微震事件较少且离散分布，如图7和图8所示。

图7 扩挖段A开挖微震活动分布Fig. 7 Distribution of microseismicity at expanding section A

图8 扩挖段B开挖微震活动分布Fig. 8 Distribution of microseismicity at expanding section A

(1)通道A在开口阶段微震活动较为平静，随着开挖向原岩区域深入，微震事件数量明显增加且微震释放能量有逐渐增大的趋势，整体来看，微震事件随工作面推进主要发生在工作面附近，未出现明显的聚核现象，如图5所示。

(2)通道B微震事件在各开挖阶段均较多，值得注意的是，随着工作面的推进，微震事件仍主要发生在0+5断面附近，释放能量最大的微震事件就发生在开挖该部位时，微震活动呈现向该局部区域聚核发展的趋势，如图6所示。

3.2 扩挖过程微震监测信息时间演化规律

各扩挖洞段开挖过程中微震事件的累积数量与累积释放能量演化如图9所示。可以看出，尽管新增通道B开挖长度最小(仅为扩挖段A的1/10)，但无论微震事件总数和释放总能均最大。其中：微震事件总数接近扩挖段A的2倍，而微震释放总能高于扩挖段A约1个数量级。新增通道A微震事件总数和释放总量与扩挖段A大致相当，扩挖段B均位于最低水平。整体来看，各扩挖段微震事件数量随时间发展较为平缓，微震释放能仅新增通道B有突然增长的现象。

图9 各扩挖洞段开挖过程中微震事件的累积数量与累积释放能量演化Fig. 9 Evolution of cumulative number and cumulative energy of microseismic events during excavation process of each sectiona. 新增通道A; b. 新增通道B; c. 扩挖段A; d. 扩挖段B

从微震监测信息时空演化情况可以判断：新增通道微震活动明显强于扩挖段，新增通道B微震活动最为活跃，通道A和扩挖段A次之，扩挖段B相对平静。

3.3 扩挖过程微震信息差异分析

首先，新增通道和扩挖段的微震活动存在差异，单位开挖长度上，前者微震活动明显较后者活跃。其原因为：(1)新增通道的开挖断面面积要远大于扩挖段； (2)2#辅助隧道已开挖完成逾10年，其围岩松动范围较深，甚至可能超过了扩挖段开挖断面在隧道径向的长度，扩挖段开挖区域围岩完整性相对较差，开挖卸荷时围岩释放能量较低，相应的岩体破裂尺寸较小。

其次，新增通道A和B的微震活动整体和演化存在差异，这是因为通道B在开挖过程中0+5附近揭露了一条与其洞轴线呈小夹角的陡倾结构面(图10)，该不利地质结构附近在开挖卸荷作用下产生了应力集中，致使微震活动在该部位聚集且伴有大能量岩体破裂发生，从而产生了较高的岩爆风险。

4 扩挖岩爆预警结果与防控措施

4.1 岩爆预警与实际对比

基于2.2节所述岩爆预警方法与预警频次优化原则，对新增通道A和新增通道B开挖1个循环(2.5～3m)预警岩爆风险1次，各自预警了7次。其中13次岩爆预警与实际发生一致，均为预警无岩爆风险，实际亦未发生； 新增通道B岩爆预警轻微-中等岩爆风险1次，现场随后采取了相应防控措施，实际未发生，该次岩爆风险监测与防控过程见4.3节所述。扩挖段A和扩挖段B则为开挖20～30m预警岩爆风险1次，岩爆预警次数分别为9次和4次，均为预警无岩爆风险，实际亦未发生。整体来看，岩爆预警与实际发生基本一致。

4.2 岩爆防控措施设计

单从岩爆风险预警结果来看，深部地下实验室扩挖过程中岩爆风险较低，但其背后，适宜的岩爆施工设计才是关键。通过前期锦屏二级水电站引水隧洞群和地下实验室主实验厅岩爆施工丰富经验，已总结形成了深部大理岩隧道钻爆法不同等级岩爆施工方案。以中等岩爆施工洞段为例：

(1)掘进进尺控制在3m左右；

(2)开挖方式、断面形状和尺寸等暂不调整；

(3)开挖后紧跟掌子面喷钢纤维或仿钢纤维混凝土即时封闭围岩，厚度约10～15cm；

(4)紧跟布置随机水涨式锚杆，间距1m左右，梅花形布置，长度3.5m，加钢垫板，厚度10mm，边长15cm。

新增通道B是首先开挖的，其监测信息与岩爆风险对后续施工设计具有重要指导意义。从图5可以看出，在新增通道B开挖初期就呈现出微震活动活跃并聚集的特征，并发生了微震释放能为1.4×105的大尺寸岩体破裂事件，岩爆风险显示具备轻微-中等岩爆风险。参考临近主实验厅发生过多次强烈与极强岩爆，后续施工设计采用了上述中等岩爆钻爆法施工方案的(1)～(3)条，随机支护则加强为系统支护，系统布置普通砂浆锚杆和涨壳式预应力中空注浆锚杆，间距1m，梅花形布置，长度4.5～6m，加钢垫板，厚度12mm，边长20～30cm； 挂网，∅8mm，@15cm×15cm； 复喷钢纤维或防钢纤维混凝土15cm。且实施了1炮1支护，系统支护紧跟掌子面。

4.3 典型岩爆预警与防控案例

对新增通道B施工过程中发生的微震事件进行了滤噪及定位分析，获得2021年9月3日至9月8日微震事件数和能量随时间演化规律，如图9所示。2021年9月6日18时40分现场爆破后，短时间内监测到多个低能量微震事件，且在19时01分发生了一个微震能量为1.4×105J的大能量事件。整体而言，新增通道B微震事件数量增长快且累积能量处于较高水平(累积微震释放能对数(lgE/J)为5.14)。

基于以上微震活动性特征和规律，采用2.2节所述岩爆预警方法， 9月7日预警有轻微-中等岩爆风险(IRSM-JPDSS-YB-RB-003报告)。岩爆预警经业主、设计和施工方，现场及时采取了4.2节所述岩爆施工方案，如下措施：加强支护，随机支护变为系统支护，且实行1炮1支护。采取措施后，获得如下效果：

(1)有效降低微震活动程度，如图11所示，微震事件数和能量都表现为明显的降低。微震活动整体趋于平静。

(2)有效避免了岩爆发生。岩爆风险预警等级为轻微-中等岩爆，实际无岩爆。

正是在所制定的岩爆施工方案实施情况下，开挖所诱发的岩体破裂活动得到了很好的控制，后续微震监测结果均显示岩爆风险较低，这表明所设计的岩爆风险防控措施是适宜的，有效控制了锦屏大设施开挖过程的岩爆风险。

5 结 论

本文围绕CJPL-Ⅱ非对称扩挖监测预警与防控技术开展了相关研究，获得了如下成果：

(1)建立了深部地下实验室相邻同向短洞室固定式和单侧相向扩挖移动式微震传感器阵列优化布置方法，准确连续获取了CJPL-Ⅱ扩挖全过程的岩体微破裂演化信息； 采用了基于微震监测信息的钻爆法岩爆预警法，构建了基于岩爆风险程度的岩爆预警频次优化原则，实现了CJPL-Ⅱ扩挖过程的岩爆风险实时动态预警，潜在岩爆发生区域与等级预警与实际情况吻合良好。

(2)揭示了CJPL-Ⅱ扩挖各洞段开挖过程微破裂时空演化规律，新增通道微震活动较扩挖段更为活跃，岩爆风险亦更高，扩挖微震活动活跃程度与空间集聚特征受扩挖断面尺寸，扩挖深度以及结构面影响。

(3)提出了针对性的CJPL-Ⅱ扩挖岩爆防控措施，在微震监测结果显示CJPL-Ⅱ扩挖存在中等岩爆风险的基础上，优化了现有中等岩爆洞室施工的支护参数与时机，典型岩爆预警与防控案例验证了其有效性，保障了CJPL-Ⅱ扩挖安全顺利完成。