某深埋凝灰质砂岩隧洞破坏特征及微震演化规律

2024-01-26朱马哈提姚志宾

水利规划与设计 2024年1期

董栋，陈松，王建，朱马哈提，姚志宾

(1.新疆水发建设集团有限公司，新疆乌鲁木齐 830000；2.东北大学辽宁省深部工程与智能技术重点实验室，辽宁沈阳 110819)

0 引言

“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”，近年来，我国深部岩石工程如矿山、油气开发、交通隧道、引水隧洞等发展迅速。岩石工程进入深部，面临高地应力、高温、高渗透压和强扰动的力学环境，施工难度和成本增加，存在较大安全风险，许多专家学者针对上述问题展开研究，使得深部工程施工技术迅速发展，对深部岩石工程灾害的认识更加清晰，防治手段进一步丰富。

机械化、智能化发展成为我国深部岩石工程趋势[1-3]。随着经济技术水平和施工需求的提升，国产TBM(Tunnel Boring Machine，全断面掘进机)设计制造技术不断突破、日趋成熟，且实现部分智能化[4-6]，相较进口TBM，国产TBM设备性能指标已达到或超过国际同类产品[3，7]，设备价格和维护成本进一步降低；越来越多岩石工程使用TBM施工，表现出掘进、支护、衬砌一体化作业的高效优势[8-10]。

深埋岩石工程地质条件、力学环境复杂，岩爆、大变形、塌方等地质破坏严重威胁人员和设备安全[11-16]。为降低施工风险，提高支护针对性，微震监测、超前地质预报、辅助智能掘进系统得到广泛应用[17]，例如，某工程在施工中遇到构造引起的塌方、岩爆、大变形、突涌水等地质灾害，使用地质调查法、三维地震波、激发极化法、超前地质钻探法进行超前地质预报，使用微震监测进行预警，综合预报准确率达到96%以上，保证了TBM施工洞段的施工安全与工期安全，取得了很好的经济效益和社会效益[18]；徐飞[19]等建立掘进特征参数与围岩级别线性回归预测模型的方法，找到了可以实时反映施工围岩变化的掘进特征参数，对于动态识别围岩、及时调整掘进参数具有重要意义。在破坏识别与防治技术方面，冯夏庭[20]等按发生时间和空间分布分别将岩爆分为3种类型，基于微震活动时空演化规律分析了岩爆孕育过程，并指出在大多数情况下，利用微震监测信息，可对岩爆的位置和岩爆等级进行预警；姚志宾[21]等利用微震监测，对岩性界面区域围岩破坏与受力特征进行了研究，提出了支护措施优化建议。王军[22]等基于岩性、地质及微震活动特征，建立了地质灾害类型判别方法；谭双[23]等构建微震监测系统，研究了塌方孕育过程微震活动时空演化规律，为深部塌方灾害的预警和防治提供参考；陈庆[24]等通过对塌方原因分析，总结了某隧道喷射混凝土加固塌方洞穴、密排柔性钢架法通过塌方段及超前小导管注浆法加固塌方区周边围岩塌方治理技术；李吉艳[25]等研究了工程地质灾害发生情况及其与围岩等级及出水量的关系，分析了地质灾害监测技术的适用性及应用情况。

上述研究说明，基于地质特征和微震监测信息，可以实现对不同类型破坏的判识，能够对现场施工和支护措施提供有效指导。为研究某深埋凝灰质砂岩TBM隧洞破坏判识方法，本文选取该隧洞K185+400—K185+800共400m长洞段为研究区域，连续开展微震监测，以现场地质踏勘资料和掘进参数为基础，总结不同类型破坏的特征，分析地质特征、掘进参数与破坏特征的相关性；结合微震监测信息，研究不同类型破坏分布与微震活动时空演化的对应关系，总结不同类型破坏的微震活动特征。

1 工程背景

图1 地质纵剖图

该隧洞掘进时，围岩完整性变化较快，破坏特征和规模变化较大，存在安全风险，支护方案选取困难，施工成本增加，针对该隧洞破坏特征和规律展开研究十分必要。

2 不同类型破坏特征

2.1 地质特征

研究区域(K185+400～K185+800)埋深600～615m，变化幅度2.50%，起伏较小，岩性、岩体结构与工程整体情况一致，洞段开挖岩壁整体干燥，局部滴渗水，涌水量7.39～56.13m3/h。为便于描述，如图2所示，将隧洞圆形断面分为12个方位，拱顶和拱底分别对应12点和6点方位。

图2 隧洞断面图

研究区域内结构面发育，以软弱结构面为主，充填物为硅酸盐和碳质充填，特征如图3所示，局部有少量硬性结构面出现。为定量描述研究区域内结构面变化，统计了共404条结构面，并以每10m范围为研究单元，使用结构面综合密度指标分别对每个研究单元的结构面综合密度进行了计算，图4可见结构面综合密度变化规律，结构面综合密度指标计算方法，用公式表示为[26]：

图3 软弱结构面特征

图4 研究区域每10m结构面综合密度曲线图

(1)

式中，Lp—结构面综合密度；L1，L2，L3，…，Ln—包含在面积A内各结构面迹长；A—所取区域的面积。

研究区域内整体结构面发育，特别是软弱结构面发育较多，且空间分布复杂，差异明显，在此区域内容易产生多种特征和规模的破坏。

2.2 破坏特征

地质踏勘统计结果显示，研究区域内共有115处破坏，包括塌方、松弛掉块、轻微岩爆，破坏深度0.07～0.80m。如图5所示，对研究区域内不同类型破坏发生的频次进行了统计，可见破坏以松弛掉块为主，占比超过60%，局部发生有塌方，轻微岩爆发生较少，占比分别为34%和3%。

图5 研究区域内各类型破坏发生频次统计

在破坏空间分布上，松弛掉块分布范围广，局部和塌方交替发生；塌方发生位置较集中，偶尔有散发；轻微岩爆呈零星散发的特点。图6整理了研究区域内破坏分布，其中K185+400—K185+465、K185+490—K185+540、K185+615—K185+660区域破坏以松弛掉块为主，局部有塌方发生；K185+465—K185+490、K185+540—K185+570、K185+660—K185+745区域破坏以塌方为主，局部有松弛掉块或轻微岩爆发生；K185+570—K185+615和K185+745—K185+800发生破坏较少，局部有松弛掉块和塌方发生，破坏规模较小。

图6 研究区域破坏展布图

各类型破坏特征如下：

(1)松弛掉块。研究区域内破坏深度0.10～0.29m，平均深度0.18m，破坏面积0.4～17.2m2，平均面积2.0m2，破坏规模较小，破坏区域内有多条结构面穿过，破坏边界由结构面控制，呈块状破坏，破坏规模大小与结构面发育程度有关，典型破坏照片如图7(a)所示。

图7 研究区域各类型破坏典型特征照片

(2)塌方。研究区域内破坏深度0.30～0.80m，平均深度0.43m，破坏面积1.8～19.5m2，平均面积4.5m2，破坏规模较大，破坏区域内结构面发育，破坏边界由结构面控制，呈块状破坏，部分塌方中存在高应力特征，典型破坏照片如图7(b)所示。

(3)轻微岩爆。研究区域内爆坑深度0.11～0.23m，平均深度0.16m，破坏面积1.1～3.2m2，平均面积1.7m2，破坏区域内存在明显高应力特征并起控制作用，有新鲜岩面揭露，破坏呈板状、片状，破坏区域内无结构面穿过或不起控制作用，典型破坏照片如图7(c)所示。

2.3 不同破坏分布区域的地质特点

通过比较各区域地质特征与现场破坏分布，发现结构面综合密度与破坏规模和类型有相关性。

(1)K185+400—K185+465、K185+490—K185+540、K185+615—K185+660区域破坏以松弛掉块为主，局部有塌方发生。上述3个区域内，平均结构面综合密度分别为0.27、0.23、0.23m-1，结构面发育程度相近。

(2)K185+465—K185+490、K185+540—K185+570、K185+660—K185+745区域破坏以塌方为主，局部有松弛掉块或轻微岩爆发生。上述3个区域内，平均结构面综合密度分别为0.39、0.30、0.33m-1，可见结构面发育程度越高塌方发生的可能性越高。

(3)K185+570—K185+615和K185+745—K185+800发生破坏较少，破坏规模小，上述2个区域平均结构面综合密度分别为0.15、0.16m-1，说明结构面发育程度越低，围岩完整性越好，发生塌方风险越低。

通过对3种不同的破坏分布区域结构面和推进力情况的分析可知，当结构面综合密度小于0.20m-1，发生破坏规模和数量较少，塌方风险低；当结构面综合密度位于0.20～0.30m-1，发生破坏以松弛掉块为主，局部可能有塌方发生；当结构面综合密度超过0.30m-1时，存在较大塌方风险。但由于岩爆一般发生于应力集中区域，地质特征难以反映掘进区域应力集中情况，不能用于岩爆风险判识，需要结合其他监测数据同步分析。微震监测技术通过采集分析岩体内破裂信号，可以实时感知岩体内微破裂，有效反映岩体内应力集中情况，进行岩爆风险预警。

3 研究区域微震活动特征

3.1 微震监测布置

该隧洞采用SSS(SinoSeiSm)微震监测系统，连续、实时监测岩体微震信号。该系统配备8个高精度传感器，可以采集岩体内部破裂信号，依次通过信号放大器、防电涌保护卡、采集仪、光纤将数据传输至地面数据采集处理中心。

监测系统整体布置如图8所示，8个传感器分两组布置，每组交错布置在隧洞断面160°范围，第一组传感器布置于护盾尾部5m范围内，在第一组传感器后方10～20m位置安装第二组传感器，当TBM掘进超过15m，将第二组传感器移至护盾尾部5m范围内继续监测，继续掘进，两组传感器交替前移实现连续监测。

图8 微震监测系统布置图

3.2 微震活动时空演化规律

研究区域掘进过程中共采集到245个有效破裂事件，其时空分布和空间演化如图9所示，不同区域微震活动差异明显，结合现场破坏情况，可以发现微震活动分布与破坏特征存在明显对应关系。

图9 研究区域微震活动时空分布及空间演化图

(1)K185+400—K185+465、K185+490—K185+540、K185+615—K185+660区域每10m平均微震事件数分别为5.57、5.50、5.21个，每10m平均微震释放能分别为580.61、998.29、606.13J，对应现场破坏以松弛掉块为主，局部有塌方发生，无岩爆发生。

(2)K185+465—K185+490和K185+540—K185+570区域每10m平均微震事件数分别为7.33、6.75个，每10m平均微震释放能分别为2457.45、3038.17J，对应现场破坏以塌方为主，局部发生轻微岩爆。

(3)K185+660—K185+745区域每10m平均微震事件数为6.85个，每10m平均微震释放能为1418.25J，对应现场破坏以塌方为主，局部发生松弛掉块，无岩爆发生。

(4)K185+570—K185+615和K185+745—K185+800区域每10m平均微震事件数分别为2.33、3.66个，每10m平均微震释放能为283.08、267.52J，对应现场破坏数量少规模小。

通过上述分析可知，现场破坏情况与微震活动演化规律一致性较好，当每10m微震事件数少于5个，每10m微震释放能低于500J时，现场破坏数量少，规模小，以松弛掉块为主，塌方和岩爆风险均较低；当每10m微震事件数介于5～6个，每10m微震释放能介于500～1000J时，现场破坏以松弛掉块为主，塌方风险上升，岩爆风险较低；当每10m微震事件数多于6个，每10m微震释放能介于1000～1500J时，存在较大塌方风险，岩爆风险较低，同样事件数情况下，当每10m微震释放能超过1500J时，存在岩爆风险。