揭秉輝，趙周能，陳炳瑞，肖亞勛，豐光亮

（1.二灘水電開發(fā)有限責任公司，成都 610051；2.東北大學資源與土木工程學院，沈陽 110819；3.中國科學院a.武漢巖土力學研究所；b.巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071）

基于微震監(jiān)測技術的深埋長大隧洞群巖爆時空分布規(guī)律分析

揭秉輝1，趙周能2，陳炳瑞3a，3b，肖亞勛3a，3b，豐光亮3a，3b

（1.二灘水電開發(fā)有限責任公司，成都 610051；2.東北大學資源與土木工程學院，沈陽 110819；3.中國科學院a.武漢巖土力學研究所；b.巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071）

以錦屏二級水電站深埋引（排）水隧洞群為工程背景，介紹了微震監(jiān)測系統(tǒng)的組成，并根據(jù)隧洞工程的特點，優(yōu)選出緊跟掌子面移動整體協(xié)同傳感器優(yōu)化布置方案；利用現(xiàn)場微震數(shù)據(jù)，探討了微震事件和巖爆的時空相關性。研究結果表明：微震活躍及平靜時段與巖爆顯現(xiàn)頻繁及稀少時段相吻合，微震事件和巖爆的空間分布規(guī)律相一致，表明微震事件時空演化規(guī)律與巖爆時空分布規(guī)律具有良好的相關性。通過分析和研究微震事件時空分布規(guī)律，可以對巖爆災害進行有效預測，為巖爆防治提供科學依據(jù)。

巖石力學；微震監(jiān)測；巖爆；時空分布；深埋隧洞

1 研究背景

巖爆是巖體中聚積的高彈性應變能的一種具有代表性的釋放現(xiàn)象，常伴隨巨響和巖片飛散［1］，直接威脅著現(xiàn)場施工人員及設備的安全，影響工程進度，嚴重時常造成地下工程的災害性破壞，甚至造成巨大的人員傷亡，已成為世界性的深埋地下工程難題之一。研究發(fā)現(xiàn)［2－4］，巖爆災害一般發(fā)生于高地應力條件下硬脆巖體地下工程。而錦屏二級水電站深埋長大引（排）水隧洞群最大埋深達2 525 m，具有埋深大、地應力高、圍巖完整性好且強度高的特點，存在強－極強巖爆風險，故其施工安全及進度面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，十分有必要加強巖爆預測，工程實踐表明［5－13］，微震監(jiān)測技術是一種有效的巖爆預測方法。該技術是基于聲發(fā)射學和地震學的一門高科技監(jiān)測技術，能對巖體漸近破壞的整個過程進行實時動態(tài)監(jiān)測。

眾所周知，硬脆巖石變形破壞的過程實質上是巖石材料中微破裂的萌生、擴展、相互作用直至最后貫通的動態(tài)演化過程，并以彈性波形式釋放積聚的彈性應變能。這種因產(chǎn)生微破裂而釋放的彈性波常稱為微震或聲發(fā)射，顯然，微震事件蘊含了巖體變形破壞及巖體裂紋活動的信息，其位置和強度反映了巖體內發(fā)生的變形或破壞的位置和強度。而巖爆的孕育發(fā)生過程是巖爆區(qū)微破裂持續(xù)演化最后導致突變的過程，且不同孕育階段存在著不同的微震特征［14］。所以，通過綜合分析微震事件時空演化規(guī)律，可準確推斷震源（破裂源）應力狀態(tài)隨時間的演化過程，進而分析巖體穩(wěn)定性及其發(fā)展趨勢，并在此基礎上，評估巖爆風險。

2010年9月，錦屏二級水電站引進了南非ISS國際公司生產(chǎn)的微震監(jiān)測系統(tǒng)，對引（排）水隧洞群施工過程中的巖爆風險進行實時動態(tài)監(jiān)測。本文以輔引1與輔引2施工支洞之間（引（3）7＋344～8＋529）的5條引（排）水洞強巖爆段（以下簡稱監(jiān)測區(qū)域，見圖1）為工程背景，利用實時連續(xù)采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，探討微震事件與巖爆時空分布規(guī)律的相關性，為巖爆預測及防治提供科學依據(jù)。

2 微震監(jiān)測系統(tǒng)及傳感器優(yōu)化布置

2.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測區(qū)域屬深埋硬脆大理巖，工程地質賦存條件極為復雜，原始地應力高，巖爆發(fā)生地點具有“隨機性”、孕育過程具有“緩慢性”、發(fā)生過程具有“突發(fā)性”的特點。通過綜合分析目前國內外主流微震監(jiān)測系統(tǒng)的技術性能，并結合監(jiān)測區(qū)域自身特點，最終選擇數(shù)字化、智能化和高分辨率的ISS微震監(jiān)測系統(tǒng)，它以在線微震事件采集、處理、分析和可視化為特點進行巖體穩(wěn)定性監(jiān)測。本套微震監(jiān)測系統(tǒng)主體上由洞外監(jiān)測控制中心、洞內數(shù)據(jù)采集儀（GS）及傳感器等組成，見圖2。各傳感器捕捉的微震信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集儀（GS）采集后，再通過網(wǎng)絡傳輸?shù)剿矶赐獗O(jiān)測控制中心，技術人員在控制中心完成數(shù)據(jù)處理與分析，進行巖爆風險評估，并將分析結果及時提交決策部門，為巖爆的防治提供決策依據(jù)；同時，通過監(jiān)測控制中心監(jiān)測和控制系統(tǒng)運行狀況。微震監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要有：①實時控制系統(tǒng)軟件（RTS）：控制和管理微震監(jiān)測系統(tǒng)的運行；②微震數(shù)據(jù)處理軟件（JMTS）：對采集的地震波進行分析、處理和參數(shù)計算；③微震數(shù)據(jù)顯示軟件（JDI）：在三維窗口中顯示微震數(shù)據(jù)及其各類圖像，提供多種參數(shù)的時間序列曲線和圖表。

2.2 傳感器優(yōu)化布置方案

在鉆爆法施工洞段，掌子面近區(qū)易受到爆破飛石、爆破震動及空氣沖擊波的影響；另外，因受爆破頻繁震動的影響，距掌子面越近，巖爆風險越高。因此，為了既確保人員安全，又避免監(jiān)測設備被損壞或失效，經(jīng)綜合分析比較后，選擇緊跟掌子面移動整體協(xié)同傳感器優(yōu)化布置方案：

（1）距掌子面約70 m處布置第1組（共4個，編號D1－1至D1－4）傳感器，見圖3。其中D1－1、D1－3及D1－4為單向速度型，鉆孔深度3m，鉆孔直徑不低于51 mm；D1－2則為三向加速度型，鉆孔深度3m，鉆孔直徑不低于75 mm。由圖3可見，各傳感器在空間上錯開式布置，不同類型傳感器相互協(xié)同工作，可以有效提高定位精度。

圖1 考察范圍3＃引水隧洞縱剖面圖Fig.1 Vertical section diagram of diversion tunnel 3＃in themonitoring area

圖2 微震監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.2 Sketch ofm icroseism icmonitoring system

圖3 傳感器優(yōu)化布置Fig.3 Optim ized layout of sensor placement

（2）當?shù)?組傳感器距離掌子面約110 m時，安裝第2組傳感器（共4只，編號D2－1至D2－4），其中傳感器類型及布置方式與第1組相同。

（3）當?shù)?組傳感器距掌子面約150 m時，將其回收并移至距當前掌子面70 m處。

（4）隨著掌子面的推進，重復上述步驟，使2組傳感器交替前移。

3 微震事件與巖爆時空分布規(guī)律的相關性

3.1 微震事件與巖爆的時間相關性

圖4是2010年10月至2011年11月，監(jiān)測區(qū)域累積微震事件隨時間演化規(guī)律圖?？梢?，2010年10月至2011年2月，以及2011年6月至11月2個時間段的累積微震事件隨時間呈明顯的遞增趨勢，這表明監(jiān)測區(qū)域微震活動十分活躍，潛在巖爆風險非常高，對施工安全產(chǎn)生嚴重威脅。而2011年3月至5月，累積微震事件隨時間演化曲線較平緩，遞增幅度小，表明該時間段微震活動平靜，總體巖爆風險低。

圖4 監(jiān)測區(qū)域累積微震事件隨時間演化規(guī)律圖Fig.4 Evolution of accumulatem icroseism ic events in themonitoring area

由圖5可見，2010年10月至2011年2月，巖爆最多，共55次；2011年6月至11月次之，共27次；2011年3月至5月最少，僅6次。

圖5 監(jiān)測區(qū)域巖爆隨時間分布圖Fig.5 Rockburst tem poral distribution in themonitoring area

圖6 監(jiān)測區(qū)域微震事件平面投影及巖爆分布Fig.6 The p lane distribution ofm icroseism ic events and rockbursts in themonitoring area

對比圖4和圖5可以看出，微震活躍及平靜時段與巖爆顯現(xiàn)頻繁及稀少時段相一致，表明監(jiān)測范圍累積微震事件和巖爆隨時間演化遵循相同的規(guī)律。

3.2 微震事件與巖爆的空間分布相關性

圖6為監(jiān)測區(qū)域微震事件平面投影及巖爆分布圖，圖6（a）中球體顏色代表微震事件震級大小，顏色越鮮艷震級越大；球體大小表示事件的釋放微震能大小，球體越大釋放能量越多。由圖6（a）可見，2＃，4＃引水隧洞累積微震事件最多且分布集中，產(chǎn)生眾多震級較大事件；1＃，3＃引水隧洞次之，排水洞最少且離散。由圖6（b）可見：巖爆分布基本遵行相同的規(guī)律，即2＃，4＃引水隧洞巖爆次數(shù)最多且等級高，其次為1＃，3＃引水隧洞，而排水隧洞最少、等級最低。從圖6（a）、（b）還可看出：微震事件集中區(qū)域與巖爆分布區(qū)域相吻合。根據(jù)以上分析可以得出，微震事件空間分布規(guī)律與巖爆分布規(guī)律基本一致，表明微震事件與巖爆空間分布具有良好的相關性。

4 結 論

以錦屏二級水電站深埋引（排）水隧洞群強巖爆段為工程背景，根據(jù)隧洞工程特點，優(yōu)選出緊跟掌子面移動整體協(xié)同傳感器優(yōu)化布置方案；基于對現(xiàn)場微震數(shù)據(jù)的分析得出：微震活躍及平靜時段與巖爆顯現(xiàn)頻繁及稀少時段相吻合，微震事件和巖爆的空間分布規(guī)律相一致。這表明微震事件時空演化規(guī)律與巖爆時空分布規(guī)律具有良好的相關性，通過分析和研究微震事件時空分布規(guī)律，可以對巖爆災害進行有效預測，為巖爆防治提供科學依據(jù)。

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（編輯：劉運飛）

Regularity of Spatio-Tem poral Distribution of Rockburst in Deep-Buried Long Tunnels Based on M icroseism ic M onitoring Signals

JIE Bing-hui1，ZHAO Zhou-neng2，CHEN Bing-rui3，4，XIAO Ya-xun3，4，F(xiàn)ENG Guang-liang3，4
（1.Ertan Hydropower Development Co.，Ltd.，Chengdu 610051，China；2.School of Resource and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China；3.Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China；4.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China）

Themicroseismic monitoring system used in the deep-buried diversion and drainage tunnels of Jinping-II hydropower station is introduced.An optimized layout of sensors working together with each other and keeping up with themovement ofworking face is proposed in line with the characteristic of tunnel excavation.The spatio-temporal evolution relation between microseismic event and rockburst is discussed.Results show that the active and quiet periods ofmicroseismic activity coincide respectively with the frequent and rare rockburst-occurring periods，and the space distribution feature ofmicroseismic events is similar to that of rockburst.The spatio-temporal evolution ofmicroseismic events correlateswell with the distribution features of rockburst.Therefore，it is possible and feasible to forecast rockburst disaster by the analysis and research on spatio-temporal evolution ofmicroseismic events，which can provide scientific basis for rockburst prevention.

rock mechanics；microseismicmonitoring；rockburst；spatio-temporal distribution；deep-buried tunnel

TU45

A

1001－5485（2012）09－0069－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.09.016

2012－03－22；

2012－05－17

國家自然科學基金資助項目（50909092）；湖北省自然科學基金（2009CDB120）

揭秉輝（1969－），男，江西南豐人，教授級高級工程師，主要從事巖石力學與災害防治方面的研究工作，（電話）0834－6768046（電子信箱）jiebinghui＠ehdc.com.cn。

趙周能（1976－），男，廣西桂林人，講師，博士研究生，主要從事采礦及深部巖石力學的研究工作，（電話）024－83671693（電子信箱）461228604＠qq.com。