于 洋

(華東交通大學(xué)，土木與建筑學(xué)院巖土工程研究所，江西南昌330013)

巖體隧洞巖爆過(guò)程微震特征及其擴(kuò)展機(jī)制

于 洋

(華東交通大學(xué)，土木與建筑學(xué)院巖土工程研究所，江西南昌330013)

基于深部巖體隧洞不同開挖方式下的巖爆現(xiàn)場(chǎng)情況及微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確立了最大能量微震事件巖爆發(fā)生時(shí)間、等級(jí)的判定標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)深埋隧洞即時(shí)型巖爆的孕育及發(fā)生過(guò)程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：即時(shí)型巖爆孕育過(guò)程中圍巖巖體處于破壞加速集聚并不斷擴(kuò)展的過(guò)程，此過(guò)程中微震事件數(shù)量不斷增加、能量參數(shù)不斷增大，當(dāng)巖爆發(fā)生時(shí)達(dá)到最大值；TBM開挖過(guò)程可近似為準(zhǔn)靜態(tài)卸荷，受到開挖方式的影響其裂隙擴(kuò)展范圍相對(duì)較小，圍巖承載力也較強(qiáng)；而鉆爆法開挖是初始應(yīng)力的動(dòng)態(tài)卸荷，爆破沖擊荷載造成的裂隙擴(kuò)展范圍較大，同時(shí)其圍巖儲(chǔ)能能力相對(duì)較差。

深埋隧洞； 微震事件； 即時(shí)型巖爆； TBM； 鉆爆法

深部巖體隧洞開挖過(guò)程中，圍巖應(yīng)力的分布特征與開挖方式之間具有密切的關(guān)系。Abuov等[1]的研究成果表明，鉆爆法開挖會(huì)在掌子面附近的圍巖中激發(fā)應(yīng)力波，同時(shí)造成圍巖巖體的損傷，在炸藥爆破荷載的作用下其初始應(yīng)力屬于高速的動(dòng)態(tài)卸載過(guò)程；Cai[2]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)深部巖體隧洞爆破開挖時(shí)，瞬時(shí)(爆破作用)開挖會(huì)導(dǎo)致隧洞圍巖邊界上不平衡力的大量分布，進(jìn)而導(dǎo)致部分圍巖應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為巖體動(dòng)能，需要一段時(shí)間的應(yīng)力調(diào)整才能使其耗散；盧文波等[3]指出，中、高地應(yīng)力條件下爆破開挖所產(chǎn)生應(yīng)力波是導(dǎo)致圍巖開挖松動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因；嚴(yán)鵬等[4]運(yùn)用Laplace變換的計(jì)算方法，推導(dǎo)出了基于彈性本構(gòu)模型的全斷面爆破開挖方式下隧洞圍巖應(yīng)力調(diào)整的解析解，其研究成果表明，對(duì)于TBM(準(zhǔn)靜態(tài)卸載過(guò)程)和鉆爆開挖過(guò)程(動(dòng)態(tài)卸載過(guò)程)，隧洞圍巖經(jīng)歷兩種截然不同的應(yīng)力調(diào)整路徑。綜上所述，鉆爆法與TBM兩種不同開挖方式下隧洞圍巖應(yīng)力的調(diào)整方式截然不同，因此其微震活動(dòng)性也應(yīng)該表現(xiàn)出不同的特征。

從已有文獻(xiàn)來(lái)看，在針對(duì)巖爆孕育過(guò)程方面的研究中，未考慮到開挖方式的影響。深埋隧洞施工過(guò)程主要有鉆爆法及TBM兩種開挖方式，不同開挖方式下在微震監(jiān)測(cè)方法、掌子面的應(yīng)力路徑及彈性應(yīng)變能釋放方式等方面都具有顯著區(qū)別[5-6]。本文運(yùn)用微震監(jiān)測(cè)的研究手段，基于錦屏二級(jí)水電站不同開挖方式下的巖爆典型案例，對(duì)其孕育及發(fā)生過(guò)程中圍巖裂隙的演化規(guī)律及擴(kuò)展機(jī)制進(jìn)行了對(duì)比分析，其研究結(jié)果可為深埋隧洞不同開挖方式下巖爆風(fēng)險(xiǎn)的控制提供依據(jù)。

圖1 錦屏二級(jí)水電站位置Fig.1 Location of diversion tunnels of Jinping Ⅱ hydropower station

1 工程概述

錦屏二級(jí)水電站(如圖1所示)位于中國(guó)四川省涼山彝族自治州境內(nèi)的雅礱大河彎處的干流上。利用雅礱江大河彎處288 m的天然落差，裁彎取直鑿洞引水發(fā)電。該水電站的裝機(jī)容量為24 800 MW，單機(jī)容量為600 MW，平均發(fā)電量242.3億kW·h，確保輸出力1 972 MW，年利用時(shí)間超過(guò)5 048 h，它是雅礱江上水頭最高、裝機(jī)容量最大的引水發(fā)電站，屬于雅礱江梯級(jí)開挖中的骨干水電站。工程樞紐主要由首部抵閘、引水系統(tǒng)以及尾部地下廠房3部分組成。水電站深埋隧道圍巖以Ⅱ，Ⅲ類大理巖為主，巖石堅(jiān)硬完整致密，少有結(jié)構(gòu)面發(fā)育，單軸抗壓強(qiáng)度為55～114 MPa，彈性模量為25～40 GPa，變形模量為8～16 GPa。施工過(guò)程中發(fā)生規(guī)模不等的巖爆數(shù)百次，巖爆發(fā)生區(qū)占隧洞總長(zhǎng)的18.68%，累計(jì)長(zhǎng)度達(dá)8 km以上，對(duì)施工進(jìn)度及工程安全造成了巨大影響。本研究根據(jù)巖爆發(fā)生時(shí)所發(fā)出的聲響級(jí)別、爆坑斷面尺寸及其孕育過(guò)程中的破壞特征，將巖爆劃分為輕微、中等、強(qiáng)烈3個(gè)級(jí)別，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)詳見文獻(xiàn)[7]。依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)縱觀整個(gè)引水隧洞的開挖過(guò)程，輕微～中等巖爆區(qū)域累計(jì)長(zhǎng)度達(dá)6 km，強(qiáng)烈的達(dá)到2 km以上。運(yùn)用南非ISS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)錦屏二級(jí)水電站深埋隧洞鉆爆法及TBM兩種不同開挖方式下的整個(gè)開挖過(guò)程展開連續(xù)性微震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究。

2 巖爆孕育過(guò)程的微震特征分析

2.1 微震事件的評(píng)價(jià)指標(biāo)

巖石破裂過(guò)程中會(huì)以彈性波的形式向外輻射能量，理論上每一個(gè)破裂產(chǎn)生時(shí)都會(huì)向外界輻射彈性波，即為一個(gè)微震事件。微震監(jiān)測(cè)過(guò)程中獲得的微震事件主要有以下兩方面評(píng)價(jià)參數(shù)：

(1)微震輻射能E巖體開裂是彈性變形向非彈性變形轉(zhuǎn)化的過(guò)程，在開裂的同時(shí)會(huì)向外界輻射能量，經(jīng)常用以描述地震發(fā)生前巖體的變化特征，微震能量的表達(dá)式為：

(1)

(2)局部震級(jí)M在地震領(lǐng)域中普遍采用震級(jí)來(lái)描述地震事件的量級(jí)，然而震級(jí)不是一個(gè)嚴(yán)格定義上的量值，有許多描述的震級(jí)尺度。采用局部震級(jí)針對(duì)巖爆震級(jí)進(jìn)行描述[8]，它綜合考慮了地震矩和微震釋放能的共同作用。微震事件的局部震級(jí)M計(jì)算公式為：

M=0.344lgE+0.516lgMS-6.572

(2)

式中：E為微震事件輻射能量值；MS為微震事件地震矩，其他各項(xiàng)常數(shù)由系統(tǒng)根據(jù)E-MS曲線經(jīng)擬合計(jì)算后給出。

2.2 鉆爆法開挖方式下微震特征分析

由于深埋隧洞開挖過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的微震事件，而一些相對(duì)很小的微震事件對(duì)工程造成的危害可以忽略，因此對(duì)所有的微震事件進(jìn)行分析大大增加了不必要的工作量。破裂產(chǎn)生得越劇烈所對(duì)應(yīng)微震事件釋放的能量越大，同時(shí)對(duì)工程的危害也就越大[9-12]，及時(shí)把握最大能量事件的演化規(guī)律對(duì)工程安全性具有重要的指導(dǎo)意義。

圖2 鉆爆法開挖誘發(fā)即時(shí)型巖爆最大微震事件演化特征Fig.2 Evolution of maximum micro-seismic events with immediate rockbursts

圖3 鉆爆法開挖無(wú)巖爆的最大微震事件演化特征Fig.3 Evolution of maximum micro-seismic events without rockburst

以爆坑中線為中心前后30 m的范圍被認(rèn)為是巖爆的有效影響范圍[13-14]，同樣基于此范圍展開微震活動(dòng)性研究(文中定義為“巖爆活動(dòng)區(qū)”)。 2011年1月5日凌晨1：00左右，當(dāng)鉆爆法開挖方式下的1-P-E工作面開挖至SK8+682時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)扒渣過(guò)程中在SK8+678南側(cè)邊墻至拱肩處發(fā)生了中等巖爆；隨后的1月11日15:30，當(dāng)1-P-E開挖到SK8+711位置時(shí)，于SK8+709南側(cè)邊墻至拱頂處發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆，巖爆最大爆坑深度為1.6 m。此次巖爆造成了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的損壞，但所幸并無(wú)人員傷亡。此次即時(shí)型中等及強(qiáng)烈?guī)r爆孕育及發(fā)生過(guò)程中最大能量微震事件及其所對(duì)應(yīng)的震級(jí)演化特征見圖2。從圖2可見，鉆爆法開挖方式下：①中等巖爆發(fā)生過(guò)程中，最大能量微震事件的能量為105～106J，震級(jí)為0～0.6；②強(qiáng)烈?guī)r爆發(fā)生時(shí)，微震事件最大能量大于106J，震級(jí)則大于0.6；③對(duì)于一個(gè)完整的巖爆孕育過(guò)程，最大能量微震事件向高能量、大震級(jí)方向移動(dòng)，當(dāng)巖爆發(fā)生時(shí)所對(duì)應(yīng)的能量、震級(jí)均達(dá)到最大值。

圖4 巖爆孕育及發(fā)生過(guò)程中微震事件變化規(guī)律Fig.4 Change law of micro-seismic events during rockbursts

2011年1月25日至2月1日期間，上述1-P-E工作面施工過(guò)程中無(wú)巖爆發(fā)生，圖3為2011年1月25日至2月1日最大能量微震事件的能量、震級(jí)演化特征。從圖3可見：無(wú)巖爆發(fā)生時(shí)，每日最大微震事件能量均小于105J；而最大震級(jí)也均小于-0.6，甚至達(dá)到了-1以下。這表明無(wú)巖爆發(fā)生時(shí)圍巖較為穩(wěn)定，僅有較小尺度的巖石破裂發(fā)生。

鉆爆法開挖方式下多次巖爆孕育及發(fā)生過(guò)程中的微震事件率隨時(shí)間變化如圖4。從圖4可見：鉆爆法開挖即時(shí)性巖爆孕育過(guò)程中巖爆活動(dòng)區(qū)的微震事件數(shù)在巖爆發(fā)生的前4日至前2日的微震事件率相對(duì)平穩(wěn)并且均小于20%，而在巖爆發(fā)生前一日微震事件率迅速上升到25%左右，巖爆發(fā)生當(dāng)天微震事件率達(dá)到最大值均約為30%。由于微震事件是圍巖破裂的真實(shí)反映，因此即時(shí)型巖爆孕育過(guò)程中的圍巖巖體主要經(jīng)歷裂隙的穩(wěn)定發(fā)展階段、加速集聚、巖爆的發(fā)生3個(gè)階段；同時(shí)說(shuō)明鉆爆法開挖下巖爆的發(fā)生主要是由于裂隙的加速積累并不斷貫通所導(dǎo)致。

2.3 TBM開挖方式下微震特征分析

TBM掘進(jìn)過(guò)程中圍巖的微震活動(dòng)性與掘進(jìn)機(jī)的開挖速率具有明顯相關(guān)性，掘進(jìn)速率減慢，圍巖的微震活動(dòng)明顯降低；掘進(jìn)速率加快，微震活動(dòng)性明顯增加；一般情況下，TBM檢修期間是微震活動(dòng)的平靜期，相對(duì)最活躍期在檢修后掘進(jìn)的4～6 h[8]。

圖5 TBM開挖即時(shí)型巖爆最大微震事件特征演化Fig.5 Evolution of maximum micro-seismic events during immediate rockbursts

2010年6月11日凌晨00∶30，TBM開挖至樁號(hào)K11+034開挖段時(shí)，于K11+040～046段南側(cè)邊墻至拱肩處發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆，此次巖爆最大爆坑深度為1.2 m，巖爆發(fā)生位置在TBM開挖卸荷效應(yīng)影響范圍內(nèi)，因此定義為典型的即時(shí)型強(qiáng)烈?guī)r爆。

此TBM誘發(fā)強(qiáng)烈?guī)r爆孕育及發(fā)生過(guò)程中的最大能量微震事件所對(duì)應(yīng)的能量、震級(jí)演化特征如圖5所示。對(duì)于深埋隧洞TBM開挖洞段有如下認(rèn)識(shí)：①無(wú)巖爆發(fā)生時(shí)，每日最大能量微震事件所釋放能量值均小于105J，震級(jí)也小于0；②有輕微及中等巖爆發(fā)生時(shí)，最大微震事件所釋放能量在105～106J，震級(jí)也基本保持在0～0.6；③強(qiáng)烈?guī)r爆發(fā)生時(shí)，最大微震事件所釋放能量達(dá)到106J，震級(jí)大于0.6。

兩種不同開挖方式下，多次不同等級(jí)巖爆孕育過(guò)程中最大能量微震事件均表現(xiàn)出上述演化特征，在此不一一舉例。無(wú)論對(duì)于TBM或鉆爆法洞段，其即時(shí)型巖爆孕育的表征形式可能不同，但破壞機(jī)制應(yīng)相同[9—10]。針對(duì)最大微震事件的研究，弱化了對(duì)表征形式的描述。TBM與鉆爆法洞段內(nèi)巖爆孕育過(guò)程的最大微震事件的演化特征基本一致。因此，微震信號(hào)的最大能量微震事件的演化特征可作為預(yù)警巖爆發(fā)生時(shí)間及等級(jí)的依據(jù)。

3 不同開挖方式下微震信息分布范圍及擴(kuò)展機(jī)制研究

圖6 2011年4月20日巖爆微震事件定位Fig.6 Micro-seismic events in rockburst area

2011年4月20日，鉆爆法開挖方式下掌子面開挖到K6+103～112位置時(shí)，掌子面靠近南側(cè)邊墻位置發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆，此次巖爆爆坑最大深度為1.1 m，爆坑呈寬9.6 m，高8 m左右的類似圓形斷面，表面起伏不定。此次即時(shí)型巖爆孕育及發(fā)生過(guò)程中此范圍內(nèi)的微震事件能量對(duì)數(shù)lgE的最大值為6.56(巖爆事件所對(duì)應(yīng)的微震能量)，最小值為0.53，其微震事件空間分布見圖6。從圖6可見，鉆爆法開挖方式下即時(shí)型巖爆孕育及發(fā)生過(guò)程中微震事件主要集中在巖爆發(fā)生區(qū)，并且沿洞徑方向主要分布在爆坑中線為中心前、后方25 m(約為2倍洞徑)范圍內(nèi)。

圖7為TBM開挖方式下2010年6月11日即時(shí)型巖爆孕育及發(fā)生過(guò)程中微震事件空間分布情況。圖8為鉆爆法以及TBM開挖方式下，巖爆活動(dòng)區(qū)累計(jì)微震能量值的變化過(guò)程。

圖7 2010年6月11日巖爆微震事件定位Fig.7 Micro-seismic events in rockburst area

圖8 不同開挖方式下巖爆活動(dòng)區(qū)微震能量變化Fig.8 Changes of micro-seismic energy in rockburst activity zone

從圖7可見，TBM開挖微震事件沿洞徑方向具有與鉆爆法不同的空間范圍，主要分布在巖爆區(qū)中心前、后方12 m(約為1倍洞徑)的范圍內(nèi)，明顯小于鉆爆法開挖。分析其原因在于：鉆爆法開挖過(guò)程可近似看作為初始應(yīng)力動(dòng)態(tài)卸荷，由于爆破荷載的沖擊作用，其造成的圍巖破損范圍較大；而相對(duì)于鉆爆法開挖方式來(lái)說(shuō)，TBM開挖過(guò)程可近似為準(zhǔn)靜態(tài)卸荷，造成的圍巖破損范圍相對(duì)較小，因此其微震活動(dòng)范圍小于鉆爆法開挖。

從圖8可見，鉆爆法開挖過(guò)程中所釋放的微震能小于TBM開挖；同時(shí)，不論對(duì)于鉆爆法還是TBM來(lái)說(shuō)，巖爆活動(dòng)區(qū)每日累計(jì)微震能量均具有在巖爆孕育過(guò)程中不斷增大，并且在巖爆當(dāng)天達(dá)到最大值的特征。

從斷裂力學(xué)的角度出發(fā)，圍巖裂隙的尺寸越小、擴(kuò)展速度越慢，在裂隙產(chǎn)生過(guò)程中所產(chǎn)生的微震能量值也就越小，靜態(tài)裂隙的擴(kuò)展過(guò)程不輻射微震能量[11]。綜上所述，TBM與鉆爆法開挖方式下巖爆過(guò)程中每日的累計(jì)微震能量釋放值均不斷增加，說(shuō)明上述兩種不同開挖方式下即時(shí)型巖爆孕育過(guò)程中，巖爆區(qū)圍巖巖體均處于破壞加速積累、不斷擴(kuò)展并相互貫通的過(guò)程；上述過(guò)程中，當(dāng)巖體破壞發(fā)展并相互貫通到一定程度時(shí)，伴隨著圍巖彈性勢(shì)能的突然釋放就會(huì)導(dǎo)致巖爆發(fā)生。同時(shí)，鉆爆法開挖方式下的累計(jì)微震能量釋放值小于TBM開挖，究其原因是因?yàn)楸坪奢d的沖擊作用在解除隧道開挖過(guò)程中的應(yīng)力集中現(xiàn)象的同時(shí)，破壞了圍巖巖體的完整性，相對(duì)降低了圍巖儲(chǔ)能能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)深埋硬巖隧洞鉆爆法及TBM兩種不同開挖方式下的巖爆情況及現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合分析，并對(duì)即時(shí)型巖爆的孕育及發(fā)生過(guò)程進(jìn)行了研究分析，得出以下結(jié)論：

(1)不論是鉆爆法還是TBM開挖，每日最大能量微震事件均小于105J，震級(jí)也小于0時(shí)，無(wú)巖爆風(fēng)險(xiǎn)；每日最大能量微震事件在105～106J，震級(jí)也基本保持在0～0.6時(shí)，具有輕微及中等巖爆發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)；每日最大能量微震事件達(dá)到106J，震級(jí)大于0.6，則具有強(qiáng)烈?guī)r爆發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

(2)兩種不同開挖方式下即時(shí)型巖爆的孕育過(guò)程中，巖爆區(qū)圍巖巖體處于破壞加速集聚并不斷擴(kuò)展的過(guò)程；此過(guò)程中微震能量參數(shù)不斷增大，同時(shí)每日最大能量微震事件向高能量、大震級(jí)方向移動(dòng)，當(dāng)巖爆發(fā)生時(shí)，最大能量微震事件所對(duì)應(yīng)的能量、震級(jí)均達(dá)到最大值。

(3)TBM開挖過(guò)程可近似為準(zhǔn)靜態(tài)卸荷，造成的圍巖裂隙擴(kuò)展范圍相對(duì)較小，同時(shí)圍巖也具有較高的承載力；而鉆爆法開挖過(guò)程為初始應(yīng)力的動(dòng)態(tài)卸荷，爆破沖擊荷載可造成大范圍的裂隙擴(kuò)展，同時(shí)降低了圍巖儲(chǔ)能能力。

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Characteristics and evolution mechanism of micro-seismic events of rockbursts in deep rock tunnels

YU Yang

(DepartmentofGeotechnicalEngineering,CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang330013,China)

The micro-seismic monitoring data obtained from the rockbursts in the deep rock tunnels excavated by the drill-and-blast and tunnel boring machine (TBM) methods are analysed, and the analysis results concerning the daily maximum micro-seismic energy can be used as a basis for estimating the time and intensity of the rockbursts. The processes of immediate rockbursts with different excavation methods are compared, and the distribution characteristics of the micro-seismic imformations are analyzed. The analysis results show that the damage of the rock mass is gathering and expanding in the processes of the immediate rockbursts, and that the number and energy release of the micro-seismic events increase continuously before the rockburst happens and totally increase to a critical value when the rockburst happens: the TBM excavation involves a quasi-static unloading whose damage is to the local area, the bearing capacity and the storage capacity of the energy of the surrounding rock are stronger; and an initial in-situ stress of the tunnel face during TBM excavation consists of the dynamic unloading stress fields whose damage range is more wide, and the bearing capacity and the storage capacity of the energy of the surrounding rock are relatively poor. The analysis results not only help to understand the law of each rockburst, but also provide a reasonable scientific basis for prediction and prevention of the rockbursts in the deep rock tunnels under different excavation conditions.

deep tunnels; micro-seismic events; immediate rockbursts; tunnel boring machine (TBM); drill-and-blast method

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.01.004

2016-01-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51509092)

于 洋(1982—)，男，黑龍江安達(dá)人， 講師, 博士，主要從事深部巖體力學(xué)方面的研究。 E-mail: lukeryuyang@163.com

TU45

A

1009-640X(2017)01-0026-06

于洋. 巖體隧洞巖爆過(guò)程微震特征及其擴(kuò)展機(jī)制[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2017(1): 26-31. (YU Yang. Characteristics and evolution mechanism of micro-seismic events of rockbursts in deep rock tunnels[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(1): 26-31. (in Chinese))