地下洞室群开挖卸荷过程微震活动特征研究

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(1.中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072；

2.四川中水成勘院工程勘察有限责任公司，成都 610072；

3.四川大学 a 水利水电学院；b 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)

1 研究背景

为兼顾国家节能减排的发展目标和对能源的大力需求，“十二五”规划提出积极发展水电能源的方针，我国水电事业进入前所未有的高峰期。由于西南地区大型水电项目多处于高山峡谷地区，厂房布置多数选择采用地下形式，如溪洛渡、锦屏一级、大岗山、猴子岩等。然而，受复杂而独特地质条件的制约，地下厂房的稳定问题贯穿结构设计、施工组织、支护选取甚至运营发电的始终。尤其是在开挖强卸荷以后，一些高边墙、大跨度、高地应力、软弱结构面发育的大型地下厂房变形失稳风险增加，严重影响施工进度和工程人员安全。因此，对地下厂房开挖卸荷进行稳定分析，具有十分重要的现实意义。

地下厂房传统的监测方法(多点位移计、锚杆计、外观变形监测点等)大多选取特殊断面(软弱结构面、机组断面等)的某个高程埋设监测仪器，参照应力、变形等监测数据判定地下厂房围岩的稳定状态。这种方法可以对监测点一定范围内围岩外观变形进行较好的监测，但是监测结果具有一定的空间局限性，难以实现三维“体”形式的围岩变形监测，而且对岩体内部的微破裂也难以进行有效的监测，而这些微破裂往往是宏观失稳破坏的前兆。作为一种新型的三维实时监测方法，微震监测技术能够有效获取岩体内的微破裂事件，揭示岩体的损伤演化规律，识别和圈定岩体潜在失稳破坏区域，提前对围岩宏观变形预测和预警。国内外早期的微震监测主要针对深部矿区岩体活动规律进行分析，如南非、加拿大等国的矿山[1]、门头沟煤矿[2]、凡口铅锌矿[3]、铜陵冬瓜山铜矿[4-5]等用于监测矿山地压、预测岩爆等。微震监测技术在众多预测方法中效果显著，近几年在我国水电领域逐渐推广，徐奴文等[6-7]在锦屏一级水电站左岸边坡布置了加拿大ESG微震监测系统，研究了微震事件分布和施工情况、地质条件的关系，并基于微震监测结果对边坡稳定性进行预测。冯夏庭等[8-10]基于锦屏二级水电站深埋引水隧洞和排水洞开挖过程中的大量微震监测数据，阐明掌子面附近微震活动区与岩爆之间的相互联系，并基于矩张量对深埋隧洞岩爆机制进行了分析。张伯虎等[11-12]将微震监测系统引入大岗山水电站地下厂房，结合微震事件的多项震源参数特征评价分析了地下厂房塌空区稳定性。

本文针对猴子岩水电站地下厂房开挖卸荷作用下的围岩稳定问题，引入加拿大ESG微震监测系统对围岩损伤实时反馈，通过分析地下厂房微震活动特征，初步判定围岩的潜在失稳区。借助潜在失稳区的岩体声波检测成果，解释微震聚集区围岩的卸荷损伤特征，研究结果可为地下厂房后期施工提供参考。

2 地下厂房微震活动特征

2.1 微震监测系统简介

猴子岩水电站是大渡河上游干流上的第9个梯级电站，拦河大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高223.5 m。地下厂房系统位于右岸的山体内，三大洞室平行布置如图1所示，主厂房尺寸219.5 m×29.2 m×68.7 m，主变室尺寸141.1 m×18.8 m×25.2 m，单个调压室尺寸60.00 m×23.5 m×73.975 m。地下厂房水平埋深280～510 m，垂直埋深400～660 m，厂区第一主应力多在20～35 MPa之间。主厂房开挖过程中，围岩强卸荷引起的变形严重，主厂房边墙、排水廊道等多处出现片帮，局部区域发生轻微岩爆，如图2所示。

图1 三大洞室及传感器空间布置[14]

图2 主厂房上游边墙张拉破坏

采用加拿大ESG公司生产的矿山微震监测系统，对开挖过程中的地下厂房围岩卸荷损伤实时监测分析。传感器布置如图1所示，分布于2个高程的10个加速传感器(其中1个三轴传感器，9个单轴传感器)对施工期间产生的微破裂事件实施24 h连续监测，覆盖范围主要包括主厂房、主变室的边墙顶拱以及尾调室上游侧围岩。

微震是指局部范围内岩石由于某种诱发原因(如工程开挖)在裂纹产生时以地震波形式产生的震动[13]，对地震波信息进行反演推算，可获取微震事件的时空、震级、能量以及误差等多项震源参数，根据微震事件各项震源参数信息的分布规律，分析研究围岩损伤特征，预测预报潜在失稳区域。

2.2 微震时间分布规律

微震监测系统于2013年4月12日完成调试运行，截止5月20日，在有效范围内识别得到微震事件458个。微震事件的时间分布如图3所示，微震事件数量在5月19日之前发展基本平稳，平均每天10个左右。5月19日，微震事件达到68个，聚集于2#与3#母线洞之间围岩，常规监测显示该处变形严重，主厂房开挖被迫暂停。结合2013年4月20日至5月20日现场施工资料，期间主厂房集中进行第3、第4层1 710～1 700 m高程的开挖，主变室开挖基本完成，尾调室进行第3层(1 725.5～1 719 m高程)残余部分的开挖，此外，压力管道、第2层排水洞等多个管道也处于开挖施工期，围岩开挖卸荷以后内部应力重新分布，局部范围应力集中，导致大量岩石微破裂的发生。

图3 微震事件时间分布

2.3 微震空间演化特征

图4是微震事件的空间分布规律，其中球体表示微震事件，不同颜色表示矩震级，球体大小表示地震能量。从图4可以看出，微震事件主要聚集在主厂房下游侧1#与3#母线洞之间及其上部围岩，是微震活动揭示的地下厂房潜在失稳破坏区域。图5是微震事件的密度云图，颜色越深表示聚集事件越多，图5显示微震事件在1#与3#母线洞之间聚集严重，与图4微震事件空间分布一致。图6给出1 715 m高程(岩锚梁位置)地质平切图，对比微震事件的聚集特征可以发现，1#与3#母线洞之间发育f1-1-3以及fm1，fm3等多个次级断层和软弱结构面，岩体较破碎，强度偏低，尤其是断层之间相互交汇，开挖卸荷引起应力集中，导致微破裂的萌生、发育和扩展。除此之外，主厂房与主变室开挖以后，中间墙体由于开挖临空面的产生受力状态发生变化，三维的应力状态变成二维甚至局部出现单轴受压状态，岩石出现压剪、张拉等多种形式的破坏。图4、图5微震事件的聚集和演化特征表明，1#与3#母线洞之间围岩已形成开挖诱导、断层控制的深部损伤区，需结合常规监测和地质勘探结果采取及时必要的支护措施。

图4 微震事件空间分布

图5 微震事件密度云图

图6 1 715 m高程地质平切图

深埋洞室群开挖卸荷过程微震事件的聚集和迁移规律影响因素是多方面的，包括爆破开挖过程、洞室开挖形状和尺寸、开挖顺序、结构面和地应力状态等[15]。其中，微震事件多由开挖卸荷以及卸荷后多因素相互作用引起。围岩开挖卸荷以后，局部范围内出现应力集中和能量聚集，尤其是结构面和高应力区域，应力集中和能量聚集加剧到一定程度后，导致岩石微破裂的发生并伴随地震能量的释放。

3 微震活动区的围岩质量特征

为深入研究微震活动区的岩体质量，建立微震活动与岩体卸荷松弛之间相互关系,本文借鉴物探检测成果资料，结合微震聚集区的波速特征，全面评价地下洞室群的卸荷损伤特征和稳定性。图7 为主厂房1#—4#机组中心线附近的物探检测断面声波孔布置图。

图7 主厂房声波检测孔布置

选取位于微震聚集区的下游侧1 711 m高程的岩体2013年5月左右声波测试结果，结合钻孔全景图像资料及声波测试曲线拐点，将岩体松弛划分为强松弛、弱松弛和完整岩体段，松弛带划分见图8。根据1 711 m高程松弛带的划分，对各卸荷松弛带波速进行分段统计，统计成果见表1，猴子岩地下厂房基岩为白云质灰岩、变质灰岩，完整岩块波速为6.7 km/s，取地下厂房完整岩体声波波速6.0 km/s，计算各松弛带岩体声波波速衰减率；其中强松弛带岩体声波波速3.5～3.8 km/s，岩体衰减率35 %～45 %，弱松弛带岩体声波波速4.5～5.0 km/s，岩体衰减率15 %～25 %，完整岩体声波波速6.0 km/s左右，岩体衰减率<3 %。

图8 地下厂房下游边墙▽1 711微震聚集区声波曲线

表1 松弛区声波波速统计

综合图5微震事件密度云图、图6地质剖面图及图8物探检测成果图，结合松弛带分区结果绘制1711m高程物探检测成果平切图(如图9所示)。

图9 1 711 m高程物探成果平切图

根据1 711 m高程物探检测成果平切图可知：主厂房开挖至第4层时，围岩的强松弛深度7.0～12 m，强松弛带波速3.5～3.8 km/s；围岩的弱松弛深度10～14m，强松弛带波速4.5～5.0 km/s。微震事件密度云图表明：岩体卸荷松弛严重区域微震事件有明显聚集，结合1 715 m高程地质平切图，发育f1-1-3以及fm1，fm3等多个次级断层和软弱结构面，岩体较破碎，强度偏低，尤其是断层之间相互交汇，开挖卸荷引起应力集中，导致微破裂的萌生、发育和扩展。

由此推断，微震活动区的围岩在开挖卸荷以后，表层岩体松弛张拉变形严重，同时内部多个软弱结构面承受压剪破坏，断层活化，加剧了深部岩体损伤，岩体质量逐渐下降，演化为潜在失稳区。建议设计在开展喷锚等浅层支护的同时，增加该区域的锚索、锚筋束等深层支护措施数量，避免后期继续开挖卸荷带来的变形扩展、裂隙贯通等围岩损伤加剧问题。

4 结 论

本文基于丰富的微震监测数据，重点分析了猴子岩水电站地下洞室群开挖期间微震时空分布特征，并结合声波测试成果，探讨了微震活动与岩体质量的联系，通过对地下厂房开挖卸荷过程的稳定分析，得出以下结论：

(1)地下洞室群多区域大幅度的开挖强卸荷诱发大量岩石微破裂的产生，2013年4月12日至5月20日在有效范围内获取微震事件458个，其中5月19日微震事件达到68个，表明爆破开挖引起的围岩卸荷损伤严重。

(2)1#与3#母线洞之间及其上部围岩是监测期间微震事件的主要聚集区域，微震事件在该区域的聚集除了与该处f1-1-3，fm1，fm3等多个断层活化有关，开挖形成的围岩空间结构也影响围岩的受力状态，围岩周围多个临空面不利于围岩稳定。建议对该区域增强支护的同时，深入开展地质勘查和研究，加深了解围岩损伤变形机制。

(3)微震活动区的岩体平均波速偏低、完整性较差、松弛深度大，断层控制区形成低波速带。通过对微震活动区的岩体声波质量检测结果分析，建立微震聚集与岩体质量之间的联系，也为地下洞室开挖卸荷的稳定预测研究提供了一条新的思路。

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