深埋隧洞岩爆微震监测预警技术

马天辉， 刘 飞， 唐春安

（大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024）

0 引 言

近年来，我国多个大型水利水电工程投入建设，以“长、大、深、群”为特点的地下工程如隧洞和硐室进入施工。深部岩土工程地质灾害日益増多，岩爆问题尤为突出，岩爆不仅影响施工进度，而且严重威胁工程设备与施工人员的安全，已成为制约深埋隧洞安全、高效施工的瓶颈问题。2009 年11 月28 日雅砻江锦屏二级水电站排水洞在施工过程中突发极强岩爆，隧洞支护系统严重毁损导致大面积塌方，塌方总量约400 m3，TBM设备被完全掩埋，并造成了7 人遇难，1 人受伤的灾难性后果［1］。

岩爆是高地应力地下工程开挖卸荷过程中，存储在硬岩中的弹性应变能突然释放致使岩体失稳的动力现象。国内外学者对岩爆机理和预警的探索主要集中于理论研究、实验室试验、数值模拟和现场试验。理论研究方面，Hoek等［2］提出了经验性强度破坏准则，认为岩爆是围岩的集中应力达到岩体强度极限而产生的突然破坏；刚度理论源于刚性压力机，Cook［3］使用铜管加大试验机刚度，发现若试验机刚度足够大，岩石在达到峰值强度后发生稳定破坏，若试验机刚度低于岩石后期变形刚度，则发生不稳定破坏；Cook 等［4-5］提出的能量理论认为随着采场范围扩大，围岩中能量不断累积、释放和转移，若岩体破裂释放的能量高于其破坏过程中所需能量，则出现岩爆；谢和平等［6］提出岩爆的分形几何理论，微震事件分形维数降低是岩爆发生的前兆。在实验室试验研究方面，Pettit等［7］通过含平行裂纹的砂岩压缩实验，研究了岩体结构破坏前的声发射特征；何满潮等［8］开发了冲击岩爆试验系统，获得了岩爆全过程三向应力-应变曲线和围岩剥离、弹射等特征现象；宫凤强等［9］选用14 种岩石进行单轴压缩一次加卸载试验，发现储能系数为定值的线性储能规律，进而判定岩石的岩爆倾向性。在数值模拟方面，朱万成等［10］采用RFPA 程序模拟了动态压缩应力波对巷道失稳的扰动效应；徐士良等［11］通过颗粒流法模拟了岩爆发生的过程，发现岩爆是由细观损伤发展到宏观破坏的渐进发展过程；葛德治等［12］使用DDA 方法对岩爆前兆信息进行数值模拟，提出了正规化动能指标来量化岩体破裂速率。现场试验如电磁辐射法［13］、钻屑法［14］、声发射法［15］、微重力法［16］和超前地质预报法［17］等在岩爆监测预警方面取得一些成果，但没有一种方法被证明是可靠的。

微震监测作为一种岩体微破裂监测地球物理方法多应用于煤矿冲击矿压监测，近年来开始应用于水电工程。微震监测能捕捉岩石微破裂的时间、位置和震级，定量分析微震事件震源参数为岩爆预测提供重要依据。Tang等［18］引进加拿大ESG 微震监测设备，首次将微震监测技术应用于锦屏二级水电站深埋隧洞的岩爆监测预警。马天辉等［19］对锦屏二级水电站岩爆高发段进行微震监测预警，揭示了微震的时空演化与岩爆之间的关系。文献［20-21］中使用微震监测研究了锦屏二级水电站深埋隧洞的岩爆发生规律，将岩爆划分成即时型和时滞型。李桐等［22］使用微震监测研究了川藏铁路拉林段控制性工程巴玉隧道岩爆位置偏转规律。

1 微震监测原理及系统构建

1.1 微震监测原理

岩石是一种非连续、各向异性的天然非均质材料，岩体更是包含大尺度的地质缺陷，如断层、层理和褶皱等。开挖卸荷扰动导致岩体的应力重新分布，从而在高应力区会产生微破裂（微震事件），集聚在岩体内的弹性能以地震波的形式向外释放，并可以被周围以一定的网度布置传感器阵列接收（见图1），通过配套软件可以计算微破裂发生的时间、位置和震级。假设岩体中微破裂坐标为（x，y，z），发生时刻为t，第i个传感器坐标为（xi，yi，zi），传感器的触发时刻为ti，地震波速度为v，则震源和第i个传感器间的走时方程为：

图1 微震监测原理示意图

当微震信号被至少4 个传感器接收时，可通过式（1）迭代求解震源的位置及发生时刻。每个微震事件都包含丰富的反映岩体应力应变状态的信息，如能量、震级、震源半径、视应力和视体积等震源参数。通过分析微震的集聚规律能够判断微破裂分布的密集程度和微裂隙的产生、扩展和贯通成大尺度破裂的发展规律。震源参数的变化能够反演破裂尺度和震源附近岩体应力应变状态的变化，进而对岩体发生岩爆的位置和强度进行推断预测。

1.2 隧洞微震监测系统构建

加拿大Engineering Seismology Group（简称ESG）公司生产的微震监测设备主要包括加速度传感器、Paladin数字信号采集系统和Hyperion 数字信号处理系统。隧道微震监测拓扑图如图2 所示。6 个加速度传感器对隧洞掌子面的开挖扰动进行24 h 连续监测，传感器将接收到微震信号转换成模拟信号，经电缆线传输至Paladin，再由24 位A/D 转换器转换成数字信号，为保证长距离传输信号的完整性，采用光纤将信号传输至Hyperion。被Hyperion保存的微震事件可通过网络共享到项目部或大连数据分析中心。传感器沿隧洞轴向间隔为30 ～50 m，为保证传感器的测试精度和传输线路不被掌子面爆破剥落飞石毁坏，传感器阵列距掌子面距离约为50 m，为了保证对掌子面开挖卸荷造成的围岩微破裂的连续监测，传感器阵列随掌子面移动30 ～50 m向前挪动1 次。微震事件包含完整的波形和波谱分析图，通过ESG微震系统配套软件可确定微震事件的发生时间、空间和强度等震源参数信息，通过深度分析微震事件时空分布规律和震源参数信息的演化规律可反演岩体应力状态的变化，进而评估岩体稳定性状态，并将最终结果发送总工程师。

图2 微震监测系统拓扑图

图3 各种声音信号波形比较

地下工程环境复杂，施工工序繁多导致微震监测系统记录了大量的背景噪声和其他无用震动信号，如爆破、电流干扰、汽车鸣笛和TBM 掘进等。若将噪声信号处理成有效微破裂信号会严重影响微震监测结果，因此需要对噪声信号进行排除以确保岩爆预测的可靠性。

图3 为锦屏二级水电站深埋隧洞常见的震动信号。图3（a）为岩石微破裂信号，纵波（P波）在岩石中的传播速度大于横波（S 波）的传播速度，因此P 波初至时间先于S波，此时微破裂波形的振幅较小，当S波被传感器接收时，由于P波和S 波的叠加作用导致波形的振幅明显增大至0.48 V，微破裂信号尾波发育，持续时间较长。图3（b）为电流干扰信号，该信号为较规则周期持续性信号，频率为50 Hz左右，与交流电频率相近，信号振幅较小为-13 mV。图3（c）为汽车鸣笛信号，该信号沿时间轴呈条带状分布，波形振幅逐渐增大到0.99 V 后迅速衰减。图3（d）为TBM 掘进波形，该信号没有明显规律，P波和S 波到达时间难以确定，振幅为-0.35 V。图3（e）为爆破波形，持续时间长（波形记录时间系统设定为200 ms），强度高，最大振幅为6.4 V，衰减小。

1.3 微震监测预报岩爆有效性分析

矿山微震监测系统通常将传感器布置于不同高程的矿体之中，传感器形成立体阵列以包络目标监测区域，震源位置被传感器阵列包围，震源定位位置为以传感器为球心的多个球的交点，当存在认为定位误差时，震源定位位置偏移到真正震源位置附近，因此立体传感器阵列有利于提高微震事件定位精度。相较于矿山工程，隧洞可以简化为线状工程，传感器布置于隧洞的边墙上，震源位置一般在传感器阵列前方几十m 位置，震源定位位置为以传感器为球心多个球的切点，当存在定位误差时，震源定位位置在隧道高度方向偏差很大，如图4 所示，很难保确保微震事件的3 个方向的定位精度。虽然微震事件可能因定位误差在潜在破坏区域上下集簇，难以判定岩爆潜在准确位置，但根据微震事件集簇特征仍能确定岩爆沿开挖方向的里程，对潜在岩爆发生里程附近进行加固或其他处理措施。因此隧道微震监测系统能够有效地对岩爆沿开挖方向的潜在位置进行预测预报。

图4 震源定位误差分析［23］

2 岩爆监测预报的工程实践

2.1 锦屏二级水电站工程概况

锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州雅砻江干流锦屏大河弯上，利用雅砻江下游河段150 km长大河弯的天然落差，通过长约16.67 km 的引水隧洞，截弯取直后获得约310 m 水头［23-24］。水电站总装机容量4.800 GW，工程枢纽主要包括拦河闸、引水系统和地下厂房部分。引水系统由平行的2 条辅助洞和4条引水隧洞和1 条施工排水洞组成，如图5 所示，辅助洞、引水洞和排水洞分别长约17.50、16.67 和16.73 km。长大隧洞群穿越锦屏山主峰山体，围岩以大理岩为主，埋深1.5 ～2.525 km，锦屏二级水电站工程实测最大主应力46 MPa，回归分析最大主应力70 MPa。

图5 锦屏二级水电站引水隧洞布置图

2.2 排水洞极强岩爆过程微震集聚特征

岩爆是瞬间发生的岩体破坏过程，完整监测岩爆过程很难实现，通过微震监测系统较为完整地记录了施工排水洞2009 年11 月28 日极强岩爆过程，图6 为此次极强岩爆过程中微震事件密度云图变化规律，其中黄色和红色区域事件密度较高，为危险和非常危险区域。由图6（c）可知，在岩爆前14 d 微震事件在岩爆核区异常集聚，表明该范围微破裂数量多且分布较为集中，围岩稳定性差。之后事件密度云图中红色区域逐渐扩大，岩爆2 d前，岩爆核区事件密度云图红色区域几乎贯通，见图6（e），表明该处大量微破裂可能已经扩展成大尺度破裂，围岩损伤严重，岩爆风险极高。2009 年11 月28 日，在岩爆核区发生了一次更极强岩爆并引发大范围跨落。此次极强岩爆的爆坑深度达9 m，有明显的结构面痕迹，见图7。

图6 极强岩爆前22天的微震累积事件密度云图

图7 11.28极强岩爆照片

图8 为此次极强岩爆前2 min的微震事件的分布特征图，从00：42：43 记录到第1 个微震数据开始，至00：44：42 的1 min 59 s内，微震监测系统共计记录到44 个微震事件，且大多数微震事件呈条带状分布，见图8（f），该微震事件分布带与岩爆揭露的岩体结构面走向吻合，表明结构面影响区的较高集中应力导致隧道围岩的产生大量微破裂，随着微破裂的扩展、汇聚成大尺度破裂，围岩瞬间失稳岩爆发生。

图8 岩爆过程中微震事件集聚特征

3 结 论

岩爆是制约深埋隧洞安全、高效施工的主要工程地质灾害，传统的监测方式如位移监测和应力监测难以捕捉高应力硬岩突然失稳的前兆信息，尝试采用微震监测技术研究隧洞微破裂的空间分布和集聚特征，对岩体的损伤和稳定性进行评估，进而对岩爆潜在位置和强度进行预警，得到几点结论如下：

（1）隧洞可移动式微震监测系统能够对掌子面围岩微破裂连续监测，不同于矿山的立体传感器阵列，隧洞微震监测系统的线状传感器阵列难以保证微震事件在隧洞高度方向的定位精度，但微震事件沿开挖方向的定位精度较高，从而较准确的确定岩爆的里程范围。

（2）分析微震事件的分布和集聚特征，研究了锦屏二级水电站排水洞2009 年11 月28 日极强岩爆的孕育过程。岩爆发生前14 d，微震事件在岩爆核区集聚，之后岩爆核区的事件密度持续增大，事件密度云图红色区域逐渐扩大。最终在高密度微震事件汇聚区发生强烈岩爆。

（3）岩爆发生前2 min，微震监测系统累积监测到44 个微震事件，且微震事件分布与现场揭露结构面走向吻合，开挖卸荷导致结构面影响区产生大量微破裂，微破裂扩展、集聚成大尺度破裂导致围岩的突然失稳，发生强烈岩爆。微震集聚区的事件密度持续增大和短期内事件数的快速增长可作为岩爆发生的前兆信息。