深部巖體隧洞巖爆災害影響因素分析

于洋+刁心宏+趙秀紹+朱陳

摘要：深部巖體隧洞施工過程中頻發的巖爆災害時常會造成大量的人員傷亡以及巨大的財產損失。基于某水電站4條引水隧洞開挖過程中的大量的巖爆實例，以數值運算為主要研究手段，從能量的角度出發對影響巖爆災害發生的關鍵性因素進行了研究，結果表明：相同長度的隧洞開挖過程中隨著單循環開挖步長的增大，微震能量釋放值不斷增大，巖爆的發生頻次具有增加的趨勢；當開挖速度控制在合理范圍內時，圍巖穩定性可以得到有效控制，當其突破到臨界狀態以上時，巖爆的發生頻次具有顯著增加的特征；在一定埋深范圍內隨著埋深的增加，巖爆發生的頻率、強度具有明顯增加的趨勢；上述研究結果可以為高地應力條件下地下隧洞開挖過程中巖爆的預測與防治提供合理的科學依據。

關鍵詞：水電站；引水隧道；巖爆；數值模擬；微震能量

中圖分類號：TU45 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）03-0183-07

Abstract：Rockbursts in tunnels can be a significant hazard.Based on a large amount of micro-seismic information and hundreds of rockbursts that occurred in four deep headrace tunnels at a hydropower station in Sichuan province，China，we combined numerical calculation with micro-seismic monitoring in order to study the evolution processes of rockbursts.The achieved results are as follows：the excavation scheme，speed，and buried depth can affect the stability of the surrounding rocks in deep，hard-rock tunnels during construction.As the excavation step length，speed，and buried depth increase，the micro-seismic energy rises，and so do the frequency and intensity of rockbursts.The results can provide reasonable and scientific basis for prediction and prevention of rockbursts during underground tunnel excavation under high geostress.

Key words：hydropower station；headrace tunnel；rockburst；numerical calculation；micro-seismic energy

在高地應力條件下，開挖卸荷作用可引起硬脆性巖體內部集聚的彈性應變能突然猛烈釋放，導致巖石爆裂并彈射出來，從而造成巖爆現象的發生，時常會造成大量的人員傷亡以及巨大的財產損失。

數值計算分析是巖爆災害特征研究的重要手段：齊慶新[1]采用數值計算手段對沖擊地壓與巖爆現象進行對比分析，指出它們的異同，在此基礎上建議對“沖擊地壓”、“巖爆”和“礦震”這3個術語區別使用；周瑞忠[2]根據巖爆過程中的靜力平衡、強度破壞和斷裂破壞三者的區別與聯系，通過對發生巖爆的掘進面上兩種計算模型的斷裂力學研究，確定出判別巖爆發生的力學機理和臨界條件，從而對巖爆發生的總體規律作了定量解釋；郭長寶[3]根據大瑞鐵路高黎貢山深埋隧道，采用ANSYS軟件模擬了在現今構造地應力場中，在褶皺和走滑斷層等不同構造部位的巖體中進行隧道開挖所引起的應力重分布特征，對在復雜地質構造地區擠壓和剪切構造環境下深埋隧道的巖爆特征進行了深入分析和研究，并就可能發生巖爆的部位和巖爆強度進行了預測。

Durrheim等[4]率先在南非通過微震實時監測過程中獲得的微震信息，對深部礦山開采過程中巖爆的發生展開了研究；我國的多個金屬礦山、煤礦開采過程中，同樣對微震監測技術進行了運用了，對開采活動誘發的巖體破壞、巖爆、沖擊地壓等災害的孕育及發生進行了分析與研究。研究結果均表明，巖爆發生前，微震活動性及能量釋放在時間、空間上均有一個迅速增加的過程[5-12]。

目前，運用數值計算與微震監測相結合的手段對于深埋線性隧洞開挖巖爆災害影響因素方面的研究卻鮮有報道。本文以某水電站埋深隧洞的開挖過程為工程背景，基于數值計算結合現場微震監測數據及現場巖爆發生情況對開挖方案、開挖速度及埋深條件等影響隧洞開挖過程中圍巖穩定性的重要因素進行了研究與分析，其結果可以為深部巖體地下隧洞工程施工過程中巖爆風險的控制提供合理的科學依據。

1 工程概述

某水電站深埋隧洞主要由圖1所示的5條相互平行的隧洞組成，分別為：1號-4號引水隧洞直徑為 13 m，上斷面為圓形，下斷面為馬蹄形；施工排水洞P號直徑為8 m，斷面為圓形。隧洞平均長度約為17.3 km，埋深超過1 500 m的洞段占總長度的80%左右，其中最大埋深為2 525 m，隧洞圍巖主要為Ⅱ、Ⅲ類大理巖，巖石堅硬完整致密，單軸抗壓強度55～114 MPa，彈性模量為25～40 GPa，變形模量為8～16 GPa，圍巖具有較強的自承載能力，成洞條件良好[13]。

本論文主要針對該水電站1號-4號引水隧洞施工過程開展研究，隧洞開挖方式為鉆爆法，分上下兩臺階進行開挖（每天爆破1～2 次，每次爆破進尺2.5～3 m）。上述隧洞施工期間發生大量不同等級的巖爆（典型巖爆案例見圖2（a），圖2（b），圖2（c）），對施工的安全及工程進度造成了很大的影響。巖爆主要以輕微巖爆為主，巖爆發生區占隧洞總長的11.43%；中等巖爆次之，巖爆發生區占隧洞總長的4.42%；強烈巖爆相對較少，巖爆發生區分別占隧洞總長的1.46%；極強巖爆相對較少，巖爆發生區分別占隧洞總長的0.16%；縱觀整個引水隧洞的開挖過程，其發生各等級巖爆的累計長度達8 km以上，其中，發生輕微-中等巖爆的區域累計長度達到6 km、強烈為2 km、極強為0.4 km。

2 深埋隧洞開挖過程中巖爆的影響因素

2.1 開挖方案及速度的影響

根據該水電站2號引水隧洞K10+230至K10+260開挖段建立數值計算模型，該開挖段垂直埋置深度為2 525 m，地處高地應力區。本次數值計算本構模型采用一種彈脆塑性本構模型——黏聚力弱化摩擦強化模型（CWFS），它在針對高地應力下硬巖脆性破壞區方面的模擬研究方面具有較好的效果[14-15]。基于1 m、3 m、6 m、10 m、15 m、30 m為開挖方案，根據該水電站大理巖力學參數（表1）以及2號引水隧洞K10+230至K10+260開挖段的初始地應力分布特征（表2），對上述所選取洞段上臺階的開挖過程運用FLAC3d數值軟件進行數值計算分析。不同開挖方案下圍巖的塑性區范圍見圖3、表3。

結合圖3及表3可以看出，隨著開挖步長的增加，累計塑性區體積隨開挖步長的增加變化不大，主要分布在2.46×103～2.18×103 m3的范圍內。圖4為不同開挖方案下的能量釋放情況，從圖4（a），圖4（b）中可以看出對于相同長度的隧道來說，累計釋放能以及塑性范圍的平均釋放能均隨著開挖步長的增大呈增加的趨勢，分別由方案1的1.23×107 J（5.08×103 J/m3）不斷增加為方案6的7.98×107 J（36.61×103 J/m3），能量釋放是評價圍巖穩定性的重要參數[16-17]，能量釋放越大巖爆發生的可能性就越大[18-20]。綜上所述，隨著單次開挖步長的增加，圍巖穩定性總體上呈逐漸降低的趨勢。

運用南非ISS微震監測系統，對水電站1號-4號引水隧洞的整個開挖過程進行了連續性實時監測，監測系統的構成及監測過程詳見文獻[7]所述。圖5為上述4條隧洞施工過程中的三個典型開挖段（開挖速度分別為4 m/d、10 m/d、16 m/d）施工過程中圍巖巖體的微震活動性（圖5中每一的圓球代表一個微破裂事件，其顏色表示破裂發生時所釋放能量的log值）。結合圖5（a），圖5（b），圖5（c）可以看出，隨著開挖速度的加快微震活動性及微震輻射能均具有明顯增加的趨勢。

基于上述特點，本研究對該水電站深埋隧洞工程施工過程中，不同開挖速度條件下的微震活動性及巖爆發生頻次進行了全面的統計分析，其結果見圖6。從圖6中可以看出，高地應力情況下的深埋隧洞開挖過程中微震活動性隨著開挖速度的加快具有呈指數函數增加的趨勢；與之相對應，其巖爆發生頻次在開挖速度在10 m/d以內時（統計值分別為4 m/d、6 m/d、8 m/d、10 m/d）時變化不大，而當開挖速度大于10 m/d時（統計值分別為12 m/d、14 m/d、16 m/d）巖爆發生頻次迅速增加。綜上所述，針對深埋隧道巖體工程，應該在采用“短進尺，多循環”開挖方式的基礎上，合理的控制其開挖速度，巖爆發生頻率、強度均會有一定程度的降低。對于該水站深埋隧洞工程來說，每日最佳進尺為10 m。

2.2 埋深的影響

受到圍巖應力的影響，隧洞在不同埋深條件下的開挖過程中，破壞發生的程度以及能量釋放均有所不同，基于該水電站1號至4號引水隧洞500～2 525 m埋深條件下的初始地應力情況（考慮構造應力，見表4）。以5 m為開挖步長對長度為30 m的隧洞開挖過程進行計算分析，對比分析不同開挖深度情況下圍巖累計塑性區體積的計算結果見表5。

從表5可以看出：當隧道埋深在小于等于1 500 m的范圍內，累計塑性區體積具有隨埋深的增大而顯著增加的趨勢（從500埋深條件下的8.03×102 m3增加到1 500埋深條件下的24.49×102 m3），分析其原因在于隨著隧洞埋深的增大，隧洞開挖過程中的圍巖應力不斷增加，形成應力集中現象就越明顯，促使隧洞開挖過程中的圍巖巖體進入塑性狀態的能力也就越強；當隧道埋深在大于1 500 m時，累計塑性區體積變化不明顯（主要在2.49×103～2.594×103 m3范圍內上下浮動），分析其原因在于當隧洞埋深達到一定條件時，由于圍巖壓力拱的形成，即使其埋深進一步增加，圍巖應力集中現象沒有進一步發展，因此圍巖巖體塑性范圍體積變化差異性也相對不明顯。

與之相對應，能量釋放值同樣隨著隧洞埋深的增加表現出相似的特征（圖7）。隧洞開挖過程中的累計釋放能及塑性范圍的平均釋放能分別由500 m埋深情況下的3.75×106 J（4.67×103 J/m3）增加到1 500 m埋深情況下的24.49×106 J（12.79×103 J/m3）；當隧道埋深大于1 500 m時，累計釋放能及塑性范圍的平均釋放變化相對穩定，增加趨勢不明顯。

綜上所述，并結合前文中所述應力集中現象的影響，隧洞埋深與巖爆的發生情況應具有下列關系：當隧洞在1 500 m埋深范圍內時，隨著隧洞埋深的增加巖爆發生情況應具有明顯增加的趨勢；當隧洞埋深增加到一定限值以上時，其埋深對巖爆的影響相對減弱。本次研究記錄了該水電站1號-4號引水隧洞各等級巖爆共300余次，對不同埋深條件下的微震儀器所監測到的微破裂活動性（圖8）以及現場巖爆的發生情況（圖9）進行綜合分析，其結果對上述觀點進行了證實：（1）500～2 000 m埋深范圍內的微震活動性（每米范圍內的2.7個上升到11.2個）及巖爆發生的頻率、強度均隨著埋深的增加表現出明顯增強的趨勢。（2）埋深為2 000～2 525 m時，微震活動性（保持在每米范圍內11.5個左右）及巖爆發生的頻率、強度隨著埋深的增加增加趨勢不明顯，表現出相對平穩的變化特征。數值計算所界定埋深影響閾值為1 500 m，與微震監測及現場巖爆觀測結果的2 000 m有所差異，分析其原因是由于數值計算無法模擬施工環境的復雜性以及其他因素（施工方案、結構面發育、地下水等）的影響所導致的。

開挖方案選擇、開挖速度的確定及埋深條件是影響深部巖體隧道圍巖穩定性的重要因素，在深埋隧洞開挖過程中，隨著開挖步長的增加、開挖速度的加快及隧洞埋深的增加巖爆災害的發生頻率具有不斷增加的趨勢。在具體施工過程中，要根據不同埋深情況下隧洞開挖段的應力情況選擇與其相適的開挖方案、速度才能在保證施工過程安全開展的前提下，使得隧道工程可以快速、高效的順利展開。

3 結論

本文基于數值計算及微震監測的方法，對某水電站深埋線性隧洞開挖過程中巖爆的發生進行了分析與研究，獲得下列研究成果。

（1）開挖方案、開挖速度、埋深情況是影響圍巖穩定性的重要因素；相同長度的隧洞開挖過程中隨著單循環開挖步長的增加，能量釋放值不斷增大，巖爆的發生頻次具有增加的趨勢。

（2）當開挖速度控制在10 m/d的范圍內時，圍巖穩定性可以得到有效控制；隨著開挖速度的增加，當其突破到此臨界狀態以上時，巖爆的發生頻次具有顯著增加的特征。

（3）當隧洞在小于1 500 m的埋深范圍內時，隨著埋深的增加，單位長度隧洞開挖的累計塑性區體積、能量釋放值以及微震活動性均不斷增大，同時巖爆發生的頻率、強度同樣具有明顯增加的趨勢；當隧洞埋深增加到2 000 m以上時，其埋深對巖爆的影響相對減弱。

致謝

本文中所涉及的微震監測數據均來源于中科院武漢巖土所錦屏二級水電站微震監測項目部。在此衷心感謝中科院武漢巖土所馮夏庭研究員、陳炳瑞研究員、李邵軍研究員、肖亞勛博士和豐光亮博士在研究過程中的辛苦努力和有意義的建議！

參考文獻（References）：

[1] 齊慶新，陳尚本，王懷新，等.沖擊地壓、巖爆、礦震的關系及其數值模擬研究[J].巖石力學與工程學報，2003，22（11）：1852-1858.（QI Qing-xin，CHEN Shang-ben，WANG Huai-xin，et al.Study on the relations among coal bump，rockburst and mining tremor with numerical simulation [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（11）：1852-1858.（in Chinese））

[2] 周瑞忠.巖爆發生的規律和斷裂力學機理分析[J].巖土工程學報，1995，17（6）：111-117.（ZHOU Rui-zhong.Regularity of rock burst and its analysis based on fracture mechanics [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1995，17（6）：111-117.（in Chinese））

[3] 郭長寶，張永雙，孫東升，等.擠壓和剪切構造環境下深埋隧道巖爆的對比研究[J].地質學報，2011，85（1），66-77.（GUO Chang-bao，ZHANG Yong-shuang，SUN Dong-sheng，et al.Comparison study of rock bursts of deep buried tunnels in the shear and compression tectonic environments [J].Acta Geologica Sinica，2011，85（1）：66-77.（in Chinese））

[4] Durrheim R J，Haile A.Violent failure of a remnant in a deep South African gold mine [J].Tectonophysics，1998，289（1）：105-116.DOI：10.1016/S0040-1951（97）00310-7

[5] Tang L Z，Xia K W.Seismological method for prediction of areal rockbursts in deep mine with seismic source mechanism and unstable failure theory [J].Journal of Central South University of Technology，2010（17）：947-953.DOI：10.1007/s11771-010 -0582-5

[6] 陸菜平，竇林名，吳興榮，等.煤巖沖擊前兆微震頻譜演變規律的試驗與實證研究[J].巖石力學與工程學報， 2008，27（3）：519-525.（LU Cai-ming，DOU Lin-ming，WU Xing-rong，et al.Experimental and empirical research on frequency-spectrum evolvement rule of rockburst precursory microseismic signals of coal-rock [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（3）：519-525.（in Chinese））

[7] 陳炳瑞，馮夏庭，曾雄輝，等.深埋隧洞TBM掘進微震實時監測與特征分析[J].巖石力學與工程學報，2011，30（2）：275-283.（CHEN Bing-rui，FENG Xia-ting，ZENG Xiong-hui，et al.Real-time microseismic monitoring and its characteristic analysis during TBM tunneling in deep-buried tunnel [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，30（2）：275-283.（in Chinese））

[8] Zhang C Q，Feng X T，Zhou H，et al.A top pilot tunnel preconditioning method for the prevention of extremely intense rockbursts in deep tunnels excavated by TBMs [J].Rock Mechanics and Rock Engineering，2012，31（3）：289-309.DOI：10.1007/s00603-011-0199-5

[9] Feng X T，Chen B R，& Li S J.Study on evolution process of rockbursts in deep tunnels [J].Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，4（4）：289-295.DOI：10.3724/SP.J.1235.2012.00289

[10] Lyubushin A A.Seismic catastrophe in Japan on March 11，2011：long term prediction on the basis of low-frequency microseisms [J].Izvestiya Atmospheric and Oceanic Physics，2011，10，9-35.DOI：10.1134/S0001433811080056

[11] 于洋，馮夏庭，陳炳瑞，等.深埋隧洞不同開挖方式下即時型巖爆微震信息特征及能量分形研究[J].巖土力學，2013，34（9）：2622-2628.（YU Yang，FENG Xia-ting，CHEN Bing-rui，et al.Analysis of energy fractal and microseismic information characteristics about immediate rockbursts in deep tunnels with different excavation methods [J].Rock and Soil Mechanics，2013，34（9）：2622-2628.（in Chinese））

[12] Cai M.Influence of stress path on tunnel excavation response-numerical tool selection and modeling strategy [J].Tunnelling and Underground Space Technology，2008 23（6）：618-628.DOI：10.1016/j.tust.2007.11.005

[13] 陳炳瑞，馮夏庭，明華軍等.深埋隧洞巖爆孕育規律與機制：時滯型巖爆[J].巖石力學與工程學報，2012，31（3）：561-569.（CHEN Bing-rui，FENG Xia-ting，MING Hua-jun，et al.Evolution law and mechanism of rockbursts in deep tunnels：time delayed rockburst [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31（3）：561-569.（in Chinese））

[14] Hajiabdolmajid V，Kaiser P K.Brittleness of rock and stability assessment in hard rock tunneling [J].Tunnelling and Underground Space Technology，2003，18（1）：35-48.

[15] 蘇國韶，馮夏庭.基于粒子群優化算法的高地應力條件下硬巖本構模型的參數辨識[J].巖石力學與工程學報，2005，24（17）：3029-3034.（SU Guo-shao，FENG Xia-ting.Parameter identification of constitutive model for hard rock under high geostress using particle swarm optimization algorithm [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（17）：3029-3034.（in Chinese））

[16] Feng X T，Yu Y，Feng G L，Xiao Y X，Chen B R，Jiang Q.Fractal behaviour of the microseismic energy associated with immediate rockbursts in deep，hard rock tunnels [J].Tunnelling and Underground Space Technology，2016，58：98-107.DOI：10.1016/j.tust.2015.10.002

[17] Aki K.Estimation of earthquake moment，released energy，and stress strain drop from the G-wave spectrum [J].Bulletin of Earthquake Research Institute，1966，44（12）：73-88.

[18] Cook N G W，Hoek E，Pretorius J P G，et al.Rock mechanics applied to the study of rockbursts [J].Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy，1966，66（10）：436-528.

[19] 蘇國韶，馮夏庭等.高地應力下地下工程穩定性分析與優化的局部能量釋放率新指標研究[J].巖石力學與工程學報，2006，25（12）：2453-2460.（SU Guo-shao，FENG Xia-ting，et al.Study on new index of local energy release rate for stability analysis and optimal design of underground rockmass engineering with high geostress [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25（12）：2453-2460.（in Chinese））

[20] Chen B R，Feng X T，Li Q P.Rock burst intensity classification based on the radiated energy with damage intensity at Jinping II hydropower station，China [J].Rock Mechanics and Rock Engineering，2015，48（1）：289-303.DOI：10.1007/s00603-013-0524-2