基于微震監測的引漢濟渭秦嶺隧洞巖爆預測研究

(陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710100)

陜西省引漢濟渭工程地跨黃河、長江兩大流域，穿越秦嶺屏障，主要由黃金峽水利樞紐、秦嶺輸水隧洞(黃三段和越嶺段)和三河口水利樞紐等三大部分組成。其中，秦嶺隧洞越嶺段進水口位于三河口水利樞紐壩后匯流池，出口位于渭河一級支流黑河金盆水庫右側支溝黃池溝內，任務是將漢江流域調出水量自流送入渭河流域關中地區[1],隧洞為明流洞，全長81.779km，設計流量70m3/s，隧洞綜合坡度1/2500，采用鉆爆法+2臺TBM法施工。

根據秦嶺地區深鉆孔地應力實測資料分析，秦嶺隧洞區地應力較高，當在堅硬完整、干燥無水的Ⅱ、Ⅲ類圍巖地段的變砂巖地層中進行開挖時，由于應力集中，在刀盤前方、掌子面及掌子面后方1～4倍左右洞徑的地段有發生巖爆甚至強烈巖爆的可能。由于巖體結構的復雜、多變和未知，目前無法徹底解決巖爆問題，甚至連巖爆的定義都尚未形成統一共識[2]。因此，對巖爆趨勢進行預測，將有效抑制巖爆對工程造成的危害。

1 巖爆預測技術研究

1.1 理論預測法

理論預測法首先要對工程現場的巖石進行取樣分析，根據分析獲得的信息對巖爆趨勢進行預測[3]。

理論預測方法在一定程度上可以對巖爆進行預測，能夠反映部分因素對巖爆的影響，同時降低巖爆預測的成本，但理論預測方法在實際應用中，仍然無法完全反映工程現場的真實情況[4]，同時這些方法只能反映取試樣的點的應力情況，而不能從整體應力場的應力變化角度進行有效的指導施工。因此，理論預測法盡管得到了一些應用，但始終無法可靠、成功地實現巖爆預測的目標。

1.2 微震監測技術

微震監測技術最早起源于美國，隨后加拿大也開始對其進行研究，北美地區對微震監測的研究對世界其他地方開展相關研究產生了巨大的影響。隨后，波蘭和德國等歐洲國家以及南非和澳大利亞等國相繼開展了微震監測的研究，并將其廣泛應用于幾乎所有的巖土工程領域。他們不僅在現場和實驗室對微震監測進行了系統深入的研究，而且從理論的角度進行了深入的探討，同時利用計算機數值模擬技術對震源定位進行了大量的研究[5]。近些年來，微震監測技術在我國也得到了極大發展，主要是以巖體微破裂定位技術為核心，在各類礦山、水電、隧道安全監測方面得到了大量應用。

對于巖爆監測預報，眾多國內外專家甚至包括微震監測系統廠商，都認為巖爆是不可能監測預報的[6]。大連理工大學研究人員率先在錦屏二級水電站運用微震監測技術，對TBM和鉆爆法開挖的隧洞進行了巖爆監測預報，歷時3年，取得了較好的監測結果，為巖爆防治工作引入了新的研究手段。國內眾多院校和科研院所，引入微震監測系統，但主要應用在礦山、水電等工程中，對巖爆監測，多數都還在學習和摸索中。

2016年7月，微震監測技術被引入引漢濟渭工程，先在鉆爆法施工的4號支洞進行了為期近兩月的測試，經過總結、分析、改進后，2016年12月對4號支洞開始正式監測，至2017年8月4號支洞順利貫通，之后對主洞上下游工作面繼續監測至今。

2017年9月，3號支洞TBM工作面開始正式監測，2018年6月，5號支洞TBM工作面開始正式監測，目前各工作面均正常監測，定期為各方發送監測數據報告，為設計和施工提供參考。

2 微震監測系統

2.1 微震監測原理

微震監測技術原理可表述為：設某微震事件到N個臺站的走時為(t1,t2,t3…tn)，若已知震源位置(x0,y0,z0)及微震事件發生時間t0，則目標函數

(1)

趨于最小，其中ri為到時殘差：

ri=ti-Ti(x0,y0,z0)

(2)

其中，Ti為震源到臺站i的理論走時。

微震事件定位原理如圖1所示。

2.2 微震監測系統構建

引漢濟渭秦嶺隧洞工程微震監測與成像系統，主要由硬件系統(傳感器、數字信號采集系統)、軟件系統(數字信號處理系統)、數據分析解釋系統、電纜光纜、可視化軟件系統、預警系統等幾部分組成，具有定位精度高、臺陣布置快速靈活、操作簡單等優點。

微震監測系統可定位、計算多個震源參數和震源機制，并進行波速場成像，從而實現微震事件發生規律與波速場變化的分析處理，判斷潛在的隧洞動力災害活動及災害預警，方便對隧洞開挖過程進行實時監控及地質災害預報預警。

以鉆爆法開挖的4號洞為例，微震監測網絡如圖2所示。

圖2 微震監測網絡鉆爆法開挖隧洞

其中，傳感器與數據采集儀為核心設備。

2.2.1 傳感器

傳感器的作用是接收巖體內震動波，可對巖體內部產生的微破裂事件進行24小時不間斷監測，并通過電纜傳輸給數據采集儀，采集得到微震事件的基礎時空數據等多項相關參數數據(見圖3)。

圖3 傳感器及其安裝示意圖

2.2.2 數據采集儀

數據采集儀(見圖4)連接傳感器與工作站，將電信號轉換為數字信號，獲得微震時間的相關數據信息。在實際工程中，采用鉆爆法施工的隧洞，由于爆破產生的飛石較遠，需要將數據采集儀安裝在距離掌子面更遠的安全位置，采用TBM施工的隧洞，則可以適當往前安裝布置。

3 實際數據分析處理

3.1 匯總數據分析

對2018年8月1日—9月30日所有微震事件進行匯總統計分析，累計微震事件數596個。數據分析如圖5所示。

圖4 數據采集儀

圖5 微震事件分布

圖6 微震事件密度云圖

由圖5可知，樁號斜4+220之后巖體微震活動性明顯增強，現場巖爆比較頻繁。

微震事件的密度，也就是微震活動的集中度。從圖6可見樁號斜4+220之后巖體的應力集中程度高，說明該處應力越集中，巖爆風險越大。

微震事件的頻度，表現的是微震的活躍性，巖爆與微震活躍性密切相關，多數情況下活躍性越高，巖爆風險越大。從圖7中可見在9月8日、13日、20—21日、25日等微震事件頻度高的時候，均發生了巖爆。

圖7 微震事件頻度

微震事件的矩震級，表現的是微震活動的震級大小，震級越大，說明巖體破壞越強，通常伴隨著越大的能量釋放。從圖8中可見在9月8日后矩震級強的微震事件明顯增多，表面巖爆發生的概率同樣增多。

圖8 微震事件矩震級

對該段時間的開挖進尺與微震頻度關系的統計(見圖9)發現，開挖進尺與微震活躍性沒有直接的關系，也與巖爆風險大小沒有明顯的關系，再一次驗證了巖體內部存在的異構體(弱結構)才是巖爆風險的主要影響因素。

3.2 巖爆預測分析

利用監測系統對微震事件數據進行相關分析處理，對巖爆事件進行相應預測，將預測結果與施工單位統計的巖爆信息進行對比，結果統計如表1所列。

由表1可知，通過微震監測系統對秦嶺隧洞3號洞、4號洞上下游巖爆事件進行預測，監測時間為11個月，通過數據可以得知，預測結果準確率分別達到95.89%、90.00%與88.46%，由此證實了微震監測數據可有效對巖爆進行預測。

圖9 4號支洞開挖進尺與微震頻度關系

表1 巖爆預測結果統計

4 結 論

由于巖爆機理的復雜性和巖體結構的多變性，尚無任何一種手段和措施可以徹底解決巖爆問題，本文進行了基于微震監測技術的巖爆風險預測，針對巖爆影響，在巖爆頻發的高地應力區，引入微震監測，實現對巖爆潛在危險進行實時的分析及預測預報，準確率高，有效保障了施工設備及人員安全。

在工程實際中，由于洞內大型設備多、能見度低、爆破產生飛石，鋪設于洞壁的線纜容易受損，導致數據采集中斷或失效，因此還需進一步改進傳感器對稱布置方案，降低故障率、保證監測數據的連續性和完整性。同時，針對巖體結構復雜，且變化較大，彈性波在傳遞過程中受結構影響，波速變動幅度大的問題，通過根據已知的爆破事件波形，及時修正波速，一定程度提高了不同巖體洞段內微震事件的定位準確度。

雖然本次試驗取得了一定成功，但在工程實際中仍存在一些問題亟待解決。由于現階段數據處理需要人工介入，處理結束后才能根據結果進行巖爆風險的人工判別，導致預測結果還存在一定的不準確性，同時無法實現巖爆風險的自動判別和自動預警。在今后的工作中，將在判別指標定量化的基礎上，逐步實現巖爆風險的自動判別，在成功引入人工智能的基礎上，實現數據的自動處理，進而實現預測結果的進一步準確與巖爆風險的自動預警，提高工程指導的易用性，推動微震監測技術的認識和普及，實現科研向生產的逐步轉變。