微震監測技術在某深埋鐵路隧道施工管理中的應用

李永亮， 喬志斌， 牛文靜， 王劍超

(1. 西藏鐵路建設有限公司， 西藏 拉薩 850000； 2. 中鐵十二局集團第二工程有限公司， 山西 太原 030024；3. 東北大學 深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室， 遼寧 沈陽 110819；4. 成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室， 四川 成都 610059)

0 引言

隨著我國基礎建設的大力發展，眾多埋深超過1 000 m的深埋隧道工程不斷涌現，但隨之而來的巖爆、應力型塌方、突水、地壓顯現，巖體大變形等規模性地質災害的威脅也越來越大[1]。在高應力環境下，深部大型巖體工程活動產生的強擾動將導致隧道圍巖產生突發性的、無前兆的破壞，這種突變性動力響應往往表現為圍巖大范圍地失穩[2-3]。特別是深部硬巖開挖時，受較高的原巖地應力影響，在開挖過程中或隨后一段時間內，可能出現巖爆、應力型塌方等高應力災害，可能嚴重威脅施工人員及設備安全[4-6]。面對高應力災害風險，如何適時地調整施工方法、施工工序和施工時機顯得尤為重要。

深埋硬巖隧道開挖時，圍巖在變形破壞的整個過程中幾乎都伴隨著裂紋的產生、擴展、摩擦和能量積聚，并且以應力波的形式向外釋放應變能量，從而產生了微震事件[7]。圍巖變形、破壞整個過程中的信息均可通過微震監測獲取。微震活動的時間、位置及強度反映了巖體內發生變形破壞的時間、位置及程度，因而潛在應力型災害的深埋硬巖隧道施工時，常采用微震監測手段對應力型災害風險進行評估和預測。結合微震活動信息表征的圍巖災害風險，可動態地指導施工過程。例如，周朝等[8]針對荒溝電站地下廠房，通過微震監測分析微震事件活動與爆破開挖施工強度的關系，并以此指導安全施工； 嚴波等[9]基于微震監測系統對潛在的失穩區域進行預測，建立了“深層預裂、薄層開挖、隨層支護”的高地應力深埋地下廠房中下層梯段開挖施工程序和工藝； 褚冬攀等[10]利用微震監測手段，分析了微震事件頻次、特征，揭露了巖爆與微震事件的內在聯系，并以此指導隧道開挖； 李桐等[11]通過微震監測系統，原位觀測了巖爆位置偏轉過程中的巖體破裂演化規律，為針對性施工和支護提供了可靠依據。由此可見，利用施工過程中的微震活動信息，可以有效指導施工過程管理。因此，開展依據微震信息變化情況，在施工過程管理中動態選擇施工時機和方式的工程實例研究，具有重要意義。

有鑒于此，本文擬依托某鉆爆法開挖的深埋鐵路硬巖隧道，利用微震監測方法對隧道施工過程中的圍巖破裂情況進行監測，并通過分析監測區域內的微震活動動態演化過程所表征的隧道高應力災害風險大小變化情況，合理選擇施工工序、施工時機、施工方式等，科學指導施工過程管理，以期為深埋隧道安全、高效施工提供參考。

1 工程背景與微震監測概況

1.1 工程背景

某在建的鐵路隧道埋深超過2 000 m，巖性絕大部分為黑云花崗巖夾雜部分閃長巖，花崗巖呈灰白色，質地堅硬、性脆、強度高，單軸抗壓強度為160 MPa、抗拉強度為7.6 MPa。該隧道包括正洞和平行導洞(平導)，隧道長約13 km，均采用鉆爆法開挖，如圖1所示。由于隧道埋深大、巖石強度大、巖性硬脆，在建設過程中，平導和正洞的巖爆、應力型塌方、片幫等災害發生均較頻繁。特別是巖爆災害尤為突出，該隧道預設計階段的巖爆災害洞段超過90%。為此，在建設過程中對該隧道開展了微震監測。

圖1 隧道工程布置概況

1.2 微震監測概況

該隧道開挖過程中，在隧道掌子面后方布置2組監測斷面共8個單向速度型微震監測傳感器，監測隧道開挖過程的微震信息[12]。每組4個傳感器，第1組布置在距掌子面約70 m處，編號D1-1～D1-4； 第2組布置在掌子面后方100 m處，編號D2-1～D2-4。微震傳感器布置于孔徑75 mm、孔深2.3 m的微震監測鉆孔中。基于鉆爆法隧道工程及開挖過程的微震活動分布特點，為盡可能監測到掌子面附近產生的所有巖石微破裂信號且保證傳感器不被爆轟波、爆破飛石等損壞，依據文獻[12]所述方法設置傳感器的空間布置方式，如圖2所示。

(a) 微震監測方案

(b) 微震監測系統

Fig.2 Layout scheme of microseismic sensors and microseismic monitoring center

隧道開挖過程中，結合微震監測技術和微震活動與高應力災害風險程度間的關系，對施工方式、支護方法、防控措施等進行動態調控，有效保障了隧道的安全、快速施工。因此，動態調控高應力災害風險，必須先建立微震活動與高應力災害風險程度之間的定性或定量關系。

2 微震活動與高應力災害風險程度的關系

深埋硬巖隧道應力型災害破裂類型均以脆性的拉破裂為主，且在發生災害前常伴隨有圍巖的微破裂活動。通過微震監測手段可監測、分析巖體破裂微震事件，推測巖體發生破壞的程度，評價圍巖穩定性。以該隧道正洞DK195+980～DK196+180段開挖過程中的微震活動和巖爆災害為例，簡述巖爆災害與微震活動的時空關系，如圖3和圖4所示。圖中每一個球體代表一個巖體破裂微震事件，顏色表示其震級大小，球體大小表示其釋放能大小，球體越大，微震釋放能越大。

(a) 開挖區域微震活動演化特征

圖4 隧道開挖過程中微震活動的演化特征

Fig.4 Evolution characteristics of microseismic activities during tunnel excavation

DK195+980～DK196+180段圍巖較完整、干燥，除局部濕潤外其余圍巖均較干燥，地下水不發育。此外，該區域內結構面規模較小，無大型斷層等不利結構面，圍巖自穩性較好。

由圖3和圖4可知： 該段開挖過程中微震活動活躍，微震事件數整體呈上升趨勢，微震釋放能在高位波動，從分布范圍及演化規律角度其大致可分為2個階段： 在DK195+980～DK196+010段開挖過程中，微震活動特性處于較平靜的階段，微震事件數、微震釋放能隨著開挖的推進均在低位進行小范圍的波動，且微震釋放能有逐步遞減的趨勢； DK196+010～+180段開挖過程中，微震活動逐漸活躍，微震事件數、微震釋放能均呈現不斷增長的趨勢，特別是微震釋放能逐步增加到較高位置，巖爆風險不斷增加。DK195+980～DK196+010段無巖爆發生，對應該區域的微震活動相對較平靜，微震事件數較少，且微震釋放能較小，在開挖的卸荷和擾動作用下產生了小巖石破裂事件； DK196+010～+180段開挖過程中，微震事件數、微震釋放能從低位顯著向高位增加，并且微震釋放能增加較大，大能量破裂微震事件不斷產生。由于該區域圍巖干燥、較完整，且無大型的不利結構面，因此發生巖爆的風險較高。實際該區域開挖過程中也產生了較多規模較大的巖石破裂事件，巖爆災害頻發，并且在微震活動最活躍的DK196+130～+140處(圖3中紅色區域)產生了中等巖爆。

由上述分析可知，微震活動性與高應力災害具有時空對應特性。微震活動的時間、位置及強度反映了巖體內發生的變形或破壞的時間、位置及程度，利用微震活動的空間聚集狀態和時間活躍程度，可以有效評價某區域內圍巖潛在的高應力災害風險和失穩特性。微震活動隨時間的演化特征，反映了隧道圍巖潛在的高應力災害風險程度高低的動態變化情況。微震活動在某區域內越集中，該區域越有可能發生高應力災害；該區域內微震活動參數值越高，發生高應力災害的等級和風險越高。由文獻[7,13-15]所述方法可確定微震釋放能、微震事件數與不同等級巖爆間的定性或定量關系。結合文獻所述方法及圖3和圖4中微震活動與巖爆災害的關系可確定，當微震事件數大于80個或微震釋放能常用對數大于4.0時，該隧道可能潛在巖爆等高應力災害。

因此，利用微震活動的動態演化規律，可為動態調整施工策略、支護方法和施工時機等提供可靠的依據。

3 基于微震監測的隧道施工管理

該隧道結合微震監測技術，通過動態調控施工方案和支護措施等，取得了較好的效果，具體操作的基本流程如圖5所示。本文以該隧道進口正洞DK196+725～+760段為例，簡述微震監測指導隧道施工過程管理的具體方式。

圖5 基于微震監測的隧道施工過程管理流程

Fig.5 Management flowchart of tunnel construction based on microseismic monitoring

3.1 進口正洞DK196+725～+760段地質情況

進口正洞DK196+725～+760段掌子面及圍巖巖性為花崗巖，灰白色，塊體狀，掌子面比較平整。掌子面及圍巖發育3組明顯節理，如圖6所示。第1組節理產狀10°∠60°，間距約0.5～1.0 m，節理微張，有綠色充填物，未風化，分布于掌子面，延伸到拱腳及頂拱；第2組節理產狀200°∠80°，間距約2 m，節理張開，有白色充填物，未風化，分布于掌子面中部，延伸到頂拱；中部發育1組石英脈，產狀200°∠20°，寬度約0.2 m，未風化，分布于掌子面，延伸到北側圍巖及頂拱。該段圍巖及掌子面巖體干燥，節理較發育，容易發生巖爆、應力型塌方等高應力災害。

(a) 掌子面地質踏勘

(b)掌子面地質素描

3.2 進口正洞DK196+725～+760段微震活動性分析

該隧道進口正洞DK196+725～+760段開挖過程中，掌子面附近區域的微震活動如圖7所示。

圖7 DK196+725～+760預警區域內微震活動時空分布特征

Fig.7 Spatial and temporal distribution characteristics of microseismic activities in early warning area of section DK196+725～+760

由圖7可知，該區域微震活動較活躍，微震事件空間分布較集中，累積微震事件數、累積微震釋放能持續顯著增加(見圖8)。該區域2019-01-13 T 8:00至2019-01-18 T 8:00累積微震事件數為200個，累積微震釋放能對數(lgE)為5.89 J。其中，17日掌子面爆破后30 min，準備出渣時(2019-01-17 T 13:34:57)，在掌子面附近南側有一個大能量事件發生，微震釋放能對數為5.57 J，有較高的累積微震事件數和累積微震釋放能，并且開挖后圍巖又有較大能量的突然釋放，表明該區域后續開挖過程中潛在應力型災害的風險較高。特別是隧道南側，微震事件集中程度更高，該區域發生高應力災害的風險更高。

圖8 DK196+725～+760預警區域內微震事件數及釋放能隨時間演化規律

Fig.8 Evolution law of number of microseismic events and release energy with time in early warning area of section DK196+725～+760

此外，掌子面及附近圍巖干燥，結構面發育，將圍巖切割為塊體狀。綜合微震監測數據及圍巖地質條件，依據文獻[13]中所述的方法建立巖爆與微震活動的定性或定量關系，確立該隧道開挖過程中不同應力災害風險與微震活動之間的定性關系。經分析，DK196+750～+760段施工過程中，該區域潛在中等巖爆風險，巖爆過程可能誘發規模性應力塌方破壞。因此，在DK196+750～+760段施工過程中需密切關注掌子面附近地質情況和微震活動的動態變化情況，視情況及時調整施工方案和支護方案。

3.3 基于微震活動的施工過程管理

由前述分析可知，進口正洞DK196+750～+760段施工過程中，可能引起DK196+725～+760區域發生巖爆、應力型塌方等高應力災害。因此，密切依托微震監測數據，對DK196+750～+760段進行了開挖優化。鑒于該區域應力型災害風險較高，有較大能量的突然釋放，因此減緩了施工進度。該區域施工過程中，2019-01-19 T 06:00—2019-01-20 T 24:00的微震活動演化規律及施工工序與方案隨微震活動演化的動態調整情況，如圖9所示。

圖9 DK196+725～+760區域不同時間微震活動演化規律及對應的施工工序與方案動態調整情況

Fig.9 Evolution law of microseismic activities at different time in section DK196+725～+760 and dynamic adjustment of corresponding construction procedures and schemes

2019年1月18日掌子面未爆破，微震監測數據也無異常。在2019-01-19 T 06:51:51時，對掌子面進行了爆破，進尺約3 m。掌子面爆破后，短時間內小能量微震事件大幅產生，并且該區域圍巖完整性較差，因此發生應力型塌方和掉塊的風險較大。針對微震數據指向的應力型災害風險，現場采取的施工方案為： 逐步出渣，在獲得一定空間后立即采取鋼拱架支護，并且減小立架間距。采取該方案后，微震活動明顯降低。

截至2019-01-19 T 21:00左右，后方完成了出渣的區域已進行了鋼拱架支護，僅掌子面附近剩余較少的巖渣。因此，接下來的工序是清除掌子面剩余的巖渣。但在2019-01-19 T 22:00左右，突然有較大能量的微震事件發生，微震活動變得活躍，巖爆、應力型塌方災害的風險又急劇升高。因此，現場采取的施工方案是： 立即停止出渣、排險等工序，進行停工等待。停工等待過程中，該區域在DK196+752處發生了巖爆、應力型塌方的復合型破壞，如圖10所示。

圖10 DK196+752處巖爆-應力型塌方復合破壞

Fig.10 Compound failure of rockburst and stress-induced collapse at section DK196+752

發生巖爆和應力型塌方破壞后，釋放了圍巖中的部分能量，而且停工后減少了對掌子面附近圍巖的擾動，掌子面附近的微震活動由活躍變得平靜。在微震活動平靜后，現場對掌子面進行排險和出渣，排險后暫停施工，觀察微震活動情況的方案。在2019-01-20 T 3:00～6:00排險和出渣期間，微震事件數和釋放能雖有所增加，但未達到較高位置，發生應力型災害的風險不高。

在排險出渣后的幾 h內，微震活動在較低位置平穩波動，且有逐漸平靜的趨勢，發生應力型災害的風險降低。因此，2019-01-20 T 12:00左右現場采取了繼續施作鋼拱架支護的方案。在此后的施工過程中，DK196+725～+760段最終未發生巖爆、應力型塌方等災害。

因此，DK196+725～+760段依據微震活動演化規律合理選擇施工工序、支護方式、作業時機的案例表明，微震監測在深埋隧道施工過程管理中的應用，有助于降低安全風險，確保作業人員和設備的安全。

4 結論與建議

1)利用微震監測技術可以監測隧道施工過程中的圍巖破裂情況，不同的微震活動性表征了隧道潛在的不同的高應力災害風險大小，特別是微震釋放能和微震事件數變化情況，動態反映了隧道的安全穩定性。

2)利用監測區域內不同時間的微震活動特性變化情況所動態表征的隧道高應力災害風險大小，可以采取如暫緩施工、加強支護等針對性的施工方案，合理選擇施工工序、施工時機、施工方式等。

3)通過微震活動變化情況動態反映的隧道高應力災害風險，在隧道施工過程管理中采取針對性措施，有助于降低施工過程中的安全風險，確保人員、設備的安全，可為我國“一帶一路”建設、川藏鐵路建設中其他重大深埋隧道工程的施工提供參考。

4)為進一步加強隧道施工過程的精準管理，今后需深入研究不同類型和不同等級高應力災害與微震活動的定量關系，依托定量關系及前兆信息提前做出預警，并依據預警結果合理選擇施工時機與方式。