深埋隧道強烈巖爆孕育微震主頻演化規律

肖亞勛，李小亮

(1.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071；2.山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島 266590)

巖爆是深部硬巖工程(埋深超過1 000 m或地應力超過30 MPa)開挖過程中常見的一種地質災害。隧道巖爆發生時圍巖通常呈現出爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲的現象，具有很強的突發性、隨機性和危害性[1]。巖爆按其發生的等級可分為：輕微巖爆、中等巖爆、強烈巖爆和極強巖爆。通常采用巖爆破壞深度(爆坑深度(D))作為劃分依據，1.0 m≤D<3.0 m時為強烈巖爆；D≥3.0 m時，巖爆等級為極強。一般而言，巖爆等級越高，對圍巖及構筑物的破壞也越大。如錦屏二級水電站排水洞2019年11月28日發生的極強巖爆，造成上億元隧道掘進機(tunnel boring machine, TBM)損毀[2]。深部工程規模正以前所未有的速度發展，巖爆研究工況也由鉆爆法施工條件擴展到TBM施工。微震監測是目前隧道巖爆監測的最有效技術之一[3-5]。因此，掌握巖爆前兆的微震信息演化規律是巖爆定量預警與針對性防控的關鍵所在。

許多學者利用巖爆試驗或監測過程中所獲得的波形信息開展巖爆孕育規律研究。蘇國韶等[6]通過模擬巖爆過程的花崗巖巖樣室內真三軸試驗，揭示了巖爆過程的聲音信號幅值具有時間分形特性，聲音信號幅值分形維數持續增加至峰值后在一段時間內持續下降至最低值可作為巖爆發生的前兆信息。何滿潮等[7-8]進行花崗巖室內瞬時巖爆模擬試驗結果表明：巖爆前和最終巖爆時刻聲發射主頻值降低至與初始加載時一致，聲發射主頻值總體呈“從低頻向高頻再向低頻”轉變遷移的趨勢。陸菜平等[9-10]發現沖擊地壓前兆微震信號頻譜中低頻成分增加，且增幅逐漸上升，并揭示了堅硬和軟弱頂板破斷來壓的微震波頻譜演化差異性。FRID和VOZOFF[11]的研究表明：煤礦頂板宏觀破斷之前可監測到低頻微震信號。XIAO等[12]證實了隧道即時型巖爆孕育過程中微震頻率演化是分形的。肖亞勛等[13]發現TBM和鉆爆法不同開挖方式下誘發的即時型巖爆孕育過程的頻譜演化特征基本一致。目前，針對深埋隧道巖爆孕育過程，尤其是不同施工方法(TBM和鉆爆法)下的微震頻率演化規律的差異性研究甚少。

本研究以錦屏二級水電站引水隧洞作為工程背景，分析了隧道微震波輻射的頻率衰減特征，建立了巖體破裂微震主頻計算方法，闡述了不同施工方法下強烈巖爆孕育過程的微震主頻演化規律。

1 深埋TBM隧道巖爆微震監測

錦屏二級水電站引水隧洞群是目前世界埋深最大的水電工程(最大埋深2 525 m)，由4條平行的引水隧洞組成，洞線平均長度達16.7 km。引水隧洞群采用TBM和鉆爆法相結合的施工方法，其中，東端1#和3#引水隧洞采用TBM施工。工程區最大主應力可達63 MPa，圍巖主要由三疊系(T)地層組成，巖性主要為大理巖。其中，工程區中部的大埋深洞段圍巖主要為白山組大理巖，單軸抗壓強度110～160 MPa，彈性模量30～40 GPa，密度2 780 kg/m3。巖爆這種高應力硬巖災害的防控是其主要工程地質難題之一。錦屏二級水電站引水隧洞群在施工過程中巖爆頻發，造成嚴重的人員傷亡、設備損失和工期延誤。為此，引入微震監測技術開展巖爆預測預警與防控實踐。

深埋硬巖隧道巖爆發生前圍巖變形通常較小，是典型的破裂誘致災害。巖爆是巖體破裂累積由量變到質變的結果。巖體發生破裂時將以彈性波的方式向外釋放能量，通過在巖體破裂一定范圍內布置微震傳感器，可以感知到巖體破裂所輻射彈性波造成的微震動。利用多個微震傳感器記錄的微震波信號即可確定該巖體破裂對應微震事件的發震時間與位置以及微震輻射能、視體積、震級等震源參數。隧道巖爆預警正是基于隧道微震監測所獲得的一系列巖體破裂的微震時空演化信息，給出潛在巖爆發生的區域與等級。

錦屏二級水電站引水隧洞開展微震監測時采用南非ISS微震系統，采樣頻率為6 000 Hz，監測所用微震傳感器均為速度型，頻帶寬度為7～2 000 Hz，靈敏度為80 V/(m·s)。3#引水隧洞TBM洞段采用如圖1所示的微震傳感器布置方案。傳感器沿軸線分3組布置，每組間距20～40 m，同組傳感器在軸向上錯開1～2 m。傳感器借助于距掌子面12 m的L1區平臺的鉆孔設備進行布設，在TBM日常檢修時段進行鉆孔并安裝微震傳感器，鉆孔深度2 m。受制于TBM本身的結構特點，僅能在隧洞拱頂左右70°的范圍內布設傳感器。TBM每掘進30～40 m，回收距掌子面最遠的那組傳感器并重新安裝于L1平臺。TBM巖爆主要發生在掌子面附近，傳感器陣列緊跟掌子面的移動，實現了TBM巖爆災害的實時追蹤監測。鉆爆法布置方式與TBM類似，主要區別在于為了防止爆破沖擊造成的傳感器及其電纜線受損，第一排傳感器往往距離掌子面不低于70 m。微震事件濾噪采用了小波-神經網絡濾波方法，微震事件定位則運用了分層粒子流傳感器陣列外定位方法[3]。

圖1 TBM隧道微震監測傳感器布置示意

2 隧道巖體破裂微震頻率及主頻計算方法

文獻[13]通過分析傳感器所記錄的每日最大能量巖體破裂波形的最大有效頻率，研究隧道巖爆孕育過程的頻譜演化規律。但以單個巖體破裂為單位分析微震頻率演化特征時，很難保證某一傳感器在每個巖體破裂發生時都會被觸發。另外，傳感器在隧道開挖過程中需緊跟掌子面移動，難以保障某一傳感器可記錄到整個巖爆孕育過程的信息。因此，需綜合考慮各個傳感器所記錄波形的頻率信息。

已有研究[13]表明：相同距離下，巖體破裂微震波頻率衰減程度與其本身能量呈負相關，巖體破裂輻射能量越小，其微震波頻率衰減越大。開挖是巖體破裂發生的主要誘因，對于隧道而言，巖體破裂主要發生在掌子面附近。采用上節所述緊跟掌子面傳感器布置方案，傳感器距巖體破裂的震源距離均小于200 m，各組傳感器最大間距一般不大于70 m。對于同一類巖體破裂，在隧道這樣特定的微震監測條件下，巖體破裂微震波頻率衰減的特征仍有待分析。

波形頻譜是指對所記錄的時間-振幅時域波形圖進行離散傅里葉變換后生成的頻率-振幅波形頻域圖。波形頻譜圖中最大振幅所對應的頻率是該波形最大有效頻率。以3#引水隧洞TBM巖爆微震監測過程中2010年6月9日所記錄的某一微震輻射能為509 J的巖體破裂微震事件為例，該巖體破裂被R7和R5兩組共6個傳感器所感知。圖2為該巖體破裂微震事件對應不同傳感器所記錄微震波波形的頻譜。從圖中可以看出：兩組傳感器所記錄微震波形的最大有效頻率主要范圍為390～430 Hz，僅R5-Right傳感器存在較大偏差，約為282 Hz。盡管兩組傳感器的震源距離相差近60 m，在震源距離由約60 m增大到約120 m時，微震波的最大有效頻率基本無衰減，這與微震波振幅嚴重衰減的情況差異明顯。表明對于隧道微震監測，微震波最大有效頻率是相對穩定的波形參數。

圖2 某巖體破裂微震事件不同傳感器微震波頻譜圖

同組傳感器由于近似處于同一橫斷面，對于位于掌子面附近的巖體破裂，各傳感器的震源距離相差較小。且巖體破裂輻射微震波傳播至同一組傳感器的路徑和頻率衰減特征相近。另外，同組傳感器的工作環境及受環境噪聲干擾程度較為一致。同組傳感器所記錄波形的最大有效頻率應基本相同。但圖2中某一傳感器對應的波形最大有效頻率出現明顯差異，這一現象較為普遍，其原因可能在于該傳感器在安裝時與鉆孔孔壁圍巖的耦合較差或傳感器本身性能下降，致使波形頻率衰減嚴重。針對極個別傳感器微震波波形頻率可能失真的情況，將巖體破裂微震主頻定義為：

(1)

式中，fmain為巖體破裂微震主頻，N為對應巖體破裂觸發傳感器的總數量，fi為第i個傳感器記錄波形的最大有效頻率，fmax和fmin分別為最大有效頻率fi(i=1,2，…，N)中的最大值和最小值。

圖3為本研究巖爆案例相關的90個巖體破裂微震主頻與其微震輻射能的關系，可以看出巖體破裂微震主頻fmain與其對應微震輻射能E的對數近似呈反比關系。該計算方法有效規避了可能因某一傳感器波形失真造成的事件頻率計算不準，所計算的事件主頻符合巖體破裂震源能量越大、所輻射波形的主要頻率范圍越低的一般特征。

圖3 微震主頻與輻射能的關系

這符合巖體破裂能量越大、所輻射波形頻率越小的特點，也說明了基于本方法所計算的微震主頻可以較好地反映巖體破裂微震波的頻率特征。

3 強烈巖爆孕育過程的微震主頻演化規律

為了研究鉆爆法和TBM巖爆孕育過程的相似性和差異性，于兩種施工方法各取一典型強烈巖爆案例進行分析。TBM“2010.6.11”強烈巖爆與鉆爆法“2011.1.11”強烈巖爆的相關信息見表1。依據前節所述微震主頻計算方法，計算了兩次巖爆孕育過程中各巖體破裂的微震主頻。圖4為該兩次隧道巖爆孕育的微震主頻演化。圖中，圓球表示巖體破裂微震事件；圓球大小則表示巖體破裂微震輻射能(E)，圓球越大，巖體破裂微震輻射能越大。可以看出：①整體上看，TBM“2010.6.11”巖爆孕育時，巖體破裂微震主頻由高向低交替變化，且在巖爆顯現時刻降低到最小；而對于鉆爆法“2011.1.11”巖爆，微震主頻的演化則是無序的；②單單分析單日微震主頻最小巖體破裂事件，兩次強烈巖爆孕育過程單日最小微震主頻一般均低于200 Hz，但TBM“2010.6.11”巖爆孕育過程中單日最小微震主頻呈逐漸降低的趨勢，而鉆爆法“2011.1.11”巖爆則基本無變化。

表1 隧道典型強烈巖爆案例

注：圓球大小與巖體破裂微震輻射能(E)為正相關。

對于TBM施工，高等級巖爆發生前往往伴有低等級巖爆顯現，如強烈巖爆孕育過程中常發生多次輕微與中等巖爆。圖5為“2010.6.11”強烈巖爆孕育過程中輕微與中等巖爆發生情況。需要指出的是，大能量(E>104J)低頻率微震事件與這類巖爆有很強的一一對應關系。對于鉆爆法，在巖爆發生前，往往存在與最終巖爆事件能量與頻率相近的微震事件，但相應時刻實際現場并未有圍巖破壞發生。TBM掘進時被看作對圍巖準靜態卸荷，對于較完整的圍巖，能量與破裂呈現逐步釋放與發展的態勢。一次巖爆發生過程中破裂尺寸往往由小至大逐次發展，巖體破裂能量釋放與微震主頻呈反比，微震主頻易呈現由高到低發展的特征。而“2010.6.11”強烈巖爆發生前幾日中輕微和中等巖爆頻次演化為：1、1、2和9(見圖5)。巖爆頻發時，巖體破裂微震主頻為由高向低交替變化(見圖4(a))。鉆爆法施工為瞬時卸荷，爆破對圍巖損傷范圍較大，巖體結構相對較為復雜，巖爆孕育過程中破裂尺度發展可能并無規律可循。鉆爆法巖爆通常以單體形式突出，對應于巖體破裂微震主頻發展的無序(見圖4(b))。但若僅考慮每日微震主頻最小的巖體破裂事件，弱化TBM與鉆爆法施工方法的差異性，兩類施工工法強烈巖爆孕育過程的共同性在于：每日基本都會發生微震主頻小于200 Hz的微震事件。

圖5 “2010.6.11”強烈巖爆孕育過程中輕微與中等巖爆發生情況

綜合上述分析，對于TBM隧道，微震主頻的整體和每日最小值演化規律可作為強烈巖爆預測的前兆特征。而對于鉆爆法隧道，微震主頻的每日最小值演化可作為強烈巖爆預測的前兆特征。

4 結論

基于巖體破裂微震波頻率特征，研究了不同施工方法下強烈巖爆孕育規律，主要獲得了如下認識：

1)在隧道微震監測條件下，巖體破裂微震波最大有效頻率是相對穩定的波形參數，隨距離衰減并不明顯。建立了綜合考慮各傳感器波形的巖體破裂微震主頻計算方法，所計算的微震主頻可以較好地反映巖體破裂微震波的頻率特征。

2)TBM強烈巖爆孕育過程中巖體破裂微震主頻由高向低交替變化，且在巖爆顯現時刻降低到最小。而對于鉆爆法強烈巖爆，微震主頻的演化則是無序的。

3)TBM和鉆爆法強烈巖爆孕育過程中單日最小微震主頻一般低于200 Hz，但TBM強烈巖爆孕育過程中單日最小微震主頻呈逐漸降低的趨勢，而鉆爆法強烈巖爆則基本無變化。

需要說明的是，該研究是基于錦屏二級水電站大理巖引水隧洞群的巖爆微震監測實例。正在建設的川藏鐵路花崗巖隧道在鉆爆法施工情況下也呈現出高等級巖爆孕育過程中伴有低等級巖爆發生的情況，其巖爆可能存在新的前兆微震特征，可參考本文思路進行相應研究。