基于微震監測的秦嶺隧洞巖性轉換帶巖爆孕育機制

谷建強

摘要：多年來，巖爆的頻發嚴重制約著最大深埋隧洞的工程建設進度，給現場施工安全造成極大的威脅。引漢濟渭秦嶺輸水隧洞具有地應力高、埋深大、地質結構復雜等特點，為減少在開挖過程中巖爆帶來的危害，利用微震監測技術對嶺北TBM洞段實施全天候不間斷監測。通過分析微震事件的時空演化規律，對K46+735～K45+730 之間變砂巖與閃長巖交界面處巖性轉換帶的巖爆孕育機制開展了研究。研究結果表明：① 微震事件的時空演化規律可以有效揭示巖爆區巖體的破裂過程，并顯示出了微震監測震源參數的變化情況與現場發生的巖爆現象一致;② 巖性轉換帶的巖爆孕育受開挖擾動影響，當巖爆區域在高應力作用下發生靜力破壞時，結構面滑移錯動產生高應力，并與靜應力形成疊加效應，最終誘發強烈巖爆。研究成果可以為最大深埋隧洞施工過程中的巖爆預防措施制定提供參考，以保證現場施工人員和設備的安全。

關 鍵 詞：巖爆; 巖性轉換帶; 孕育機制; 高地應力; 微震監測; 秦嶺隧洞

中圖法分類號： TU 45

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.017

0 引 言

巖爆是一種儲能巖體在原始賦存環境擾動后，其內部應力集中致使巖體承載強度達到極限而發生剝離、崩落、彈射的物理現象[1-3]。隨著中國經濟的不斷發展，各種大型地下工程的建設相繼開展，建設深度不斷增加，從而巖爆問題也日漸顯現和突出。

巖爆發生時往往伴隨著能量的突然釋放，具有突發性和猛烈性等特點，對工程建設的順利進行和施工人員安全造成了嚴重威脅。例如，義馬煤業集團千秋煤礦“11·3”重大沖擊地壓事故造成了10 人死亡、64 人受傷，錦屏二級水電站排水洞的“11·28”強烈巖爆致使7 人遇難，1 人受傷，TBM永久被埋，損失慘重[1，4]。目前許多學者已經從室內試驗、數值模擬、相似模擬和現場監測等眾多方面對巖爆問題進行了大量的研究，并取得了豐碩的成果[5-8]。

但因為巖體的非均勻性及所處環境的復雜多變，巖爆問題仍未徹底解決。其中，許多研究成果表明，結構面的存在是誘發巖爆的重要原因[9-11]。Liu等[12]分析了引漢濟渭4號洞的連續3次強烈巖爆進行分析，認為隧洞周邊小型結構面對巖爆的發生和強度起著重要的控制作用，并利用監測得到的微地震數據，總結了具有結構面型巖爆特色的預警前兆。Meng等[13]研究認為，結構面是影響巖爆發生的主要控制因素，并假設巖爆是由沿剛性結構面的剪切破壞導致的應力降引起的。其中，巖性界面作為一種特殊的結構面，有關其與巖爆的關系卻研究相對較少[14-15]。因為巖爆的影響因素較多，而且各因素之間普遍是非線性關系，在選擇研究巖爆問題的方法時也是各有側重。隨著科學技術的發展和進步，微震監測技術在研究巖爆孕育過程的應用中已經相對成熟，馬天輝等[4，16]結合錦屏二級水電站的巖爆現場實況和微震監測相關震源參數變化，分析認為巖爆在最大深埋隧洞中的“時、空、強”等分布具有明顯的規律性，而且微震活動可以較好地演繹巖爆的孕育過程。于群等[17]分別從微震事件發展的時空序列、活動率、震動能量和能量密度角度對錦屏二級水電站最大深埋隧洞巖爆孕育過程的一些參數改變特點進行研究，并從動態微震裂紋擴展方面分析了巖爆孕育過程中的微破裂發展至貫通破裂的破壞原理。

本文以引漢濟渭秦嶺引水隧洞5號洞K46+735～K45+730之間變砂巖與粉砂巖的交界面處巖性轉換帶為研究對象，以微震監測技術為手段，通過對比分析巖爆現場實際狀況和微震監測震源參數的變化，演繹巖爆發生的孕育過程，以期為最大深埋隧洞施工過程中的巖爆預防措施的制定提供依據，保證現場施工人員和設備的安全。

1 工程背景

秦嶺引水隧洞嶺北TBM施工段起止樁號為 K46+360～K62+902.517，隧洞的橫斷面為8.02 m的圓形斷面，隧洞埋深550～1 300 m，施工區位于黑河金盆水庫下游周至縣樓觀鎮東約2km的黃地溝內，工區范圍內主要涉及地層巖性主要為石炭系、泥盆系變砂巖、千枚巖、炭質千枚巖、糜棱巖。變砂巖主要分布樁號為K46+360～K50+930;碎裂巖、糜棱巖主要分布樁號為K50+930～K51+020;（炭質）千枚巖主要分布樁號為K51+020～K61+180;角閃石英巖片主要分布樁號為K61+180～K62+902.517。其中，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖的長度各為9 570，870 m和6 028 m。

秦嶺引水隧洞5號洞K46+735～K45+730之間變砂巖與粉砂巖交界面處的巖性轉換帶發生過強烈巖爆，爆坑長約7 m，寬8.5 m，深3.9 m，剝落的巖石形狀多為塊狀、棱塊狀。護盾后方K45+717～K45+730段在面向掘進方向11點～15點區間的已支護鋼拱架扭曲變形為“S”狀，部分被壓彎低至TBM作業平臺。

2 微震監測方法與震源參數

2.1 微震監測方法

現場監測采用加拿大ESG微震監測系統，該系統主要包括微震傳感器、地震記錄儀、數據采集與存儲工作站[18-19]。微震監測設備為6通道，分別連接6個傳感器。其中，每3個傳感器為一組，分別設置于隧洞同一斷面的拱頂和左右邊墻，與圍巖耦合接觸，用于接收巖體破裂時產生的彈性波。地震記錄儀則將電信號轉化成數字信號，并通過光纖與洞外數據采集與存儲系統連接，最終將接收處理后的數據以信息報告的形式通過互聯網發送至相關單位。圖1為TBM掘進過程中微震監測流程示意。

巖體受開挖擾動影響，其內部的結構缺陷部位常因此而產生應力集中。當圍巖應力超過巖體極限承載強度時則會產生破裂，使得應力重新分布，直至應力達到新的平衡。隧洞內的圍巖擾動區主要集中在掌子面附近，距離掌子面較遠的圍巖基本處于穩定狀態，僅受輕微擾動，但基本不會產生較大的巖體破裂情況。因此，微震監測系統的監測重點應隨掌子面的推進而前移。為了準確、實時監測巖體破裂，監測過程中采用了唐春安團隊提出的適合TBM 開挖工作面的移動式微震監測方案，具體可參閱參考文獻[4，20]。C6FDD2D9-7822-4550-B0C0-EBE1E13B2DD8

2.2 震源參數

當巖體發生微破裂時會產生彈性波，被布設的傳感器接收，并在微震監測系統中形成一個矩形脈沖，這種矩形脈沖稱為微震事件，它在微震系統的三維界面中以小球的形式顯示[21]。微震事件包含豐富的震源信息，通過分析相關震源參數的變化可以揭示巖爆的孕育過程。以下為幾個常用的震源參數。

（1） 矩震級。

矩震級是從震源物理的研究中測定地震矩，直接算出一次地震的地震波輻射能量，然后通過G-R能量震級公式可計算得出震級公式（1）。

lgE=1.5M+11.8（1）

式中：E為輻射地震能;M為地震矩。

值得注意的是，地震矩的量綱為能量量綱，實際反映出在地震發生前由于變形儲存在巖體中的應變能，它是對破裂面錯動滑移觸發的地震強度的度量。對于完全釋放的大震，所釋放的應變能為W0 ≈ 5×10-5 M0，將其代入到公式（1）可得出公式（2）：

MM=lgW0-11.81.5=23lgM0-6.06 （2）

（2） 微震能量。

能量釋放過程是巖體在產生開裂或摩擦狀態下由彈性變形轉化為非彈性變形的演變。其中，在轉化過程中會有高速的動力變化微震事件和低速的蠕變事件2種。轉化過程中產生的微震能量與微震源函數的時間構成倒數關系，一般速度較低的事件大部分輻射出低頻波，所產生的微震輻射能相較于高速動力事件釋放的能量要弱。從結構力學的斷裂力學角度來看，發生開裂現象的速度越慢，輻射能量也會伴隨著開裂速度的變化呈現類似的趨勢，但通過靜力產生的開裂過程不釋放輻射能。

在時間域內，P波和S波的輻射微震能與經由遠場速度脈沖的平方值修正后輻射波形在時段上的積分成正比，具體公式如（3）所示：

EP，S=85πρVP，SR2∫ts0μ·2corrtdt（3）

式中：

ρ 為巖石密度;

VP，S為P波或S波波速;

R為到震源的距離;ts為持續時間;μ·2corr（t）為輻射波形修正后的遠場速度脈沖的平方。

需要注意的是，由于該公式（3）與震源模型相關性較大，計算結果可能會出現較大誤差。一次巖體壓裂事件的總地震震能量如式（4）所示。

E=Ep=Es（4）

3 微震演化特征

3.1 微震事件的時域演化規律

（1） 微震事件數和累積能量之間的時域演化規律。2019年5月23日10：00至6月24日10：00，在嶺北TBM工作面采集到的有效微震事件共250個，平均每日采集的微震事件為 8個，微震的活躍度呈現偏低的狀態。6 月 1 日在TBM掘進的掌子面產生了一次強烈巖爆現象，巖爆形成了長約 7 m，寬為8.5 m，深為3.9 m 的塌腔，剝落產生的巖塊主要以塊狀和棱塊狀為主，護盾后方在 K45+717～K45+730區間面向掘進方向11點～15點部位已支護的鋼拱架扭曲變形呈S狀，部分已被壓彎低至TBM作業平臺上，巖爆現場如圖2 所示。

圖3展示了2019 年 5 月 23 日10：00至6月24日10：00微震事件數及累計能量時域演化規律。由圖3可以看出：5月23日10：00至31日10：00，累計能量曲線基本處在快速上升階段，微震事件快速上升至較高水平后，除偶有高低變化，基本維持在較高水平。這說明在這一階段內巖體中產生了大量的大規模裂隙，圍巖穩定性快速下降。6月1日后，能量得到釋放，而且未受開挖擾動的影響，圍巖中的應力得到了有效調整，使得微震事件降低至低水平，累積能量曲線較為平緩，但工作面距離交界面距離較近，仍在其影響范圍內。

（2） 微震震級時域演化規律。

2019年5月24日至6月24日，在嶺北TBM工作面監測到的有效微震事件，多數矩震級在2.0以下，部分在2.0～2.5之間，少數在2.5～3.0之間;矩震級在2.0以上的微震事件與6月1日之前的相比較為集中，主要是中等偏強巖爆風險，只有局部區域具有強烈巖爆風險。6月1日以后，整體矩震級呈現逐漸降低的趨勢。該段時間的嶺北TBM工作面微震震級時域演化規律如圖4所示。

3.2 微震事件的空間分布規律

2019年5月23日10：00至6月1日10：00，在嶺北TBM工作面共采集到有效微震事件232次，微震事件大部分分布在K45+740～K45+720范圍內，其他的微震事件呈零散分布狀態，震級和能量都比較小?，F場掘進完成后的K46+735～K45+730之間為變砂巖與粉砂巖的交界面，發生過數次巖爆，巖體破壞嚴重。K46+733～K45+726范圍內隧洞右側拱肩發生強烈巖爆，如圖3所示，這與微震事件的空間分布一致。嶺北TBM工作面微震活動狀態分布如圖5所示。

4 巖性轉換帶強巖爆的機制分析

巖體產生微破裂，釋放震動波，每一個震動波包括P波（縱波）與S波（橫波）。Es/Ep（S波釋放的能量與P波釋放的能量的比值）是解譯巖體破裂機制演化規律的重要依據。Boatwright等[22]研究表明：當巖體發生斷層滑移或者剪切誘發微震事件時，S波釋放的能量要遠大于P波釋放的能量;而當巖體發生非剪切類的破壞（張拉破壞）誘發微震事件時，Es/Ep要接近或小于3。徐奴文[23]以錦屏一級水電站左岸邊坡為例，對S波與P波的能量比值進行研究，其中12%事件的Es/Ep小于3，56%事件的Es/Ep大于10，該結果與數值模擬得到的邊坡破壞機制結果相吻合。對于秦嶺隧洞嶺北TBM在2019年6月1日發生強烈巖爆現象之前，隧洞K46+735～K45+730之間的變砂巖與粉砂巖交界面處的巖性轉換帶的巖爆機制演化規律如圖6所示。

圖6中，球體代表微震事件產生過程中的能量，球體形狀的大小代表能量的級別，對球體選用不同的顏色表示在微震事件過程中產生的不同破壞類型。由圖6（a）可以看出：超前工作面約10 m處，產生了2個能量較大的剪切破壞事件，說明該處可能存在結構面，受開挖擾動影響后發生了滑移，結構面之間的凸臺被剪斷。隨著工作面的推進，不斷靠近結構面，沿著結構面繼續產生部分剪切及混合破裂型事件，而且在結構面附近產生部分小能量的拉伸破裂事件，說明結構面進一步滑移，誘發兩側巖體產生微破裂，如圖6（b）所示。工作面繼續推進并穿過結構面，沿著結構面產生大量的剪切與混合破裂事件，并在結構面兩側巖體中產生了大量拉伸破裂事件，說明工作面在穿過結構面過程中受到的擾動影響劇烈，致使滑移錯動程度加劇，且靠近結構面底盤的巖體產生大量裂紋并相互貫通，沿著結構面發生巖爆，靠近結構面上盤的未揭露巖體（6 月 1 日巖爆區域），在高應力與結構面錯動影響下產生大量裂紋，期間在現場揭露出該結構面為變砂巖與閃長巖的交界面，如圖6（c）～（d）所示。5月28～30日，工作面繼續推進，6 月 1 日巖爆區域被揭露出來，在隧洞拱頂及拱底更深的范圍內沿結構面產生大量的剪切及混合破裂事件，并在巖爆區域聚集產生大量拉伸破裂事件，拉伸破裂聚集區可能是由于巖性界面之間高強度的凸臺不易被剪斷，而導致了凸臺兩側附近的巖體產生拉應力集中區，當積累的應力超過凸臺的強度時，凸臺被剪斷釋放大量的應變能，以致誘發了巖爆，如圖6（e）～（f）所示。C6FDD2D9-7822-4550-B0C0-EBE1E13B2DD8

從本質上來講，K46+735～K45+730 之間變砂巖與粉砂巖的交界面處巖性轉換帶的巖爆形成，是動應力與靜應力共同作用的結果。首先，該區間巖爆孕育過程受到開挖擾動的影響，在高應力作用下發生靜力破壞，此時應力遷移到鄰近不同巖性區間的結構面，促使其產生滑移錯動而最終誘發巖爆的發生;其次，本質上是在動應力與靜應力疊加作用下，巖性轉換帶最終發生強烈巖爆。巖爆孕育機理如圖7所示。通過開展巖爆孕育機制的研究，可為預防最大深埋隧洞施工過程中巖爆的發生采取合理措施提供依據，以保證現場施工人員和設備的安全。

5 結 論

通過對引漢濟渭秦嶺引水隧洞嶺北TBM洞段開展基于微震監測技術的巖爆機制研究，尤其對K46+735～K45+730之間變砂巖與粉砂巖的交界面處巖性轉換帶的巖爆孕育過程進行了分析，可以得到如下結論。

（1） 微震監測結果從時域角度揭示了發生巖爆的強度，即在2019年6月1日之前，是以中等偏強巖爆為主，只有局部區域具有發生強烈巖爆的風險;而在2019年6月1日以后，巖爆強度呈現降低的趨勢。同時也揭示，在空間上，發生的巖爆呈現出的微震事件大部分分布在K45+740～K45+720 范圍內，這與現場該部位（即變砂巖與粉砂巖的交界面）發生數次巖爆、巖體破壞的實況相一致。

（2） 監測范圍內，變砂巖與閃長巖交界面處巖性轉換帶的巖爆孕育會受開挖擾動的影響，巖爆區域在高應力作用下發生靜力破壞，而且結構面滑移錯動會產生高應力，并與靜應力形成疊加效應，從而誘發強烈巖爆。

（3） 通過本文對巖性轉換帶巖爆孕育機制的研究，可以為最大深埋隧洞施工過程中的巖爆預防措施的制定提供依據，以保證現場施工人員和設備的安全。

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（編輯：趙秋云）

Study on mechanism of intense rockburst in lithologic transformation zone of

Qinling Tunnel based on microseismic monitoring

GU Jianqiang

（China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi′an 710043，China）

Abstract：

For many years，the frequent occurrence of rockburst has severely restricted the construction progress of deep-buried tunnels，posing a great threat to site construction safety.The Qinling diversion tunnel of Water Diversion Project from Hangjiang River-to-Weihe River has the characteristics of high ground stress，large buried depth and complex geological structure.In order to reduce the damage caused by rockburst during the excavation process，the microseismic monitoring technology was used to carry out all-weather and uninterrupted monitoring in the northern TBM section of Qinling Tunnel.By analyzing the spatial-temporal evolution process of microseismic events，the mechanism of rockburst occurred in the lithologic transformation zone at the interface between metasandstone and diorite （from mileages K46+735 m to K45+730 m） was investigated.The results show that：① the spatial-temporal evolution law of microseismic events can effectively reveal the failure process of rock mass in rockburst area，and the changes of the microseismic monitoring source parameters were consistent with the rockburst phenomenon occurring in the field.② Under the influence of excavation disturbance，the rock mass in the rockburst area suffered from static failure under high stress，while the slip dislocation of the structural plane produced high stress.The superposition of the static stress in rockburst area and dynamic stress generated by slip of the structural plane finally induced intense rockburst.The research results can provide a reference for the formulation of rockburst prevention measures during the construction of deep-buried tunnels，so as to ensure the safety of construction personnel and equipment on site.

Key words：

rockburst;lithologic transformation zone;formation mechanism;high stress;microseismic monitoring;Qinling TunnelC6FDD2D9-7822-4550-B0C0-EBE1E13B2DD8