基于微震监测的秦岭隧洞岩性转换带岩爆孕育机制
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作者:谷建强
摘要：多年来，岩爆的频发严重制约着最大深埋隧洞的工程建设进度，给现场施工安全造成极大的威胁。引汉济渭秦岭输水隧洞具有地应力高、埋深大、地质结构复杂等特点，为减少在开挖过程中岩爆带来的危害，利用微震监测技术对岭北TBM洞段实施全天候不间断监测。通过分析微震事件的时空演化规律，对K46+735～K45+730 之间变砂岩与闪长岩交界面处岩性转换带的岩爆孕育机制开展了研究。研究结果表明：① 微震事件的时空演化规律可以有效揭示岩爆区岩体的破裂过程，并显示出了微震监测震源参数的变化情况与现场发生的岩爆现象一致;② 岩性转换带的岩爆孕育受开挖扰动影响，当岩爆区域在高应力作用下发生静力破坏时，结构面滑移错动产生高应力，并与静应力形成叠加效应，最终诱发强烈岩爆。研究成果可以为最大深埋隧洞施工过程中的岩爆预防措施制定提供参考，以保证现场施工人员和设备的安全。
关 键 词：岩爆; 岩性转换带; 孕育机制; 高地应力; 微震监测; 秦岭隧洞
中图法分类号： TU 45
文献标志码： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.017
0 引 言
岩爆是一种储能岩体在原始赋存环境扰动后，其内部应力集中致使岩体承载强度达到极限而发生剥离、崩落、弹射的物理现象[1-3]。随着中国经济的不断发展，各种大型地下工程的建设相继开展，建设深度不断增加，从而岩爆问题也日渐显现和突出。
岩爆发生时往往伴随着能量的突然释放，具有突发性和猛烈性等特点，对工程建设的顺利进行和施工人员安全造成了严重威胁。例如，义马煤业集团千秋煤矿“11・3”重大冲击地压事故造成了10 人死亡、64 人受伤，锦屏二级水电站排水洞的“11・28”强烈岩爆致使7 人遇难，1 人受伤，TBM永久被埋，损失惨重[1，4]。目前许多学者已经从室内试验、数值模拟、相似模拟和现场监测等众多方面对岩爆问题进行了大量的研究，并取得了丰硕的成果[5-8]。
但因为岩体的非均匀性及所处环境的复杂多变，岩爆问题仍未彻底解决。其中，许多研究成果表明，结构面的存在是诱发岩爆的重要原因[9-11]。Liu等[12]分析了引汉济渭4号洞的连续3次强烈岩爆进行分析，认为隧洞周边小型结构面对岩爆的发生和强度起着重要的控制作用，并利用监测得到的微地震数据，总结了具有结构面型岩爆特色的预警前兆。Meng等[13]研究认为，结构面是影响岩爆发生的主要控制因素，并假设岩爆是由沿刚性结构面的剪切破坏导致的应力降引起的。其中，岩性界面作为一种特殊的结构面，有关其与岩爆的关系却研究相对较少[14-15]。因为岩爆的影响因素较多，而且各因素之间普遍是非线性关系，在选择研究岩爆问题的方法时也是各有侧重。随着科学技术的发展和进步，微震监测技术在研究岩爆孕育过程的应用中已经相对成熟，马天辉等[4，16]结合锦屏二级水电站的岩爆现场实况和微震监测相关震源参数变化，分析认为岩爆在最大深埋隧洞中的“时、空、强”等分布具有明显的规律性，而且微震活动可以较好地演绎岩爆的孕育过程。于群等[17]分别从微震事件发展的时空序列、活动率、震动能量和能量密度角度对锦屏二级水电站最大深埋隧洞岩爆孕育过程的一些参数改变特点进行研究，并从动态微震裂纹扩展方面分析了岩爆孕育过程中的微破裂发展至贯通破裂的破坏原理。
本文以引汉济渭秦岭引水隧洞5号洞K46+735～K45+730之间变砂岩与粉砂岩的交界面处岩性转换带为研究对象，以微震监测技术为手段，通过对比分析岩爆现场实际状况和微震监测震源参数的变化，演绎岩爆发生的孕育过程，以期为最大深埋隧洞施工过程中的岩爆预防措施的制定提供依据，保证现场施工人员和设备的安全。
1 工程背景
秦岭引水隧洞岭北TBM施工段起止逗盼 K46+360～K62+902.517，隧洞的横断面为8.02 m的圆形断面，隧洞埋深550～1 300 m，施工区位于黑河金盆水库下游周至县楼观镇东约2km的黄地沟内，工区范围内主要涉及地层岩性主要为石炭系、泥盆系变砂岩、千枚岩、炭质千枚岩、糜棱岩。变砂岩主要分布桩号为K46+360～K50+930;碎裂岩、糜棱岩主要分布桩号为K50+930～K51+020;（炭质）千枚岩主要分布桩号为K51+020～K61+180;角闪石英岩片主要分布桩号为K61+180～K62+902.517。其中，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩的长度各为9 570，870 m和6 028 m。
秦岭引水隧洞5号洞K46+735～K45+730之间变砂岩与粉砂岩交界面处的岩性转换带发生过强烈岩爆，爆坑长约7 m，宽8.5 m，深3.9 m，剥落的岩石形状多为块状、棱块状。护盾后方K45+717～K45+730段在面向掘进方向11点～15点区间的已支护钢拱架扭曲变形为“S”状，部分被压弯低至TBM作业平台。
2 微震监测方法与震源参数
2.1 微震监测方法
现场监测采用加拿大ESG微震监测系统，该系统主要包括微震传感器、地震记录仪、数据采集与存储工作站[18-19]。微震监测设备为6通道，分别连接6个传感器。其中，每3个传感器为一组，分别设置于隧洞同一断面的拱顶和左右边墙，与围岩耦合接触，用于接收岩体破裂时产生的弹性波。地震记录仪则将电信号转化成数字信号，并通过光纤与洞外数据采集与存储系统连接，最终将接收处理后的数据以信息报告的形式通过互联网发送至相关单位。图1为TBM掘进过程中微震监测流程示意。
岩体受开挖扰动影响，其内部的结构缺陷部位常因此而产生应力集中。当围岩应力超过岩体极限承载强度时则会产生破裂，使得应力重新分布，直至应力达到新的平衡。隧洞内的围岩扰动区主要集中在掌子面附近，距离掌子面较远的围岩基本处于稳定状态，仅受轻微扰动，但基本不会产生较大的岩体破裂情况。因此，微震监测系统的监测重点应随掌子面的推进而前移。为了准确、实时监测岩体破裂，监测过程中采用了唐春安团队提出的适合TBM 开挖工作面的移动式微震监测方案，具体可参阅参考文献[4，20]。
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