深埋水工隧洞岩爆微震监测预警研究

2020-04-13石亚龙党康宁王家明

水利规划与设计 2020年4期

陶磊，石亚龙，党康宁，王家明

(1.中国水利水电科学研究院，北京 1000382；陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西西安 710010)

随着我国国民经济社会的快速发展，国内水利水电、交通运输、矿山矿井等多个工程领域的深埋长大隧洞全线开工建设，深部岩石力学问题暴露出来，其中以岩爆灾害最为突出。岩爆灾害是指岩体在开挖或其他外界的扰动下，聚集岩体内部的弹性变形势能突然释放，导致岩体发生爆裂、弹射的现象[1]。岩爆的危害主要是其突发性，没有明显的预兆，强烈极强烈对人员造成严重伤亡，设备的损坏，更有甚者，造成工期延误。2009年11月28日位于四川省境内的雅砻江锦屏Ⅱ级水电站的引水隧洞(最大埋深达到2525m)全断面岩石掘进机(TBM)掘进过程中爆发了极其罕见的极强烈岩爆，此次岩爆发生在距离掌子面大约7～20m范围内，最大爆坑深度达到9m左右，爆落的碎石总量总计达到上千m3，最终导致现场7名工人遇难，正在施工作业的TBM设备被埋，主梁断裂，严重损坏[2]。国内大伙房水库输水隧洞[3- 4]，滇中引水工程[5]，吉林引松供水工程[6]等水工深埋隧洞TBM施工[7- 8]也同样遭遇到岩爆严重威胁。

微震监测技术、经验方法和数值方法是目前工程界开展岩爆风险预测的重要方法，其中尤以微震监测技术具有监测范围广、24h连续不间断、自动化、信息化和智能化等优点，在岩爆预警方面具有独特优势。最新颁布的国家能源局批准执行的NB/T 10143—2019《水电工程岩爆风险评估技术规范》已将岩爆微震监测技术规定作为岩爆预警的重要手段。

20世纪80年代后，高精度微震监测技术在南非、美国、加拿大等国的矿山作业中得到普遍应用。我国现代化微震监测技术应用起步较晚，且主要集中在深部矿山工程，首次应用于冬瓜山铜矿，主要用于矿震定位、突水、瓦斯监测等方面，在矿业开采行业中习惯将岩爆称之为冲击地压。2004年国内引进了加拿大ESG微震监测技术，建立了64通道全数字型微地震监测系统，并对采矿工程冲击地压预报开展了深入研究[9]。2009年在锦屏Ⅱ级水电站隧洞群，通过集成和创新方式构建了首套应用于TBM岩爆监测系统[10]。此后，众多国内外学者在微震监测技术应用方面开展深入研究，对岩爆判别、岩爆特征及微震监测规律、微震活动特征进行分析，相关成果为深埋水工隧洞的岩爆监测预警提供重要依据[11]。

钱七虎院士在锦屏Ⅱ级水电站强烈岩爆区域岩爆监测预报工程实践基础上指出岩爆微震监测预报的准确率：中国科学院武汉岩土力学研究所88.36%，大连理工大学85.5%[2]。

本文以陕西省引汉济渭工程秦岭输水隧洞岩爆多发洞段为研究对象，采用微震监测技术作为岩爆监测预警手段，优化了TBM隧洞微震监测设备的安装、传感器阵列布置、数据无线传输的方案；对岭南TBM洞段和钻爆法洞段分别开展了长期微震监测预警，获取岩爆监测信息，提前做出岩爆风险预警。

1 工程概况

陕西省引汉济渭工程是利用黄金峡和三河口水库将汉江上游的水资源调至渭河流域，以缓解关中地区水资源供需矛盾，改善渭河生态环境的跨流域调水工程[12]。调水工程由黄金峡水利枢纽、秦岭输水隧洞和三河口水利枢纽三部分组成。秦岭输水隧洞以控制闸为界分黄(金峡)-三(河口)段和越岭段，总长98.3km[13]。隧洞越岭段从底部穿越秦岭山脉主脊，最大埋深可达2012m，主洞段全长81.779km，设计流量为70m3/s，年平均输水量15亿m3，隧洞坡降为1/2500，穿越秦岭主脊段的39km采用两台TBM相向施工，隧洞的开挖直径为8.02m，其余洞段采用钻爆法，工程布置如图1所示，钻爆法和TBM隧洞断面如图2所示，秦岭输水隧洞地质剖面图如图3所示。

图1 引汉济渭工程秦岭输水隧洞布置示意图

图2 秦岭输水隧洞断面

图3 越岭段输水隧洞的地质剖面图

岭南TBM标段位于中国陕西省宁陕县四亩地镇，从3#支洞进入主洞下游1942m开始，标段全长18.275km，施工桩号为K28+085～K46+360，主洞采用一台开敞式硬岩掘进机施工，工区高程范围1050～2420m，岩性主要为下元古界长角坝岩群黑龙潭岩组石英岩、印支期花岗岩、华力西期闪长岩以及断层碎裂岩、糜棱岩，施工过程岩爆频发[14]。岭南TBM标段围岩类别见表1。

地应力测试表明，最大水平主应力SH值介于16.11～23.7MPa，最小水平主应力Sh值介于10.11～15.41MPa，最大水平主应力SH方向为N30°～46°W，优势作用方向为北西向。深钻孔地应力实测结果表明，三向主应力的关系为：SH>Sh>Sv(最大竖向主应力)，具有较为明显的水平构造应力作用，且地应力值较大。

2 岩爆微震监测系统

图4 岩爆微震监测系统[15]

目前在我国主要用于岩爆监测的微震系统有南非IMS、加拿大ESG、波兰SOS和中国SSS等[15]，如图4所示。引汉济渭工程秦岭输水隧洞引入加拿大ESG微震监测系统，分别在TBM和钻爆法洞段开展了微震监测，现场工作微震监测系统拓扑图如图5—6所示，微震监测设备包含主机工作站、数据采集仪、加速度传感器，如图7所示。

图5 微震监测系统网络拓扑图(钻爆法)

图6 微震监测系统网络拓扑图(TBM法)

岭南TBM洞段，相比于钻爆法洞段，微震监测难度更大，主要有以下问题：

(1)洞内温度高、湿度大，通过在数据采集仪箱内增加小型风扇增加空气流通，降低仪器长期温度高、湿度大环境下工作的损伤，延长仪器寿命，确保监测工作顺利进行。

(2)TBM设备占据大量空间，导致隧洞内可用空间比较狭窄，设备的安装和移动难度较大。挑选干燥、凹陷的位置安装数据采集仪，安装完成后通过红外设备向TBM尾端照射，检验采集仪外壳最突出位置是否可能触碰TBM设备；传感器电缆尽量悬挂于洞腰处，靠皮带一侧电缆安装后即过顶。

(3)交通不便，实现数据的无线或有线传输，远程控制洞内设备，减少进洞次数。

(4)TBM自带钻机钻孔不便。采用TBM机身钻机与气腿式凿岩机相结合的方式。

图7 微震监测设备

3 岩爆微震监测成果分析

工程界将岩爆按轻微、中等、强烈、极强烈岩爆四个等级进行超前预评判。基于微震监测技术的岩爆风险预判别标准见表2。现场施工岩爆发生后，将开挖掘进前后爆坑深度作为实际发生岩爆等级的判别标准，见表3。

表2 基于微震监测技术的岩爆风险预判别标准

表3 现场岩爆等级判别

专业技术人员每日远程分析岩爆信息，关注微震参数的变化，预判前方岩爆等级，并发送岩爆预警信息，提出相应的施工建议、防范措施，以供现场施工人员决策。

3.1 TBM洞段

TBM洞段自2017年9月到2018年10月，共计13个月，监测长度2657m(桩号K33+870～K36+527)，共发送数据报告306期。监测期间共统计岩爆次数为177次，其中较准确预测161次，占比90.96%，16次由于各种原因未能提前预测或预测等级偏低，占比9.04%。岩爆预测结果与实际发生岩爆结果验证，一般存在四类结果，即预测准确、等级偏低、桩号范围有少量偏差以及未能提前预测而实际却发生岩爆的情况。

TBM洞段监测期间的微震活动分布图如图8所示，微震活动较为活跃，其中共采集到2142个微震事件。该洞段微震事件发生的频次如图9所示。洞段微震事件矩阵级分布图如图10所示。