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施工段起止樁号为 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]。C6FDD2D9-7822-4550-B0C0-EBE1E13B2DD8

2.2 震源参数

当岩体发生微破裂时会产生弹性波，被布设的传感器接收，并在微震监测系统中形成一个矩形脉冲，这种矩形脉冲称为微震事件，它在微震系统的三维界面中以小球的形式显示[21]。微震事件包含丰富的震源信息，通过分析相关震源参数的变化可以揭示岩爆的孕育过程。以下为几个常用的震源参数。

（1） 矩震级。

矩震级是从震源物理的研究中测定地震矩，直接算出一次地震的地震波辐射能量，然后通过G-R能量震级公式可计算得出震级公式（1）。

lgE=1.5M+11.8（1）

式中：E为辐射地震能;M为地震矩。

值得注意的是，地震矩的量纲为能量量纲，实际反映出在地震发生前由于变形储存在岩体中的应变能，它是对破裂面错动滑移触发的地震强度的度量。对于完全释放的大震，所释放的应变能为W0 ≈ 5×10-5 M0，将其代入到公式（1）可得出公式（2）：

MM=lgW0-11.81.5=23lgM0-6.06 （2）

（2） 微震能量。

能量释放过程是岩体在产生开裂或摩擦状态下由弹性变形转化为非弹性变形的演变。其中，在转化过程中会有高速的动力变化微震事件和低速的蠕变事件2种。转化过程中产生的微震能量与微震源函数的时间构成倒数关系，一般速度较低的事件大部分辐射出低频波，所产生的微震辐射能相较于高速动力事件释放的能量要弱。从结构力学的断裂力学角度来看，发生开裂现象的速度越慢，辐射能量也会伴随着开裂速度的变化呈现类似的趋势，但通过静力产生的开裂过程不释放辐射能。

在时间域内，P波和S波的辐射微震能与经由远场速度脉冲的平方值修正后辐射波形在时段上的积分成正比，具体公式如（3）所示：

EP，S=85πρVP，SR2∫ts0μ·2corrtdt（3）

式中：

ρ 为岩石密度;

VP，S为P波或S波波速;

R为到震源的距离;ts为持续时间;μ·2corr（t）为辐射波形修正后的远场速度脉冲的平方。

需要注意的是，由于该公式（3）与震源模型相关性较大，计算结果可能会出现较大误差。一次岩体压裂事件的总地震震能量如式（4）所示。

E=Ep=Es（4）

3 微震演化特征

3.1 微震事件的时域演化规律

（1） 微震事件数和累积能量之间的时域演化规律。2019年5月23日10：00至6月24日10：00，在岭北TBM工作面采集到的有效微震事件共250个，平均每日采集的微震事件为 8个，微震的活跃度呈现偏低的状态。6 月 1 日在TBM掘进的掌子面产生了一次强烈岩爆现象，岩爆形成了长约 7 m，宽为8.5 m，深为3.9 m 的塌腔，剥落产生的岩块主要以块状和棱块状为主，护盾后方在 K45+717～K45+730区间面向掘进方向11点～15点部位已支护的钢拱架扭曲变形呈S状，部分已被压弯低至TBM作业平台上，岩爆现场如图2 所示。

图3展示了2019 年 5 月 23 日10：00至6月24日10：00微震事件数及累计能量时域演化规律。由图3可以看出：5月23日10：00至31日10：00，累计能量曲线基本处在快速上升阶段，微震事件快速上升至较高水平后，除偶有高低变化，基本维持在较高水平。这说明在这一阶段内岩体中产生了大量的大规模裂隙，围岩稳定性快速下降。6月1日后，能量得到释放，而且未受开挖扰动的影响，围岩中的应力得到了有效调整，使得微震事件降低至低水平，累积能量曲线较为平缓，但工作面距离交界面距离较近，仍在其影响范围内。

（2） 微震震级时域演化规律。

2019年5月24日至6月24日，在岭北TBM工作面监测到的有效微震事件，多数矩震级在2.0以下，部分在2.0～2.5之间，少数在2.5～3.0之间;矩震级在2.0以上的微震事件与6月1日之前的相比较为集中，主要是中等偏强岩爆风险，只有局部区域具有强烈岩爆风险。6月1日以后，整体矩震级呈现逐渐降低的趋势。该段时间的岭北TBM工作面微震震级时域演化规律如图4所示。

3.2 微震事件的空间分布规律

2019年5月23日10：00至6月1日10：00，在岭北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范围内，其他的微震事件呈零散分布状态，震级和能量都比较小。现场掘进完成后的K46+735～K45+730之间为变砂岩与粉砂岩的交界面，发生过数次岩爆，岩体破坏严重。K46+733～K45+726范围内隧洞右侧拱肩发生强烈岩爆，如图3所示，这与微震事件的空间分布一致。岭北TBM工作面微震活动状态分布如图5所示。

4 岩性转换带强岩爆的机制分析

岩体产生微破裂，释放震动波，每一个震动波包括P波（纵波）与S波（横波）。Es/Ep（S波释放的能量与P波释放的能量的比值）是解译岩体破裂机制演化规律的重要依据。Boatwright等[22]研究表明：当岩体发生断层滑移或者剪切诱发微震事件时，S波释放的能量要远大于P波释放的能量;而当岩体发生非剪切类的破坏（张拉破坏）诱发微震事件时，Es/Ep要接近或小于3。徐奴文[23]以锦屏一级水电站左岸边坡为例，对S波与P波的能量比值进行研究，其中12%事件的Es/Ep小于3，56%事件的Es/Ep大于10，该结果与数值模拟得到的边坡破坏机制结果相吻合。对于秦岭隧洞岭北TBM在2019年6月1日发生强烈岩爆现象之前，隧洞K46+735～K45+730之间的变砂岩与粉砂岩交界面处的岩性转换带的岩爆机制演化规律如圖6所示。

图6中，球体代表微震事件产生过程中的能量，球体形状的大小代表能量的级别，对球体选用不同的颜色表示在微震事件过程中产生的不同破坏类型。由图6（a）可以看出：超前工作面约10 m处，产生了2个能量较大的剪切破坏事件，说明该处可能存在结构面，受开挖扰动影响后发生了滑移，结构面之间的凸台被剪断。随着工作面的推进，不断靠近结构面，沿着结构面继续产生部分剪切及混合破裂型事件，而且在结构面附近产生部分小能量的拉伸破裂事件，说明结构面进一步滑移，诱发两侧岩体产生微破裂，如图6（b）所示。工作面继续推进并穿过结构面，沿着结构面产生大量的剪切与混合破裂事件，并在结构面两侧岩体中产生了大量拉伸破裂事件，说明工作面在穿过结构面过程中受到的扰动影响剧烈，致使滑移错动程度加剧，且靠近结构面底盘的岩体产生大量裂纹并相互贯通，沿着结构面发生岩爆，靠近结构面上盘的未揭露岩体（6 月 1 日岩爆区域），在高应力与结构面错动影响下产生大量裂纹，期间在现场揭露出该结构面为变砂岩与闪长岩的交界面，如图6（c）～（d）所示。5月28～30日，工作面继续推进，6 月 1 日岩爆区域被揭露出来，在隧洞拱顶及拱底更深的范围内沿结构面产生大量的剪切及混合破裂事件，并在岩爆区域聚集产生大量拉伸破裂事件，拉伸破裂聚集区可能是由于岩性界面之间高强度的凸台不易被剪断，而导致了凸台两侧附近的岩体产生拉应力集中区，当积累的应力超过凸台的强度时，凸台被剪断释放大量的应变能，以致诱发了岩爆，如图6（e）～（f）所示。C6FDD2D9-7822-4550-B0C0-EBE1E13B2DD8

從本质上来讲，K46+735～K45+730 之间变砂岩与粉砂岩的交界面处岩性转换带的岩爆形成，是动应力与静应力共同作用的结果。首先，该区间岩爆孕育过程受到开挖扰动的影响，在高应力作用下发生静力破坏，此时应力迁移到邻近不同岩性区间的结构面，促使其产生滑移错动而最终诱发岩爆的发生;其次，本质上是在动应力与静应力叠加作用下，岩性转换带最终发生强烈岩爆。岩爆孕育机理如图7所示。通过开展岩爆孕育机制的研究，可为预防最大深埋隧洞施工过程中岩爆的发生采取合理措施提供依据，以保证现场施工人员和设备的安全。

5 结 论

通过对引汉济渭秦岭引水隧洞岭北TBM洞段开展基于微震监测技术的岩爆机制研究，尤其对K46+735～K45+730之间变砂岩与粉砂岩的交界面处岩性转换带的岩爆孕育过程进行了分析，可以得到如下结论。

（1） 微震监测结果从时域角度揭示了发生岩爆的强度，即在2019年6月1日之前，是以中等偏强岩爆为主，只有局部区域具有发生强烈岩爆的风险;而在2019年6月1日以后，岩爆强度呈现降低的趋势。同时也揭示，在空间上，发生的岩爆呈现出的微震事件大部分分布在K45+740～K45+720 范围内，这与现场该部位（即变砂岩与粉砂岩的交界面）发生数次岩爆、岩体破坏的实况相一致。

（2） 监测范围内，变砂岩与闪长岩交界面处岩性转换带的岩爆孕育会受开挖扰动的影响，岩爆区域在高应力作用下发生静力破坏，而且结构面滑移错动会产生高应力，并与静应力形成叠加效应，从而诱发强烈岩爆。

（3） 通过本文对岩性转换带岩爆孕育机制的研究，可以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，以保证现场施工人员和设备的安全。

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（编辑：赵秋云）

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