地下洞室群開挖卸荷過程微震活動(dòng)特征研究

， ，， ， ，

(1.中國電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072；

2.四川中水成勘院工程勘察有限責(zé)任公司，成都 610072；

3.四川大學(xué) a 水利水電學(xué)院；b 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

1 研究背景

為兼顧國家節(jié)能減排的發(fā)展目標(biāo)和對(duì)能源的大力需求，“十二五”規(guī)劃提出積極發(fā)展水電能源的方針，我國水電事業(yè)進(jìn)入前所未有的高峰期。由于西南地區(qū)大型水電項(xiàng)目多處于高山峽谷地區(qū)，廠房布置多數(shù)選擇采用地下形式，如溪洛渡、錦屏一級(jí)、大崗山、猴子巖等。然而，受復(fù)雜而獨(dú)特地質(zhì)條件的制約，地下廠房的穩(wěn)定問題貫穿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工組織、支護(hù)選取甚至運(yùn)營發(fā)電的始終。尤其是在開挖強(qiáng)卸荷以后，一些高邊墻、大跨度、高地應(yīng)力、軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育的大型地下廠房變形失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)增加，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和工程人員安全。因此，對(duì)地下廠房開挖卸荷進(jìn)行穩(wěn)定分析，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

地下廠房傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法(多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿計(jì)、外觀變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)等)大多選取特殊斷面(軟弱結(jié)構(gòu)面、機(jī)組斷面等)的某個(gè)高程埋設(shè)監(jiān)測(cè)儀器，參照應(yīng)力、變形等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判定地下廠房圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)。這種方法可以對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)一定范圍內(nèi)圍巖外觀變形進(jìn)行較好的監(jiān)測(cè)，但是監(jiān)測(cè)結(jié)果具有一定的空間局限性，難以實(shí)現(xiàn)三維“體”形式的圍巖變形監(jiān)測(cè)，而且對(duì)巖體內(nèi)部的微破裂也難以進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，而這些微破裂往往是宏觀失穩(wěn)破壞的前兆。作為一種新型的三維實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠有效獲取巖體內(nèi)的微破裂事件，揭示巖體的損傷演化規(guī)律，識(shí)別和圈定巖體潛在失穩(wěn)破壞區(qū)域，提前對(duì)圍巖宏觀變形預(yù)測(cè)和預(yù)警。國內(nèi)外早期的微震監(jiān)測(cè)主要針對(duì)深部礦區(qū)巖體活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，如南非、加拿大等國的礦山[1]、門頭溝煤礦[2]、凡口鉛鋅礦[3]、銅陵冬瓜山銅礦[4-5]等用于監(jiān)測(cè)礦山地壓、預(yù)測(cè)巖爆等。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在眾多預(yù)測(cè)方法中效果顯著，近幾年在我國水電領(lǐng)域逐漸推廣，徐奴文等[6-7]在錦屏一級(jí)水電站左岸邊坡布置了加拿大ESG微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究了微震事件分布和施工情況、地質(zhì)條件的關(guān)系，并基于微震監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)。馮夏庭等[8-10]基于錦屏二級(jí)水電站深埋引水隧洞和排水洞開挖過程中的大量微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，闡明掌子面附近微震活動(dòng)區(qū)與巖爆之間的相互聯(lián)系，并基于矩張量對(duì)深埋隧洞巖爆機(jī)制進(jìn)行了分析。張伯虎等[11-12]將微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)引入大崗山水電站地下廠房，結(jié)合微震事件的多項(xiàng)震源參數(shù)特征評(píng)價(jià)分析了地下廠房塌空區(qū)穩(wěn)定性。

本文針對(duì)猴子巖水電站地下廠房開挖卸荷作用下的圍巖穩(wěn)定問題，引入加拿大ESG微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)圍巖損傷實(shí)時(shí)反饋，通過分析地下廠房微震活動(dòng)特征，初步判定圍巖的潛在失穩(wěn)區(qū)。借助潛在失穩(wěn)區(qū)的巖體聲波檢測(cè)成果，解釋微震聚集區(qū)圍巖的卸荷損傷特征，研究結(jié)果可為地下廠房后期施工提供參考。

2 地下廠房微震活動(dòng)特征

2.1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡介

猴子巖水電站是大渡河上游干流上的第9個(gè)梯級(jí)電站，攔河大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高223.5 m。地下廠房系統(tǒng)位于右岸的山體內(nèi)，三大洞室平行布置如圖1所示，主廠房尺寸219.5 m×29.2 m×68.7 m，主變室尺寸141.1 m×18.8 m×25.2 m，單個(gè)調(diào)壓室尺寸60.00 m×23.5 m×73.975 m。地下廠房水平埋深280～510 m，垂直埋深400～660 m，廠區(qū)第一主應(yīng)力多在20～35 MPa之間。主廠房開挖過程中，圍巖強(qiáng)卸荷引起的變形嚴(yán)重，主廠房邊墻、排水廊道等多處出現(xiàn)片幫，局部區(qū)域發(fā)生輕微巖爆，如圖2所示。

圖1 三大洞室及傳感器空間布置[14]

圖2 主廠房上游邊墻張拉破壞

采用加拿大ESG公司生產(chǎn)的礦山微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)開挖過程中的地下廠房圍巖卸荷損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析。傳感器布置如圖1所示，分布于2個(gè)高程的10個(gè)加速傳感器(其中1個(gè)三軸傳感器，9個(gè)單軸傳感器)對(duì)施工期間產(chǎn)生的微破裂事件實(shí)施24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)，覆蓋范圍主要包括主廠房、主變室的邊墻頂拱以及尾調(diào)室上游側(cè)圍巖。

微震是指局部范圍內(nèi)巖石由于某種誘發(fā)原因(如工程開挖)在裂紋產(chǎn)生時(shí)以地震波形式產(chǎn)生的震動(dòng)[13]，對(duì)地震波信息進(jìn)行反演推算，可獲取微震事件的時(shí)空、震級(jí)、能量以及誤差等多項(xiàng)震源參數(shù)，根據(jù)微震事件各項(xiàng)震源參數(shù)信息的分布規(guī)律，分析研究圍巖損傷特征，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)潛在失穩(wěn)區(qū)域。

2.2 微震時(shí)間分布規(guī)律

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2013年4月12日完成調(diào)試運(yùn)行，截止5月20日，在有效范圍內(nèi)識(shí)別得到微震事件458個(gè)。微震事件的時(shí)間分布如圖3所示，微震事件數(shù)量在5月19日之前發(fā)展基本平穩(wěn)，平均每天10個(gè)左右。5月19日，微震事件達(dá)到68個(gè)，聚集于2#與3#母線洞之間圍巖，常規(guī)監(jiān)測(cè)顯示該處變形嚴(yán)重，主廠房開挖被迫暫停。結(jié)合2013年4月20日至5月20日現(xiàn)場(chǎng)施工資料，期間主廠房集中進(jìn)行第3、第4層1 710～1 700 m高程的開挖，主變室開挖基本完成，尾調(diào)室進(jìn)行第3層(1 725.5～1 719 m高程)殘余部分的開挖，此外，壓力管道、第2層排水洞等多個(gè)管道也處于開挖施工期，圍巖開挖卸荷以后內(nèi)部應(yīng)力重新分布，局部范圍應(yīng)力集中，導(dǎo)致大量巖石微破裂的發(fā)生。

圖3 微震事件時(shí)間分布

2.3 微震空間演化特征

圖4是微震事件的空間分布規(guī)律，其中球體表示微震事件，不同顏色表示矩震級(jí)，球體大小表示地震能量。從圖4可以看出，微震事件主要聚集在主廠房下游側(cè)1#與3#母線洞之間及其上部圍巖，是微震活動(dòng)揭示的地下廠房潛在失穩(wěn)破壞區(qū)域。圖5是微震事件的密度云圖，顏色越深表示聚集事件越多，圖5顯示微震事件在1#與3#母線洞之間聚集嚴(yán)重，與圖4微震事件空間分布一致。圖6給出1 715 m高程(巖錨梁位置)地質(zhì)平切圖，對(duì)比微震事件的聚集特征可以發(fā)現(xiàn)，1#與3#母線洞之間發(fā)育f1-1-3以及fm1，fm3等多個(gè)次級(jí)斷層和軟弱結(jié)構(gòu)面，巖體較破碎，強(qiáng)度偏低，尤其是斷層之間相互交匯，開挖卸荷引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致微破裂的萌生、發(fā)育和擴(kuò)展。除此之外，主廠房與主變室開挖以后，中間墻體由于開挖臨空面的產(chǎn)生受力狀態(tài)發(fā)生變化，三維的應(yīng)力狀態(tài)變成二維甚至局部出現(xiàn)單軸受壓狀態(tài)，巖石出現(xiàn)壓剪、張拉等多種形式的破壞。圖4、圖5微震事件的聚集和演化特征表明，1#與3#母線洞之間圍巖已形成開挖誘導(dǎo)、斷層控制的深部損傷區(qū)，需結(jié)合常規(guī)監(jiān)測(cè)和地質(zhì)勘探結(jié)果采取及時(shí)必要的支護(hù)措施。

圖4 微震事件空間分布

圖5 微震事件密度云圖

圖6 1 715 m高程地質(zhì)平切圖

深埋洞室群開挖卸荷過程微震事件的聚集和遷移規(guī)律影響因素是多方面的，包括爆破開挖過程、洞室開挖形狀和尺寸、開挖順序、結(jié)構(gòu)面和地應(yīng)力狀態(tài)等[15]。其中，微震事件多由開挖卸荷以及卸荷后多因素相互作用引起。圍巖開挖卸荷以后，局部范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中和能量聚集，尤其是結(jié)構(gòu)面和高應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)力集中和能量聚集加劇到一定程度后，導(dǎo)致巖石微破裂的發(fā)生并伴隨地震能量的釋放。

3 微震活動(dòng)區(qū)的圍巖質(zhì)量特征

為深入研究微震活動(dòng)區(qū)的巖體質(zhì)量，建立微震活動(dòng)與巖體卸荷松弛之間相互關(guān)系,本文借鑒物探檢測(cè)成果資料，結(jié)合微震聚集區(qū)的波速特征，全面評(píng)價(jià)地下洞室群的卸荷損傷特征和穩(wěn)定性。圖7 為主廠房1#—4#機(jī)組中心線附近的物探檢測(cè)斷面聲波孔布置圖。

圖7 主廠房聲波檢測(cè)孔布置

選取位于微震聚集區(qū)的下游側(cè)1 711 m高程的巖體2013年5月左右聲波測(cè)試結(jié)果，結(jié)合鉆孔全景圖像資料及聲波測(cè)試曲線拐點(diǎn)，將巖體松弛劃分為強(qiáng)松弛、弱松弛和完整巖體段，松弛帶劃分見圖8。根據(jù)1 711 m高程松弛帶的劃分，對(duì)各卸荷松弛帶波速進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)成果見表1，猴子巖地下廠房基巖為白云質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)灰?guī)r，完整巖塊波速為6.7 km/s，取地下廠房完整巖體聲波波速6.0 km/s，計(jì)算各松弛帶巖體聲波波速衰減率；其中強(qiáng)松弛帶巖體聲波波速3.5～3.8 km/s，巖體衰減率35 %～45 %，弱松弛帶巖體聲波波速4.5～5.0 km/s，巖體衰減率15 %～25 %，完整巖體聲波波速6.0 km/s左右，巖體衰減率<3 %。

圖8 地下廠房下游邊墻▽1 711微震聚集區(qū)聲波曲線

表1 松弛區(qū)聲波波速統(tǒng)計(jì)

綜合圖5微震事件密度云圖、圖6地質(zhì)剖面圖及圖8物探檢測(cè)成果圖，結(jié)合松弛帶分區(qū)結(jié)果繪制1711m高程物探檢測(cè)成果平切圖(如圖9所示)。

圖9 1 711 m高程物探成果平切圖

根據(jù)1 711 m高程物探檢測(cè)成果平切圖可知：主廠房開挖至第4層時(shí)，圍巖的強(qiáng)松弛深度7.0～12 m，強(qiáng)松弛帶波速3.5～3.8 km/s；圍巖的弱松弛深度10～14m，強(qiáng)松弛帶波速4.5～5.0 km/s。微震事件密度云圖表明：巖體卸荷松弛嚴(yán)重區(qū)域微震事件有明顯聚集，結(jié)合1 715 m高程地質(zhì)平切圖，發(fā)育f1-1-3以及fm1，fm3等多個(gè)次級(jí)斷層和軟弱結(jié)構(gòu)面，巖體較破碎，強(qiáng)度偏低，尤其是斷層之間相互交匯，開挖卸荷引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致微破裂的萌生、發(fā)育和擴(kuò)展。

由此推斷，微震活動(dòng)區(qū)的圍巖在開挖卸荷以后，表層巖體松弛張拉變形嚴(yán)重，同時(shí)內(nèi)部多個(gè)軟弱結(jié)構(gòu)面承受壓剪破壞，斷層活化，加劇了深部巖體損傷，巖體質(zhì)量逐漸下降，演化為潛在失穩(wěn)區(qū)。建議設(shè)計(jì)在開展噴錨等淺層支護(hù)的同時(shí)，增加該區(qū)域的錨索、錨筋束等深層支護(hù)措施數(shù)量，避免后期繼續(xù)開挖卸荷帶來的變形擴(kuò)展、裂隙貫通等圍巖損傷加劇問題。

4 結(jié) 論

本文基于豐富的微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析了猴子巖水電站地下洞室群開挖期間微震時(shí)空分布特征，并結(jié)合聲波測(cè)試成果，探討了微震活動(dòng)與巖體質(zhì)量的聯(lián)系，通過對(duì)地下廠房開挖卸荷過程的穩(wěn)定分析，得出以下結(jié)論：

(1)地下洞室群多區(qū)域大幅度的開挖強(qiáng)卸荷誘發(fā)大量巖石微破裂的產(chǎn)生，2013年4月12日至5月20日在有效范圍內(nèi)獲取微震事件458個(gè)，其中5月19日微震事件達(dá)到68個(gè)，表明爆破開挖引起的圍巖卸荷損傷嚴(yán)重。

(2)1#與3#母線洞之間及其上部圍巖是監(jiān)測(cè)期間微震事件的主要聚集區(qū)域，微震事件在該區(qū)域的聚集除了與該處f1-1-3，fm1，fm3等多個(gè)斷層活化有關(guān)，開挖形成的圍巖空間結(jié)構(gòu)也影響圍巖的受力狀態(tài)，圍巖周圍多個(gè)臨空面不利于圍巖穩(wěn)定。建議對(duì)該區(qū)域增強(qiáng)支護(hù)的同時(shí)，深入開展地質(zhì)勘查和研究，加深了解圍巖損傷變形機(jī)制。

(3)微震活動(dòng)區(qū)的巖體平均波速偏低、完整性較差、松弛深度大，斷層控制區(qū)形成低波速帶。通過對(duì)微震活動(dòng)區(qū)的巖體聲波質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果分析，建立微震聚集與巖體質(zhì)量之間的聯(lián)系，也為地下洞室開挖卸荷的穩(wěn)定預(yù)測(cè)研究提供了一條新的思路。

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