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      深埋長隧洞巖爆微震監(jiān)測、預(yù)警與防控技術(shù)探討

      2022-03-24 01:06:08
      西部探礦工程 2022年3期
      關(guān)鍵詞:巖爆微震掌子面

      王 旭

      (新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計管理局,新疆烏魯木齊 830000)

      1 工程概況

      (1)西二段隧洞長140.7km,最大埋深720m,TBM掘進(jìn)長度113.0km。其中:隧洞埋深大于600m,總長度18km(樁號22+000~40+000),巖性為華力西期花崗斑巖、變質(zhì)花崗巖等,屬堅硬巖石。由前期地應(yīng)力測試:最大水平主應(yīng)力σm=19.8~21.6MPa,主應(yīng)力方向N45°E,與洞軸線夾角75°,強度應(yīng)力比3.6~4.1,屬于中—高地應(yīng)力中等巖爆區(qū)(段)。

      (2)喀—雙段隧洞長283.3km,最大埋深774m,TBM掘進(jìn)長度227.4km。隧洞埋深大于600m,總長度51.057km(樁號198+613~249+670),巖性為泥盆系凝灰質(zhì)砂巖、華力西期花崗巖等。由前期地應(yīng)力測試:最大水平主應(yīng)力σm=21.6~36.0MPa,主應(yīng)力方向N23°E,與洞軸線夾角42°,強度應(yīng)力比2.2~4.1,屬于中—高地應(yīng)力中等—強烈?guī)r爆區(qū)(段)。

      2 巖爆及其危害

      巖爆是高地應(yīng)力條件下地下工程開挖過程中,硬脆性圍巖因開挖卸荷導(dǎo)致洞壁應(yīng)力變化,原先儲存的彈性應(yīng)變能突發(fā)性急驟釋放,因而產(chǎn)生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害。也是深埋隧洞開挖過程中典型高應(yīng)力硬巖擠壓破裂局部集中化誘致的次生地質(zhì)災(zāi)害,巖爆具有很強的突發(fā)性、隨機性和危害性。隨著埋深的增加和地應(yīng)力水平的增高,巖體所賦存的地質(zhì)環(huán)境更為復(fù)雜,開挖誘發(fā)的巖爆災(zāi)害更加突出、嚴(yán)重,給深埋隧洞工程設(shè)計、施工與運行等帶來極大的安全隱患。具體而言,當(dāng)高地應(yīng)力硬巖區(qū)地下洞室開挖后,圍巖往往呈現(xiàn)變形小而破裂多的現(xiàn)象。輕微巖爆特征是圍巖表層呈零星爆裂脫落、剝落狀,爆坑深度小于0.3m,對施工影響較小;中等巖爆特征是圍巖呈較嚴(yán)重的爆裂脫落、剝落狀,具少量彈射,有一定持續(xù)時間,影響深度0.3~1.0m,對施工有一定影響;強烈?guī)r爆特征是圍巖大片爆裂脫落、具強烈彈射,破壞范圍和塊度大,影響深度1.0~3.0m,對施工影響大;極強巖爆特征是圍巖大片嚴(yán)重爆裂,大塊巖片出現(xiàn)劇烈彈射,震動強烈,破壞范圍和塊度大,影響深度大于3.0m,嚴(yán)重影響工程施工。為此,開展巖爆微震監(jiān)測、預(yù)警與防控技術(shù)可實時監(jiān)測隧道開挖過程中巖體破裂的時空分布及演化特征,是目前深部硬巖工程巖爆監(jiān)測與預(yù)警的主要有效的技術(shù)手段。通過巖爆微震監(jiān)測預(yù)警可以提前預(yù)警巖爆等級,根據(jù)預(yù)警結(jié)果,采取工程措施,降低巖爆風(fēng)險,進(jìn)而保障施工安全與施工進(jìn)度。

      3 巖爆微震監(jiān)測預(yù)警的目的

      (1)巖爆是深埋隧洞開挖過程中典型高應(yīng)力硬巖擠壓破裂局部集中化誘導(dǎo)的次生地質(zhì)災(zāi)害,它具有很強的突發(fā)性、滯后性、延續(xù)性、衰減性、位置性。隨著隧洞埋深的增加和地應(yīng)力水平的增高,巖體所賦存的地質(zhì)環(huán)境更為復(fù)雜,開挖誘發(fā)的巖爆災(zāi)害更加突出,給深埋隧洞工程設(shè)計、施工與運行等帶來了極大的挑戰(zhàn)。

      ①巖爆突發(fā)性:巖爆現(xiàn)象是一種高應(yīng)力能量的突然釋放,在發(fā)生前沒有明顯的預(yù)兆。一部分巖爆發(fā)生是隨著TBM施工掘進(jìn)過程中,巖體在刀盤掌子面和護(hù)盾內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生了巖爆(長度約6~8m),巖爆一般分布在隧洞頂部左右60°范圍,如剝皮、薄層狀、板狀、厚層狀等現(xiàn)象。這類巖爆一般危害性可控,施工中可隨著TBM向前方掘進(jìn)工程中,在洞室圍巖出護(hù)盾后立即進(jìn)行支護(hù)處理。

      ②巖爆滯后性:還有一部巖爆發(fā)生并不伴隨巖體開挖立刻發(fā)生,而往往在巖體開挖后幾小時或數(shù)十小時、幾天甚至更長時間(一個月)才發(fā)生,發(fā)生的頻率和爆聲能量隨暴露后時間延長而降低。

      ③巖爆延續(xù)性:巖爆的發(fā)生并不是一次就終止了,往往具有延續(xù)性。首次巖爆后幾天或幾十天再次發(fā)生,有的可能持續(xù)較長時間才結(jié)束。

      ④巖爆衰減性:巖爆一般在開挖初期比較強烈,隨時間推移,能量釋放減弱,強度也隨之衰減或不在發(fā)生巖爆。

      ⑤巖爆位置性:巖體應(yīng)力分布的微小擾動,也能導(dǎo)致巖爆發(fā)生。巖爆易發(fā)生硐室主要位置一般在掌子面和洞頂左右60°范圍(即10點鐘~2點鐘方向),洞壁和洞底板分布較少。

      (2)巖爆監(jiān)測預(yù)警是深埋隧洞施工過程中一項極其重要的工作,是化解前期勘察設(shè)計工作隱藏(或未暴露)風(fēng)險的補充工作內(nèi)容,在隧洞施工過程中起到指導(dǎo)和預(yù)防作用。由于本工程隧洞線路長、埋深較大,地質(zhì)條件復(fù)雜,在施工過程中肯定會遇到巖爆、圍巖變形等誘發(fā)的工程地質(zhì)災(zāi)害。限于現(xiàn)在的技術(shù)水平和各方面條件限制,這些問題在前期勘察階段難以完全查明。通過施工期的超前巖爆監(jiān)測預(yù)警,可以及時發(fā)現(xiàn)隧洞前方的地質(zhì)缺陷和異常情況,及時預(yù)報突發(fā)性巖爆地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)預(yù)報結(jié)果,才能比較客觀實際地評價圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)作用,修正開挖及支護(hù)參數(shù),可以及時采取措施,提前做好超前加固及其它跟進(jìn)施工措施,做到安全施工、高效掘進(jìn)。鑒于本工程深埋隧洞巖爆段長度大,發(fā)生中等和強烈?guī)r爆可能性大,存在安全風(fēng)險、工期風(fēng)險、投資風(fēng)險大。因此,開展本工程深埋隧洞段的全程時時巖爆預(yù)警及風(fēng)險控制工作,對工程施工前與施工過程中和后期運行制定超前預(yù)案、形成有效的防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)對策,保證施工中人員生命、財產(chǎn)安全,提高施工效率已成為現(xiàn)實的迫切需要。

      4 巖爆等級劃分與圍巖類別

      (1)勘察設(shè)計階段,根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50487-2008應(yīng)采用巖石強度應(yīng)力比來判定巖爆等級,巖爆劃分為四個等級:4<Rb/σm≤7為輕微巖爆;2<Rb/σm≤4為中等巖爆;1<Rb/σm≤2為強烈?guī)r爆;Rb/σm<4為極強巖爆。

      (2)施工階段,根據(jù)2020年11月《全斷面巖石掘進(jìn)機法水工隧洞工程技術(shù)規(guī)范》(討論稿),巖爆等級劃分因素應(yīng)考慮現(xiàn)場巖爆發(fā)生時的聲響特征和發(fā)生頻次、圍巖破裂特征、爆坑深度、巖爆震動能量及支護(hù)破壞程度等,將其劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

      表1 隧洞TBM掘進(jìn)施工巖爆等級分類與圍巖類別

      5 巖爆微震監(jiān)測、預(yù)警方法

      5.1 SSS微震監(jiān)測系統(tǒng)(加拿大微震監(jiān)測系統(tǒng))

      巖爆監(jiān)測方法主要包括:①施工地質(zhì)超前宏觀觀測法。②直接監(jiān)測法,鉆屑法、鉆孔應(yīng)力測量法。③地球物理方法,包括微震法、電磁輻射法。其中SSS微震監(jiān)測系統(tǒng)是通過監(jiān)測低頻高能事件,實現(xiàn)工程巖爆的實時、連續(xù)、動態(tài)、大范圍監(jiān)測,是目前各個行業(yè)地下工程巖爆災(zāi)害監(jiān)測中應(yīng)用最廣泛、最實用的方法。該技術(shù)集信息化、智能化、可視化于一體,可全天候、大范圍地對巖體漸進(jìn)破壞全過程動態(tài)監(jiān)測,能有效識別和圈定巖體損傷破壞區(qū),進(jìn)而實現(xiàn)巖爆的監(jiān)測預(yù)警、降低巖爆造成的危害,并可基于豐富的微震信息采取多種研究手段進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析評價。預(yù)警原理則是通過實時監(jiān)測開挖施工擾動而誘發(fā)的微震現(xiàn)象,并基于采集到的聲波信息,獲得相應(yīng)的震源參數(shù)(微震事件數(shù)、釋放能量、視體積等),最終通過聯(lián)合反演計算出微破裂發(fā)生的時間、空間位置和強度等震源信息,即微破裂的“時、空、強”三要素。工程實踐表明,微破裂是巖石工程動力災(zāi)害的主要前兆信息,基于微震信息揭示震源參數(shù)的“時、空、強”演化規(guī)律,結(jié)合工程地質(zhì)、巖石力學(xué)特征及巖爆傾向性研究結(jié)果,最終建立巖爆預(yù)警判據(jù),由此實現(xiàn)工程巖爆的監(jiān)測預(yù)警(見圖1)。

      圖1 巖爆預(yù)警方法

      5.2 SSS微震監(jiān)測測預(yù)警方法

      為了滿足TBM隧洞工程現(xiàn)場巖爆監(jiān)測預(yù)警的要求,需結(jié)合現(xiàn)場條件進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警方案設(shè)計。隧洞的微震監(jiān)測系統(tǒng)主要用于地下深埋長隧洞工程,如圖2所示。

      圖2 TBM施工深埋長隧洞工程微震監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

      微震監(jiān)測系統(tǒng)最為關(guān)鍵的是傳感器的空間布置,在TBM掘進(jìn)過程中,傳感器交替前移,以使得掌子面始終保持在微震監(jiān)測傳感器監(jiān)測范圍內(nèi),尤其是在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜范圍內(nèi)加密布置速度型傳感器。通常布置兩個監(jiān)測斷面,在每個監(jiān)測斷面布置3個或4個微震傳感器,隨著施工推進(jìn),每個監(jiān)測斷面間距20~50m,如圖3所示。

      圖3 TBM施工隧洞微震監(jiān)測傳感器布置圖

      具體實施過程如下:

      步驟1:在距離掌子面合適距離(80~120m)布置第1組單向速度型傳感器(共4個,編號D1-1至D1-4),見圖3。其中,鉆孔深度0.5~1m。各傳感器在空間上錯開式布置。

      步驟2:當(dāng)?shù)?組傳感器距離掌子面距離增加至40m時,安裝第2組傳感器(共4只,編號D2-1至D2-4),其中傳感器類型及布置方式與第1組相同。

      步驟3:當(dāng)?shù)?組傳感器距掌子面距離增加至40m時,將第1組傳感器回收并移至距當(dāng)前第2組傳感器40m處。

      步驟4:隨著掌子面的推進(jìn),重復(fù)上述步驟,使兩組傳感器交替前移,使得掌子面始終保持在微震監(jiān)測傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)。

      通過上述方法組建完成微震監(jiān)測系統(tǒng),并通過監(jiān)測系統(tǒng)定位精度和波速的標(biāo)定、信號采集與波形識別、處理,分析出有關(guān)震源參數(shù)的時空分布規(guī)律,基于圖1所示的巖爆預(yù)警方法,實現(xiàn)巖爆監(jiān)測預(yù)警。具體流程如圖4所示。

      圖4 TBM施工微震監(jiān)測預(yù)警流程圖

      5.3 SSS微震監(jiān)測的預(yù)警范圍

      根據(jù)實際工程經(jīng)驗分析,目前工程界地下洞室采用的SSS微震監(jiān)測設(shè)備和其它微震監(jiān)測設(shè)備,在實際工程應(yīng)用中預(yù)測預(yù)警有效(或較準(zhǔn)確)范圍,一般在掌子面前方10~15m和掌子面后方10~20m范圍內(nèi),超出該范圍準(zhǔn)確度較低。

      6 案例(SSS微震監(jiān)測系統(tǒng)在隧洞KS-Ⅷ標(biāo)應(yīng)用)

      2020年9月受喀雙隧洞KS-Ⅷ標(biāo)山西水工局項目部委托,東北大學(xué)深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室——巖爆監(jiān)測團隊承擔(dān)了基于微震監(jiān)測的巖爆預(yù)警試驗性測試工作。2020年9月30日~10月31日,累計監(jiān)測26d,監(jiān)測洞段長度約300m,共發(fā)布正式KS下游引水隧洞巖爆預(yù)警報告23期,監(jiān)測短報8期,如圖5所示。

      圖5 下游KS227+540~840段巖爆微震監(jiān)測與預(yù)警預(yù)測實施示意圖

      如圖6所示,監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示10月7日9時~10月8日9時K227+540~575微震事件累計能量較高,且在10~12點區(qū)域形成叢集區(qū)域[見圖6(a)],采用巖爆風(fēng)險的動態(tài)定量預(yù)警方法得到發(fā)生中等巖爆發(fā)生概率35.8%,輕微巖爆發(fā)生概率為30.7%,于是發(fā)布預(yù)警報告,巖爆等級為輕微—中等巖爆[見圖6(b)]。18時227+566~568發(fā)生中等巖爆,爆坑深度0.7m,主要分布于10~12點區(qū)域[見圖6(c)]。

      圖6 巖爆預(yù)警案例:中等巖爆

      如圖7所示,監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示10月16日9時~10月17日9時KS227+620~665微震事件累計能量較高,在9~1點區(qū)域形成叢集區(qū)域[見圖7(a)],采用巖爆風(fēng)險的動態(tài)定量預(yù)警方法得到輕微巖爆發(fā)生概率為63.7%,于是發(fā)布預(yù)警報告,巖爆等級為輕微巖爆[見圖7(b)]。18日227+659發(fā)生輕微巖爆,爆坑深度0.15m,主要分布于11點區(qū)域[見圖7(c)]。

      圖7 巖爆預(yù)警案例:輕微巖爆

      如圖8所示,監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示10月19日9時~10月20日9時KS227+675~710微震事件累計能量較低,分布較分散[見圖8(a)],采用巖爆風(fēng)險的動態(tài)定量預(yù)警方法得到無巖爆發(fā)生概率為85.8%,于是發(fā)布預(yù)警報告,巖爆等級為無巖爆[見圖8(b)]。最終,該區(qū)域無巖爆發(fā)生[見圖8(c)]。

      圖8 巖爆預(yù)警案例:無巖爆

      如圖9所示,監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示11月1日9~13時KS227+826附近連續(xù)發(fā)生巖石破裂事件[見圖9(a)],且破裂持續(xù)擴展,于是發(fā)布時滯型巖爆預(yù)警[見圖9(b)]。施工方及時補充支護(hù)了鋼拱架。最終,該區(qū)域發(fā)生了時滯型輕微巖爆,支護(hù)措施有效控制了該時滯型巖爆[見圖9(c)]。

      圖9 巖爆預(yù)警案例:時滯型巖爆

      通過前期KS隧洞巖爆監(jiān)測與預(yù)警,可以看出:

      (1)KS隧洞圍巖破壞具有顯著的時效特征,受地應(yīng)力方向影響破壞主要發(fā)生在9~1點方向,但受地質(zhì)條件影響在斷面位置及破壞類型有一定變化;

      (2)搭建了KS隧洞巖爆微震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),連續(xù)監(jiān)測28d,累計監(jiān)測長度300m,發(fā)布預(yù)警23次,預(yù)警與實際一致19次;

      (3)巖爆微震監(jiān)測預(yù)警結(jié)果可以為現(xiàn)場支護(hù)參數(shù)的確定提供依據(jù);

      (4)隨著巖爆案例的增加,可以進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)警模型,提高預(yù)警準(zhǔn)確率,特別是時滯型巖爆的準(zhǔn)確率,為接下來的巖爆風(fēng)險動態(tài)調(diào)控奠定良好基礎(chǔ)。

      7 小結(jié)

      巖爆預(yù)警與開挖速率有著近似反比的關(guān)系,即巖爆預(yù)警等級越高,開挖速率越低,這是由于給出巖爆預(yù)警等級后,通過降低開挖速率可以降低巖爆風(fēng)險,同時,當(dāng)預(yù)警無巖爆時,可以適當(dāng)提高掘進(jìn)速率,以保證施工進(jìn)度;巖爆預(yù)警與現(xiàn)場支護(hù)措施參數(shù)有明顯的相關(guān)性,預(yù)警等級越高,支護(hù)強度及參數(shù)越高,同樣,通過巖爆預(yù)警,適當(dāng)增加支護(hù)強度及參數(shù),以達(dá)到控制巖爆的目的,無巖爆時,降低支護(hù)強度及參數(shù),保證經(jīng)濟性;巖爆預(yù)警給現(xiàn)場施工速率及支護(hù)措施設(shè)計提供重要指導(dǎo)作用。

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