某深埋凝灰質(zhì)砂巖隧洞破壞特征及微震演化規(guī)律

董 棟，陳 松，王 建，朱馬哈提，姚志賓

(1.新疆水發(fā)建設集團有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.東北大學遼寧省深部工程與智能技術重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

0 引言

“向地球深部進軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問題”，近年來，我國深部巖石工程如礦山、油氣開發(fā)、交通隧道、引水隧洞等發(fā)展迅速。巖石工程進入深部，面臨高地應力、高溫、高滲透壓和強擾動的力學環(huán)境，施工難度和成本增加，存在較大安全風險，許多專家學者針對上述問題展開研究，使得深部工程施工技術迅速發(fā)展，對深部巖石工程災害的認識更加清晰，防治手段進一步豐富。

機械化、智能化發(fā)展成為我國深部巖石工程趨勢[1-3]。隨著經(jīng)濟技術水平和施工需求的提升，國產(chǎn)TBM(Tunnel Boring Machine，全斷面掘進機)設計制造技術不斷突破、日趨成熟，且實現(xiàn)部分智能化[4-6]，相較進口TBM，國產(chǎn)TBM設備性能指標已達到或超過國際同類產(chǎn)品[3，7]，設備價格和維護成本進一步降低；越來越多巖石工程使用TBM施工，表現(xiàn)出掘進、支護、襯砌一體化作業(yè)的高效優(yōu)勢[8-10]。

深埋巖石工程地質(zhì)條件、力學環(huán)境復雜，巖爆、大變形、塌方等地質(zhì)破壞嚴重威脅人員和設備安全[11-16]。為降低施工風險，提高支護針對性，微震監(jiān)測、超前地質(zhì)預報、輔助智能掘進系統(tǒng)得到廣泛應用[17]，例如，某工程在施工中遇到構(gòu)造引起的塌方、巖爆、大變形、突涌水等地質(zhì)災害，使用地質(zhì)調(diào)查法、三維地震波、激發(fā)極化法、超前地質(zhì)鉆探法進行超前地質(zhì)預報，使用微震監(jiān)測進行預警，綜合預報準確率達到96%以上，保證了TBM施工洞段的施工安全與工期安全，取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益[18]；徐飛[19]等建立掘進特征參數(shù)與圍巖級別線性回歸預測模型的方法，找到了可以實時反映施工圍巖變化的掘進特征參數(shù)，對于動態(tài)識別圍巖、及時調(diào)整掘進參數(shù)具有重要意義。在破壞識別與防治技術方面，馮夏庭[20]等按發(fā)生時間和空間分布分別將巖爆分為3種類型，基于微震活動時空演化規(guī)律分析了巖爆孕育過程，并指出在大多數(shù)情況下，利用微震監(jiān)測信息，可對巖爆的位置和巖爆等級進行預警；姚志賓[21]等利用微震監(jiān)測，對巖性界面區(qū)域圍巖破壞與受力特征進行了研究，提出了支護措施優(yōu)化建議。王軍[22]等基于巖性、地質(zhì)及微震活動特征，建立了地質(zhì)災害類型判別方法；譚雙[23]等構(gòu)建微震監(jiān)測系統(tǒng)，研究了塌方孕育過程微震活動時空演化規(guī)律，為深部塌方災害的預警和防治提供參考；陳慶[24]等通過對塌方原因分析，總結(jié)了某隧道噴射混凝土加固塌方洞穴、密排柔性鋼架法通過塌方段及超前小導管注漿法加固塌方區(qū)周邊圍巖塌方治理技術；李吉艷[25]等研究了工程地質(zhì)災害發(fā)生情況及其與圍巖等級及出水量的關系，分析了地質(zhì)災害監(jiān)測技術的適用性及應用情況。

上述研究說明，基于地質(zhì)特征和微震監(jiān)測信息，可以實現(xiàn)對不同類型破壞的判識，能夠?qū)ΜF(xiàn)場施工和支護措施提供有效指導。為研究某深埋凝灰質(zhì)砂巖TBM隧洞破壞判識方法，本文選取該隧洞K185+400—K185+800共400m長洞段為研究區(qū)域，連續(xù)開展微震監(jiān)測，以現(xiàn)場地質(zhì)踏勘資料和掘進參數(shù)為基礎，總結(jié)不同類型破壞的特征，分析地質(zhì)特征、掘進參數(shù)與破壞特征的相關性；結(jié)合微震監(jiān)測信息，研究不同類型破壞分布與微震活動時空演化的對應關系，總結(jié)不同類型破壞的微震活動特征。

1 工程背景

圖1 地質(zhì)縱剖圖

該隧洞掘進時，圍巖完整性變化較快，破壞特征和規(guī)模變化較大，存在安全風險，支護方案選取困難，施工成本增加，針對該隧洞破壞特征和規(guī)律展開研究十分必要。

2 不同類型破壞特征

2.1 地質(zhì)特征

研究區(qū)域(K185+400～K185+800)埋深600～615m，變化幅度2.50%，起伏較小，巖性、巖體結(jié)構(gòu)與工程整體情況一致，洞段開挖巖壁整體干燥，局部滴滲水，涌水量7.39～56.13m3/h。為便于描述，如圖2所示，將隧洞圓形斷面分為12個方位，拱頂和拱底分別對應12點和6點方位。

圖2 隧洞斷面圖

研究區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)面發(fā)育，以軟弱結(jié)構(gòu)面為主，充填物為硅酸鹽和碳質(zhì)充填，特征如圖3所示，局部有少量硬性結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)。為定量描述研究區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)面變化，統(tǒng)計了共404條結(jié)構(gòu)面，并以每10m范圍為研究單元，使用結(jié)構(gòu)面綜合密度指標分別對每個研究單元的結(jié)構(gòu)面綜合密度進行了計算，圖4可見結(jié)構(gòu)面綜合密度變化規(guī)律，結(jié)構(gòu)面綜合密度指標計算方法，用公式表示為[26]：

圖3 軟弱結(jié)構(gòu)面特征

圖4 研究區(qū)域每10m結(jié)構(gòu)面綜合密度曲線圖

(1)

式中，Lp—結(jié)構(gòu)面綜合密度；L1，L2，L3，…，Ln—包含在面積A內(nèi)各結(jié)構(gòu)面跡長；A—所取區(qū)域的面積。

研究區(qū)域內(nèi)整體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，特別是軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育較多，且空間分布復雜，差異明顯，在此區(qū)域內(nèi)容易產(chǎn)生多種特征和規(guī)模的破壞。

2.2 破壞特征

地質(zhì)踏勘統(tǒng)計結(jié)果顯示，研究區(qū)域內(nèi)共有115處破壞，包括塌方、松弛掉塊、輕微巖爆，破壞深度0.07～0.80m。如圖5所示，對研究區(qū)域內(nèi)不同類型破壞發(fā)生的頻次進行了統(tǒng)計，可見破壞以松弛掉塊為主，占比超過60%，局部發(fā)生有塌方，輕微巖爆發(fā)生較少，占比分別為34%和3%。

圖5 研究區(qū)域內(nèi)各類型破壞發(fā)生頻次統(tǒng)計

在破壞空間分布上，松弛掉塊分布范圍廣，局部和塌方交替發(fā)生；塌方發(fā)生位置較集中，偶爾有散發(fā)；輕微巖爆呈零星散發(fā)的特點。圖6整理了研究區(qū)域內(nèi)破壞分布，其中K185+400—K185+465、K185+490—K185+540、K185+615—K185+660區(qū)域破壞以松弛掉塊為主，局部有塌方發(fā)生；K185+465—K185+490、K185+540—K185+570、K185+660—K185+745區(qū)域破壞以塌方為主，局部有松弛掉塊或輕微巖爆發(fā)生；K185+570—K185+615和K185+745—K185+800發(fā)生破壞較少，局部有松弛掉塊和塌方發(fā)生，破壞規(guī)模較小。

圖6 研究區(qū)域破壞展布圖

各類型破壞特征如下：

(1)松弛掉塊。研究區(qū)域內(nèi)破壞深度0.10～0.29m，平均深度0.18m，破壞面積0.4～17.2m2，平均面積2.0m2，破壞規(guī)模較小，破壞區(qū)域內(nèi)有多條結(jié)構(gòu)面穿過，破壞邊界由結(jié)構(gòu)面控制，呈塊狀破壞，破壞規(guī)模大小與結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度有關，典型破壞照片如圖7(a)所示。

圖7 研究區(qū)域各類型破壞典型特征照片

(2)塌方。研究區(qū)域內(nèi)破壞深度0.30～0.80m，平均深度0.43m，破壞面積1.8～19.5m2，平均面積4.5m2，破壞規(guī)模較大，破壞區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)面發(fā)育，破壞邊界由結(jié)構(gòu)面控制，呈塊狀破壞，部分塌方中存在高應力特征，典型破壞照片如圖7(b)所示。

(3)輕微巖爆。研究區(qū)域內(nèi)爆坑深度0.11～0.23m，平均深度0.16m，破壞面積1.1～3.2m2，平均面積1.7m2，破壞區(qū)域內(nèi)存在明顯高應力特征并起控制作用，有新鮮巖面揭露，破壞呈板狀、片狀，破壞區(qū)域內(nèi)無結(jié)構(gòu)面穿過或不起控制作用，典型破壞照片如圖7(c)所示。

2.3 不同破壞分布區(qū)域的地質(zhì)特點

通過比較各區(qū)域地質(zhì)特征與現(xiàn)場破壞分布，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面綜合密度與破壞規(guī)模和類型有相關性。

(1)K185+400—K185+465、K185+490—K185+540、K185+615—K185+660區(qū)域破壞以松弛掉塊為主，局部有塌方發(fā)生。上述3個區(qū)域內(nèi)，平均結(jié)構(gòu)面綜合密度分別為0.27、0.23、0.23m-1，結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度相近。

(2)K185+465—K185+490、K185+540—K185+570、K185+660—K185+745區(qū)域破壞以塌方為主，局部有松弛掉塊或輕微巖爆發(fā)生。上述3個區(qū)域內(nèi)，平均結(jié)構(gòu)面綜合密度分別為0.39、0.30、0.33m-1，可見結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度越高塌方發(fā)生的可能性越高。

(3)K185+570—K185+615和K185+745—K185+800發(fā)生破壞較少，破壞規(guī)模小，上述2個區(qū)域平均結(jié)構(gòu)面綜合密度分別為0.15、0.16m-1，說明結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度越低，圍巖完整性越好，發(fā)生塌方風險越低。

通過對3種不同的破壞分布區(qū)域結(jié)構(gòu)面和推進力情況的分析可知，當結(jié)構(gòu)面綜合密度小于0.20m-1，發(fā)生破壞規(guī)模和數(shù)量較少，塌方風險低；當結(jié)構(gòu)面綜合密度位于0.20～0.30m-1，發(fā)生破壞以松弛掉塊為主，局部可能有塌方發(fā)生；當結(jié)構(gòu)面綜合密度超過0.30m-1時，存在較大塌方風險。但由于巖爆一般發(fā)生于應力集中區(qū)域，地質(zhì)特征難以反映掘進區(qū)域應力集中情況，不能用于巖爆風險判識，需要結(jié)合其他監(jiān)測數(shù)據(jù)同步分析。微震監(jiān)測技術通過采集分析巖體內(nèi)破裂信號，可以實時感知巖體內(nèi)微破裂，有效反映巖體內(nèi)應力集中情況，進行巖爆風險預警。

3 研究區(qū)域微震活動特征

3.1 微震監(jiān)測布置

該隧洞采用SSS(SinoSeiSm)微震監(jiān)測系統(tǒng)，連續(xù)、實時監(jiān)測巖體微震信號。該系統(tǒng)配備8個高精度傳感器，可以采集巖體內(nèi)部破裂信號，依次通過信號放大器、防電涌保護卡、采集儀、光纖將數(shù)據(jù)傳輸至地面數(shù)據(jù)采集處理中心。

監(jiān)測系統(tǒng)整體布置如圖8所示，8個傳感器分兩組布置，每組交錯布置在隧洞斷面160°范圍，第一組傳感器布置于護盾尾部5m范圍內(nèi)，在第一組傳感器后方10～20m位置安裝第二組傳感器，當TBM掘進超過15m，將第二組傳感器移至護盾尾部5m范圍內(nèi)繼續(xù)監(jiān)測，繼續(xù)掘進，兩組傳感器交替前移實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測。

圖8 微震監(jiān)測系統(tǒng)布置圖

3.2 微震活動時空演化規(guī)律

研究區(qū)域掘進過程中共采集到245個有效破裂事件，其時空分布和空間演化如圖9所示，不同區(qū)域微震活動差異明顯，結(jié)合現(xiàn)場破壞情況，可以發(fā)現(xiàn)微震活動分布與破壞特征存在明顯對應關系。

圖9 研究區(qū)域微震活動時空分布及空間演化圖

(1)K185+400—K185+465、K185+490—K185+540、K185+615—K185+660區(qū)域每10m平均微震事件數(shù)分別為5.57、5.50、5.21個，每10m平均微震釋放能分別為580.61、998.29、606.13J，對應現(xiàn)場破壞以松弛掉塊為主，局部有塌方發(fā)生，無巖爆發(fā)生。

(2)K185+465—K185+490和K185+540—K185+570區(qū)域每10m平均微震事件數(shù)分別為7.33、6.75個，每10m平均微震釋放能分別為2457.45、3038.17J，對應現(xiàn)場破壞以塌方為主，局部發(fā)生輕微巖爆。

(3)K185+660—K185+745區(qū)域每10m平均微震事件數(shù)為6.85個，每10m平均微震釋放能為1418.25J，對應現(xiàn)場破壞以塌方為主，局部發(fā)生松弛掉塊，無巖爆發(fā)生。

(4)K185+570—K185+615和K185+745—K185+800區(qū)域每10m平均微震事件數(shù)分別為2.33、3.66個，每10m平均微震釋放能為283.08、267.52J，對應現(xiàn)場破壞數(shù)量少規(guī)模小。

通過上述分析可知，現(xiàn)場破壞情況與微震活動演化規(guī)律一致性較好，當每10m微震事件數(shù)少于5個，每10m微震釋放能低于500J時，現(xiàn)場破壞數(shù)量少，規(guī)模小，以松弛掉塊為主，塌方和巖爆風險均較低；當每10m微震事件數(shù)介于5～6個，每10m微震釋放能介于500～1000J時，現(xiàn)場破壞以松弛掉塊為主，塌方風險上升，巖爆風險較低；當每10m微震事件數(shù)多于6個，每10m微震釋放能介于1000～1500J時，存在較大塌方風險，巖爆風險較低，同樣事件數(shù)情況下，當每10m微震釋放能超過1500J時，存在巖爆風險。

4 結(jié)論

本文對某深埋凝灰質(zhì)砂巖TBM隧洞的破壞進行了總結(jié)，詳細描述了不同類型破壞的特征，并選取400m洞段作為研究范圍，深入分析了地質(zhì)特征、掘進參數(shù)和微震活動演化規(guī)律與現(xiàn)場破壞的對應關系，得到以下結(jié)論。

(1)該隧洞破壞以松弛掉塊為主，局部有塌方發(fā)生，巖爆發(fā)生較少，各類型破壞占比分別為63%、34%、3%。

(2)地質(zhì)特征與現(xiàn)場破壞情況具有相關性，現(xiàn)場破壞規(guī)模與結(jié)構(gòu)面綜合密度呈正相關，塌方風險隨著結(jié)構(gòu)面綜合密度的升高而增加。

(3)微震監(jiān)測信息與現(xiàn)場破壞情況一致性較好，現(xiàn)場破壞規(guī)模與微震事件數(shù)和微震釋放能均呈正相關關系，塌方風險隨著微震事件數(shù)及微震釋放能的增加而增加，當微震每10m平均微震釋放能超1500J時，存在巖爆風險。

(4)通過分析地質(zhì)特征，可以有效判識破壞規(guī)模和塌方風險，通過微震活動時空演化規(guī)律的分析，可以有效判識破壞規(guī)模、塌方及巖爆風險，能夠為現(xiàn)場掘進和支護工作提供有力指導。