錦屏二級水電站深埋隧洞微震活動分布范圍及巖爆風(fēng)險分析

1#引巖爆發(fā)生極強巖爆巖爆是在高地應(yīng)力條件下地下孔室開挖過程中，由于開挖和脫砂，硬脆圍巖的閉合壓力不同，巖屑中的彈性變形突然釋放，使巖體出現(xiàn)斷裂、剝離、爆炸、浪費等現(xiàn)象。巖爆災(zāi)害是深部地下工程所面臨的突出問題之一,它不僅損壞工程設(shè)備、影響施工進度,同時還嚴重威脅施工人員的生命安全。例如,錦屏二級水電站,2009年11月28日,施工排水洞發(fā)生一次極強巖爆,爆坑長約30m,最深處達8m,支護系統(tǒng)全部被摧毀,TBM設(shè)備嚴重受損,并造成7人遇難;2010年2月4日,2#引水隧洞引(2)11+006~11+070洞段發(fā)生極強巖爆,正在出渣作業(yè)的施工車輛被巖爆沖擊倒轉(zhuǎn)90°,車身嚴重受損,導(dǎo)致停工數(shù)日。又如河南省千秋煤礦,2011年11月3日發(fā)生重大沖擊地壓事故,導(dǎo)致10人死亡,50余人被困井下。為確保深部地下工程施工安全,避免因巖爆而造成各種工程損失,必須對巖爆進行預(yù)測與控制。所以,巖爆預(yù)測是深部地下工程的一個重要課題,具有十分重要的現(xiàn)實意義。巖體在受力變形的破裂過程中所釋放的地震波稱之為微震,其震源就是巖石破裂的位置。微震監(jiān)測技術(shù)的基本原理是利用在空間上不同方位布設(shè)的傳感器,獲取巖體產(chǎn)生微破裂過程所發(fā)出的地震波信息,對其加以分析、處理后確定微震事件發(fā)生的時間、位置、大小、數(shù)量及能量釋放等信息,以此為基礎(chǔ)推斷巖體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)、破壞情況,進而對巖爆災(zāi)害進行動態(tài)預(yù)測預(yù)警。在眾多巖爆預(yù)測方法中,以能實現(xiàn)實時連續(xù)監(jiān)測的微震監(jiān)測技術(shù)效果最為顯著,且應(yīng)用最為廣泛,如南非、加拿大、澳大利亞、波蘭、美國、智利以及我國等國均有大量應(yīng)用,并在微震系統(tǒng)組成、定位方法優(yōu)化、波形分析、微震事件時空分布規(guī)律、微震頻譜演變規(guī)律、基于微震監(jiān)測的礦山地壓活動規(guī)律等方面開展了大量的研究工作,取得了豐富的研究成果。但這些研究主要是以礦山工程為背景,而針對深埋隧洞工程的相關(guān)研究較少,尤其是針對深埋隧洞微震活動區(qū)及其與巖爆的關(guān)系的系統(tǒng)研究鮮有報道。鑒于此,本文以錦屏二級水電站深埋引水隧洞和排水洞中部強巖爆段為工程背景,開展了微震活動區(qū)與巖爆關(guān)系的研究,通過對微震監(jiān)測數(shù)據(jù)及大量巖爆實例進行綜合分析,獲得了微震活動空間分布特征及其與巖爆的關(guān)系,為準(zhǔn)確、快速確定巖爆發(fā)生區(qū)域,并采取有針對性的防治措施提供科學(xué)依據(jù)。2圍巖地質(zhì)概況錦屏二級水電站深埋長大引(排)水隧洞工程由4條引水隧洞和1條排水洞組成,平均長度約16.7km,平均埋深約1610m,最大埋深達2525m,其中埋深超過1500m的洞段長度占總長的75.7~75.9%。隧洞斷面布置如圖1所示,其中1#、3#引水隧洞為圓形斷面,2#、4#引水隧洞屬上斷面為半圓、下斷面由3段圓弧組成的馬蹄形斷面,4條引水隧洞均采用兩次開挖,上斷面設(shè)計開挖寬度為13m,實際開挖寬度約13~14m,高為8m,其等效洞徑為11m;排水洞為圓形斷面,采用全斷面開挖,設(shè)計開挖洞徑為7.2m,實際開挖洞徑平均為8m。微震監(jiān)測工作主要針對隧洞中部(樁號5~10km)強巖爆段展開。該區(qū)域巖性主要為白山組大理巖,地層總體走向以NNE向為主,工程區(qū)內(nèi)斷層均屬非活動斷層,充填較密實且破碎帶寬度均小于5m,圍巖以II、III類為主,巖石堅硬完整致密,單軸抗壓強度為55~114MPa,彈性模量為25~40GPa,變形模量為8~16GPa。采用南非ISS微震監(jiān)測系統(tǒng)對引水隧洞上斷面及排水洞全斷面鉆爆法開挖過程中的巖爆災(zāi)害進行連續(xù)實時監(jiān)測,監(jiān)測系統(tǒng)組成參見文獻。3巖漿巖的微地震活動和爆炸分布3.1微震事件分布通過對監(jiān)測期間(14個月)獲取的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,得到了引(排)水隧洞微震事件沿隧洞軸向分布范圍,如圖2、3所示。由圖可見:(1)由于不同隧洞的掌子面相差一定距離(約30~350m),開挖爆破擾動引起相鄰隧洞圍巖產(chǎn)生微破裂,導(dǎo)致掌子面前后方較大范圍內(nèi)均有微震事件分布,但隨著與掌子面距離的增加而遞減;(2)大部分微震事件分布于掌子面附近,其中1#~4#引水隧洞占83.77%,排水洞占94.25%。由圖2(b)可見,1#~4#引水隧洞掌子面附近的微震事件近似服從均數(shù)μб為-7.36、標(biāo)準(zhǔn)差б為22.17的正態(tài)分布,取(μ-б,μ+б)即(-29.53,14.81)為事件主要分布范圍,約為掌子面后方30m、前方15m的區(qū)域,分別為引水隧洞等效洞徑的2.7倍和1.4倍。由圖3(b)可以看出,排水洞掌子面附近的微震事件近似服從均數(shù)μ為-9.12、標(biāo)準(zhǔn)差б為17.0的正態(tài)分布,取(μ-б,μ+б)即(-26.12,7.87)為事件主要分布范圍,約為掌子面后方26m、前方8m的區(qū)域,分別為排水洞實際開挖洞徑的3.3倍和1.0倍。綜上所述,微震事件(活動)主要分布范圍介于掌子面后方3倍洞徑至前方1.5倍洞徑之間。3.2巖爆分布范圍巖爆孕育過程是震源區(qū)介質(zhì)的損傷演化過程,其實質(zhì)是巖體微破裂萌生與擴展,因此,巖爆可以看作巖體微破裂演化誘致災(zāi)變的過程,圍巖微破裂演化區(qū)或微震活動區(qū)就是巖爆的潛在風(fēng)險區(qū),現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)較好地證明了該結(jié)論。通過對上百個不同等級巖爆實例的綜合分析得出,1#~4#引水隧洞和排水洞微震監(jiān)測區(qū)域的巖爆分別發(fā)生于掌子面后方300、400m以內(nèi),但大部分位于其掌子面附近,如引水隧洞:83.33%介于掌子面后方0至30m之間,為2.73倍洞徑,見圖4;在排水洞:72.97%位于掌子面后方27m以內(nèi),為3.38倍洞徑,見圖5。對比分析圖2~5可以看出,巖爆分布范圍與掌子面后方微震活動區(qū)完全一致。由此得出,掌子面后方主要微震活動區(qū)(3倍洞徑以內(nèi))是巖爆高發(fā)區(qū),需重點防治。另外,需要指出的是,掌子面后方3倍洞徑以外仍有巖爆發(fā)生,其中引水洞占16.67%,排水洞占27.03%,但以時滯型巖爆居多。究其原因,一方面是隧洞開挖后,部分區(qū)域支護措施滯后,未形成有效支護強度;另一方面是隧洞群多工作面同時施工,隧洞頻繁受到開挖爆破擾動的影響。時滯型巖爆孕育機制詳細分析參見文獻。3.3現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析深部巖體處于三向原巖高應(yīng)力平衡狀態(tài),其內(nèi)部貯存大量彈性能。隧洞開挖卸載后,巖體內(nèi)原有的應(yīng)力平衡被打破,由此引起巖體內(nèi)的應(yīng)力重分布,原來的三向受力狀態(tài)變?yōu)槎蚴芰顟B(tài),甚至出現(xiàn)單向受力狀態(tài),局部產(chǎn)生應(yīng)力集中。這種應(yīng)力狀態(tài)的變化必然會導(dǎo)致積聚在巖體中的彈性能釋放,使開挖面附近巖體產(chǎn)生破裂活動,伴隨微震現(xiàn)象,甚至發(fā)生巖爆等強烈的脆性響應(yīng),直到形成新的穩(wěn)定的應(yīng)力平衡狀態(tài)為止。應(yīng)力平衡系統(tǒng)的重建是一個動態(tài)演化過程,其實質(zhì)是圍巖應(yīng)力狀態(tài)的持續(xù)調(diào)整,同時導(dǎo)致眾多微破裂活動,并伴隨大量微震事件,故微震活動區(qū)直接反映了圍巖應(yīng)力的調(diào)整范圍,即介于掌子面后方3倍洞徑至前方1.5倍洞徑之間。加拿大Mine-By試驗隧洞(長為46m,直徑為3.5m)機械開挖段的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示,高應(yīng)力隧洞掌子面開挖卸荷后無支護條件下,掌子面后方微震(應(yīng)力調(diào)整)活動主要集中在約2倍洞徑范圍內(nèi)。三向光彈試驗和三維有限元分析結(jié)果表明,隧洞應(yīng)力調(diào)整范圍大約介于掌子面前方1倍洞徑至掌子面后方2倍洞徑之間,其中沿洞軸向最大應(yīng)力位于掌子面附近,最大切向應(yīng)力位于掌子面后方1倍洞徑處,隨著掌子面的推進,應(yīng)力調(diào)整范圍逐漸前移,如圖6所示。經(jīng)對比分析得出,現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與試驗結(jié)果基本相符。由于實際工程受地應(yīng)力大小、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、開挖施工方法等諸多因素的影響,導(dǎo)致由現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)確定的圍巖應(yīng)力調(diào)整范圍較試驗結(jié)果稍大,但更符合實際情況。由此得出,隧洞工程巖爆潛在風(fēng)險重點關(guān)注區(qū)域是掌子面后方3倍洞徑已開挖范圍,以及掌子面前方1.5倍洞徑施工范圍。4深孔探測和巖爆的空間分布特征與巖爆有關(guān)4.1風(fēng)險分析及結(jié)果(1)大多數(shù)巖爆在孕育過程中,微震事件持續(xù)增加,位置不斷集中,最后形成集結(jié)區(qū)。(2)微震事件及巖爆分布呈現(xiàn)區(qū)域性集結(jié)特點。微震監(jiān)測范圍內(nèi),各洞段微震事件及巖爆分布規(guī)律基本一致。限于篇幅,僅以典型洞段為例分析微震事件和巖爆分布規(guī)律及其影響因素,以期得出一些有益認識。由圖7可見,引(4)5+097~6+085洞段埋深介于1598.14~2114.58m之間,增幅為32.32%,埋深差異對巖爆影響較大;該洞段為T2b灰白色厚層狀中細晶大理巖,巖石新鮮,屬Ⅱ、Ⅲ類圍巖,其完整性較好,巖溶不發(fā)育,地下水不豐富,僅局部區(qū)域存在滲滴水。由圖8可見,該洞段微震事件及巖爆呈現(xiàn)區(qū)域性集結(jié)的特點,其中引(4)5+730~6+085區(qū)段大部分區(qū)域產(chǎn)生眾多微震事件,且較大震級事件多,分布集中,微震非?；钴S,多次發(fā)生巖爆,其主要原因:一是該范圍洞壁干燥,圍巖以Ⅲ類為主,發(fā)育多組結(jié)構(gòu)面,存在局部應(yīng)力集中;二是隧洞埋深(2070.43~2114.58m)大、地應(yīng)力高。另外,部分微震活躍區(qū)未發(fā)生巖爆,主要是由于施工過程中及時加強了支護,提高了圍巖完整程度和整體承載能力,顯著增加了圍巖強度和抗沖擊能力所致。引(4)5+446~730及引(4)5+097~336區(qū)段圍巖為Ⅱ類,結(jié)構(gòu)面不發(fā)育,以小震級事件為主,空間上具有整體分散、局部集中的特點,隨著埋深的減小,微震活動呈減弱趨勢,事件集結(jié)區(qū)發(fā)生3次中等巖爆。引(4)5+336~446區(qū)段圍巖為Ⅲ類,其結(jié)構(gòu)面發(fā)育,并有滲滴水,產(chǎn)生微震事件少,且以小震級居多,微震較弱,巖爆風(fēng)險低?；谏鲜龇治隹梢钥闯?一方面,由東向西,隨著埋深減小,地應(yīng)力降低,微震事件呈減少趨勢,微震活動逐漸減弱,巖爆強度及頻次遞減;另一方面,微震事件及巖爆分布呈區(qū)域性集結(jié)特點,其主要原因是隧洞埋深及地質(zhì)條件存在差異;另外,開挖施工方法如支護情況也是其原因之一。4.2聲發(fā)射試驗結(jié)果對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及上百個巖爆實例進行統(tǒng)計分析得出:(1)一部分巖爆發(fā)生于微震事件集結(jié)區(qū)內(nèi)部,如圖9(a)、(b)所示。(2)另一部分巖爆發(fā)生于微震事件(微破裂)集結(jié)區(qū)邊緣,而不是集結(jié)區(qū)內(nèi)部,如圖9(c)~(g)所示。該現(xiàn)象與前人的室內(nèi)試驗結(jié)果較為一致,見圖10。文獻試驗結(jié)果表明,透明的脆性有機玻璃板微破裂空間分布存在如下現(xiàn)象:微破裂叢集(集結(jié))區(qū)在預(yù)置縫中部,而大破裂卻發(fā)生在裂縫延長線上或其分支上。另外,1992年中俄美合作大樣本巖石(灰?guī)r,尺寸1000mm×500mm×500mm)聲發(fā)射試驗結(jié)果亦顯示,微破裂集結(jié)的位置不一定位于微破裂發(fā)育的中心,特別是大事件往往發(fā)生在成核區(qū)的邊緣,而不是成核區(qū)中心?；谑覂?nèi)試驗及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果證實,巖爆(或大破裂)發(fā)生于微破裂集結(jié)區(qū)邊緣這一現(xiàn)象是客觀存在的,并非個別現(xiàn)象,是巖體破壞過程中所固有的現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn),該現(xiàn)象與微破裂集結(jié)區(qū)圍巖應(yīng)力場的非均勻性密切相關(guān)。一般地,在隧洞開挖卸荷作用下,圍巖應(yīng)力重分布,引起應(yīng)力集中,進而使巖體發(fā)生破裂活動,并伴有微震事件;巖體破裂活動越強烈,事件越集結(jié)。在應(yīng)力調(diào)整初期,巖體近似于均勻變形,微破裂的萌生和發(fā)展具有彌散特性,呈隨機的均勻分布,彼此間相距較遠,單個微破裂的影響范圍較小,僅對有限范圍內(nèi)的相鄰微破裂產(chǎn)生影響。隨著圍巖應(yīng)力進一步調(diào)整,巖體內(nèi)部固有缺陷附近產(chǎn)生局部應(yīng)力集中,使得微破裂的產(chǎn)生和演化從無序轉(zhuǎn)為有序,出現(xiàn)局部化,微破裂密度增大,相互間作用加強,導(dǎo)致微破裂相互歸并成核,形成宏觀裂縫。在圍巖應(yīng)力調(diào)整、微破裂演化過程中,微震事件分布由分散逐步變成集中。一方面,當(dāng)事件集結(jié)到一定程度時,集結(jié)區(qū)巖體完整性變差,承載能力下降,巖體強度降低,對周圍巖體約束作用減弱;另一方面,眾多微破裂活動造成事件集結(jié)區(qū)能量耗散,應(yīng)力松弛,出現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致事件集結(jié)區(qū)邊緣形成高應(yīng)力集中,儲存大量可釋放應(yīng)變能,使巖體處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。由于在開挖擾動作用下,原有和新生微破裂進一步向前擴展延伸,事件集結(jié)區(qū)邊緣原有能量平衡系統(tǒng)勢必被打破,從而導(dǎo)致圍巖儲存應(yīng)變能突然釋放,使巖體產(chǎn)生爆裂、松脫、剝離、彈射、拋擲等破壞現(xiàn)象的動力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害,即發(fā)生巖爆。5巖爆風(fēng)險分布及分布(1)微震事件(活動)分布范圍主要介于掌子面后方3倍洞徑至前方1.5倍洞徑之間,而巖爆高發(fā)區(qū)置于掌子面后方3倍洞徑以