深埋隧道强烈岩爆孕育微震主频演化规律

肖亚勋，李小亮

(1.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；2.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590)

岩爆是深部硬岩工程(埋深超过1 000 m或地应力超过30 MPa)开挖过程中常见的一种地质灾害。隧道岩爆发生时围岩通常呈现出爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷的现象，具有很强的突发性、随机性和危害性[1]。岩爆按其发生的等级可分为：轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆和极强岩爆。通常采用岩爆破坏深度(爆坑深度(D))作为划分依据，1.0 m≤D<3.0 m时为强烈岩爆；D≥3.0 m时，岩爆等级为极强。一般而言，岩爆等级越高，对围岩及构筑物的破坏也越大。如锦屏二级水电站排水洞2019年11月28日发生的极强岩爆，造成上亿元隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)损毁[2]。深部工程规模正以前所未有的速度发展，岩爆研究工况也由钻爆法施工条件扩展到TBM施工。微震监测是目前隧道岩爆监测的最有效技术之一[3-5]。因此，掌握岩爆前兆的微震信息演化规律是岩爆定量预警与针对性防控的关键所在。

许多学者利用岩爆试验或监测过程中所获得的波形信息开展岩爆孕育规律研究。苏国韶等[6]通过模拟岩爆过程的花岗岩岩样室内真三轴试验，揭示了岩爆过程的声音信号幅值具有时间分形特性，声音信号幅值分形维数持续增加至峰值后在一段时间内持续下降至最低值可作为岩爆发生的前兆信息。何满潮等[7-8]进行花岗岩室内瞬时岩爆模拟试验结果表明：岩爆前和最终岩爆时刻声发射主频值降低至与初始加载时一致，声发射主频值总体呈“从低频向高频再向低频”转变迁移的趋势。陆菜平等[9-10]发现冲击地压前兆微震信号频谱中低频成分增加，且增幅逐渐上升，并揭示了坚硬和软弱顶板破断来压的微震波频谱演化差异性。FRID和VOZOFF[11]的研究表明：煤矿顶板宏观破断之前可监测到低频微震信号。XIAO等[12]证实了隧道即时型岩爆孕育过程中微震频率演化是分形的。肖亚勋等[13]发现TBM和钻爆法不同开挖方式下诱发的即时型岩爆孕育过程的频谱演化特征基本一致。目前，针对深埋隧道岩爆孕育过程，尤其是不同施工方法(TBM和钻爆法)下的微震频率演化规律的差异性研究甚少。

本研究以锦屏二级水电站引水隧洞作为工程背景，分析了隧道微震波辐射的频率衰减特征，建立了岩体破裂微震主频计算方法，阐述了不同施工方法下强烈岩爆孕育过程的微震主频演化规律。

1 深埋TBM隧道岩爆微震监测

锦屏二级水电站引水隧洞群是目前世界埋深最大的水电工程(最大埋深2 525 m)，由4条平行的引水隧洞组成，洞线平均长度达16.7 km。引水隧洞群采用TBM和钻爆法相结合的施工方法，其中，东端1#和3#引水隧洞采用TBM施工。工程区最大主应力可达63 MPa，围岩主要由三叠系(T)地层组成，岩性主要为大理岩。其中，工程区中部的大埋深洞段围岩主要为白山组大理岩，单轴抗压强度110～160 MPa，弹性模量30～40 GPa，密度2 780 kg/m3。岩爆这种高应力硬岩灾害的防控是其主要工程地质难题之一。锦屏二级水电站引水隧洞群在施工过程中岩爆频发，造成严重的人员伤亡、设备损失和工期延误。为此，引入微震监测技术开展岩爆预测预警与防控实践。

深埋硬岩隧道岩爆发生前围岩变形通常较小，是典型的破裂诱致灾害。岩爆是岩体破裂累积由量变到质变的结果。岩体发生破裂时将以弹性波的方式向外释放能量，通过在岩体破裂一定范围内布置微震传感器，可以感知到岩体破裂所辐射弹性波造成的微震动。利用多个微震传感器记录的微震波信号即可确定该岩体破裂对应微震事件的发震时间与位置以及微震辐射能、视体积、震级等震源参数。隧道岩爆预警正是基于隧道微震监测所获得的一系列岩体破裂的微震时空演化信息，给出潜在岩爆发生的区域与等级。

锦屏二级水电站引水隧洞开展微震监测时采用南非ISS微震系统，采样频率为6 000 Hz，监测所用微震传感器均为速度型，频带宽度为7～2 000 Hz，灵敏度为80 V/(m·s)。3#引水隧洞TBM洞段采用如图1所示的微震传感器布置方案。传感器沿轴线分3组布置，每组间距20～40 m，同组传感器在轴向上错开1～2 m。传感器借助于距掌子面12 m的L1区平台的钻孔设备进行布设，在TBM日常检修时段进行钻孔并安装微震传感器，钻孔深度2 m。受制于TBM本身的结构特点，仅能在隧洞拱顶左右70°的范围内布设传感器。TBM每掘进30～40 m，回收距掌子面最远的那组传感器并重新安装于L1平台。TBM岩爆主要发生在掌子面附近，传感器阵列紧跟掌子面的移动，实现了TBM岩爆灾害的实时追踪监测。钻爆法布置方式与TBM类似，主要区别在于为了防止爆破冲击造成的传感器及其电缆线受损，第一排传感器往往距离掌子面不低于70 m。微震事件滤噪采用了小波-神经网络滤波方法，微震事件定位则运用了分层粒子流传感器阵列外定位方法[3]。

图1 TBM隧道微震监测传感器布置示意

2 隧道岩体破裂微震频率及主频计算方法

文献[13]通过分析传感器所记录的每日最大能量岩体破裂波形的最大有效频率，研究隧道岩爆孕育过程的频谱演化规律。但以单个岩体破裂为单位分析微震频率演化特征时，很难保证某一传感器在每个岩体破裂发生时都会被触发。另外，传感器在隧道开挖过程中需紧跟掌子面移动，难以保障某一传感器可记录到整个岩爆孕育过程的信息。因此，需综合考虑各个传感器所记录波形的频率信息。

已有研究[13]表明：相同距离下，岩体破裂微震波频率衰减程度与其本身能量呈负相关，岩体破裂辐射能量越小，其微震波频率衰减越大。开挖是岩体破裂发生的主要诱因，对于隧道而言，岩体破裂主要发生在掌子面附近。采用上节所述紧跟掌子面传感器布置方案，传感器距岩体破裂的震源距离均小于200 m，各组传感器最大间距一般不大于70 m。对于同一类岩体破裂，在隧道这样特定的微震监测条件下，岩体破裂微震波频率衰减的特征仍有待分析。

波形频谱是指对所记录的时间-振幅时域波形图进行离散傅里叶变换后生成的频率-振幅波形频域图。波形频谱图中最大振幅所对应的频率是该波形最大有效频率。以3#引水隧洞TBM岩爆微震监测过程中2010年6月9日所记录的某一微震辐射能为509 J的岩体破裂微震事件为例，该岩体破裂被R7和R5两组共6个传感器所感知。图2为该岩体破裂微震事件对应不同传感器所记录微震波波形的频谱。从图中可以看出：两组传感器所记录微震波形的最大有效频率主要范围为390～430 Hz，仅R5-Right传感器存在较大偏差，约为282 Hz。尽管两组传感器的震源距离相差近60 m，在震源距离由约60 m增大到约120 m时，微震波的最大有效频率基本无衰减，这与微震波振幅严重衰减的情况差异明显。表明对于隧道微震监测，微震波最大有效频率是相对稳定的波形参数。

图2 某岩体破裂微震事件不同传感器微震波频谱图

同组传感器由于近似处于同一横断面，对于位于掌子面附近的岩体破裂，各传感器的震源距离相差较小。且岩体破裂辐射微震波传播至同一组传感器的路径和频率衰减特征相近。另外，同组传感器的工作环境及受环境噪声干扰程度较为一致。同组传感器所记录波形的最大有效频率应基本相同。但图2中某一传感器对应的波形最大有效频率出现明显差异，这一现象较为普遍，其原因可能在于该传感器在安装时与钻孔孔壁围岩的耦合较差或传感器本身性能下降，致使波形频率衰减严重。针对极个别传感器微震波波形频率可能失真的情况，将岩体破裂微震主频定义为：

(1)

式中，fmain为岩体破裂微震主频，N为对应岩体破裂触发传感器的总数量，fi为第i个传感器记录波形的最大有效频率，fmax和fmin分别为最大有效频率fi(i=1,2，…，N)中的最大值和最小值。

图3为本研究岩爆案例相关的90个岩体破裂微震主频与其微震辐射能的关系，可以看出岩体破裂微震主频fmain与其对应微震辐射能E的对数近似呈反比关系。该计算方法有效规避了可能因某一传感器波形失真造成的事件频率计算不准，所计算的事件主频符合岩体破裂震源能量越大、所辐射波形的主要频率范围越低的一般特征。

图3 微震主频与辐射能的关系

这符合岩体破裂能量越大、所辐射波形频率越小的特点，也说明了基于本方法所计算的微震主频可以较好地反映岩体破裂微震波的频率特征。

3 强烈岩爆孕育过程的微震主频演化规律

为了研究钻爆法和TBM岩爆孕育过程的相似性和差异性，于两种施工方法各取一典型强烈岩爆案例进行分析。TBM“2010.6.11”强烈岩爆与钻爆法“2011.1.11”强烈岩爆的相关信息见表1。依据前节所述微震主频计算方法，计算了两次岩爆孕育过程中各岩体破裂的微震主频。图4为该两次隧道岩爆孕育的微震主频演化。图中，圆球表示岩体破裂微震事件；圆球大小则表示岩体破裂微震辐射能(E)，圆球越大，岩体破裂微震辐射能越大。可以看出：①整体上看，TBM“2010.6.11”岩爆孕育时，岩体破裂微震主频由高向低交替变化，且在岩爆显现时刻降低到最小；而对于钻爆法“2011.1.11”岩爆，微震主频的演化则是无序的；②单单分析单日微震主频最小岩体破裂事件，两次强烈岩爆孕育过程单日最小微震主频一般均低于200 Hz，但TBM“2010.6.11”岩爆孕育过程中单日最小微震主频呈逐渐降低的趋势，而钻爆法“2011.1.11”岩爆则基本无变化。

表1 隧道典型强烈岩爆案例

注：圆球大小与岩体破裂微震辐射能(E)为正相关。

对于TBM施工，高等级岩爆发生前往往伴有低等级岩爆显现，如强烈岩爆孕育过程中常发生多次轻微与中等岩爆。图5为“2010.6.11”强烈岩爆孕育过程中轻微与中等岩爆发生情况。需要指出的是，大能量(E>104J)低频率微震事件与这类岩爆有很强的一一对应关系。对于钻爆法，在岩爆发生前，往往存在与最终岩爆事件能量与频率相近的微震事件，但相应时刻实际现场并未有围岩破坏发生。TBM掘进时被看作对围岩准静态卸荷，对于较完整的围岩，能量与破裂呈现逐步释放与发展的态势。一次岩爆发生过程中破裂尺寸往往由小至大逐次发展，岩体破裂能量释放与微震主频呈反比，微震主频易呈现由高到低发展的特征。而“2010.6.11”强烈岩爆发生前几日中轻微和中等岩爆频次演化为：1、1、2和9(见图5)。岩爆频发时，岩体破裂微震主频为由高向低交替变化(见图4(a))。钻爆法施工为瞬时卸荷，爆破对围岩损伤范围较大，岩体结构相对较为复杂，岩爆孕育过程中破裂尺度发展可能并无规律可循。钻爆法岩爆通常以单体形式突出，对应于岩体破裂微震主频发展的无序(见图4(b))。但若仅考虑每日微震主频最小的岩体破裂事件，弱化TBM与钻爆法施工方法的差异性，两类施工工法强烈岩爆孕育过程的共同性在于：每日基本都会发生微震主频小于200 Hz的微震事件。

图5 “2010.6.11”强烈岩爆孕育过程中轻微与中等岩爆发生情况

综合上述分析，对于TBM隧道，微震主频的整体和每日最小值演化规律可作为强烈岩爆预测的前兆特征。而对于钻爆法隧道，微震主频的每日最小值演化可作为强烈岩爆预测的前兆特征。

4 结论

基于岩体破裂微震波频率特征，研究了不同施工方法下强烈岩爆孕育规律，主要获得了如下认识：

1)在隧道微震监测条件下，岩体破裂微震波最大有效频率是相对稳定的波形参数，随距离衰减并不明显。建立了综合考虑各传感器波形的岩体破裂微震主频计算方法，所计算的微震主频可以较好地反映岩体破裂微震波的频率特征。

2)TBM强烈岩爆孕育过程中岩体破裂微震主频由高向低交替变化，且在岩爆显现时刻降低到最小。而对于钻爆法强烈岩爆，微震主频的演化则是无序的。

3)TBM和钻爆法强烈岩爆孕育过程中单日最小微震主频一般低于200 Hz，但TBM强烈岩爆孕育过程中单日最小微震主频呈逐渐降低的趋势，而钻爆法强烈岩爆则基本无变化。

需要说明的是，该研究是基于锦屏二级水电站大理岩引水隧洞群的岩爆微震监测实例。正在建设的川藏铁路花岗岩隧道在钻爆法施工情况下也呈现出高等级岩爆孕育过程中伴有低等级岩爆发生的情况，其岩爆可能存在新的前兆微震特征，可参考本文思路进行相应研究。