超长深埋隧洞岩爆监测与预警技术应用——以引汉济渭工程秦岭输水隧洞为例.pdf
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1、引用格式:李立民,唐烈先,赵力.超长深埋隧洞岩爆监测与预警技术应用:以引汉济渭工程秦岭输水隧洞为例J.隧道建设(中英文),2023,43(9):1533.LI Limin,TANG Liexian,ZHAO Li.Rockburst monitoring and early-warning technology in ultra-long and deep-buried tunnels:A case study on Qinling Water diversion tunnel of Hanjiang River-to-Weihe River Water diversion projectJ.
2、Tunnel Construction,2023,43(9):1533.收稿日期:2023-01-16;修回日期:2023-07-25基金项目:国家重点研发计划课题(2021YFB2300702);国家自然基金项目(42177168,42077263)第一作者简介:李立民(1969),男,陕西蒲城人,1993 年毕业于西安矿业学院,水文地质与工程地质专业,本科,正高级工程师,主要从事水文地质与工程地质勘察、设计及研究工作。E-mail:llm185 。超长深埋隧洞岩爆监测与预警技术应用 以引汉济渭工程秦岭输水隧洞为例李立民1,2,唐烈先3,赵 力4(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西 西
3、安 710043;2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),陕西 西安 710043;3.辽宁科技大学矿业工程学院,辽宁 鞍山 114051;4.陕西省引汉济渭工程建设有限公司,陕西 西安 710010)摘要:为克服引汉济渭工程秦岭输水隧洞施工过程中的高频高强岩爆问题,通过分析秦岭输水隧洞的地质特征、岩石力学特性及岩爆实际发生情况,开展单洞长度超过 13 km 连续洞段的以微震监测技术为主的岩爆监测与预警工作,构建移动式 24 h 连续微震监测系统,建立基于微震能量的岩爆等级评价体系,并提出“以微震能量为主、以微震频次和集中度为辅”的简易定量化判别方法,大大提高了数据的易读性和监测结
4、果的利用效率。应用结果表明:采用提出的方法后岩爆综合预警准确率达 90%,施工过程中未发生因岩爆致人伤亡的事故,保障了工程进度和安全。关键词:隧洞;岩爆;微震监测技术;预警DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.09.010文章编号:2096-4498(2023)09-1533-08中图分类号:U 459.6 文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):R Ro oc ck kb bu ur rs st t MMo on ni it to or ri in ng g a an nd d E Ea ar rl ly y-WWa ar rn ni in ng
5、g T Te ec ch hn no ol lo og gy y i in n U Ul lt tr ra a-L Lo on ng g a an nd d D De ee ep p-B Bu ur ri ie ed d T Tu un nn ne el ls s:A A C Ca as se e S St tu ud dy y o on n Q Qi in nl li in ng g WWa at te er r D Di iv ve er rs si io on n T Tu un nn ne el l o of f H Ha an nj ji ia an ng g R Ri iv ve
6、er r-t to o-WWe ei ih he e R Ri iv ve er r WWa at te er r D Di iv ve er rs si io on n P Pr ro oj je ec ct tLI Limin1,2,TANG Liexian3,ZHAO Li4(1.China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xian 710043,Shaanxi,China;2.Shaanxi Railway and Underground Traffic Engineering Key Laborator
7、y(FSDI),Xian 710043,Shaanxi,China;3.School of Mining Engineering,University of Science and Technology Liaoning,Anshan 114051,Liaoning,China;4.Hanjiang River-to-Weihe River Water Diversion Project Construction Co.,Ltd.,Xian 710010,Shaanxi,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:Rockburst is one of the primary
8、 geological disasters faced by deep-buried hard-rock tunnels,which severely threatens the life of site-construction personnel,affects the construction schedule,and increases the protection cost.To deal with the high-frequency and high-strength rockburst occurring in the Qinling water diversion tunne
9、l of the Hanjiang river-to-Weihe river water diversion project in Shaanxi,China,the geological characteristics,rock mechanical characteristics,and actual occurrence of rockburst in the Qinling tunnel are investigated.Rockburst monitoring and early-warning works,focusing on microseismic monitoring fo
10、r more than 13 km of continuous tunnel sections,are conducted.Furthermore,a mobile 24-h continuous microseismic monitoring system is constructed,and a rockburst rating evaluation system based on microseismic energy is established.After continuous exploration and comparison,a simple quantitative disc
11、rimination method of microseismic energy as the main,frequency and concentration as the auxiliary is 隧道建设(中英文)第 43 卷developed,which remarkably improves the legibility of data and the utilization efficiency of monitoring results.The results show that the comprehensive warning accuracy of rockburst re
12、aches 90%.Moreover,no major accidents caused by rockburst casualties occurred until smooth penetration,effectively guaranteeing the progress and safety of the project.K Ke ey yw wo or rd ds s:tunnel;rockburst;microseismic monitoring;early warning0 引言目前,国内外修建的地下工程越来越多,埋深越来越大,随着埋深的增加,高地应力引发的地质灾害问题愈发严峻
13、。深部地下岩体工程开挖扰动极易诱发岩爆灾害,造成人员伤亡、设备损毁,导致工期延迟、投资增加。深部工程建设对岩爆预警提出了新的要求。目前,我国学者在岩爆监测预警1-5、岩爆风险控制6、微震活动特征和围岩稳定性7以及微震监测技术8等方面积累了大量研究成果,取得了一些应对岩爆灾害的经验;也有学者开展了岩爆微震参数预测研究9,这些研究推动了岩爆防治及微震监测技术的发展。但目前在实际施工中引入微震监测系统对岩爆进行连续长距离监测预警的工程还不多,仅有锦屏级水电站工程、BY 铁路隧道、巴基斯坦 N-J 水电工程等,仍缺乏高地应力深埋隧洞施工过程中对强烈级别以上岩爆有效监测和预警的方法。引汉济渭工程施工过程
14、中基于微震监测技术开展了一系列针对岩爆孕育发展及预警的相关研究10-16,为岩爆风险分析提供了参考,但尚缺少整体效果评价。秦岭输水隧洞总长 98.3 km,埋深超过 1 km 的洞段长度超过 27 km,近 4 km 洞段埋深超过 1.5 km,在勘察设计阶段主要采用临界埋深法、强度应力比、地质综合分析法等对岩爆灾害进行宏观判断,并对岩爆高风险区域进行了预警。但由于地下工程岩体分布不均匀、局部地应力变化多样以及施工方案影响等,实际施工中岩爆的空间和时间分布与宏观判别结果有较大差异。本文主要针对秦岭输水隧洞施工过程中面临的高地应力岩爆问题,在单洞长度超过 13 km 的洞段创新性地连续应用以微震
15、监测技术为主的岩爆监测预警技术,并通过总结施工现场岩爆发生的规律,提出基于微震指标的岩爆等级划分标准,以期为类似工程提供参考。1 工程概况与地质特征1.1 工程概况秦岭输水隧洞越岭段地处秦岭西部山脉,山系呈东西向展布,山体两侧呈南缓北陡之势,地形地质条件极其复杂,区内山峰高程为 5002 500 m,隧洞越岭段起止里程为 K0+000K81+779,进口高程为 542.65 m,出口高程为 510.00 m,最大埋深为 2 012 m。秦岭输水隧洞越岭段地质剖面如图 1 所示。图 1 秦岭输水隧洞越岭段地质剖面图Fig.1 Engineering geological profile of m
16、ountain-crossing section of Qinling water diversion tunnel1.2 地质特征秦岭输水隧洞越岭段出露的围岩主要为花岗岩、闪长岩、变质砂岩等,岩石强度高,且以块状结构居多。围岩以、类为主,少部分为类,节理裂隙不发育,完整性好。勘察设计阶段预警发生岩爆洞段多分布于高地应力硬质岩地段。单轴抗压强度试验结果显示,该段岩体质地坚硬,强度普遍大于 70 MPa,最高甚至可达242 MPa,岩石完整性系数一般大于或等于 0.55。实测地应力成果显示,其初始最大主应力值均超过20 MPa,最高达 70.1 MPa;采用线性回归公式预测隧4351第 9 期李
17、立民,等:超长深埋隧洞岩爆监测与预警技术应用 以引汉济渭工程秦岭输水隧洞为例洞最大主应力可达 100 MPa。现场岩爆实录资料显示,隧洞内发生过岩爆的地段岩体完整、干燥、岩质坚硬、地下水不发育。2 岩爆特征2.1 岩爆表现形式秦岭输水隧洞开挖过程中,受极高地应力的影响,岩爆频繁发生,导致钢筋网失效、拱架变形下沉或弯曲断裂、TBM 卡机、设备损坏及人身伤害等。岩爆等级以中等强烈岩爆为主,多表现为岩体剥落、拱部岩体爆裂及崩塌、底部底板隆起崩裂等。岩爆应力破坏类型以构造型为主,强度应力型次之。2.1.1 岩体剥落岩体剥落主要发生在拱顶,剥落后围岩呈鳞片状,岩体剥落后塌腔深度一般小于 0.5 m。2.
18、1.2 岩体爆裂、崩塌2019 年 4 月 5 日 1:00 左右,岭北 TBM 掘进至K46+140.6 处,隧洞埋深1 119 m,岩性为变质砂岩,隧洞拱部 TBM 护盾上方发生强烈岩爆,岩体爆裂后致使护盾上方压力剧增,护盾被压死,TBM 无法前进和后移,设备被卡。通过人工配合风镐将岩体破碎清理,2 d 后才使护盾脱困,TBM 恢复掘进。2019 年 6 月 1 日 8:17,TBM 掘进至 K45+711 处,隧洞埋深 1 249 m,岩性为闪长岩,护盾后上方连续发生 3 次强烈岩爆,伴有闷雷声,岩体发生崩塌,形成长约 7 m、宽 8.5 m、深 3.9 m 的塌腔;护盾后方面向掘进方向
19、 11:00 至 15:00 位置已支护钢拱架扭曲变形,部分被压弯至 TBM 作业平台上,现场停机进行换拱处理。2.1.3 底板隆起2019 年 8 月 28 日,K40+201.2 +207 段隧洞底部发生强烈岩爆,最大能量 3.3106 J,3 块仰拱块左侧被集体抬高,左侧已回填混凝土被震散,导向轮位置钢轨被震断,导向轮跳道,仰拱块最大被抬高 16 cm。停机处理导向轮 6 h。2019 年 9 月 2 日,K40+233+239 段隧底发生岩爆,最大能量 1.19106 J,2 榀拱架底部发生变形,左侧岩体被爆裂成碎块,形成松散体。2.2 岩爆发生规模及频率自 2017 年 9 月至 2
20、022 年 2 月,引汉济渭秦岭输水隧洞 K33+870K47+150 段共发生岩爆3 990 次,见表 1。岩爆等级统计结果如图 2 所示。有的段落在爆破后即发出岩爆声,并伴随剥落掉块现象;有的段落则在开挖一段时间后发生岩爆现象。大多数岩爆发生在开挖后 46 h,有的段落持续时间长,开挖后 35 d 仍然发出类似爆破声的巨响、闷响或者类似鞭炮的清脆响声。岩爆破坏形式以岩石剥落、崩塌及爆裂掉块等为主,严重的有从洞顶或洞壁弹射出岩片、岩块等,坍塌下来的岩爆块体形状多呈透镜状、片状、板状、棱块状,甚至大块体等;有时在开挖面附近能明显看到岩石渐进破坏过程产生的新生裂隙。岩爆塌腔破坏深度多为 0.53
21、.0 m,最大深度可达 10 m 以上。表 1 秦岭输水隧洞岩爆统计Table 1 Rockburst statistics of Qinling water diversion tunnel工作面里程长度/m岩爆频次/(次/10 m)岩爆次数各岩爆等级下的岩爆次数轻微中等较强强烈极强岭南 TBM-1(K33+870 K37+011.5)3 141.51.031822353251704 号洞接应段(K37+011.5 K39+551)2 539.50.3871631445岭南 TBM-2(K39+551 K43+601)4 0504.81 96039640751862514岭北 TBM 接应段
22、(K43+601 K47+150)3 5494.61 62545555631626632图 2 秦岭输水隧洞岩爆等级统计结果Fig.2 Statistical results of rockburst grade in Qinling water diversion tunnel轻微岩爆一般声音清脆,像鞭炮声,掉块后塌腔深度小于0.5 m,多发生在掌子面后约1 倍洞径范围内,主要集中在拱部 90范围,出现在边墙部位的次数较少。中等、较强岩爆一般声音沉闷,中等岩爆塌腔深度一般为 0.51.5 m,较强岩爆塌腔深度一般为 1.52.5 m。中等、较强岩爆多发生在掌子面后约 2 倍洞径范围内,主要集
23、中在隧洞拱部 150范围,边墙也有出现,底板偶有出现,部分地段两侧仰拱处有岩体鼓起呈鱼鳞状剥落。对于强烈和极强岩爆,可听到持续的岩体爆裂声,部分伴随强烈震感,强烈岩爆塌腔深度为 2.53.5 m,极强岩爆塌腔深度为 3.5 m 以上。岩体瞬间大面积爆5351隧道建设(中英文)第 43 卷落可导致整个隧洞拱部及边墙破坏,甚至可能造成隧洞底部岩体向上隆起,最高隆起达 60 cm,强烈和极强岩爆影响范围可达掌子面后 35 倍洞径。如果长大节理发育,岩爆叠加不利结构面引起的岩体坍塌破坏规模会更大,且该类洞段更易发生滞后性岩爆。3 岩爆监测与预警3.1 微震监测技术秦岭输水隧洞施工阶段主要基于微震监测技
24、术对岩爆灾害进行监测与预警,监测系统及运行模式如图3 所示。图 3 岩爆监测系统及运行模式Fig.3 Rockburst monitoring and early warning system 在掌子面前的隧洞左右壁各布置 3 个以上高灵敏度和高精度的微震传感器,前后间距约 50 m,靠近掌子面的监测断面距掌子面约 70 m。首先,施工扰动下当岩体发生破坏时产生的弹性波被传感器接收后,数据采集系统会通过信号转换、波形识别、阈值触发形成微震事件,并详细记录微震活动的“时空强”信息,数据处理系统获得微震事件频次、能量、震级以及分布范围、集中度等指标;然后,对比现场已发生岩爆的统计信息,确定该施工洞
25、段的岩爆判别标准;最后,根据判别标准中能量范围对应的振幅设定预警触发阈值,结合同时触发阈值的传感器数量和位置,实现对岩爆风险等级和范围的预警,并根据现场实际岩爆情况验证预警的准确性。3.2 典型案例2018 年 6 月 29 日 6:00 6 月 30 日 6:00 微震监测系统采集到的有效微震事件在 K39+375+435 段高达 92 次,其中 50 次达到中等级别以上,频次高、能量大、震级强且分布集中。本次微震监测到的最大单次能量达 3.86106 J,相当于 200 kg 岩石炸药爆炸当量,超过了强烈岩爆判别能量阈值,及时发出了岩爆预警信息。2018 年6 月30 日8:41,4 号洞
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