一种降低深埋隧道穿越断层区域岩爆风险的开挖方法
【专利摘要】本发明公开了一种降低深埋隧道穿越断层区域岩爆风险的开挖方法，分别在同一深埋隧道的两个相向掘进掌子面后方均分别布置三排传感器，监测和采集岩石微破裂过程发出的微震波信号；以深埋隧道里程桩号和测量基准点为基础，测量每个传感器安装位置的空间坐标；识别和提取岩石微破裂过程发出的微震波信号得到微震事件的微破裂位置；分析微震事件空间分布规律；根据断层产状判断上盘掌子面和下盘掌子面。本发明能够有效地降低或避免隧道掌子面穿越断层时所引发的岩爆灾害，确保隧道施工安全，加快工程施工进度。
【专利说明】—种降低深埋隧道穿越断层区域岩爆风险的开挖方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及隧道施工领域，具体涉及一种降低深埋隧道穿越断层区域岩爆风险的开挖方法，适用于矿山、交通、水利水电等深埋硬岩隧道工程。
【背景技术】
[0002]岩爆是高应力环境中，在开挖或其他外界扰动下聚积在岩体中的弹性变形势能突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象，是一种复杂的动力地质灾害。它往往以“突然袭击”的方式，使地下工程发生灾害性破坏，不仅严重威胁施工人员及设备的安全，影响施工进度，而且还会造成地下工程超挖、初期支护失效，严重时甚至诱发地震，是深埋隧道工程的主要灾害之一。
[0003]许多工程实践表明，岩爆的发生与隧道掌子面穿越断层区域的方向密切相关。研究发现，由于断层破坏了隧道顶板岩体的连续性，当掌子面从下盘向断层推进时，断层影响范围内的隧道上覆岩层将发生移动，从而导致断层“活化”，致使岩体沿断层面发生剪切滑移并突然释放大量弹性变形能；另外，当掌子面靠近断层时，从下盘向断层推进引起的岩体运动较由上盘向断层推进引起的剧烈；再者，从上盘向断层推进过程中，断层面所受正应力有所增加，隧道顶部岩体形成砌体梁式或传递梁式平衡结构，使断层不易“活化”，只有当掌子面推进至断层面附近时，断层才开始“活化”。可见，在深埋隧道开挖过程中，下盘掌子面向断层推进时产生的岩爆灾害要高于上盘掌子面向断层推进过程产生的岩爆灾害，大量岩爆实录也充分说明了这一点。因此，在施工条件允许的条件下，应选择从上盘穿越断层区域的开挖方法，以便于有效地降低或避免隧道掌子面穿越断层时所引发的岩爆灾害。
[0004]一般地，为了加快施工进度，深埋长大隧道通常采取长洞短打的掘进方式，由此形成许多相向掘进的洞段，这为断层附近掌子面的掘进方向选择提供了条件。为了正确选择掌子面穿越断层的掘进方向，开挖前预先探测掌子面前方断层产状就显得尤为重要。目前，探测隧道掌子面前方断层的方法主要有超前地质预报如超前钻孔法、物探法(如TSP、地质雷达)，由于这些方法每次探测需占用很长的施工时间，往往会影响隧道施工进度；而利用既能实时探测掌子面前方断层情况，又不影响施工进度的微震监测技术来及时确定掌子面穿越断层区域方向的开挖方法尚未见报道。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种降低深埋隧道穿越断层区域岩爆风险的开挖方法，降低或避免隧道掌子面穿越断层时所引发的岩爆灾害，确保隧道施工安全和加快工程施工进度。
[0006]一种降低深埋隧道穿越断层区域岩爆风险的开挖方法，包括以下步骤:
[0007]步骤1、分别在同一深埋隧道的两个相向掘进掌子面后方布置三排传感器，监测和采集岩石微破裂过程发出的微震波信号；开始监测时，最前排传感器距掌子面的距离为距离A，后一排与前一排传感器的距离为距离B ；当最前排传感器与掌子面的距离达到距离A+距离B时，回收最后一排传感器并将其安装在距掌子面距离A处，随着掌子面的不断推进，重复这一操作，使传感器紧跟掌子面移动；整个监测过程中始终须保持不少于4个传感器处于工作状态；
[0008]步骤2、以深埋隧道里程桩号和测量基准点为基础，测量每个传感器安装位置的空间坐标；
[0009]步骤3、识别和提取岩石微破裂过程发出的微震波信号得到微震事件的微破裂位置；
[0010]步骤4、分析微震事件空间分布规律，当掌子面前方微震事件呈线状分布时，根据微震事件在隧道纵向剖视图上的展布方向判断断层产状；
[0011]步骤5、根据断层产状判断上盘掌子面和下盘掌子面，
[0012]当前方微震事件揭露断层产状的掌子面为上盘掌子面时，则由上盘掌子面穿越断层；
[0013]当前方微震事件揭露断层产状的掌子面为下盘掌子面时，则停止下盘掌子面掘进，改由上盘掌子单向掘进，并穿越断层，直到与停止掘进的下盘掌子面贯通为止。
[0014]如上所述的步骤I中布置传感器包括以下步骤:
[0015]靠近掌子面的为前排传感器，每排布置2个传感器，其中一个装在隧道边墙，另一个安装在隧道拱顶，后一排与前一排传感器在隧道底面投影上呈错开布置；在围岩完整、洞壁干燥区域布置用于安装传感器的锚杆，锚杆须穿过围岩松弛区并用水泥砂浆锚固剂固定，所有传感器采用可拆卸循环利用的方式安装在锚杆尾部。
[0016]如上所述的步骤3包括以下步骤:
[0017]步骤3.1、记录微震事件的观测到时，并建立如下微震波走时方程:
[0018](X1-X0)2+ (Y1-Y0)2+ (Z1-Z0) 2-V2 (t1-t)2 = O ; i=l ?m, m > 4 ;
[0019]其中，(Xtl, y0, z0)是微震源坐标，t是微震事件发生时间；(Xi，Ii, Z1)是第i个传感器测量坐标，V是微震P或S波速度，ti是第i个传感器接收微震P或S波的观测到时，m是接收到微震波信号的传感器数量，
[0020]将每个传感器坐标(Xi，yi； Zi)及其接收到的微震P或S波的观测到时\代入上式，求解得到微震事件的定位结果。
[0021]本发明的有益效果是:通过微震技术对深埋隧道两个相向掘进掌子面开挖过程进行连续监测，实时探测掌子面前方断层情况，为确保从上盘掌子面穿越断层区域提供可靠依据，从而能够有效地降低或避免隧道掌子面穿越断层时所引发的岩爆灾害，确保隧道施工安全，加快工程施工进度。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为相向掘进掌子面后方传感器布置的平面投影图；
[0023]图2为微震事件在隧道纵向剖视图上的投影分布。
[0024]图3为上、下盘掌子面向断层推进过程中产生的微震事件、累计微震能及岩爆随时间的演化规律。
[0025]图中:1 一隧道；2 —掌子面；3 —掌子面；4 一传感器；5 —微震事件；6 —断层。【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细的说明:
[0027]实施例1:
[0028]降低深埋隧道穿越断层区域岩爆风险的开挖方法，所述方法按以下步骤进行:
[0029]步骤1、分别在同一深埋隧道的两个相向掘进掌子面后方布置三排传感器，监测和采集岩石微破裂过程发出的微震波信号；靠近掌子面的为前排传感器，每排布置2个传感器，其中一个装在隧道边墙，另一个安装在隧道拱顶，后一排与前一排传感器在隧道底面投影上呈错开布置；在围岩完整、洞壁干燥区域布置用于安装传感器的锚杆，锚杆须穿过围岩松弛区并用水泥砂浆锚固剂固定，所有传感器采用可拆卸循环利用的方式安装在锚杆尾部；开始监测时，最前排传感器距掌子面70m，后一排与前一排传感器的距离为30m ;当最前排传感器与掌子面的距离达到IOOm时，回收最后一排传感器并将其安装在距掌子面70m处，随着掌子面的不断推进，重复这一操作，使传感器紧跟掌子面移动，有效监测掌子面前方岩体微破裂发生情况；整个监测过程中始终须保持不少于4个传感器处于工作状态，以便于微震事件定位分析，确保微震数据采集的连续性；
[0030]步骤2、以深埋隧道里程桩号和测量基准点为基础，利用全站仪(可以使用拓普康全站仪)测量每个传感器安装位置的空间坐标；
[0031]步骤3、识别和提取岩石微破裂过程发出的微震波信号，准确记录微震波的观测到时，并建立如下微震波走时方程:
[0032](X1-X0)2+ (Y1-Y0)2+ (Z1-Z0) 2-V2 (t1-t)2 = O (i=l, 2...，m, m ≥ 4)
[0033]其中，(x0, y0, z0)是微震源坐标，t是微震事件发生时间；(Xi，Ii, Z1)是第i个传感器测量坐标，V是微震波(P或S波)速度，ti是第i个传感器接收微震波(P或S波)的观测到时，m是接收到微震波信号的传感器数量。
[0034]将每个传感器坐标(Xi，yi； Zi)及其接收到的微震波(P或S波)的观测到时\代入上式组成一个方程组，对其求解可得到微震事件的定位结果。本实施例中的一个微震事件表示一次岩石微破裂信号，用实心球表示，球的位置表示微震源即微震事件位置。
[0035]步骤4、分析微震事件空间分布规律，当掌子面前方微震事件呈线状分布时，根据微震事件在隧道纵向剖视图上的展布方向判断断层产状；
[0036]步骤5、根据断层产状判断上盘掌子面和下盘掌子面，
[0037]当前方微震事件揭露断层产状的掌子面为上盘掌子面时，则由上盘掌子面穿越断层；
[0038]当前方微震事件揭露断层产状的掌子面为下盘掌子面时，则停止下盘掌子面掘进，改由上盘掌子面单向掘进，并穿越断层，直到与停止掘进的下盘掌子面贯通为止。
[0039]本发明的技术方案所解决的技术问题是，针对深埋隧道穿越断层区域岩爆问题，提供一种降低深埋隧道穿越断层区域岩爆风险的开挖方法，通过分析隧道开挖过程中掌子面前方微震事件分布情况，预判掌子面前方断层产状，为确保从上盘掌子面穿越断层区域提供可靠依据，以达到降低或消除掌子面穿越断层区域的岩爆风险，确保隧道施工安全，加快工程施工进度的目的。
[0040]利用实施例1所述的技术方案对某深埋隧道里程桩号7700-8200m区域进行处理，埋深为2300-2400m，地层 岩性为白山组大理岩，属强岩爆区域。隧道左侧掌子面在掘进过程中，根据微震事件分布情况判断掌子面前方存在一条断层，且左侧掌子面处于断层下盘，如图2所示。因此，2010年12月17日停止左侧下盘掌子面掘进(此时左侧下盘掌子面距断层约30m)，改由右侧上盘掌子面单向掘进，并穿越断层，直到与左侧下盘掌子面贯通为止。上、下盘掌子面向断层推进过程中产生的微震事件、累计微震能(微震能是指微震事件产生过程中围岩释放的弹性应变能，累计微震能为多个微震事件微震能的代数和)及岩爆随时间的演化规律如图3所示，可见，下盘掌子面向断层推进过程中产生大量微震事件且累计微震能高，围岩微破裂活动强烈，潜在高岩爆风险，事实上，现场发生3次轻微和2次中等岩爆；而上盘掌子面向断层推进并穿越断层的过程中产生的微震事件和累计微震能相对均较少，围岩微破裂活动相对较弱，潜在的岩爆风险较低，岩爆统计结果显示，现场仅发生2次轻微岩爆。综上分析可明显看出，在断层附近30m处停止下盘掌子面掘进，改由上盘掌子面单向掘进并穿越断层，直到与下盘掌子面贯通，由此引发的岩爆次数明显较下盘掌子面向断层推进过程产生的少，强度等级明显要低，这说明采取本发明的技术方案后，可以达到显著降低掌子面穿越断层区域的岩爆风险的目的，从而确保隧道施工安全，加快工程施工进度。
[0041]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属【技术领域】的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【权利要求】
1.一种降低深埋隧道穿越断层区域岩爆风险的开挖方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1、分别在同一深埋隧道的两个相向掘进掌子面后方布置三排传感器，监测和采集岩石微破裂过程发出的微震波信号；开始监测时，最前排传感器距掌子面的距离为距离A，后一排与前一排传感器的距离为距离B;当最前排传感器与掌子面的距离达到距离A+距离B时，回收最后一排传感器并将其安装在距掌子面距离A处，随着掌子面的不断推进，重复这一操作，使传感器紧跟掌子面移动；整个监测过程中始终须保持不少于4个传感器处于工作状态； 步骤2、以深埋隧道里程桩号和测量基准点为基础，测量每个传感器安装位置的空间坐标； 步骤3、识别和提取岩石微破裂过程发出的微震波信号得到微震事件的微破裂位置；步骤4、分析微震事件空间分布规律，当掌子面前方微震事件呈线状分布时，根据微震事件在隧道纵向剖视图上的展布方向判断断层产状； 步骤5、根据断层产状判断上盘掌子面和下盘掌子面， 当前方微震事件揭露断层产状的掌子面为上盘掌子面时，则由上盘掌子面穿越断层；当前方微震事件揭露断层产状的掌子面为下盘掌子面时，则停止下盘掌子面掘进，改由上盘掌子单向掘进，并穿越断层，直到与停止掘进的下盘掌子面贯通为止。
2.根据权利要求1所述的一种降低深埋隧道穿越断层区域岩爆风险的开挖方法，其特征在于，所述的步骤I中布置传感器包括以下步骤: 靠近掌子面的为前排传感器，每排布置2个传感器，其中一个装在隧道边墙，另一个安装在隧道拱顶，后一排与前一排传感器在隧道底面投影上呈错开布置；在围岩完整、洞壁干燥区域布置用于安装传感器的锚杆，锚杆须穿过围岩松弛区并用水泥砂浆锚固剂固定，所有传感器采用可拆卸循环利用的方式安装在锚杆尾部。
3.根据权利要求1所述的一种降低深埋隧道穿越断层区域岩爆风险的开挖方法，其特征在于，所述的步骤3包括以下步骤: 步骤3.1、记录微震事件的观测到时，并建立如下微震波走时方程:
(X1-Xci)2+ (Y1-Y0)2+ (Z1-Z0) 2-V2 (t1-t)2 = O ; i=l ~m, m 4 ; 其中，(X(i，10，ζ0)是微震源坐标，t是微震事件发生时间；(Xi，Ii, Z1)是第i个传感器测量坐标，V是微震P或S波速度，\是第i个传感器接收微震P或S波的观测到时，m是接收到微震波信号的传感器数量， 将每个传感器坐标(Xi，yi，Zi)及其接收到的微震P或S波的观测到时\代入上式，求解得到微震事件的定位结果。
【文档编号】E21D9/00GK103726851SQ201410017042
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月13日 优先权日:2014年1月13日
【发明者】冯夏庭, 赵周能, 刘国锋, 丰光亮, 肖亚勋 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所