一種降低深埋隧道穿越斷層區域巖爆風險的開挖方法
【專利摘要】本發明公開了一種降低深埋隧道穿越斷層區域巖爆風險的開挖方法，分別在同一深埋隧道的兩個相向掘進掌子面后方均分別布置三排傳感器，監測和采集巖石微破裂過程發出的微震波信號；以深埋隧道里程樁號和測量基準點為基礎，測量每個傳感器安裝位置的空間坐標；識別和提取巖石微破裂過程發出的微震波信號得到微震事件的微破裂位置；分析微震事件空間分布規律；根據斷層產狀判斷上盤掌子面和下盤掌子面。本發明能夠有效地降低或避免隧道掌子面穿越斷層時所引發的巖爆災害，確保隧道施工安全，加快工程施工進度。
【專利說明】—種降低深埋隧道穿越斷層區域巖爆風險的開挖方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及隧道施工領域，具體涉及一種降低深埋隧道穿越斷層區域巖爆風險的開挖方法，適用于礦山、交通、水利水電等深埋硬巖隧道工程。
【背景技術】
[0002]巖爆是高應力環境中，在開挖或其他外界擾動下聚積在巖體中的彈性變形勢能突然猛烈釋放，導致巖石爆裂并彈射出來的現象，是一種復雜的動力地質災害。它往往以“突然襲擊”的方式，使地下工程發生災害性破壞，不僅嚴重威脅施工人員及設備的安全，影響施工進度，而且還會造成地下工程超挖、初期支護失效，嚴重時甚至誘發地震，是深埋隧道工程的主要災害之一。
[0003]許多工程實踐表明，巖爆的發生與隧道掌子面穿越斷層區域的方向密切相關。研究發現，由于斷層破壞了隧道頂板巖體的連續性，當掌子面從下盤向斷層推進時，斷層影響范圍內的隧道上覆巖層將發生移動，從而導致斷層“活化”，致使巖體沿斷層面發生剪切滑移并突然釋放大量彈性變形能；另外，當掌子面靠近斷層時，從下盤向斷層推進引起的巖體運動較由上盤向斷層推進引起的劇烈；再者，從上盤向斷層推進過程中，斷層面所受正應力有所增加，隧道頂部巖體形成砌體梁式或傳遞梁式平衡結構，使斷層不易“活化”，只有當掌子面推進至斷層面附近時，斷層才開始“活化”。可見，在深埋隧道開挖過程中，下盤掌子面向斷層推進時產生的巖爆災害要高于上盤掌子面向斷層推進過程產生的巖爆災害，大量巖爆實錄也充分說明了這一點。因此，在施工條件允許的條件下，應選擇從上盤穿越斷層區域的開挖方法，以便于有效地降低或避免隧道掌子面穿越斷層時所引發的巖爆災害。
[0004]一般地，為了加快施工進度，深埋長大隧道通常采取長洞短打的掘進方式，由此形成許多相向掘進的洞段，這為斷層附近掌子面的掘進方向選擇提供了條件。為了正確選擇掌子面穿越斷層的掘進方向，開挖前預先探測掌子面前方斷層產狀就顯得尤為重要。目前，探測隧道掌子面前方斷層的方法主要有超前地質預報如超前鉆孔法、物探法(如TSP、地質雷達)，由于這些方法每次探測需占用很長的施工時間，往往會影響隧道施工進度；而利用既能實時探測掌子面前方斷層情況，又不影響施工進度的微震監測技術來及時確定掌子面穿越斷層區域方向的開挖方法尚未見報道。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服現有技術存在的問題，提供一種降低深埋隧道穿越斷層區域巖爆風險的開挖方法，降低或避免隧道掌子面穿越斷層時所引發的巖爆災害，確保隧道施工安全和加快工程施工進度。
[0006]一種降低深埋隧道穿越斷層區域巖爆風險的開挖方法，包括以下步驟:
[0007]步驟1、分別在同一深埋隧道的兩個相向掘進掌子面后方布置三排傳感器，監測和采集巖石微破裂過程發出的微震波信號；開始監測時，最前排傳感器距掌子面的距離為距離A，后一排與前一排傳感器的距離為距離B ；當最前排傳感器與掌子面的距離達到距離A+距離B時，回收最后一排傳感器并將其安裝在距掌子面距離A處，隨著掌子面的不斷推進，重復這一操作，使傳感器緊跟掌子面移動；整個監測過程中始終須保持不少于4個傳感器處于工作狀態；
[0008]步驟2、以深埋隧道里程樁號和測量基準點為基礎，測量每個傳感器安裝位置的空間坐標；
[0009]步驟3、識別和提取巖石微破裂過程發出的微震波信號得到微震事件的微破裂位置；
[0010]步驟4、分析微震事件空間分布規律，當掌子面前方微震事件呈線狀分布時，根據微震事件在隧道縱向剖視圖上的展布方向判斷斷層產狀；
[0011]步驟5、根據斷層產狀判斷上盤掌子面和下盤掌子面，
[0012]當前方微震事件揭露斷層產狀的掌子面為上盤掌子面時，則由上盤掌子面穿越斷層；
[0013]當前方微震事件揭露斷層產狀的掌子面為下盤掌子面時，則停止下盤掌子面掘進，改由上盤掌子單向掘進，并穿越斷層，直到與停止掘進的下盤掌子面貫通為止。
[0014]如上所述的步驟I中布置傳感器包括以下步驟:
[0015]靠近掌子面的為前排傳感器，每排布置2個傳感器，其中一個裝在隧道邊墻，另一個安裝在隧道拱頂，后一排與前一排傳感器在隧道底面投影上呈錯開布置；在圍巖完整、洞壁干燥區域布置用于安裝傳感器的錨桿，錨桿須穿過圍巖松弛區并用水泥砂漿錨固劑固定，所有傳感器采用可拆卸循環利用的方式安裝在錨桿尾部。
[0016]如上所述的步驟3包括以下步驟:
[0017]步驟3.1、記錄微震事件的觀測到時，并建立如下微震波走時方程:
[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)是微震源坐標，t是微震事件發生時間；(Xi，Ii, Z1)是第i個傳感器測量坐標，V是微震P或S波速度，ti是第i個傳感器接收微震P或S波的觀測到時，m是接收到微震波信號的傳感器數量，
[0020]將每個傳感器坐標(Xi，yi； Zi)及其接收到的微震P或S波的觀測到時\代入上式，求解得到微震事件的定位結果。
[0021]本發明的有益效果是:通過微震技術對深埋隧道兩個相向掘進掌子面開挖過程進行連續監測，實時探測掌子面前方斷層情況，為確保從上盤掌子面穿越斷層區域提供可靠依據，從而能夠有效地降低或避免隧道掌子面穿越斷層時所引發的巖爆災害，確保隧道施工安全，加快工程施工進度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為相向掘進掌子面后方傳感器布置的平面投影圖；
[0023]圖2為微震事件在隧道縱向剖視圖上的投影分布。
[0024]圖3為上、下盤掌子面向斷層推進過程中產生的微震事件、累計微震能及巖爆隨時間的演化規律。
[0025]圖中:1 一隧道；2 —掌子面；3 —掌子面；4 一傳感器；5 —微震事件；6 —斷層。【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步詳細的說明:
[0027]實施例1:
[0028]降低深埋隧道穿越斷層區域巖爆風險的開挖方法，所述方法按以下步驟進行:
[0029]步驟1、分別在同一深埋隧道的兩個相向掘進掌子面后方布置三排傳感器，監測和采集巖石微破裂過程發出的微震波信號；靠近掌子面的為前排傳感器，每排布置2個傳感器，其中一個裝在隧道邊墻，另一個安裝在隧道拱頂，后一排與前一排傳感器在隧道底面投影上呈錯開布置；在圍巖完整、洞壁干燥區域布置用于安裝傳感器的錨桿，錨桿須穿過圍巖松弛區并用水泥砂漿錨固劑固定，所有傳感器采用可拆卸循環利用的方式安裝在錨桿尾部；開始監測時，最前排傳感器距掌子面70m，后一排與前一排傳感器的距離為30m ;當最前排傳感器與掌子面的距離達到IOOm時，回收最后一排傳感器并將其安裝在距掌子面70m處，隨著掌子面的不斷推進，重復這一操作，使傳感器緊跟掌子面移動，有效監測掌子面前方巖體微破裂發生情況；整個監測過程中始終須保持不少于4個傳感器處于工作狀態，以便于微震事件定位分析，確保微震數據采集的連續性；
[0030]步驟2、以深埋隧道里程樁號和測量基準點為基礎，利用全站儀(可以使用拓普康全站儀)測量每個傳感器安裝位置的空間坐標；
[0031]步驟3、識別和提取巖石微破裂過程發出的微震波信號，準確記錄微震波的觀測到時，并建立如下微震波走時方程:
[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)是微震源坐標，t是微震事件發生時間；(Xi，Ii, Z1)是第i個傳感器測量坐標，V是微震波(P或S波)速度，ti是第i個傳感器接收微震波(P或S波)的觀測到時，m是接收到微震波信號的傳感器數量。
[0034]將每個傳感器坐標(Xi，yi； Zi)及其接收到的微震波(P或S波)的觀測到時\代入上式組成一個方程組，對其求解可得到微震事件的定位結果。本實施例中的一個微震事件表示一次巖石微破裂信號，用實心球表示，球的位置表示微震源即微震事件位置。
[0035]步驟4、分析微震事件空間分布規律，當掌子面前方微震事件呈線狀分布時，根據微震事件在隧道縱向剖視圖上的展布方向判斷斷層產狀；
[0036]步驟5、根據斷層產狀判斷上盤掌子面和下盤掌子面，
[0037]當前方微震事件揭露斷層產狀的掌子面為上盤掌子面時，則由上盤掌子面穿越斷層；
[0038]當前方微震事件揭露斷層產狀的掌子面為下盤掌子面時，則停止下盤掌子面掘進，改由上盤掌子面單向掘進，并穿越斷層，直到與停止掘進的下盤掌子面貫通為止。
[0039]本發明的技術方案所解決的技術問題是，針對深埋隧道穿越斷層區域巖爆問題，提供一種降低深埋隧道穿越斷層區域巖爆風險的開挖方法，通過分析隧道開挖過程中掌子面前方微震事件分布情況，預判掌子面前方斷層產狀，為確保從上盤掌子面穿越斷層區域提供可靠依據，以達到降低或消除掌子面穿越斷層區域的巖爆風險，確保隧道施工安全，加快工程施工進度的目的。
[0040]利用實施例1所述的技術方案對某深埋隧道里程樁號7700-8200m區域進行處理，埋深為2300-2400m，地層 巖性為白山組大理巖，屬強巖爆區域。隧道左側掌子面在掘進過程中，根據微震事件分布情況判斷掌子面前方存在一條斷層，且左側掌子面處于斷層下盤，如圖2所示。因此，2010年12月17日停止左側下盤掌子面掘進(此時左側下盤掌子面距斷層約30m)，改由右側上盤掌子面單向掘進，并穿越斷層，直到與左側下盤掌子面貫通為止。上、下盤掌子面向斷層推進過程中產生的微震事件、累計微震能(微震能是指微震事件產生過程中圍巖釋放的彈性應變能，累計微震能為多個微震事件微震能的代數和)及巖爆隨時間的演化規律如圖3所示，可見，下盤掌子面向斷層推進過程中產生大量微震事件且累計微震能高，圍巖微破裂活動強烈，潛在高巖爆風險，事實上，現場發生3次輕微和2次中等巖爆；而上盤掌子面向斷層推進并穿越斷層的過程中產生的微震事件和累計微震能相對均較少，圍巖微破裂活動相對較弱，潛在的巖爆風險較低，巖爆統計結果顯示，現場僅發生2次輕微巖爆。綜上分析可明顯看出，在斷層附近30m處停止下盤掌子面掘進，改由上盤掌子面單向掘進并穿越斷層，直到與下盤掌子面貫通，由此引發的巖爆次數明顯較下盤掌子面向斷層推進過程產生的少，強度等級明顯要低，這說明采取本發明的技術方案后，可以達到顯著降低掌子面穿越斷層區域的巖爆風險的目的，從而確保隧道施工安全，加快工程施工進度。
[0041]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬【技術領域】的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
【權利要求】
1.一種降低深埋隧道穿越斷層區域巖爆風險的開挖方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、分別在同一深埋隧道的兩個相向掘進掌子面后方布置三排傳感器，監測和采集巖石微破裂過程發出的微震波信號；開始監測時，最前排傳感器距掌子面的距離為距離A，后一排與前一排傳感器的距離為距離B;當最前排傳感器與掌子面的距離達到距離A+距離B時，回收最后一排傳感器并將其安裝在距掌子面距離A處，隨著掌子面的不斷推進，重復這一操作，使傳感器緊跟掌子面移動；整個監測過程中始終須保持不少于4個傳感器處于工作狀態； 步驟2、以深埋隧道里程樁號和測量基準點為基礎，測量每個傳感器安裝位置的空間坐標； 步驟3、識別和提取巖石微破裂過程發出的微震波信號得到微震事件的微破裂位置；步驟4、分析微震事件空間分布規律，當掌子面前方微震事件呈線狀分布時，根據微震事件在隧道縱向剖視圖上的展布方向判斷斷層產狀； 步驟5、根據斷層產狀判斷上盤掌子面和下盤掌子面， 當前方微震事件揭露斷層產狀的掌子面為上盤掌子面時，則由上盤掌子面穿越斷層；當前方微震事件揭露斷層產狀的掌子面為下盤掌子面時，則停止下盤掌子面掘進，改由上盤掌子單向掘進，并穿越斷層，直到與停止掘進的下盤掌子面貫通為止。
2.根據權利要求1所述的一種降低深埋隧道穿越斷層區域巖爆風險的開挖方法，其特征在于，所述的步驟I中布置傳感器包括以下步驟: 靠近掌子面的為前排傳感器，每排布置2個傳感器，其中一個裝在隧道邊墻，另一個安裝在隧道拱頂，后一排與前一排傳感器在隧道底面投影上呈錯開布置；在圍巖完整、洞壁干燥區域布置用于安裝傳感器的錨桿，錨桿須穿過圍巖松弛區并用水泥砂漿錨固劑固定，所有傳感器采用可拆卸循環利用的方式安裝在錨桿尾部。
3.根據權利要求1所述的一種降低深埋隧道穿越斷層區域巖爆風險的開挖方法，其特征在于，所述的步驟3包括以下步驟: 步驟3.1、記錄微震事件的觀測到時，并建立如下微震波走時方程:
(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)是微震源坐標，t是微震事件發生時間；(Xi，Ii, Z1)是第i個傳感器測量坐標，V是微震P或S波速度，\是第i個傳感器接收微震P或S波的觀測到時，m是接收到微震波信號的傳感器數量， 將每個傳感器坐標(Xi，yi，Zi)及其接收到的微震P或S波的觀測到時\代入上式，求解得到微震事件的定位結果。
【文檔編號】E21D9/00GK103726851SQ201410017042
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月13日 優先權日:2014年1月13日
【發明者】馮夏庭, 趙周能, 劉國鋒, 豐光亮, 肖亞勛 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所