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摘要：文章以小浪底調(diào)水工程所選供水隧洞段為研究對(duì)象，了解構(gòu)造活動(dòng)和隧洞施工的相對(duì)關(guān)系。通過(guò)對(duì)獲得的地質(zhì)資料和微地震事件進(jìn)行綜合分析，評(píng)估隧洞施工對(duì)不穩(wěn)定地質(zhì)體的影響，為隧洞安全施工提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：隧道；安全監(jiān)測(cè)；斷層；微地震

1引言

小浪底引黃工程位于山西省運(yùn)城市，屬山西大水網(wǎng)“兩縱十橫”中第九橫的大型骨干性引水調(diào)水工程，該項(xiàng)目自黃河干流上的小浪底水庫(kù)向涑水河流域調(diào)水。取水口位于垣曲縣境內(nèi)小浪底水庫(kù)板澗河入黃口上游600m的黃河左岸處，調(diào)水工程隧洞穿越了中條山，尾部位于聞喜縣境內(nèi)的呂莊水庫(kù)，線路全長(zhǎng)59.6km。該工程包括引水干線、灌區(qū)工程、工業(yè)和城鎮(zhèn)供水工程3部分。其中引水干線的主要建筑物包括末端出水口、板澗河調(diào)蓄水庫(kù)、地下泵站、輸水隧洞、取水口進(jìn)水塔等；灌區(qū)工程包括垣曲灌區(qū)、涑水灌區(qū)、南垣灌區(qū)和呂莊水庫(kù)灌區(qū)，灌區(qū)總面積達(dá)63.58萬(wàn)畝，覆蓋垣曲、絳縣、聞喜、夏縣、鹽湖區(qū)5個(gè)農(nóng)業(yè)縣區(qū)。經(jīng)過(guò)前期地質(zhì)環(huán)境條件調(diào)查，隧洞經(jīng)過(guò)斷層F、F和12F，其中F最為活躍，屬中條山山前大斷裂帶，因此選取31F斷層為研究對(duì)象。

2觀測(cè)方法

微地震指的是在外力作用或其他因素的影響下，巖體等介質(zhì)中會(huì)發(fā)生單個(gè)或多個(gè)局域源在一瞬間以彈性波的形式快速釋放能量的過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，微地震源于巖體等介質(zhì)中的裂縫(或斷層等)、巖層界面的破壞、巖體或夾矸的斷裂等。微地震監(jiān)測(cè)方法就是使用微地震數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)儀來(lái)記錄并分析微地震信號(hào)，以此來(lái)推斷和研究震源特征的技術(shù)。在地下隧道開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生巖石破裂和地震活動(dòng)，常常是不可避免的現(xiàn)象。由開(kāi)挖誘發(fā)的地震活動(dòng)，通常定義為，在開(kāi)挖隧道附近的巖體內(nèi)因應(yīng)力場(chǎng)變化導(dǎo)致巖石破壞而引起的某些地震事件。微地震監(jiān)測(cè)正是基于微小破裂輻射出的地震波的技術(shù)手段。利用微地震監(jiān)測(cè)的技術(shù)，可以對(duì)隧道建造過(guò)程中地質(zhì)擾動(dòng)進(jìn)行評(píng)估，如監(jiān)測(cè)開(kāi)挖誘發(fā)的大應(yīng)力集中以及巖體破壞發(fā)展和不穩(wěn)定性的分布和[1-3]演化。F斷層位于下柏范底村附近，屬中條山山前大斷裂帶，斷層帶寬約100m，正斷層。本區(qū)段斷層傾角為60-75°，走向N50-60°E，與隧洞交線成65-75°夾角；此處隧洞沿線地面高程590-630m，洞頂圍巖較厚約120m。斷層附近山體為稷王山，海拔一般在650m以下，丘陵垣地遍布，表面巖石出露，凍融風(fēng)化作用強(qiáng)烈，地表巖石破裂嚴(yán)重，且碎裂巖石體積巨大。本次微震監(jiān)測(cè)的任務(wù)是探索隧洞與斷裂構(gòu)造帶相互影響關(guān)系，所以微地震測(cè)線依據(jù)隧洞埋深情況，采用觀測(cè)半徑R=100m、200m、400m的觀測(cè)系統(tǒng)。臺(tái)陣以隧洞和F斷層交點(diǎn)為中心點(diǎn)，由26臺(tái)儀器組成，除中心點(diǎn)放置一臺(tái)（S0）外，分別在3個(gè)同心圓上分別放置4、9、12臺(tái)觀測(cè)儀。臺(tái)陣中心點(diǎn)到圓周的距離稱為觀測(cè)半徑R。一般來(lái)說(shuō)，探測(cè)深度是觀測(cè)半徑的3-5倍。本次所選觀測(cè)半徑滿足120m（F斷層附近隧洞埋深）探測(cè)深度的要求。通過(guò)微地震軟件模擬，此觀測(cè)系統(tǒng)在水平和深度上都能確保較好的探測(cè)范圍和精度，該區(qū)域內(nèi)最小探測(cè)矩震級(jí)可達(dá)-3.6級(jí)。微地震監(jiān)測(cè)采用美國(guó)iSeis&SeismicSource公司Sigma3型微地震監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率選取200Hz。對(duì)于采集到的連續(xù)微震數(shù)據(jù)，采用如下處理流程：根據(jù)試驗(yàn)段處理結(jié)果指導(dǎo)確定數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)處理各項(xiàng)參數(shù)；數(shù)據(jù)預(yù)處理工作包括原始數(shù)據(jù)查看、噪聲分析、濾波方法選擇、確認(rèn)事件檢測(cè)參數(shù)等工作；數(shù)據(jù)處理包括事件檢測(cè)、事件屬性判斷、到時(shí)拾取、定位等工作。為了更好的利用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、深入分析數(shù)據(jù)特征，尋找開(kāi)挖活動(dòng)擾動(dòng)巖體應(yīng)力變化規(guī)律，本次數(shù)據(jù)處理工作采用雙差定位與成像方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入處理與分析。

3測(cè)試結(jié)果分析

第1次監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)為2019年12月20日至12月26日，作業(yè)面609m；第2次監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)為2020年3月22日至3月28日，作業(yè)面337m。定位的事件主要分布在2個(gè)區(qū)域，區(qū)域一為隧道施工點(diǎn)附近，這與TBM施工進(jìn)入破碎帶，開(kāi)挖擾動(dòng)作業(yè)面附近應(yīng)力集中基本吻合，圍巖在高應(yīng)力狀態(tài)下巖體中應(yīng)力發(fā)生變化，局部巖體強(qiáng)度無(wú)法抵抗外部應(yīng)力從而發(fā)生巖石破裂產(chǎn)生裂隙，發(fā)生微地震事件。區(qū)域二主要分布在F斷層附近。因工作時(shí)間有限，處理的數(shù)據(jù)量不夠多，這些事件分布范圍較為分散，當(dāng)前的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臺(tái)陣布置的局限性也對(duì)這些事件的空間定位結(jié)果誤差控制有一定的影響。在對(duì)微震事件的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，大多數(shù)微震事件的矩震級(jí)在-2.8-0級(jí)之間。通過(guò)對(duì)微地震事件的觀測(cè)和研究結(jié)果，證明了地震領(lǐng)域中的矩震級(jí)-頻度(G-R)關(guān)系式符合這些微震事件規(guī)律，在G-R公式中b值表示大小震級(jí)事件數(shù)的比例關(guān)系。通過(guò)研究微震事件的矩震級(jí)頻度曲線，發(fā)現(xiàn)在最小震級(jí)及最大震級(jí)處均存在取樣偏差的區(qū)域：源于大震級(jí)微地震事件本身發(fā)生的密度及頻度較低，導(dǎo)致了大震級(jí)微地震事件的不完備，故最大震級(jí)處存在取樣偏差；源于微地震監(jiān)測(cè)設(shè)備的靈敏度及小震級(jí)事件自身的特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)到矩震級(jí)≤-1.7級(jí)的小震級(jí)震源大部分位于傳感器周圍，這是因?yàn)榫嚯x傳感器相對(duì)較遠(yuǎn)的小震級(jí)事件在地震波的傳播過(guò)程中衰減或耗散而導(dǎo)致未被設(shè)備監(jiān)測(cè)到，故最小震級(jí)處同樣存在取樣偏差。因此，在求取b值的時(shí)候應(yīng)當(dāng)設(shè)置最大震級(jí)及最小震級(jí)的閾值，一般取震級(jí)累積頻度曲線上偏離線性趨勢(shì)所對(duì)應(yīng)的震級(jí)為最大震級(jí)閾值，取震級(jí)非累積頻度曲線上頻度最高處對(duì)應(yīng)的震級(jí)為最小震級(jí)閾值。當(dāng)最大震級(jí)閾值取值偏大時(shí)，b值也會(huì)增大；當(dāng)最小震級(jí)閾值取值偏小時(shí)，b值也會(huì)減小。若b值小于0.8，則認(rèn)為微震事件矩震級(jí)相對(duì)較大且數(shù)目較多，圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較高，微地震的活動(dòng)與斷層滑動(dòng)或隧道破壞的關(guān)系較大。若b值在1.2-1.5之間，表明監(jiān)測(cè)期間微震活動(dòng)主要由開(kāi)挖卸荷引起，在上述過(guò)程中圍巖的應(yīng)力會(huì)重新分布，從而產(chǎn)生相對(duì)較多的微裂隙，進(jìn)而發(fā)生微震事件，圍巖處于再平衡狀態(tài)，發(fā)生大震級(jí)事件的可能性較小。若b值繼續(xù)增加并保持相對(duì)穩(wěn)定，反映出圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的降低。綜上所述，G-R公式中的b值既可以反映不同微震事件的分布情況，也可以評(píng)價(jià)圍巖失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)水平，這將是反映區(qū)域圍巖整體穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)。

4結(jié)論

1）斷層的傾角及內(nèi)摩擦角、礦層泊松比和邊界應(yīng)力以及彈性模量均是斷層周邊應(yīng)力分布規(guī)律及應(yīng)力大小的重要影響因素。經(jīng)過(guò)微地震結(jié)果計(jì)算，斷層方位為N65-66°E，傾角為68-70°。2）微震參數(shù)可以用來(lái)表示巖體的活動(dòng)性特征，主要包括空間參數(shù)和時(shí)間參數(shù)。空間參數(shù)中有震源的能量密度、平面分布和空間分布等，時(shí)間參數(shù)有密度、振幅、頻率和能量釋放率等。基于微地震事件的空間分布特征能夠用來(lái)圈定斷層的激活范圍，而微地震事件發(fā)生的數(shù)量及大小能[4]夠用來(lái)進(jìn)行斷層激活的時(shí)間傾向性預(yù)警。3）微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，作業(yè)面在兩次監(jiān)測(cè)的微震事件空間分布和發(fā)生頻次并沒(méi)有發(fā)生明顯變化，說(shuō)明斷層活動(dòng)被控制在一個(gè)合理范圍內(nèi)，并沒(méi)有被工程的擾動(dòng)所激活。

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作者:李彥星 劉志鵬 田峰 單位:山西省煤炭地質(zhì)物探測(cè)繪院 山西省水利水電科學(xué)研究院