基于微震监测的钻爆法施工隧道围岩稳定性综合判断方法研究.pdf

书书书 工程地质学报 （）曾俊，马春驰，范俊奇，等 基于微震监测的钻爆法施工隧道围岩稳定性综合判断方法研究 工程地质学报，（）：，（）：基于微震监测的钻爆法施工隧道围岩稳定性综合判断方法研究曾俊马春驰范俊奇石晓燕马志国（地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都 ，中国）（军事科学院，国防工程研究院，洛阳 ，中国）（四川川交路桥有限责任公司，广汉 ，中国）摘要为了对深埋钻爆法施工隧道围岩稳定状态或灾害进行综合解译与判断。首先，基于震源参数空间提出了微震事件分类和围岩损伤等级划分方法；其次，构建了多微震参数的时间序列，对比揭示了爆破施工期间围岩稳定、塌方和岩爆 种状态的微震特征；最终，提出了钻爆法施工深埋隧道围岩稳定性的综合判断方法。这套方法适用于深埋隧道爆破施工期间围岩稳定状态、塌方和岩爆灾害的判断，并在此基础上结合地质条件对灾害风险等级进行判定。研究结果表明：钻爆法施工期间围岩稳定、塌方和岩爆 种状态在震源参数空间和微震时间序列趋势中均有独特的特征及规律；围岩稳定阶段仅在爆破后短时间内出现强烈的应力调整；围岩稳定性异常阶段在爆破后微震事件长时间持续活跃且累积能量、累积事件数、累积视体积曲线快速增长，能量指数曲线快速下降。研究结果可为钻爆法施工深埋隧道围岩稳定性判断、灾害预警及防控方案提供重要参考，也可为其他相似的工程提供借鉴。关键词深埋隧道；围岩稳定性；微震监测；震源参数；钻爆法中图分类号：文献标识码：收稿日期：；修回日期：基金项目：军事科学院国防工程研究院协作项目（资助号：），国家自然科学基金项目（资助号：）（）（）第一作者简介：曾俊（），男，硕士生，主要从事隧道与地下工程地质灾害研究 ：通讯作者简介：范俊奇（），男，博士，副研究员，主要从事防护工程、岩土工程加固研究 ：（，）（，）（，），（，），；引言随着西南地区交通网的全面规划，很多重大工程项目正在不断投资和建设，如川藏交通廊道、沿江高速等。由于该地区特殊的地形和地质构造导致了越来越多的隧道工程呈现深埋、长、大的特点，这也导致隧道工程在施工过程中面临高地应力现象，从而引起一系列围岩失稳灾害的发生，如塌方、岩爆、大变形、涌水等，严重威胁着施工人员和设备的安全，造成巨大的经济损失和施工进度延误（陈柯竹等，；周航，；兰恒星等，；王哲威等，）。目前深埋隧道钻爆法施工过程中高地应力调整规律和围岩稳定状态的实时评估成为亟待解决的工程难题。关于隧道施工过程中各类地质灾害的解译、预警，以及围岩稳定性评估，国内外专家学者基于微震监测技术开展了大量的理论研究和工程实践，并取得了很多行之有效的成果。在隧道塌方灾害的解译和预警研究方面，主要是通过微震事件的时空演化规律、震级和视应力分布特征对潜在塌空区进行稳定性判断，然后基于 波 波能量比法或矩张量反演法揭示塌方灾害孕育过程中的微破裂演化机制，并用微震能量、能量指数、累积视体积、施密特数和 值等参数的时间序列规律对围岩的整体稳定性进行评价（张伯虎等，；谭双等，；赵金帅等，）。对于岩爆预测预警研究主要有如下几个方面：从时域和频域的角度分析岩爆灾害的相关微震信号，并提取前兆频谱演化特征作为预警指标；从震源参数（微震能量、视应力、视体积等）的时间序列规律中分析岩爆孕育过程的特征，并总结岩爆灾害前兆震源参数变化趋势作为预警指标；结合微震、地质条件和施工工序等信息开展岩爆灾害的综合预测预警（张文东等，；，；李建高等，；，）。另外，有的学者还同时对比分析塌方与岩爆两种灾害的微震特征。例如，（）利用 震源参数空间方法分析了岩爆和塌方灾害的围岩破坏过程，并区分了两种灾害在发育阶段和发生阶段的微震特征。在隧道围岩稳定性评估方面，一方面是通过微震参数时间序列变化规律来分析围岩的破裂过程和稳定性状态；另一方面是将微震监测与数值模拟相结合来分析和验证围岩破裂过程。例如，（）采用微震监测技术揭示了不稳定区域微震事件的时空分布，建立了事件数、能量与 活动之间的关系，并基于幅频分析、双差层析成像等方法，对隧道围岩稳定性进行了评价。周朝等（）在采用微震监测技术的抽水蓄能电站工程中首次考虑累积微震损伤效应的地下洞室群围岩稳定性分析。徐奴文等（）运用二维颗粒流 软件再现了围岩损伤演化规律，同时对地下厂房围岩微震活动进行了分析。综上所述，众多学者通过微震监测技术对隧道 （）曾俊等：基于微震监测的钻爆法施工隧道围岩稳定性综合判断方法研究高应力灾害（如塌方、岩爆等）的评估与预警研究做了大量工作。在这些研究中，对隧道围岩多种灾害开展综合解译与判断的研究较少。除此之外，深埋高地应力隧道在钻爆施工后常常面临强烈的应力调整活动或频繁出现的大能量微震事件，如何对隧道围岩多种状态（包括稳定与不稳定）开展评估的研究较为缺乏。例如，怎样在强烈应力调整活动中判断围岩仍处于稳定状态，从而避免人员恐慌和过度支护也是一个亟待揭示的工程难题。因此，本文依托世界第三长米仓山高速公路隧道和世界第一埋深大峡谷高速公路隧道，重点研究围岩稳定、塌方和岩爆 种状态的微震特征及判断依据；基于 （）震源参数空间理论和 （）多微震参数的时间序列方法探讨其各自的特征和判断方法，建立基于微震监测的钻爆法施工隧道围岩稳定性综合判断方法，以期实现钻爆法施工高应力隧道围岩状态及灾害的全面和动态评估，服务于类似工程项目的安全及高效施工。理论方法 微震监测和微震参数由于隧道爆破开挖后应力重分布作用，在应力调整期间岩体内部会产生微破裂，从而产生一种弹性波，并快速向四周岩体传播，这种现象在地质上称为微震。微震监测技术主要对岩体变形、破坏过程中所释放的弹性波进行采集，在分析和识别后，对产生弹性波的位置进行三维定位，从而给出微震活动性的强弱和频率；通过微震监测获得的微破裂分布位置、发生时间，判断潜在动力灾害活动规律以及围岩的稳定状态（张航，）。因此，通过微震监测和识别微震活动可以动态监控隧道施工开挖后围岩的稳定状态。微震参数由地震学理论发展而来，可以表征岩体微破裂的各类力学信息，如能量释放（微震能量、能量指数 ）、地震非弹性变形（地震矩、视体积）、应力调整（视应力 、应力降 ）、破裂驱动力、微震活动性 等如表 所示。震源参数空间（）震源参数空间概念在基于 评价指标的震源参数空间概念中，代表地震能量（），代表地震矩（），代表视应力（），指标的表达式及含义参见表 。评价指标可用于描述微震事件在 二维空间中的分布（图 ）。在震源参数空间中，横坐标代表对数地震矩，纵坐标代表对数地震能量，微震事件围绕在视应力为某一常量的斜线附近，三者的关系满足 （马春驰等，）。微震事件分类和围岩损伤等级划分通过引入 评价指标的阈值（），可划分微震事件在震源参数空间中的位置，但是由于岩性、围岩级别和地应力等的差异，很难建立一个统一的阈值。然而，隧道爆破施工期间的围岩状态往往都是由某一段围岩的地质条件决定，因此不同区段的各指标阈值只与各区段的微震事件有关。如图 所示，在引入 个阈值后将震源参数空间划分为 个部分，并根据前述的 个评价指标的力学含义，可将震源参数空间分布中的微震事件分为 类，各指标阈值可通过计算相应级配曲线，取 处的值确定（，）。级配曲线的横坐标代表微震事件的能量量级、矩震级量级、视应力量级，纵坐标为小于（或大于）某量级的微震事件比重（累积百分比）（，）。由于在地下隧洞开挖过程中原岩处于三向应力平衡状态，经开挖扰动后其径向应力的一侧突然为零，原有的应力平衡被打破，围岩体内开始应力调整，导致局部应力高度集中（能量累积阶段）；当应力值超过岩体强度极限后岩体破裂，部分应力转移到周围岩体中，且随着岩体起裂要求的增加、破裂所需的应力越大（能量转移阶段）；若岩体的应力状态还未平衡，则继续在周围一定区域内重复能量累积和能量转移的过程，当岩体内部破裂贯通后围岩失稳（围岩失稳成灾阶段）（，）。由此可知，在高地应力条件下围岩失稳成灾的影响因素中能量变化为主导因素，其次是区域变形量的大小，最后是岩体本身的起裂要求。一次微震事件对应岩体的一次微破裂（即一次损伤），而微震能量、地震矩和视应力值可以表征微破裂的能量释放、应变、应力特征，则不同微震事件对应岩体的微破裂特征不同（即岩体的损伤不同）。故根据围岩失稳成灾的影响因素和 震源空间分布特征将单次微震事件对围岩体的损伤从低到高分为 个等级（），如表 所示。由此可以根据某次微震事件在震源参数空间中的位置判断其对围岩的损伤等级，以便更好地判断施工扰动后围岩应 工程地质学报 表 相关微震参数的含义及作用（，；马春驰，；马春驰等，；，；，；，）微震参数名称表达式注释作用地震矩 （）或 （、）（）地震矩 亦称“震源矩”，即与引起地震发生的震源断层位错等效的点源力矩（）。式（）（）中，为断层物质的刚性系数，为震源非弹性变形的岩体体积，为低频幅值，为 波的速度，为介质密度，为传感器到震源的距离，辐射方向性因子，自由表面反射系数，场地校正系数地震矩可以评估震源变形程度，随着变形量的增大，岩体从无变形损伤到变形损伤、最后大量的应变能甚至可以转移到周围的岩体中微震能量 （）（）微震能量 为岩体破裂释放的弹性应变能（）。式（）中，为岩石密度，为微震波速度，为监测点到震源的距离，为地震波信号的时间跨度，为接收端地震波的位移函数即速度脉冲时间函数微震能量可以评估震源能量释放程度，随着指标量值的增大，监测现场可感受到从轻微到强烈的震感视应力 （）视应力 表示应力释放水平（）。式（）中，为剪切模量，为微震能量，为地震矩视应力评估了岩体应力调整的程度或岩体起裂要求。较大的视应力代表了更高的岩体起裂要求微震事件数 微震事件数 表示岩体微破裂并产生弹性波的次数微震事件数直接对应着岩体的破裂程度。事件数越多，破裂程度越严重，对应区域的岩体强度弱化程度越严重视体积 （）视体积 表示微震震源非弹性变形区岩体的体积（）。式（）中，为剪切模量，为微震能量，为地震矩，为视应力视体积评估了震源岩体非弹性变形程度。通常视体积出现快速增长趋势时，围岩出现较大变形能量指数 珔 （）能量指数 为瞬时能量与平均能量之比。式（）中，为微震能量，为地震矩，、是通过 和 拟合出的直线斜率、截距能量指数评估了区域围岩的应力水平。通常能量指数增大表明震源应力水平升高，减小表明震源应力水平在降低图 微震事件在震源参数空间中的分布 力调整程度与稳定状态。微震活跃度和微震参数时间序列（）通常在深埋隧道爆破施工后围岩强应力调整期间，微震事件活跃规律可以最快、最直观地表现出围岩体的破裂情况。本研究统计了米仓山隧道和大峡谷隧道爆破后每隔 内微震事件的出现次数，如图 所示。可以发现爆破后微震事件数大致分图 震源参数空间分布 （）曾俊等：基于微震监测的钻爆法施工隧道围岩稳定性综合判断方法研究表 微震事件震源参数空间特征 损伤等级震源参数空间区域 特征类型可能致灾类型能量演化过程对围岩的损伤 能量低于阈值 地震矩低于阈值 视应力低于阈值 低能量小变形、低起裂要求型能量累积阶段低损伤 能量低于阈值 地震矩低于阈值 视应力高于阈值 低能量小变形、高起裂要求型能量累积阶段低损伤 能量低于阈值 地震矩高于阈值 视应力低于阈值 大变形主导、低起裂要求型变形驱动损伤能量转移阶段中等损伤 能量高于阈值 地震矩低于阈值 视应力高于阈值 高能量主导、高起裂要求型能量诱发崩落、岩体断裂失稳成灾阶段中等损伤 能量高于阈值 地震矩高于阈值 视应力低于阈值 大变形高能量共同主导、低起裂要求型变形驱动损伤、能量诱发崩落失稳成灾阶段高损伤 能量高于阈值 地震矩高于阈值 视应力高于阈值 高能量大变形共同主导、高起裂要求型能量诱发崩落、岩体断裂失稳成灾阶段高损伤图 爆破施工后 内微震事件数统计 为两种情况：情况一表现为爆破后 内微震事件很活跃，内只有少数事件发生，内仅有几个或者没有事件发生，内基本无事件发生，对应的施工现场围岩无异常发生；情况二表现为爆破后 内微震事件均很活跃之外，其他时间里事件也很活跃，施工现场有岩爆、塌方、大变形等灾害的发生。因此，在深埋隧道钻爆法施工中可以通过爆破后微震事件活跃情况以及出现的区域初步分析判别围岩的稳定情况。当爆破后约 内集中出现微震事件后就只有零星几个（或没有）事件出现，则建议爆破后观察半小时左右再施工，在非爆破时间出现灾害的风险较小，围岩的短时间内局部稳定性较好；当爆破后微震事件一直很活跃，则围岩稳定性处于异常状态，需要进一步分析判断。研究发现在一次围岩失稳成灾过程中往往伴随着某段围岩区域的某个时间段内的多次微震事件发生，则微震参数在时间序列上的规律可以表征围岩失稳成灾过程的孕育特征。因此在研究中 工程地质学报 基于微地震的能量释放 （），微震事件的数量 （），视体积（）和能量指数 （）建立了 多微震参数时间序列（参数的详细释义见表 ），用于分析围岩体在一段时间内的应力调整情况和围岩体的变形情况。典型围岩状态微震特征分析 工程概况与微震监测方案巴陕高速公路米仓山隧道全长 ，为国内第二、世界第三的公路隧道，设计宽度为 ，隧址区穿越的地层主要有第四系松散堆积层、寒武系下统石牌组粉砂岩、泥质砂岩夹砂质页岩、震旦系上统灯影组白云岩、晋宁期岩浆侵入岩图 微震监测系统与传感器分布 （主要为石英闪长岩、闪长岩及花岗岩）。监测区围岩埋深为 ，围岩等级为 级，主要为石英闪长岩、变质辉长岩和花岗质碎粒岩，最大水平主应力为 ，与洞轴线夹角约 ，属于高地应力的范畴；该区域地下水不发育，局部以点滴、浸润状 为 主。峨 汉 高 速 公 路 大 峡 谷 隧 道 全 程 约 ，最大埋深达到 ，是目前“世界第一埋深”公路隧道，设计宽度为 ，隧址区地层岩性为第四系全新统坡洪积层（）、第四系全新统崩坡积层（）、震旦系上统灯影组（）、震旦系上统观音崖组（）等。隧道洞身段主要岩性以白云岩、灰质白云岩、灰 灰白色石英砂岩、灰岩夹页岩、含砾砂岩、灰绿色蚀变流纹岩为主，夹杂 页 岩、泥 岩。隧 道 的 最 大 主 应 力 大 小 为 、且与隧道轴线夹角大致为 ，属于高、极高应力地应力水平。隧址区地下水类型主要为松散岩类孔隙水、岩溶水和基岩裂隙水 大类。本研究采用加拿大 微震监测设备，针对大峡谷隧道建立了一套实时微震监测系统。为了尽可能的实现传感器对掌子面进行“包围”监测，将 个传感器布置于两个断面上，每个断面布置 个传感器，分别位于两侧边墙与拱顶，第 个断面距离掌子面约为 ，第 个断面距离第 个断面 ，断面随着掌子面的施工向前推进（图 ）。围岩稳定段微震特征分析在米仓山隧道和大峡谷隧道爆破施工后常监测到大量微震事件，围岩应力调整明显，但多数时候初期支护和围岩并没有出现明显的异常情况，还处于稳定的状态。因此，本研究通过 震源参数空间和 微震参数时间序列来分析爆破施工期间围岩稳定段的微震特征。围岩稳定段的 分析本研究将 月 日 月 日施工期间的微震事件按照 节中的方法绘制了震源参数空间分布图，期间共有 次爆破。在钻爆法施工过程中爆破对围岩有非常强烈的扰动，因此在分析施工期 （）曾俊等：基于微震监测的钻爆法施工隧道围岩稳定性综合判断方法研究图 “”微震事件的震源参数空间分布规律（次爆破）“”（）间围岩稳定段微震特征时将爆破时间作为了一个重要的因素。从图 中可以看出在此期间微震事件主要在爆破后约 内出现，且位于 、区域的大变形高能量微震事件数量最多，对应的事件损伤等级为 级；其余时间内只有很少的微震事件，主要是集中在 、区域的小变形低能量事件，对应的损害等级为、级。这表明爆破施工后约 内，由于爆破波的影响围岩体内出现短时间的强应力调整，从而有显著的大能量释放和变形；其他时间段的微震事件则主要由清危、出渣等施工活动引发，经现场勘查初期支护和围岩并无明显异常情况发生。因此，结合图 爆破后微震事件活跃情况一的特征可以发现这只是爆破后短时间强应力调整，围岩整体还处于稳定状态，施工现场无需恐慌和过度支护。围岩稳定段的 分析图 显示了 月 日 月 日期间的微震参数（）时间序列规律。可以看出在每次爆破后累积能量和累积事件数曲线都会快速增加且短时间后变成平缓状态，本研究将此现象称为累积能量、累积事件数曲线阶梯现象（简称 、曲线阶梯现象），如图 所示。表明爆破后的强应力调整，岩体内产生了很多微破裂并释放了大量能量；其他时间段少有能量释放。另外，从图 中可以看出每两次爆破间能量指数曲线都会先快速下降、一段时间后又快速上升，且在其他时间段无明显下降趋势（简称 曲线“”形现象）；对应的累积视体积曲线在爆破后快速增加、短时间后又变成平缓状态，本研究将此现象称为累积视体积曲线阶梯现象（简称 曲线阶梯现象）。表明爆破后围岩应力调整显著，但是围岩微破裂产生的裂缝并没有继续扩展。图 “”期间的震源参数（）时间序列规律 （）“”时间序列；时间序列说明围岩只是爆破后短时间的强应力调整，围岩整体处于稳定状态，与该阶段微震事件的震源参数空间分布特征结论相符。综上所述，将深埋隧道钻爆法施工过程中微震参数（）时间序列特征出现、曲线阶梯现象、曲线连续“”形现象称为爆破后围岩整体还处于稳定状态的典型特征。塌方在高地应力条件下施工期间发生多次塌方灾害，例如图 所示的“”塌方，发生于掌子面左侧拱肩位置，其堆积物破裂面不均匀，不存在控制面或宏观结构面，通常在满足一定条件后由重力驱动产生垮塌，其堆积物通常由大小块体和碎片混合组成。由于受塌方影响的岩体范围通常约为 ，因此属于围岩稳定较差状态，但是初支结构中不会出现大范围的裂缝。高地应力条件下的塌方灾害往往有一定的孕育过程，因此本研究根据累积视体积曲线的增长变化特征将塌方灾害分为早期发展、后期发展、发生期 个阶段。塌方的 分析如图 所示，塌方灾害的微震事件主要集中在视应力阈值线下方的低起裂要求事件，说明塌方区域的围岩体强度低易起裂。早期发展阶段的微震事件数占比最少，主要为小变形低能量、低起裂要求事 工程地质学报 图 塌方现场照片 图 “”塌方震源参数空间分布规律（次爆破）“”（）件；后期发展阶段的微震事件数最多，主要集中分布于 、区域，为低能量小变形、级损伤事件和大变形高能量级损伤事件；发生期的微震事件数占比居中，主要集中于 区域的高能量大变形级损伤事件。表明由高地应力引起的塌方灾害是初始完整性较好岩体由于爆破后强应力调整而出现裂纹，随着施工扰动裂纹继续扩展衍生，最后在多次大能量大变形微震事件发生的情况下，围岩体内的裂缝快速发展、达到其极限强度后发生的垮塌。可以总结出高地应力引起塌方灾害的微震特征为前期主要是小变形低能量、低起裂要求事件，后期较大变形主导、低起裂要求的、级事件数量占的比重最大，之后开始大量出现以大变形主导、低起裂要求的级损伤事件。塌方的 分析高地应力塌方发生前围岩体内部往往有一定时间的应力、变形发育过程。因此相关微震事件的震源参数时间序列往往有明显的前兆特征。图 塌方 时间序列规律 “”塌方 时间序列；“”塌方 时间序列图 揭示了“”塌方的微震参数（）时间序列规律。如图 所示 内共有 次爆破施工，在前期发展阶段 曲线和 曲线相对处于平缓状态，后期发展阶段 曲线缓慢增长、曲线快速增长；发生期阶段 曲线和 曲线均快速增长，塌方发生前 曲线有明显突增现象。这表明，在发展前期爆破后只有少数低能量事件发生，围岩体内的损伤小；发展后期有较多低能量微震事件，此时虽然事件释放的能量不大，但是围岩体内破裂次数增多；最后大量的大能量事件发生使得岩体内的裂缝开始快速扩展、并贯通发生垮塌。另一方面，从图 中可以发现在前期发展阶段 曲线起伏较大、但 曲线整体处于缓慢增长状态，仅在爆破后有一次突增；后期发展阶段 曲线快速下降到较低水平并且短时间保持在低值状态、曲线快速增长，说明围岩体在短时间内出现大量裂缝并贯通后失稳成灾。综上可以总结出 、曲线由缓慢增长到快速增长，曲线快速增长伴随着 曲线快速下降到较低水平并短时间内保持在低值状态为深埋隧道钻爆法施工塌方灾害前兆信息。岩爆施工期间在高地应力段发生了多次岩爆，且岩爆灾害发生前通常伴随着雷鸣般的轰轰声和噼啪破 （）曾俊等：基于微震监测的钻爆法施工隧道围岩稳定性综合判断方法研究图 岩爆灾害现场照片 裂声，岩爆区常处于侧壁或隧道顶拱附近，爆坑受单个断裂面控制、如楔形或穹顶状，爆落体一般为分类明显的大小碎块（图 ）。由于受岩爆影响的岩体范围通常约为 ，初支结构有时也会出现大范围的破坏，属于围岩稳定性极差状态。大量研究表明，通过分析微震事件的各种特征可以揭示岩爆孕育过程中围岩体的内在演化规律。岩爆的孕育和发生往往只与相关区域内的地质条件有关，故以区域内出现第 个微震事件作为时间序列分析的起点。因此本研究选取了“”岩爆的相关微震事件，并根据累积视体积曲线的增长变化特征将岩爆灾害分为早期发展、后期发展、发生期 个阶段。岩爆的 分析为了探究岩爆灾害相关微震事件的类型和损伤等级分布特征，绘制了如图 所示的“”岩爆震源参数空间分布规律。对比发现，早期发展阶段的微震事件数量占的比例最大，且主要集中于 区域的低损伤事件和 区域的高损伤事件，表明爆破扰动后围岩体内的破坏主要由低能量小变形裂纹和高能量大变形裂纹导致。后期发展阶段的微震事件数量占的比例次之，且分布趋势与早期发展阶段相似，表明围岩体内裂纹正在持续产生或扩展。发生期微震事件数量占的比例与后期发展阶段相近，但只有少数高损伤事件出现，大量事件分布在 区域，这说明围岩体在裂缝扩展到一定程度后由少量大能量大变形事件诱发爆出，同时岩体爆出导致周围强度较高的岩体中也产生微裂纹。综上所述，可以得出岩爆前期发展和后期发展阶段的微震事件数占的比例最大，主要由 、区域的、级微震事件控制；因此可以将大量出现 、区域的、级微震事件作为岩爆发生的前兆信息。图 岩爆震源参数空间分布规律（次爆破）（）图 岩爆 时间序列规律 “”岩爆 时间序列规律；“”岩爆 时间序列规律 岩爆的 分析从图 可以发现，岩爆的 曲线和 曲线在早期发展阶段均先缓慢增长、再快速增长、最后缓慢增长，后期发展阶段呈快速增长或突增状态，发生期先快速增长后缓慢增长。从图 可以发现，岩爆发生前均有 曲线快速增加（甚至是突增），曲线整体快速下降并长时间保持低水平状态的现象。表明早期发展阶段围岩区域在施工的扰动后，大量的微震事件导致围岩局部产生大量裂纹；后期发展阶段继续出现高能量大变形的微震事件，导致围岩 工程地质学报 体内出现大量大变形裂缝且应力水平持续降低；最终由少量高能量大变形事件导致岩体内裂缝相互贯通而爆出，与岩爆相关的微震事件震源参数空间规律相符。综上所述，可以总结出 、曲线由缓慢增长到快速增长（或突增），曲线整体快速下降并长时间保持低水平状态、伴随着 曲线先快速增长后突增的现象为深埋隧道钻爆法施工岩爆灾害前兆信息。表 典型围岩状态特征对比 典型围岩状态微震事件特征微震参数时间序列特征现场围岩特征爆破后围岩稳定集中于爆破后约 内出现的 、区域的高损伤事件；其余时间内仅有少数几个在 、区域的低损伤事件微震能量、事件数、视体积的累积曲线呈阶梯现象；每两次爆破间的能量指数曲线呈连续“”形现象除爆破影响区域外的围岩整体稳定塌方主要集中于视应力阈值线以下的 、区域的低起裂要求事件；发生期微震事件数占的比例最大微震能量和事件数的累积曲线由缓慢增长到快速增长（或突增）；累积视体积曲线快速增长伴随着能量指数曲线整体快速下降并短时间内保持低水平状态的现象现场围岩垮塌严重（垮塌体体量可达数十个立方），初支无明显裂缝，围岩不稳定岩爆主要集中于 、区域的、级微震事件；早期发展和后期发展阶段微震事件数占的比例最大微震能量和事件数的累积曲线由缓慢增长到快速增长（或突增）；能量指数曲线整体快速下降并长时间保持低水平状态同时伴随着累积视体积的快速增长现场围岩爆出体量大，初支裂缝明显、顶拱偶有塌坑，围岩极不稳定 对比分析针对米仓山隧道和大峡谷隧道的案例，总结了爆破施工期间围岩稳定、塌方和岩爆三者的特征（表 ）。围岩稳定性判断方法在深埋隧道钻爆法施工过程中围岩稳定性呈现出多种状态，如爆破后的稳定状态、塌方期间的不稳定状态、岩爆期间的极不稳定状态，且各状态的微震事件都有其独特的特征。因此，在正常施工过程中首先根据爆破施工后 内微震活跃情况对围岩稳定性进行短时初步判断：若爆破后微震事件活跃时间短（约为 以内）且多为低损伤等级事件，、曲线呈阶梯现象、曲线呈连续“”型现象则判定为短时间内围岩稳定性好；若爆破后微震事件活跃时间长（约为 以上）且多为中、高损伤等级事件，则判定为围岩稳定性异常。然后通过微震事 件 震 源 参 数 空 间 分 布 和 微 震 参 数（）时间序列综合判断方法对异常区段的稳定性进行长时深度分析评估：）大量集中出现、级损伤事件，、曲线由缓慢增长到快速增长（或突增），曲线快速增长伴随着 曲线短时间内快速下降的现象，则判定为变形型破裂，围岩不稳定，注意塌方灾害发生；）大量集中出现、级损伤事件，、曲线由缓慢增长到快速增长（或突增），曲线长时间下降伴随着 曲线先快速增长后突增的现象，则判定为能量变形型破裂，围岩极不稳定，注意岩爆灾害发生。具体的围岩稳定性判断流程如图 所示。工程应用在峨汉高速公路大峡谷隧道右线 段 年 月 日到 日微震监测期间，共监测到 次微震事件，具体的发生位置分布如表 所示，可以发现掌子面左侧和中心位置微震事件异常活跃。根据 判断方法发现微震事件大量集中于视应力阈值线下方，为变形主导、低起裂要求的、级事件，这与上述判别方法中围岩为变形型破裂、不稳定结论的特征相符（图 ）。另外在前期发展阶段 曲线和 曲线处于平缓状态，后期发展阶段 曲线缓慢增长、曲线快速增长；发生期阶段 曲线较快增长、曲线在第 （月 日）和第 （月 日）处发生异常突增（图 ）。同样，在第 处（月 日）曲线出现异常突增，曲线在短时间内快速下降；第 （月 日）处 曲线快速增长，曲线短时间快速下降的程度很大（图 ）。该现象表明围岩处于不稳定状态，施工现场应注意掌子面左侧和中心位置易发生塌方灾害。在第 掌子面左侧发生约 垮塌 （）曾俊等：基于微震监测的钻爆法施工隧道围岩稳定性综合判断方法研究图 深埋钻爆法施工隧道围岩稳定性综合判断流程 表 微震事件发生位置分布 日期掌子面左侧事件 次顶拱事件数 次掌子面右侧事件数 次掌子面中心事件数 次 图 “”震源参数空间分布 （）“”（图 ），第 掌子面中心偏左侧发生约 垮塌、约 岩体被震松，且现场听见岩石破裂的轰鸣声，表明这两次高地应力塌方主要由大能量事件图 “”时间序列 “”时间序列；时间序列发生使得岩体内的裂缝开始快速扩展、并贯通导致。综上所述，可以得出 方法可以及时准确地判断围岩稳定状态和可能发生灾害的类型。工程地质学报 图 “”塌方现场照片 “”结论本研究成果是基于巴陕高速公路米仓山隧道和峨汉高速公路大峡谷隧道微震监测结果所得。针对深埋隧道钻爆法施工中围岩多种灾害综合解译与判断，以及怎样在强烈应力调整活动中判断围岩仍处于稳定状态等问题，基于 震源参数空间分布理论和 多微震参数时间序列理论对钻爆法施工隧道围岩稳定性综合判断方法进行了研究，并结合工程实践获得了如下结论：（）基于 震源参数空间理论将微震事件分为 种类型，单次微震事件对围岩体的损伤从低到高可以分为 个等级（）。（）深埋隧道钻爆法施工过程中围岩稳定阶段一般只在爆破后短时间内（约为 ）出现高损伤微震事件，累积能量、累积事件数、累积视体积曲线随施工爆破呈阶梯现象、能量指数曲线呈连续“”形现象。（）围岩稳定性异常阶段往往在爆破后微震事件长时间持续活跃且微震参数时间序列曲线有明显的异常变化。塌方阶段微震事件较大比例出现在视应力阈值线以下的区域，累积能量、累积事件数和累积视体积曲线出现快速增长（或突增），能量指数曲线快速下降并短时间停留在低值状态；岩爆阶段微震事件主要集中出现在低能量小变形高起裂要求区域和高能量大变形低起裂要求区域，累积能量、累积事件数和累积视体积曲线出现快速增长（或突增），能量指数曲线整体快速下降到低值状态并长时间保持。（）该方法在峨汉高速公路后续施工中得到了非常有效的应用，可为类似深埋隧道钻爆法施工工程的围岩稳定性分析提供重要参考。但为了能进一步指导施工，及时给出灾害风险等级就非常有必要。在后续的研究中，我们将在本研究数据基础上，继续收集数据扩充案例库，从统计和机器学习的角度将围岩稳定性判断方法与现场地质条件（围岩等级、岩性、节理特征和地下水特征等）相结合建立灾害风险等级评估模型。参考文献 ，（）：，：，（）：，：，（）：，：，：，（）：，：，：，：，（）：，：（）曾俊等：基于微震监测的钻爆法施工隧道围岩稳定性综合判断方法研究 ，（）：，（）：，（），（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：陈柯竹，李天斌，马春驰，等 基于 的隧道卸压爆破及岩爆抑制效应模拟 工程地质学报，（）：兰恒星，张宁，李郎平，等 川藏铁路可研阶段重大工程地质风险分析 工程地质学报，（）：李建高，唐泽林 深埋隧道岩爆特征分析与综合防治技术：以成兰铁路平安隧道为例 隧道建设（中英文），（）：马春驰，李天斌，张航，等 基于 微震参数的岩爆预警方法及探讨 岩土力学，（）：马春驰 深埋隧道围岩脆性破裂的微震监测及岩爆解译与预警研究 成都：成都理工大学谭双，李邵军，王雪亮，等 深埋引水隧洞塌方孕育过程微震规律研究：以 工程为例 岩石力学与工程学报，（）：王哲威，徐正宣，冯涛，等 川藏铁路鲜水河构造带地质选线研究 工程地质学报，（）：徐奴文，李韬，戴峰，等 基于离散元模拟和微震监测的地下厂房围岩稳定性研究 四川大学学报（工程科学版），（）：张航 紫荆隧道微震监测系统的构建及围岩微震特性初步分析 成都：成都理工大学张伯虎，邓建辉，高明忠，等 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