基于微震信息的深埋TBM掘进隧洞岩爆定量预警方法

Rockbursts occur frequently in deep TBM tunnels and cause serious casualties and damage which threatens the safety of construction heavily. In situ microseismic (MS) monitoring test in deep TBM tunnels is conducted and a lot of techniques, methods and theories, such as particle swarm optimization global searching, multiple data transformation, clustering analysis, correlation analysis, rock mechanics and seismology, are comprehensively used in the research. Effects of structural plane on rockburst types and rockburst intensity are considered. Precursory law of microseismicity in rockburst development process of different types and intensities in deep TBM tunnel are studied. Quantitative relationships between rockburst of different types and intensities and microseismicity are revealed. Quantitative formula for warning of potential rockburst location and intensity involve multiple MS parameter are established. A MS method for quantitative warning of rockburst in deep TBM tunnel is then developed. Application in typical deep TBM tunnel is used to test and perfect the research in further. The research will provide a more reliable and accurate technical support for the construction safety, potential rockburst circumvention and control in deep TBM tunnel and enrich the technology and theory of disaster warning in deep rock engineering.

深埋TBM掘进隧洞频发的岩爆灾害已造成重大的人员伤亡及经济损失，严重影响工程安全顺利建设。通过深埋TBM掘进隧洞岩爆孕育过程的原位微震监测试验，综合利用粒子群全局搜索及数据多重变换技术、聚类分析及相关性分析方法、岩石力学及地震学理论，同时考虑结构面对岩爆类型的影响及细化岩爆量级，研究深埋TBM掘进隧洞不同类型不同等级岩爆的微震前兆规律，揭示不同类型不同等级岩爆与微震信息的定量关系，建立融合多种微震指标的潜在岩爆区域及等级的定量预警公式，提出基于微震信息的深埋TBM掘进隧洞岩爆潜在区域及等级的定量预警方法，并通过典型深埋TBM掘进洞段试验进行检验和完善。为深埋TBM掘进隧洞工程安全施工、潜在岩爆灾害规避及调控提供精准可靠的技术支撑，丰富深部岩石工程灾害预警技术与理论。

深埋高应力隧道频发的岩爆灾害严重影响工程安全高效建设。本项目依托巴基斯坦NEELUM-JHELUM水电站深埋TBM隧洞，开展岩爆孕育过程的原位微震监测试验，首先揭示了深埋TBM掘进隧洞不同岩性不同等级岩爆孕育过程的微震前兆规律：砂岩岩爆孕育过程微震事件数和微震释放能随时间呈现波动上升、微震视体积随时间呈现显著上升并伴随能量指数和施密特数突降；粉砂岩岩爆孕育过程微震前兆规律更为复杂，微震事件数和微震释放能随时间呈现先显著上升后下降、微震视体积呈现显著上升但并未出现能量指数和施密特数突降的规律。同时，揭示了深埋TBM隧洞不同岩性岩爆孕育过程的岩体破裂机制：张拉、剪切和混合破裂交替发生，对于发生在砂岩和粉砂岩中的岩爆，其孕育过程的岩体破裂类型随时间演化分别可分为两阶段和三阶段。进一步，获取了不同岩性不同等级岩爆孕育过程的多元微震指标定量预警特征值及其规律：同一岩性中多元微震指标定量预警特征值与岩爆等级呈非线性正相关性，不同岩性岩爆的多元微震指标定量预警特征值存在差异。最后，建立了不同岩性不同等级岩爆与多元微震指标的非线性正相关定量关系，提出了基于6微震参量的深埋TBM掘进隧洞潜在岩爆区域与等级定量预警模型，同时形成了预警方法。该方法区分施工方法和岩性，考虑了各类微震指标在岩爆孕育过程中的重要程度，实现了深埋TBM隧洞岩爆定量预警。.项目所取得的方法和认识成功应用于巴基斯坦NEELUM-JHELUM、新疆EH深埋引水隧洞和川藏铁路深埋巴玉隧道，为这些深部工程岩爆针对性防控策略的制定奠定了基础。本项目已发表期刊论文7篇，其中SCI收录5篇、EI收录1篇和中文核心1篇，授权国家发明专利2项、受理2项，获批软件著作权3项，获国家能源行业标准1项、绿色矿山青年科学技术奖1项，协助培养博士2名和硕士1名。研究成果及工程实践助力扭转了深部硬岩灾害被动防控的局面，突破了岩爆灾害难以有效预警预测的传统观念，为助力国家“一带一路”等战略实施提供了有力的科技支撑。