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摘要：文章以小浪底調水工程所選供水隧洞段為研究對象，了解構造活動和隧洞施工的相對關系。通過對獲得的地質資料和微地震事件進行綜合分析，評估隧洞施工對不穩定地質體的影響，為隧洞安全施工提供數據支撐。
1引言
小浪底引黃工程位于山西省運城市，屬山西大水網“兩縱十橫”中第九橫的大型骨干性引水調水工程，該項目自黃河干流上的小浪底水庫向涑水河流域調水。取水口位于垣曲縣境內小浪底水庫板澗河入黃口上游600m的黃河左岸處，調水工程隧洞穿越了中條山，尾部位于聞喜縣境內的呂莊水庫，線路全長59.6km。該工程包括引水干線、灌區工程、工業和城鎮供水工程3部分。其中引水干線的主要建筑物包括末端出水口、板澗河調蓄水庫、地下泵站、輸水隧洞、取水口進水塔等；灌區工程包括垣曲灌區、涑水灌區、南垣灌區和呂莊水庫灌區，灌區總面積達63.58萬畝，覆蓋垣曲、絳縣、聞喜、夏縣、鹽湖區5個農業縣區。經過前期地質環境條件調查，隧洞經過斷層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斷層為研究對象。
2觀測方法
微地震指的是在外力作用或其他因素的影響下，巖體等介質中會發生單個或多個局域源在一瞬間以彈性波的形式快速釋放能量的過程。一般來說，微地震源于巖體等介質中的裂縫(或斷層等)、巖層界面的破壞、巖體或夾矸的斷裂等。微地震監測方法就是使用微地震數據監測儀來記錄并分析微地震信號，以此來推斷和研究震源特征的技術。在地下隧道開挖過程中發生巖石破裂和地震活動，常常是不可避免的現象。由開挖誘發的地震活動，通常定義為，在開挖隧道附近的巖體內因應力場變化導致巖石破壞而引起的某些地震事件。微地震監測正是基于微小破裂輻射出的地震波的技術手段。利用微地震監測的技術，可以對隧道建造過程中地質擾動進行評估，如監測開挖誘發的大應力集中以及巖體破壞發展和不穩定性的分布和[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，凍融風化作用強烈，地表巖石破裂嚴重，且碎裂巖石體積巨大。本次微震監測的任務是探索隧洞與斷裂構造帶相互影響關系，所以微地震測線依據隧洞埋深情況，采用觀測半徑R=100m、200m、400m的觀測系統。臺陣以隧洞和F斷層交點為中心點，由26臺儀器組成，除中心點放置一臺（S0）外，分別在3個同心圓上分別放置4、9、12臺觀測儀。臺陣中心點到圓周的距離稱為觀測半徑R。一般來說，探測深度是觀測半徑的3-5倍。本次所選觀測半徑滿足120m（F斷層附近隧洞埋深）探測深度的要求。通過微地震軟件模擬，此觀測系統在水平和深度上都能確保較好的探測范圍和精度，該區域內最小探測矩震級可達-3.6級。微地震監測采用美國iSeis&SeismicSource公司Sigma3型微地震監測設備進行數據采集，采樣頻率選取200Hz。對于采集到的連續微震數據，采用如下處理流程：根據試驗段處理結果指導確定數據預處理、數據處理各項參數；數據預處理工作包括原始數據查看、噪聲分析、濾波方法選擇、確認事件檢測參數等工作；數據處理包括事件檢測、事件屬性判斷、到時拾取、定位等工作。為了更好的利用現場數據、深入分析數據特征，尋找開挖活動擾動巖體應力變化規律，本次數據處理工作采用雙差定位與成像方法對數據進行深入處理與分析。
3測試結果分析
第1次監測時間點為2019年12月20日至12月26日，作業面609m；第2次監測時間點為2020年3月22日至3月28日，作業面337m。定位的事件主要分布在2個區域，區域一為隧道施工點附近，這與TBM施工進入破碎帶，開挖擾動作業面附近應力集中基本吻合，圍巖在高應力狀態下巖體中應力發生變化，局部巖體強度無法抵抗外部應力從而發生巖石破裂產生裂隙，發生微地震事件。區域二主要分布在F斷層附近。因工作時間有限，處理的數據量不夠多，這些事件分布范圍較為分散，當前的監測系統臺陣布置的局限性也對這些事件的空間定位結果誤差控制有一定的影響。在對微震事件的監測過程中，大多數微震事件的矩震級在-2.8-0級之間。通過對微地震事件的觀測和研究結果，證明了地震領域中的矩震級-頻度(G-R)關系式符合這些微震事件規律，在G-R公式中b值表示大小震級事件數的比例關系。通過研究微震事件的矩震級頻度曲線，發現在最小震級及最大震級處均存在取樣偏差的區域：源于大震級微地震事件本身發生的密度及頻度較低，導致了大震級微地震事件的不完備，故最大震級處存在取樣偏差；源于微地震監測設備的靈敏度及小震級事件自身的特點，監測到矩震級≤-1.7級的小震級震源大部分位于傳感器周圍，這是因為距離傳感器相對較遠的小震級事件在地震波的傳播過程中衰減或耗散而導致未被設備監測到，故最小震級處同樣存在取樣偏差。因此，在求取b值的時候應當設置最大震級及最小震級的閾值，一般取震級累積頻度曲線上偏離線性趨勢所對應的震級為最大震級閾值，取震級非累積頻度曲線上頻度最高處對應的震級為最小震級閾值。當最大震級閾值取值偏大時，b值也會增大；當最小震級閾值取值偏小時，b值也會減小。若b值小于0.8，則認為微震事件矩震級相對較大且數目較多，圍巖失穩風險較高，微地震的活動與斷層滑動或隧道破壞的關系較大。若b值在1.2-1.5之間，表明監測期間微震活動主要由開挖卸荷引起，在上述過程中圍巖的應力會重新分布，從而產生相對較多的微裂隙，進而發生微震事件，圍巖處于再平衡狀態，發生大震級事件的可能性較小。若b值繼續增加并保持相對穩定，反映出圍巖失穩風險的降低。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，也可以評價圍巖失穩的風險水平，這將是反映區域圍巖整體穩定性的一個重要指標。
4結論
1）斷層的傾角及內摩擦角、礦層泊松比和邊界應力以及彈性模量均是斷層周邊應力分布規律及應力大小的重要影響因素。經過微地震結果計算，斷層方位為N65-66°E，傾角為68-70°。2）微震參數可以用來表示巖體的活動性特征，主要包括空間參數和時間參數?？臻g參數中有震源的能量密度、平面分布和空間分布等，時間參數有密度、振幅、頻率和能量釋放率等?；谖⒌卣鹗录目臻g分布特征能夠用來圈定斷層的激活范圍，而微地震事件發生的數量及大小能[4]夠用來進行斷層激活的時間傾向性預警。3）微地震監測結果表明，作業面在兩次監測的微震事件空間分布和發生頻次并沒有發生明顯變化，說明斷層活動被控制在一個合理范圍內，并沒有被工程的擾動所激活。
參考文獻：
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作者:李彥星 劉志鵬 田峰 單位:山西省煤炭地質物探測繪院 山西省水利水電科學研究院