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摘要：文章以小浪底调水工程所选供水隧洞段为研究对象，了解构造活动和隧洞施工的相对关系。通过对获得的地质资料和微地震事件进行综合分析，评估隧洞施工对不稳定地质体的影响，为隧洞安全施工提供数据支撑。
1引言
小浪底引黄工程位于山西省运城市，属山西大水网“两纵十横”中第九横的大型骨干性引水调水工程，该项目自黄河干流上的小浪底水库向涑水河流域调水。取水口位于垣曲县境内小浪底水库板涧河入黄口上游600m的黄河左岸处，调水工程隧洞穿越了中条山，尾部位于闻喜县境内的吕庄水库，线路全长59.6km。该工程包括引水干线、灌区工程、工业和城镇供水工程3部分。其中引水干线的主要建筑物包括末端出水口、板涧河调蓄水库、地下泵站、输水隧洞、取水口进水塔等；灌区工程包括垣曲灌区、涑水灌区、南垣灌区和吕庄水库灌区，灌区总面积达63.58万亩，覆盖垣曲、绛县、闻喜、夏县、盐湖区5个农业县区。经过前期地质环境条件调查，隧洞经过断层F、F和12F，其中F最为活跃，属中条山山前大断裂带，因此选取31F断层为研究对象。
2观测方法
微地震指的是在外力作用或其他因素的影响下，岩体等介质中会发生单个或多个局域源在一瞬间以弹性波的形式快速释放能量的过程。一般来说，微地震源于岩体等介质中的裂缝(或断层等)、岩层界面的破坏、岩体或夹矸的断裂等。微地震监测方法就是使用微地震数据监测仪来记录并分析微地震信号，以此来推断和研究震源特征的技术。在地下隧道开挖过程中发生岩石破裂和地震活动，常常是不可避免的现象。由开挖诱发的地震活动，通常定义为，在开挖隧道附近的岩体内因应力场变化导致岩石破坏而引起的某些地震事件。微地震监测正是基于微小破裂辐射出的地震波的技术手段。利用微地震监测的技术，可以对隧道建造过程中地质扰动进行评估，如监测开挖诱发的大应力集中以及岩体破坏发展和不稳定性的分布和[1-3]演化。F断层位于下柏范底村附近，属中条山山前大断裂带，断层带宽约100m，正断层。本区段断层倾角为60-75°，走向N50-60°E，与隧洞交线成65-75°夹角；此处隧洞沿线地面高程590-630m，洞顶围岩较厚约120m。断层附近山体为稷王山，海拔一般在650m以下，丘陵垣地遍布，表面岩石出露，冻融风化作用强烈，地表岩石破裂严重，且碎裂岩石体积巨大。本次微震监测的任务是探索隧洞与断裂构造带相互影响关系，所以微地震测线依据隧洞埋深情况，采用观测半径R=100m、200m、400m的观测系统。台阵以隧洞和F断层交点为中心点，由26台仪器组成，除中心点放置一台（S0）外，分别在3个同心圆上分别放置4、9、12台观测仪。台阵中心点到圆周的距离称为观测半径R。一般来说，探测深度是观测半径的3-5倍。本次所选观测半径满足120m（F断层附近隧洞埋深）探测深度的要求。通过微地震软件模拟，此观测系统在水平和深度上都能确保较好的探测范围和精度，该区域内最小探测矩震级可达-3.6级。微地震监测采用美国iSeis&SeismicSource公司Sigma3型微地震监测设备进行数据采集，采样频率选取200Hz。对于采集到的连续微震数据，采用如下处理流程：根据试验段处理结果指导确定数据预处理、数据处理各项参数；数据预处理工作包括原始数据查看、噪声分析、滤波方法选择、确认事件检测参数等工作；数据处理包括事件检测、事件属性判断、到时拾取、定位等工作。为了更好的利用现场数据、深入分析数据特征，寻找开挖活动扰动岩体应力变化规律，本次数据处理工作采用双差定位与成像方法对数据进行深入处理与分析。
3测试结果分析
第1次监测时间点为2019年12月20日至12月26日，作业面609m；第2次监测时间点为2020年3月22日至3月28日，作业面337m。定位的事件主要分布在2个区域，区域一为隧道施工点附近，这与TBM施工进入破碎带，开挖扰动作业面附近应力集中基本吻合，围岩在高应力状态下岩体中应力发生变化，局部岩体强度无法抵抗外部应力从而发生岩石破裂产生裂隙，发生微地震事件。区域二主要分布在F断层附近。因工作时间有限，处理的数据量不够多，这些事件分布范围较为分散，当前的监测系统台阵布置的局限性也对这些事件的空间定位结果误差控制有一定的影响。在对微震事件的监测过程中，大多数微震事件的矩震级在-2.8-0级之间。通过对微地震事件的观测和研究结果，证明了地震领域中的矩震级-频度(G-R)关系式符合这些微震事件规律，在G-R公式中b值表示大小震级事件数的比例关系。通过研究微震事件的矩震级频度曲线，发现在最小震级及最大震级处均存在取样偏差的区域：源于大震级微地震事件本身发生的密度及频度较低，导致了大震级微地震事件的不完备，故最大震级处存在取样偏差；源于微地震监测设备的灵敏度及小震级事件自身的特点，监测到矩震级≤-1.7级的小震级震源大部分位于传感器周围，这是因为距离传感器相对较远的小震级事件在地震波的传播过程中衰减或耗散而导致未被设备监测到，故最小震级处同样存在取样偏差。因此，在求取b值的时候应当设置最大震级及最小震级的阈值，一般取震级累积频度曲线上偏离线性趋势所对应的震级为最大震级阈值，取震级非累积频度曲线上频度最高处对应的震级为最小震级阈值。当最大震级阈值取值偏大时，b值也会增大；当最小震级阈值取值偏小时，b值也会减小。若b值小于0.8，则认为微震事件矩震级相对较大且数目较多，围岩失稳风险较高，微地震的活动与断层滑动或隧道破坏的关系较大。若b值在1.2-1.5之间，表明监测期间微震活动主要由开挖卸荷引起，在上述过程中围岩的应力会重新分布，从而产生相对较多的微裂隙，进而发生微震事件，围岩处于再平衡状态，发生大震级事件的可能性较小。若b值继续增加并保持相对稳定，反映出围岩失稳风险的降低。综上所述，G-R公式中的b值既可以反映不同微震事件的分布情况，也可以评价围岩失稳的风险水平，这将是反映区域围岩整体稳定性的一个重要指标。
4结论
1）断层的倾角及内摩擦角、矿层泊松比和边界应力以及弹性模量均是断层周边应力分布规律及应力大小的重要影响因素。经过微地震结果计算，断层方位为N65-66°E，倾角为68-70°。2）微震参数可以用来表示岩体的活动性特征，主要包括空间参数和时间参数。空间参数中有震源的能量密度、平面分布和空间分布等，时间参数有密度、振幅、频率和能量释放率等。基于微地震事件的空间分布特征能够用来圈定断层的激活范围，而微地震事件发生的数量及大小能[4]够用来进行断层激活的时间倾向性预警。3）微地震监测结果表明，作业面在两次监测的微震事件空间分布和发生频次并没有发生明显变化，说明断层活动被控制在一个合理范围内，并没有被工程的扰动所激活。
参考文献：
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[2]汤志立,刘晓丽,李超毅,等.深埋TBM隧道施工微震监测规律[J].清华大学学报(自然科学版),2018,58(05):461-468.
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[4]金美海.高速铁路隧道穿越富水大断层施工灾害控制研究[D].重庆:重庆交通大学,2007.
作者:李彦星 刘志鹏 田峰 单位:山西省煤炭地质物探测绘院 山西省水利水电科学研究院