馮樹榮，蔣中明，趙海斌

復雜地質(zhì)條件下洞室圍巖初始地應力場研究

馮樹榮1，蔣中明2，趙海斌1

（1.中國水電顧問集團中南勘測設計研究院，長沙 410014；2.長沙理工大學水利工程學院，長沙 410004）

初始地應力場的確定是地下洞室穩(wěn)定性評價的基礎。在對現(xiàn)場實測地應力資料分析的基礎上，研究了斷層等地質(zhì)構造對初始地應力場分布的影響機理，指出巖體變形模量比是影響應力的關鍵因素之一。研究了能反映斷層引起應力釋放效應的初始地應力場反演分析的變剛度方法?？紤]與不考慮斷層影響情況下的某工程初始地應力場的計算結果和實測結果對比表明，考慮斷層影響的結果與實測結果更接近，從而證明了斷層應力釋放效應作用及基于巖體變剛度的初始地應力反分析方法的合理性。

地下洞室；初始地應力場；變剛度；構造應力釋放效應

1 研究背景

初始地應力（場）是地下空間穩(wěn)定性及變形分析研究的基礎內(nèi)容之一。地下洞室穩(wěn)定性的合理評價及加固措施的合理選擇，都取決于是否提供了一個正確的地應力場。從地質(zhì)年代來看，地應力是隨空間、時間而變化的非穩(wěn)定場。從工程建設角度看，初始應力場可視為忽略時間因素的相對穩(wěn)定應力場［1］。

研究區(qū)地應力在空間上的分布取決于歷次構造運動所產(chǎn)生的應力，地殼升降運動引起的加荷、卸荷，巖漿活動的溫差應力，巖體物理力學性質(zhì)的變化等都可以導致地應力場分布發(fā)生重大改變。

國內(nèi)外大量的地應力測量結果表明，不論斷層構造規(guī)模大小，都能對其附近的應力狀態(tài)產(chǎn)生一定的影響，且這種影響十分復雜［2－4］。文獻［2－4］研究成果也表明，斷層規(guī)模是影響斷層附近應力場的重要因素，規(guī)模越大，其對地應力大小和方向的影響越大，應力場的擾動范圍與斷層的幾何尺寸密切相關。文獻［5］應用有限元方法研究了斷層及周圍巖石的力學性質(zhì)彈性模量和泊松比、斷層幾何形態(tài)及區(qū)域應力場對其附近地應力場的影響，指出巖體斷層附近巖體應力的變化與斷層變形模量和周圍巖體變形模量的比值變化相關。文獻［6］采用二次計算方法，對研究區(qū)主要斷層對初始地應力的影響進行了對比研究。研究表明考慮斷層影響的二次計算可以改善初始地應力場，減小計算相對誤差。文獻［7］也研究了應用數(shù)值模擬技術模擬構造裂縫對地應力場的影響。巖體初始地應力場反演的方法很多，眾多的文獻對此進行了大量的研究［8－9］。結合這些反演分析方法，在地應力場反演過程中，可以通過調(diào)整數(shù)值模型中不同區(qū)域的變形模量來反映斷層應力釋放效應。

2 工程實測初始地應力資料分析

為了解溧陽抽水蓄能電站地下廠房洞室區(qū)的地應力分布及量值，選擇在廠區(qū)勘探的平洞PD5－2中2個鉆孔內(nèi)采用水壓致裂法進行了地應力測試，測試成果見表1。成果表明：廠區(qū)地應力量級較低，最大平面主應力為4.3～6.3 MPa，方位角為NW向（332°～350°）；最小平面主應力為3.3～4.6 MPa。為了較準確地獲得斷層部位的地應力大小，在水壓致裂試驗過程中，根據(jù)鉆孔巖芯情況，試驗時，將上、下2個封隔器分別置于斷層兩側相對完整的巖體中，以保證測試得到的結果是對斷層性能的真實反映。

表1 水壓致裂法地應力測試成果表Table 1 Measured initial geo-stresses by hydrofracturingmethod

一般而言，隨著埋深的增加，巖體中的地應力也隨之增加。由于廠房區(qū)斷層發(fā)育，對局部地應力場分布產(chǎn)生較大影響。ZK148中高程－74.6 m位置的應力小于高程－67.9 m位置的應力，ZK149中高程－71.06 m位置的應力小于高程－61.21 m位置的應力。ZK148在－74.6 m高程附近有F57斷層穿過，ZK149在－71.06 m高程附近有F88斷層穿過。而其他許多工程實測地應力資料表明，當?shù)貞y試點位于斷層及其附近時，地應力測試值明顯小于附近相對較完整巖體內(nèi)的地應力。這說明在斷層形成過程中，斷層附近巖體內(nèi)應力因地質(zhì)構造作用，發(fā)生了應力釋放效應。所以，地應力場反演時，應盡可能反映斷層附近巖體的應力釋放特性。

3 基于變剛度的初始地應力場反分析方法

3.1 荷載調(diào)整法

目前，為研究地質(zhì)構造作用對初始地應力場的影響，一般采用在工程建設地點按數(shù)值計算的需要截取一定范圍，在兩側施加上某種規(guī)律分布的水平荷載，利用數(shù)值分析方法求這一水平分布荷載及重力場作用下的應力場。由于施加的邊界荷載不可能一蹴而就，因此對邊界荷載需要進行逐步調(diào)整，直到數(shù)值分析方法求得的應力場在給定的幾個觀測點位置處等于或接近地應力的觀測值，則認為所擬合的應力場可代表研究區(qū)的初始地應力場。當然也可以用重力場作為基本荷載以考慮地形的影響，在此基礎上，再加上水平力調(diào)整項，對于主要是由重力及地形條件的作用形成的地應力場，這一方法可能取得較好的結果。

構造應力的作用是通過在邊界上施加單位力p或位移u來實現(xiàn)。但反映構造運動作用力的最終值取決于p或u與相應回歸系數(shù)的乘積。P和u的分布，可以是均勻的，線性的、二次型的等。當計算域取得足夠大時，計算結果表明：在河谷附近初始地應力場的大小和分布規(guī)律與p或u的分布形式無關。本文研究采用如圖1所示的應力邊界。

3.2 BP型人工神經(jīng)網(wǎng)絡法

圖1 構造初始地應力場的邊界模式Fig.1 Boundary mode for the simulation of initial tectonic stress

神經(jīng)網(wǎng)絡的模型選擇采用BP（Back Propagation）網(wǎng)絡模型。BP網(wǎng)絡模型是把一組樣本的輸入、輸出變成非線性優(yōu)化問題，使用優(yōu)化方法中最普遍的梯度下降法，用迭代運算求權，加入隱節(jié)點可使優(yōu)化問題的可調(diào)參數(shù)增加，從而可以逼近精確解。如果輸入層有n個神經(jīng)元，輸出層有m個神經(jīng)元，則網(wǎng)絡是從n維歐氏空間到m維歐氏空間的映射。通過調(diào)整BP網(wǎng)絡中的連接權值、網(wǎng)絡的規(guī)模（包括n，m和隱層節(jié)點數(shù)），就可以實現(xiàn)非線性分類、預測等問題，并且能以任意精度逼近任何非線性函數(shù)。BP網(wǎng)絡通過對簡單的非線性函數(shù)的復合來完成映射，用這種方法經(jīng)過少數(shù)的幾次復合就可以得到極為復雜的函數(shù)關系，進而可以表達復雜的物理世界現(xiàn)象，使得許多實際問題都可以轉為利用神經(jīng)網(wǎng)絡來解決。

BP網(wǎng)絡由輸入層、輸出層及隱含層組成，隱含層可有一個或多個，每層由多個神經(jīng)元組成。當信號輸入時，首先傳到隱節(jié)點，經(jīng)過作用函數(shù)后，再把隱節(jié)點的輸出信號傳播到輸出層節(jié)點，經(jīng)過處理后輸出結果。

4 考慮應力釋放效應的構造初始地應力場實例研究

4.1 數(shù)值模型

三維初始地應力場模型的計算網(wǎng)格和邊界條件見圖2。數(shù)值模型x方向長度為450 m，y方向長度為510 m，模型下邊界高程－180 m，地面最大高程295.6 m。數(shù)值模型中斷層帶按有厚度的實體單元進行建模。地應力反演力學模型為線彈性模型。數(shù)值計算過程中，斷層帶單元和其它部位圍巖的變形模量采用不同的比例組合進行分析，以達到調(diào)整研究區(qū)不同部位變形剛度法的目的。經(jīng)過大地坐標系轉換后的測試點地應力值見表2。由于實測地應力的坐標系與計算模型坐標系不一致，因此需要進行地應力測值的坐標轉換。

圖2 計算網(wǎng)格和邊界條件Fig.2 M eshes and boundary conditions of themodel

表2 坐標系轉換后的地應力測試成果Table 2 M easured data of initial geo-stress through coordinate conversion

4.2 初始地應力場反演

通過改變邊界荷載和計算區(qū)域內(nèi)巖石力學參數(shù)（斷層和巖體的變形模量和泊松比），利用FLAC3D程序進行正分析計算，可獲得邊界荷載（用于模擬構造應力的荷載，三角形分布）作用下應力值。將計算應力值作為輸入樣本，把對應的邊界荷載、廠房區(qū)圍巖和斷層力學參數(shù)作為輸出向量T，然后采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡法進行反分析，即可獲得構造初始地應力場模擬的邊界荷載、圍巖和斷層的力學參數(shù)。鑒于初始地應力場反演分析過程的文獻已經(jīng)很多，故對反演過程不再重復。

4.3 初始地應力場反演結果分析

將反演分析得到的水平邊界荷載和材料參數(shù)施加到建立的三維數(shù)值分析模型中進行正分析，可得到巖體構造初始地應力場的分布結果。表3和表4分別給出了考慮斷層影響和不考慮斷層影響情況下5個地應力實測點的構造初始地應力場實測值與數(shù)值模擬值對比結果。

由于考慮斷層地應力場的影響，5個實測點共15個應力點實測值與模擬值的誤差均小于30%，與不考慮斷層影響情況下（除了ZK149三個點水平x向的應力誤差較大外，其余12點的初始應力值平均誤差都較?。┑姆囱莘治鼋Y果相比，更接近實測值。表明變剛度法可以更有效模擬斷層引起應力釋放效應對初始地應力場分布的影響。據(jù)國內(nèi)外的統(tǒng)計資料顯示，初始地應力值的測量結果的誤差達到25%～30%都可認為是合理的。因此上述誤差對于水平應力起控制作用的構造初始應力場來講，也是可以接受的。

初始地應力測試點實測數(shù)值及其位置關系表明：ZK148中的－74.6 m高程點靠近斷層F57，而ZK148中的－64.38 m以及－71.06 m高程點則靠近斷層F88。2個應力測試孔的初始地應力測試值表明：當測試點靠近斷層時，由于受到斷層形成過程中能量釋放的影響，斷層帶及其附近巖體中的應力會因斷層構造過程中出現(xiàn)的應力釋放而在一定程度上有所降低，其應力數(shù)值甚至小于埋深比它更淺的部位的巖體初始地應力。數(shù)值計算成果（表3）的數(shù)據(jù)完全可以反映這一現(xiàn)象。

表3 考慮斷層的構造初始地應力實測值與數(shù)值解對比Table 3 Com parison between calculated initial tectonic geo-stresses and measured data（in the presence of faults）

表4 不考慮斷層的構造初始地應力實測值與數(shù)值解對比Table 4 Com parison of calculated tectonic geo-stress and measured data（in the absence of faults）

圖3（a）和圖3（b）分別為考慮斷層應力釋放效應和不考慮斷層應力效應情況下的三維數(shù)值反演第一主應力等值分布云圖。

圖3 第一主應力等值云圖Fig.3 Contours of first p rincipal stress

由圖可知，巖體中的初始地應力分布總體上呈現(xiàn)出隨深度的增加而加大的分布特性。但考慮斷層構造引起的應力釋放效應情況下（圖3（a）），斷層附近巖體的應力出現(xiàn)大幅度降低。而不考慮斷層構造引起的應力釋放效應情況下（圖3（b）），巖體中的初始地應力分布則不受斷層的影響。由此可見，初始地應力場由于考慮斷層影響，斷層附近巖體均明顯出現(xiàn)了一定的應力釋放區(qū)。應力釋放效應對后期地下洞室圍巖變形及穩(wěn)定性數(shù)值分析的結果將產(chǎn)生重大影響。

5 結 語

巖體初始地應力場的合理確定是巖體開挖工程穩(wěn)定性分析評價的基礎性工作之一。通過對影響地應力大小的因素分布的理論分析和工程現(xiàn)場實測地應力資料的研究，得到以下認識：

（1）斷層等地質(zhì)構造對地應力場的分布形態(tài)有重要的影響。斷層附近巖體的構造初始地應力將因斷層構造活動產(chǎn)生應力釋放效應，導致其初始應力值比周圍堅硬完整巖體中的初始地應力值更低。

（2）結合構造初始地應力場的反演分析方法，采用改變斷層及周圍巖體的變形模量比的變剛度方法可以正確合理地模擬斷層應力釋放效應，且該方法簡單易行。

（3）考慮斷層應力釋放效應的初始地應力場反演分析結果更加接近于構造初始地應力場實測結果。建議對地下洞室穩(wěn)定性影響較大的斷層進行分析時，應考慮斷層構造運動對圍巖應力分布的影響。

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（編輯：姜小蘭）

Initial Geostress Field of the Surrounding Rock of Underground Cavern Under Com plex Geological Condition

FENG Shu-rong1，JIANG Zhong-ming2，ZHAO Hai-bin1
（1.Hydro China Zhongnan Engineering Corporation，Changsha 410014，China；2.School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science＆Technology，Changsha 410004，China）

The determination of initial geo-stress of rock mass is the basis of stability assessment for underground cavern.By analyzing the in-situ measurements of geo-stress，we investigated the effect of geological structure such as fault on the initial geostress distribution，and found that the deformation modulus ratio of the surrounding rock mass is one of themost important factors affecting the initial geo-stress.We also presented a back analysismethod in consideration of the variable stiffnesswhich reflects the stress release induced by faults.The calculation results of initial geostress involving and not involving the effect of fault effect are compared with the measured values，and it’s found that the result considering the fault effect ismore consistentwith themeasured result，which verifies the rationality of thismethod.

underground cavern；initial geo-stress field；variable stiffness；tectonic-stress release effect of fault

TV221.2

A

1001－5485（2012）12－0073－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.015 2012，29（12）：73－77

2011－11－4；

2012－2－21

中國水電顧問集團科技計劃項目（2010680）

馮樹榮（1963－），男，江蘇江都人，教授級高級工程師，博士，主要從事巖土工程及水電工程設計研究工作，（電話）0731－85073316（電子信箱）fengsr＠m(xù)sdi.cn。

蔣中明（1969－），男，重慶璧山人，教授，博士，主要從事水工巖土工程教學及科研工作，（電話）0731－85258470（電子信箱）zzmmjiang＠163.com。