复杂地质条件下洞室围岩初始地应力场研究

冯树荣，蒋中明，赵海斌

复杂地质条件下洞室围岩初始地应力场研究

冯树荣1，蒋中明2，赵海斌1

（1.中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，长沙 410014；2.长沙理工大学水利工程学院，长沙 410004）

初始地应力场的确定是地下洞室稳定性评价的基础。在对现场实测地应力资料分析的基础上，研究了断层等地质构造对初始地应力场分布的影响机理，指出岩体变形模量比是影响应力的关键因素之一。研究了能反映断层引起应力释放效应的初始地应力场反演分析的变刚度方法。考虑与不考虑断层影响情况下的某工程初始地应力场的计算结果和实测结果对比表明，考虑断层影响的结果与实测结果更接近，从而证明了断层应力释放效应作用及基于岩体变刚度的初始地应力反分析方法的合理性。

地下洞室；初始地应力场；变刚度；构造应力释放效应

1 研究背景

初始地应力（场）是地下空间稳定性及变形分析研究的基础内容之一。地下洞室稳定性的合理评价及加固措施的合理选择，都取决于是否提供了一个正确的地应力场。从地质年代来看，地应力是随空间、时间而变化的非稳定场。从工程建设角度看，初始应力场可视为忽略时间因素的相对稳定应力场［1］。

研究区地应力在空间上的分布取决于历次构造运动所产生的应力，地壳升降运动引起的加荷、卸荷，岩浆活动的温差应力，岩体物理力学性质的变化等都可以导致地应力场分布发生重大改变。

国内外大量的地应力测量结果表明，不论断层构造规模大小，都能对其附近的应力状态产生一定的影响，且这种影响十分复杂［2－4］。文献［2－4］研究成果也表明，断层规模是影响断层附近应力场的重要因素，规模越大，其对地应力大小和方向的影响越大，应力场的扰动范围与断层的几何尺寸密切相关。文献［5］应用有限元方法研究了断层及周围岩石的力学性质弹性模量和泊松比、断层几何形态及区域应力场对其附近地应力场的影响，指出岩体断层附近岩体应力的变化与断层变形模量和周围岩体变形模量的比值变化相关。文献［6］采用二次计算方法，对研究区主要断层对初始地应力的影响进行了对比研究。研究表明考虑断层影响的二次计算可以改善初始地应力场，减小计算相对误差。文献［7］也研究了应用数值模拟技术模拟构造裂缝对地应力场的影响。岩体初始地应力场反演的方法很多，众多的文献对此进行了大量的研究［8－9］。结合这些反演分析方法，在地应力场反演过程中，可以通过调整数值模型中不同区域的变形模量来反映断层应力释放效应。

2 工程实测初始地应力资料分析

为了解溧阳抽水蓄能电站地下厂房洞室区的地应力分布及量值，选择在厂区勘探的平洞PD5－2中2个钻孔内采用水压致裂法进行了地应力测试，测试成果见表1。成果表明：厂区地应力量级较低，最大平面主应力为4.3～6.3 MPa，方位角为NW向（332°～350°）；最小平面主应力为3.3～4.6 MPa。为了较准确地获得断层部位的地应力大小，在水压致裂试验过程中，根据钻孔岩芯情况，试验时，将上、下2个封隔器分别置于断层两侧相对完整的岩体中，以保证测试得到的结果是对断层性能的真实反映。

表1 水压致裂法地应力测试成果表Table 1 Measured initial geo-stresses by hydrofracturingmethod

一般而言，随着埋深的增加，岩体中的地应力也随之增加。由于厂房区断层发育，对局部地应力场分布产生较大影响。ZK148中高程－74.6 m位置的应力小于高程－67.9 m位置的应力，ZK149中高程－71.06 m位置的应力小于高程－61.21 m位置的应力。ZK148在－74.6 m高程附近有F57断层穿过，ZK149在－71.06 m高程附近有F88断层穿过。而其他许多工程实测地应力资料表明，当地应力测试点位于断层及其附近时，地应力测试值明显小于附近相对较完整岩体内的地应力。这说明在断层形成过程中，断层附近岩体内应力因地质构造作用，发生了应力释放效应。所以，地应力场反演时，应尽可能反映断层附近岩体的应力释放特性。

3 基于变刚度的初始地应力场反分析方法

3.1 荷载调整法

目前，为研究地质构造作用对初始地应力场的影响，一般采用在工程建设地点按数值计算的需要截取一定范围，在两侧施加上某种规律分布的水平荷载，利用数值分析方法求这一水平分布荷载及重力场作用下的应力场。由于施加的边界荷载不可能一蹴而就，因此对边界荷载需要进行逐步调整，直到数值分析方法求得的应力场在给定的几个观测点位置处等于或接近地应力的观测值，则认为所拟合的应力场可代表研究区的初始地应力场。当然也可以用重力场作为基本荷载以考虑地形的影响，在此基础上，再加上水平力调整项，对于主要是由重力及地形条件的作用形成的地应力场，这一方法可能取得较好的结果。

构造应力的作用是通过在边界上施加单位力p或位移u来实现。但反映构造运动作用力的最终值取决于p或u与相应回归系数的乘积。P和u的分布，可以是均匀的，线性的、二次型的等。当计算域取得足够大时，计算结果表明：在河谷附近初始地应力场的大小和分布规律与p或u的分布形式无关。本文研究采用如图1所示的应力边界。

3.2 BP型人工神经网络法

图1 构造初始地应力场的边界模式Fig.1 Boundary mode for the simulation of initial tectonic stress

神经网络的模型选择采用BP（Back Propagation）网络模型。BP网络模型是把一组样本的输入、输出变成非线性优化问题，使用优化方法中最普遍的梯度下降法，用迭代运算求权，加入隐节点可使优化问题的可调参数增加，从而可以逼近精确解。如果输入层有n个神经元，输出层有m个神经元，则网络是从n维欧氏空间到m维欧氏空间的映射。通过调整BP网络中的连接权值、网络的规模（包括n，m和隐层节点数），就可以实现非线性分类、预测等问题，并且能以任意精度逼近任何非线性函数。BP网络通过对简单的非线性函数的复合来完成映射，用这种方法经过少数的几次复合就可以得到极为复杂的函数关系，进而可以表达复杂的物理世界现象，使得许多实际问题都可以转为利用神经网络来解决。

BP网络由输入层、输出层及隐含层组成，隐含层可有一个或多个，每层由多个神经元组成。当信号输入时，首先传到隐节点，经过作用函数后，再把隐节点的输出信号传播到输出层节点，经过处理后输出结果。

4 考虑应力释放效应的构造初始地应力场实例研究

4.1 数值模型

三维初始地应力场模型的计算网格和边界条件见图2。数值模型x方向长度为450 m，y方向长度为510 m，模型下边界高程－180 m，地面最大高程295.6 m。数值模型中断层带按有厚度的实体单元进行建模。地应力反演力学模型为线弹性模型。数值计算过程中，断层带单元和其它部位围岩的变形模量采用不同的比例组合进行分析，以达到调整研究区不同部位变形刚度法的目的。经过大地坐标系转换后的测试点地应力值见表2。由于实测地应力的坐标系与计算模型坐标系不一致，因此需要进行地应力测值的坐标转换。

图2 计算网格和边界条件Fig.2 M eshes and boundary conditions of themodel

表2 坐标系转换后的地应力测试成果Table 2 M easured data of initial geo-stress through coordinate conversion

4.2 初始地应力场反演

通过改变边界荷载和计算区域内岩石力学参数（断层和岩体的变形模量和泊松比），利用FLAC3D程序进行正分析计算，可获得边界荷载（用于模拟构造应力的荷载，三角形分布）作用下应力值。将计算应力值作为输入样本，把对应的边界荷载、厂房区围岩和断层力学参数作为输出向量T，然后采用人工神经网络法进行反分析，即可获得构造初始地应力场模拟的边界荷载、围岩和断层的力学参数。鉴于初始地应力场反演分析过程的文献已经很多，故对反演过程不再重复。

4.3 初始地应力场反演结果分析

将反演分析得到的水平边界荷载和材料参数施加到建立的三维数值分析模型中进行正分析，可得到岩体构造初始地应力场的分布结果。表3和表4分别给出了考虑断层影响和不考虑断层影响情况下5个地应力实测点的构造初始地应力场实测值与数值模拟值对比结果。

由于考虑断层地应力场的影响，5个实测点共15个应力点实测值与模拟值的误差均小于30%，与不考虑断层影响情况下（除了ZK149三个点水平x向的应力误差较大外，其余12点的初始应力值平均误差都较小）的反演分析结果相比，更接近实测值。表明变刚度法可以更有效模拟断层引起应力释放效应对初始地应力场分布的影响。据国内外的统计资料显示，初始地应力值的测量结果的误差达到25%～30%都可认为是合理的。因此上述误差对于水平应力起控制作用的构造初始应力场来讲，也是可以接受的。

初始地应力测试点实测数值及其位置关系表明：ZK148中的－74.6 m高程点靠近断层F57，而ZK148中的－64.38 m以及－71.06 m高程点则靠近断层F88。2个应力测试孔的初始地应力测试值表明：当测试点靠近断层时，由于受到断层形成过程中能量释放的影响，断层带及其附近岩体中的应力会因断层构造过程中出现的应力释放而在一定程度上有所降低，其应力数值甚至小于埋深比它更浅的部位的岩体初始地应力。数值计算成果（表3）的数据完全可以反映这一现象。

表3 考虑断层的构造初始地应力实测值与数值解对比Table 3 Com parison between calculated initial tectonic geo-stresses and measured data（in the presence of faults）

表4 不考虑断层的构造初始地应力实测值与数值解对比Table 4 Com parison of calculated tectonic geo-stress and measured data（in the absence of faults）

图3（a）和图3（b）分别为考虑断层应力释放效应和不考虑断层应力效应情况下的三维数值反演第一主应力等值分布云图。

图3 第一主应力等值云图Fig.3 Contours of first p rincipal stress

由图可知，岩体中的初始地应力分布总体上呈现出随深度的增加而加大的分布特性。但考虑断层构造引起的应力释放效应情况下（图3（a）），断层附近岩体的应力出现大幅度降低。而不考虑断层构造引起的应力释放效应情况下（图3（b）），岩体中的初始地应力分布则不受断层的影响。由此可见，初始地应力场由于考虑断层影响，断层附近岩体均明显出现了一定的应力释放区。应力释放效应对后期地下洞室围岩变形及稳定性数值分析的结果将产生重大影响。

5 结 语

岩体初始地应力场的合理确定是岩体开挖工程稳定性分析评价的基础性工作之一。通过对影响地应力大小的因素分布的理论分析和工程现场实测地应力资料的研究，得到以下认识：

（1）断层等地质构造对地应力场的分布形态有重要的影响。断层附近岩体的构造初始地应力将因断层构造活动产生应力释放效应，导致其初始应力值比周围坚硬完整岩体中的初始地应力值更低。

（2）结合构造初始地应力场的反演分析方法，采用改变断层及周围岩体的变形模量比的变刚度方法可以正确合理地模拟断层应力释放效应，且该方法简单易行。

（3）考虑断层应力释放效应的初始地应力场反演分析结果更加接近于构造初始地应力场实测结果。建议对地下洞室稳定性影响较大的断层进行分析时，应考虑断层构造运动对围岩应力分布的影响。

［1］ 郭怀志，马启超，薛玺成，等.岩体初始应力场的分析方法［J］.岩土工程学报，1983，5（3）：64－75.（GUO Huai-zhi，MA Qi-chao，XUE Xi-cheng，et al.A-nalysis Method of Initial Stress Field of Rock Masses［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1983，5（3）：64－75.（in Chinese））

［2］ 王秀娟.大庆外围低渗透储层裂缝与地应力研究［J］.大庆石油地质与开发，2004，3（5）：88－90.（WANG Xiu-juan.Fractures and Ground Stress of Peripheral Low Permeability Reservoirs［J］.Petroleum Geology＆Oilfield Development in Daqing，2004，3（5）：88－90.（in Chinese））

［3］ 苏生瑞.断层构造对地应力场的影响及其工程意义［J］.岩石力学与工程学报，2001，22（3）：370－377.（SU Sheng-rui.Effectof Fractures on Rock Stress and Its Significance in Geological Engineering［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，22（3）：370－377.（in Chinese））

［4］ 黄醒春.断层周边应力场的原位实测及数值反演［J］.上海交通大学学报，1998，32（12）：56－59.（HUANG Xing-chun.Measurementand Back Analysis on the Initial Rock Stress Field around the Faults［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，1998，32（12）：56－59.（in Chinese））

［5］ 沈海超，程远方，王京印，等.断层对地应力场影响的有限元研究［J］.大庆石油地质与开发，2007，26（2）：34－37.（SHEN Hai-chao，CHENG Yuan-fang，WANG Jing-yin，etal.Study of Finite Elementon Effects of Faults on Ground Stress Field［J］.Petroleum Geology＆Oilfield Development in Daqing，2007，26（2）：34－37.（in Chinese））

［6］ 薛娈鸾，陈胜宏.瀑布沟工程地下厂房区地应力场的二次计算研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25（9）：1881－1886.（XUE Luan-luan，CHEN Shenghong.Two-stage Analysis of Geostress Field for Underground Chamber Area of Pubugou Project［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25（9）：1881－1886.（in Chinese））

［7］ 陈 波.储层构造裂缝数值模拟技术的应用实例［J］.石油学报，1998，19（4）：51－54.（CHEN Bo.Numerical Simulation Technique for Structural Fractures in a Reservoir：Case Studies［J］.Acta Petrolei Sinica，1998，19（4）：51－54.（in Chinese））

［8］ 蒋中明，徐卫亚.三维初始地应力场反分析的径向基函数法［J］.岩土力学，2002，23（6）：737－741.（JIANG Zhong-ming，XU Wei-ya.3-D Back-analysis of Initial Ground Stress Based on ANN-RBF［J］.Rock and Soil Mechanics，2002，23（6）：737－741.（in Chinese））

［9］ 易 达，徐明毅，陈胜宏.遗传算法在岩体初始应力场反演中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2001，20（增2）：1618－1622.（YI Da，XU Ming-yi，CHEN Sheng-hong.Application of Genetic Algorithms to Back A-nalysis of Initial Stress Field of Rock Masses［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20（Sup.2）：1618－1622.（in Chinese） ）

（编辑：姜小兰）

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

中国水电顾问集团科技计划项目（2010680）

冯树荣（1963－），男，江苏江都人，教授级高级工程师，博士，主要从事岩土工程及水电工程设计研究工作，（电话）0731－85073316（电子信箱）fengsr＠msdi.cn。

蒋中明（1969－），男，重庆璧山人，教授，博士，主要从事水工岩土工程教学及科研工作，（电话）0731－85258470（电子信箱）zzmmjiang＠163.com。