基于地勘成果的水下隧道地应力场DDM反演方法与流程

本发明涉及水下隧道工程领域的地应力场反演方法，具体涉及一种采用位移不连续法(DDM)作为计算工具的基于地勘成果的水下隧道地应力场反演方法。

背景技术：

对隧道等地下工程而言，地应力既是工程岩体的应力赋存状态，又是工程设计所必须考虑的荷载来源。地应力直接测试的主要方法有套芯应力解除法、水压致裂法、应变恢复法、钻孔崩落法、声发射法等，但地应力测试获得的是若干离散点的地应力值，工程建设需要的是整个工程区域的地应力场分布，此时就需要进行地应力场反演。目前常见的地应力场反演方法主要有基于实测地应力值的数理统计方法、灰色理论方法、人工智能方法等。

对水下隧道工程而言，工程岩体上部为水域环境，从水面进行地应力测试时，在钻孔的同时难以避免水的侵入，进而造成地应力测试的困难，甚至某些测试方法无法实现，而地勘钻孔则仍可实现。但地勘钻孔仅可提供地质信息与岩石的物理力学指标，以往常见的基于实测地应力值得地应力场反演无法实施。

通过对现有技术文献的检索，目前还未见针对水下隧道地应力场提出的反演方法，一般的地应力场反演主要都是基于实测地应力值进行的。因此，需要建立便于操作的、可基于地勘成果进行的水下隧道地应力场反演方法，以解决水下隧道等工程需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明针对上述水下隧道地应力场反演方法的不足，提供一种基于地勘成果的水下隧道地应力场反演方法，克服上述技术背景存在的难以实测地应力、在无实测地应力值时难以实现地应力场反演的问题。

为实现上述目的，本发明的基于地勘成果的水下隧道地应力场DDM反演方法，包括以下步骤：

第一步，在拟建隧道区域，进行水上工程地质勘测，并通过试验获得所需的岩体物理力学参数信息，包括岩石的压缩模量Es、岩石密度ρ、岩石泊松比μ、断层的粘聚力c和内摩擦角φ；

其中水上工程地质勘测钻孔的具体要求为：采用168mm孔径钻机钻孔，钻孔取芯9处，沿拟建隧道轴线方向布置三列三行钻孔，钻孔深度超过隧道底板以下3倍隧道高度的距离；

第二步，根据9个钻孔取芯岩样，绘制三维空间9个岩柱分布柱状图，确定岩体断裂构造的产状信息指标，包括走向、倾向、断层厚度、实际张开闭合值h以及实际滑移值w；

第三步，根据前两步信息，建立水下隧道位移不连续法DDM数值模型，模型中需建立地表面(即水底面)，并需在该面划分的各单元法向上可以施加水压力，还需根据第二步信息建立断裂构造面，在模型中输入第一步获得的岩体物理力学参数；

第四步，在竖向施加重力荷载，采用DDM数据处理模块进行DDM处理，获得本步骤的初始地应力场，提取断裂构造面单元对应的张开闭合值、滑移值；

第五步，在地表面(即水底面)上施加法向水压力荷载，采用DDM数据处理模块进行DDM处理，获得本步骤的初始地应力场，提取断裂构造面单元对应的张开闭合值、滑移值；

第六步，施加水平1方向压力荷载，采用DDM数据处理模块进行DDM处理，获得本步骤的初始地应力场，提取断裂构造面单元对应的张开闭合值、滑移值；

第七步，施加水平2方向压力荷载，采用DDM数据处理模块进行DDM处理，获得本步骤的初始地应力场，提取断裂构造面单元对应的张开闭合值、滑移值；

第八步，根据第二步的信息以及第四至第七步获得的初始地应力场结果，进行拟合反演，获得最终的隧道地应力场。

进一步，第八步中，所述拟合反演包括两种方式，第一种方式为：给第四步至第七步计算得到的断裂构造面的张开闭合值h_ⅰ配置一个初始权重系数k_ⅰ,各计算值乘以各自的权重系数后求和，将该求和值与第二步测得的断裂构造实际张开闭合值h相减，该差值的平方S_残＝(h-∑h_ⅰk_ⅰ)²即为反演的最小二乘残差平方,根据最小乘法原理，求得使S_残最小的权重系数L_ⅰ,最终的水下隧道地应力场，由四步至第七步的初始地应力场乘以各自的最终权重系数L_ⅰ后求和得到；同理，第二种方式为：给第四步至第七步计算得到的断裂构造面的滑移值w_ⅰ配置一个初始权重系数k_ⅰ,各计算值乘以各自的权重系数后求和，将该求和值与第二步测得的断裂构造实际张开闭合值w相减，该差值的平方S_残＝(w-∑w_ⅰk_ⅰ)²即为反演的最小二乘残差平方,根据最小乘法原理，求得使S₂最小的权重系数L_ⅰ,最终的水下隧道地应力场，由四步至第七步的初始地应力场乘以各自的最终权重系数L_ⅰ后求和得到；其中，ⅰ对应钻孔地应力的各个分量，ⅰ＝1,2…4。

本发明的有益技术效果是：本发明的基于地勘成果的水下隧道地应力场DDM反演方法，包括获得所需的岩体物理力学参数信息、确定岩体断裂构造的产状信息指标、建立水下隧道位移不连续法DDM数值模型、获得施加重力载荷的初始地应力场、获得施加法向水压力载荷的初始地应力场、获得施加水平1方向压力载荷的初始地应力场、获得施加水平2方向压力载荷的初始地应力场以及依靠拟合反演得到最终地应力场的步骤过程。具有操作方便、结果精确、能基于地勘成果进行水下隧道地应力场反演的优点。

附图说明

下列结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

图1为DDM数值模型图；

图2为水下隧道地应力场竖向反演结果图；

图3为水下隧道地应力场水平方向1反演结果图；

图4为水下隧道地应力场水平方向2反演结果图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的适用范围不限于下述的实施例。

实施例

某水下隧道工程拟建于水下花岗岩层中。工程区域主要受1条断层影响。布置了9个地勘钻孔。拟采用基于水下隧道工程区域地勘结果的反演方法获得地应力场，本实施例中没有详细说明的部分，按照发明内容描述的技术方案进行操作，发明内容中没有说明的部分，采用本领域常规操作进行。

第一步，在拟建隧道区域，进行水上工程地质勘测，并通过试验获得所需的岩体物理力学参数信息，包括岩石的压缩模量Es、岩石密度ρ、岩石泊松比μ、断层的粘聚力c和内摩擦角φ；

其中水上工程地质勘测钻孔的具体要求为：采用168mm孔径钻机钻孔，钻孔取芯9处，沿拟建隧道轴线方向布置三列三行钻孔，钻孔深度超过隧道底板以下3倍隧道高度的距离；

所述的通过室内试验测定各钻孔的岩土物理力学参数信息，包括单轴压缩试验，密度试验，剪切试验，三轴压缩试验。

所述的单轴压缩试验，是指通过室内单轴压缩试验仪测得各岩土层的压缩模量Es。

所述的密度试验，是指采用短颈密度瓶测试岩石的颗粒密度ρ。

所述的剪切试验，是指采用不固结不排水试验确定断层的粘聚力c。

所述的三轴压缩试验，是指采用三轴试验仪，测定岩土体的静止侧压力系数K₀，并换算泊松比通过三轴试验绘制不同围压的莫尔圆，得到断层的内摩擦角φ。

岩体物理力学参数地勘结果见表1。

表1

第二步，根据9个钻孔取芯岩样，绘制三维空间9个岩柱分布柱状图，确定岩体断裂构造的产状信息指标，包括走向、倾向、断层厚度、实际张开闭合值h以及实际滑移值w。

岩体断裂构造的产状信息指标见表2。

表2

第三步，根据前两步信息，建立水下隧道位移不连续法DDM数值模型，DDM数值模型如图1所示，模型中需建立地表面(即水底面)，并需在该面划分的各单元法向上可以施加水压力，还需根据第二步信息建立断裂构造面，在模型中输入第一步获得的岩体物理力学参数；

第四步，在竖向施加重力荷载，采用DDM数据处理模块进行DDM处理，获得本步骤的初始地应力场，提取断裂构造面单元对应的张开闭合值、滑移值，其中张开闭合值、滑移值分别为18.6cm、12.4cm；

第五步，在地表面(即水底面)上施加法向水压力荷载，采用DDM数据处理模块进行DDM处理，获得本步骤的初始地应力场，提取断裂构造面单元对应的张开闭合值、滑移值，其中张开闭合值、滑移值分别为11.5cm、7.7cm；

第六步，施加水平1方向压力荷载，采用DDM数据处理模块进行DDM处理，获得本步骤的初始地应力场，提取断裂构造面单元对应的张开闭合值、滑移值，其中张开闭合值、滑移值分别为5.3cm、3.5cm；

第七步，施加水平2方向压力荷载，采用DDM数据处理模块进行DDM处理，获得本步骤的初始地应力场，提取断裂构造面单元对应的张开闭合值、滑移值，其中张开闭合值、滑移值分别为3.5cm、2.4cm；

第八步，根据第二步的信息以及第四至第七步获得的初始地应力场结果，进行拟合反演，获得最终的隧道地应力场。

上述第八步中，所述拟合反演包括两种方式，第一种方式为：给第四步至第七步计算得到的断裂构造面的张开闭合值h_ⅰ配置一个初始权重系数k_ⅰ,各计算值乘以各自的权重系数后求和，将该求和值与第二步测得的断裂构造实际张开闭合值h相减，该差值的平方S_残＝(h-∑h_ⅰk_ⅰ)²即为反演的最小二乘残差平方,根据最小乘法原理，求得使S_残最小的权重系数L_ⅰ,最终的水下隧道地应力场，由四步至第七步的初始地应力场乘以各自的最终权重系数L_ⅰ后求和得到；同理，第二种方式为：给第四步至第七步计算得到的断裂构造面的滑移值w_ⅰ配置一个初始权重系数k_ⅰ,各计算值乘以各自的权重系数后求和，将该求和值与第二步测得的断裂构造实际张开闭合值w相减，该差值的平方S_残＝(w-∑w_ⅰk_ⅰ)²即为反演的最小二乘残差平方,根据最小乘法原理，求得使S₂最小的权重系数L_ⅰ,最终的水下隧道地应力场，由四步至第七步的初始地应力场乘以各自的最终权重系数L_ⅰ后求和得到；其中，ⅰ对应钻孔地应力的各个分量，ⅰ＝1,2…4。

根据上述反演结果，求得适应第四步至第七步的最终权重系数分别为2.1、1.3、0.6、0.4，根据最终权重系数，求得最终水下隧道地应力场如图2-4所示。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。