復(fù)雜工程地質(zhì)體地應(yīng)力場(chǎng)智能反演

楊志強(qiáng)，高 謙，翟淑花，楊 嘯

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京科技大學(xué)),100083 北京；2.金川集團(tuán)股份有限公司, 737104 甘肅 金昌； 3.北京地質(zhì)研究所,100120 北京)

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復(fù)雜工程地質(zhì)體地應(yīng)力場(chǎng)智能反演

楊志強(qiáng)1,2，高 謙1，翟淑花3，楊 嘯1

(1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京科技大學(xué)),100083 北京；2.金川集團(tuán)股份有限公司, 737104 甘肅 金昌； 3.北京地質(zhì)研究所,100120 北京)

地應(yīng)力是地質(zhì)構(gòu)造和自重共同作用在地質(zhì)體內(nèi)形成的原始應(yīng)力，是影響工程穩(wěn)定性和災(zāi)變失穩(wěn)的重要因素.由于受漫長(zhǎng)的地質(zhì)構(gòu)造作用和地質(zhì)演化，地應(yīng)力場(chǎng)隨時(shí)間和空間變化，由此使準(zhǔn)確反演地應(yīng)力場(chǎng)造成困難.以金川礦區(qū)為工程背景，借助地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，開展工程地質(zhì)體的地應(yīng)力場(chǎng)反演研究.首先,建立礦區(qū)工程地質(zhì)體三維數(shù)值模型，并采用正交數(shù)值分析和遺傳規(guī)劃算法，建立地應(yīng)力與巖體參數(shù)和側(cè)壓系數(shù)的函數(shù)關(guān)系；然后,根據(jù)實(shí)測(cè)的地應(yīng)力值與計(jì)算的地應(yīng)力值之差平方和最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立工程地質(zhì)體的地應(yīng)力場(chǎng)反演優(yōu)化模型.采用遺傳算法求解，獲得礦區(qū)巖體參數(shù)和側(cè)壓系數(shù)；最后,將其代入數(shù)值模型進(jìn)行正分析由此獲得初始地應(yīng)力場(chǎng).通過(guò)4個(gè)測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力測(cè)量值與反演值對(duì)比分析可知，反演地應(yīng)力的最大誤差為16%，最小誤差僅為0.62%.研究結(jié)果表明，地應(yīng)力智能反演方法可用于復(fù)雜工程地質(zhì)體的地應(yīng)力場(chǎng)反演，且獲得的地應(yīng)力場(chǎng)滿足地質(zhì)工程分析所需要的精度.關(guān)鍵詞: 工程地質(zhì)體；地應(yīng)力場(chǎng)；智能反演;FLAC3D;遺傳算法

地應(yīng)力是存在于地層中的天然應(yīng)力，是導(dǎo)致工程變形破壞和地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)動(dòng)力，是地下工程穩(wěn)定性分析和災(zāi)害防控必須考慮的重要因素之一[1-5].由于地質(zhì)體在漫長(zhǎng)的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中經(jīng)歷多次地質(zhì)作用和改造演化，在地層內(nèi)封存不同時(shí)期的殘余應(yīng)力，因此地質(zhì)構(gòu)造類型、作用程度和方向不同，導(dǎo)致地應(yīng)力場(chǎng)的大小和方向存在時(shí)間和空間的變異性.由此給工程巖體的地應(yīng)力場(chǎng)反演帶來(lái)極大困難，一直是巖土工程穩(wěn)定性分析長(zhǎng)期研究而未能解決的技術(shù)難題，是地質(zhì)工程研究的課題之一.

20世紀(jì)80年代首次提出黏彈性位移反分析法，根據(jù)圍巖變形監(jiān)測(cè)信息和理論分析方法進(jìn)行巖體參數(shù)和地應(yīng)力反演.但黏彈塑性位移反分析存在的多解問(wèn)題一直未能得到很好解決[6].隨著人工智能的發(fā)展，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)值分析方法相結(jié)合的地應(yīng)力反演研究取得進(jìn)展，但該種地應(yīng)力反演僅僅將有限的地應(yīng)力測(cè)量樣本進(jìn)行外延和非線性回歸，仍難以解決復(fù)雜工程地質(zhì)體的真實(shí)地應(yīng)力場(chǎng)反演問(wèn)題[7-13].地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量是獲得地應(yīng)力的重要手段之一，通常根據(jù)工程范圍、重要性以及復(fù)雜程度，開展有限的地應(yīng)力測(cè)量工作，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，由此獲得研究范圍內(nèi)的地質(zhì)體主應(yīng)力大小和方向[14-19].但由于受時(shí)間和經(jīng)費(fèi)限制，大部分工程地應(yīng)力測(cè)量不僅數(shù)量有限，且受測(cè)量手段以及復(fù)雜因素影響，通常獲得地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果存在很大程度的離散性，由此給地應(yīng)力研究和工程應(yīng)用帶來(lái)很多困難，直接影響地質(zhì)工程穩(wěn)定性的定量分析及工程優(yōu)化設(shè)計(jì).研究發(fā)現(xiàn)，目前地質(zhì)體地應(yīng)力研究大多集中于有限地質(zhì)體的統(tǒng)計(jì)回歸和宏觀規(guī)律.換句話說(shuō)，通過(guò)有限個(gè)地應(yīng)力測(cè)量或結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造形跡分析，給出表征有限范圍內(nèi)的地質(zhì)體中的地應(yīng)力特征(側(cè)壓系數(shù)和主應(yīng)力方向).眾所周知，復(fù)雜地質(zhì)體經(jīng)歷多次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，在地質(zhì)體內(nèi)封存不同時(shí)期的構(gòu)造應(yīng)力，導(dǎo)致地應(yīng)力場(chǎng)存在很大的變異性.以致實(shí)測(cè)的有限地應(yīng)力信息難以真實(shí)表征實(shí)際地應(yīng)力.

近年來(lái)考慮到工程地應(yīng)力特征的復(fù)雜性，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造形跡以及圍巖變形破壞特征進(jìn)行地應(yīng)力場(chǎng)識(shí)別，是目前復(fù)雜地質(zhì)體地應(yīng)力研究的發(fā)展動(dòng)向[20-23]，但該種方法還局限于定性分析.本文將利用有限個(gè)典型和可靠的地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，采用數(shù)值分析與遺傳規(guī)劃相結(jié)合，建立地質(zhì)體的巖體參數(shù)和側(cè)壓系數(shù)的優(yōu)化數(shù)值模型，直接反演復(fù)雜地質(zhì)體的地應(yīng)力場(chǎng)，而不是通過(guò)求得有限地質(zhì)體的側(cè)壓系數(shù)和主應(yīng)力方向來(lái)表征地應(yīng)力特征.該方法能夠考慮復(fù)雜地質(zhì)體的地應(yīng)力場(chǎng)所固有的空間變異性，根據(jù)工程巖體的巖性進(jìn)行地應(yīng)力場(chǎng)分區(qū)反演.由此獲得工程巖體的地應(yīng)力場(chǎng)能夠與工程巖體數(shù)值分析實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，從而提高數(shù)值分析方法在地質(zhì)工程中應(yīng)用的實(shí)用性與可靠性.

1 工程地質(zhì)體地應(yīng)力場(chǎng)智能反演方法

1.1 地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

采用地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)，獲得工程地質(zhì)體內(nèi)的n個(gè)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)量值為

1.2 地應(yīng)力影響函數(shù)建立

地質(zhì)體中的地應(yīng)力是在地質(zhì)構(gòu)造作用過(guò)程中，封存于巖體中的殘余應(yīng)力，與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力和巖體特性密切相關(guān).因此根據(jù)實(shí)測(cè)的n個(gè)地應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)位置(X={xi，yi，zi}T)，采用正交數(shù)值分析，建立地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置處的地應(yīng)力與巖體參數(shù)和側(cè)壓系數(shù)的影響函數(shù).具體實(shí)施步驟如下.

1)建立三維數(shù)值分析模型.根據(jù)地質(zhì)體的巖性和區(qū)域地應(yīng)力構(gòu)造特征，首先對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行分區(qū)，然后利用三維數(shù)值分析系統(tǒng)(例如FLAC3D)，建立包含n個(gè)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的工程地質(zhì)體三維數(shù)值模型.

2)正交數(shù)值分析設(shè)計(jì).考慮地應(yīng)力賦存條件與構(gòu)造狀態(tài)，選擇影響地應(yīng)力特征的因素和水平.考慮到地應(yīng)力通常賦存于未受工程影響的原巖中，其巖體力學(xué)性質(zhì)基本上處于彈性狀態(tài)，因此根據(jù)工程地質(zhì)分區(qū)，選擇不同分區(qū)的巖體密度γi、彈性模量Ei和泊松比μi,i=1，m(其中m為工程地質(zhì)體分區(qū)數(shù))以及水平方向的側(cè)壓系數(shù)λ1、λ2作為地應(yīng)力分布特征的影響因素；借助工程經(jīng)驗(yàn)或巖體分類，分別給出各個(gè)分區(qū)巖體的力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力參數(shù)的變化范圍，由此確定地應(yīng)力影響因素的設(shè)計(jì)水平.在此基礎(chǔ)上，采用正交設(shè)計(jì)表進(jìn)行三維正交數(shù)值分析的方案設(shè)計(jì).

1.3 建立地應(yīng)力影響函數(shù)

以正交數(shù)值分析方案中的巖體參數(shù)和側(cè)壓系數(shù)作為自變量，以提取的地應(yīng)力計(jì)算值作為因變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸或智能分析，建立地應(yīng)力與巖體參數(shù)和側(cè)壓系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系為

1.4 建立地應(yīng)力場(chǎng)反演優(yōu)化模型

(1)

2)確定地應(yīng)力場(chǎng)反演優(yōu)化模型的約束條件.根據(jù)工程地質(zhì)體的不同分區(qū)巖體參數(shù)和側(cè)壓系數(shù)的范圍，確定工程地質(zhì)體地應(yīng)力場(chǎng)反演優(yōu)化模型的約束條件為:

(2)

式中：γi、Ei分別為工程地質(zhì)體第i個(gè)分區(qū)的巖體密度和彈性模量；λ1、λ2分別為三維數(shù)值模型的兩個(gè)水平方向的側(cè)壓系數(shù)；γi1，γi2分別為第i個(gè)分區(qū)的巖體密度上、下限；Ei1，Ei2分別為第i個(gè)分區(qū)的巖體彈性模量上、下限.

1.5 工程地質(zhì)體地應(yīng)力場(chǎng)反演優(yōu)化模型求解

考慮到地應(yīng)力場(chǎng)反演優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)屬于高度非線性函數(shù)，因此采用遺傳算法對(duì)由式(1)和式(2)確定的優(yōu)化模型進(jìn)行求解，由此獲得與原巖地應(yīng)力場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的不同分區(qū)地質(zhì)體的巖體參數(shù)和側(cè)壓系數(shù).

1.6 工程地質(zhì)體的地應(yīng)力場(chǎng)反演

將求解的工程地質(zhì)體巖體參數(shù)和側(cè)壓系數(shù)，代入三維數(shù)值分析模型進(jìn)行正分析，由此獲得的應(yīng)力場(chǎng)即為工程地質(zhì)體初始地應(yīng)力場(chǎng).

2 金川礦區(qū)工程地質(zhì)體地應(yīng)力場(chǎng)反演

為闡述基于有限個(gè)地應(yīng)力測(cè)量值進(jìn)行工程地質(zhì)體地應(yīng)力場(chǎng)反演方法，以金川礦區(qū)為工程背景進(jìn)行實(shí)例分析.金川鎳礦是世界上著名的多金屬共生大型硫化銅鎳礦床，位于我國(guó)甘肅省河西走廊龍首山下長(zhǎng)約6.5 km和寬約500 m的范圍內(nèi)，已探明礦石儲(chǔ)量5.2×108t，鎳金屬儲(chǔ)量5.5×106t，列世界同類礦床第3位.金川銅鎳礦床地質(zhì)構(gòu)造特征主要表現(xiàn)以下兩個(gè)方面.

1)金川礦區(qū)是一座典型的高地應(yīng)力礦區(qū)，表現(xiàn)在礦體埋藏深，自重應(yīng)力大，近似水平方向的構(gòu)造應(yīng)力最高達(dá)到50 MPa，即水平應(yīng)力是垂直應(yīng)力的1.69～2.27倍.

2)金川礦床賦存于海西期含礦超基性巖體中，上盤圍巖為二輝橄欖巖，下盤圍巖主要為大理巖和二輝橄欖巖.礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造極其發(fā)育，F(xiàn)16、F15、F26等斷層對(duì)礦巖條件產(chǎn)生劇烈影響，使礦巖異常破碎，表現(xiàn)出巖石強(qiáng)度高而巖體穩(wěn)定性差的特征，由此給采礦方法選擇和采場(chǎng)地壓控制帶來(lái)不利影響.

為優(yōu)化采礦設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)對(duì)采場(chǎng)地壓優(yōu)化控制，金川鎳礦開展了不同階段的地應(yīng)力測(cè)量，獲得大量的地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果[24].根據(jù)金川龍首礦和二礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，建立包含兩個(gè)礦區(qū)工程地質(zhì)巖體的三維數(shù)值分析模型，進(jìn)行金川礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)反演,如圖1所示.

圖1 金川礦區(qū)地質(zhì)體地應(yīng)力場(chǎng)反演三維數(shù)值模型

2.1 金川礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)量

根據(jù)金川礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置、埋深、巖性以及地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果[24]，選擇表1中9個(gè)地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，用于金川礦區(qū)地應(yīng)力反演.其中前5個(gè)數(shù)據(jù)用于建立優(yōu)化模型，后4個(gè)數(shù)據(jù)用于檢驗(yàn)地應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果.

表1 金川礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置和實(shí)測(cè)地應(yīng)力值

2.2 建立金川礦區(qū)地應(yīng)力影響函數(shù)

2.2.1 建立金川礦區(qū)工程地質(zhì)體數(shù)值分析模型

為了建立金川礦區(qū)地應(yīng)力影響函數(shù)，首先建立金川礦區(qū)工程地質(zhì)體三維數(shù)值模型.三維數(shù)值模型坐標(biāo)系統(tǒng)為：水平面指向東為x坐標(biāo)，指向北為y坐標(biāo)，垂直向上為z坐標(biāo)(見圖1).

2.2.2 工程地質(zhì)體分區(qū)與巖體參數(shù)選擇

考慮到礦巖體物理力學(xué)性質(zhì)存在顯著差異，根據(jù)力學(xué)特性劃分成礦體和巖體兩個(gè)分區(qū)，分別采用γ1，E1，μ1和γ2，E2，μ2表示礦巖體密度、彈性模量和泊松比.根據(jù)金川礦區(qū)已開展工程地質(zhì)研究，確定礦巖體密度分別為2.8～3.6 t/m3和2.4～2.8 t/m3.礦巖體彈性模量分別為20～34 GPa 和6～20 GPa；礦巖體泊松比分別為0.20～0.24和0.20～0.26.根據(jù)金川礦區(qū)地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果，確定金川礦區(qū)x、y水平方向的側(cè)壓系數(shù)分別為0.5～1.2和1.1～1.5.

2.2.3 地應(yīng)力影響因素和試驗(yàn)水平及正交數(shù)值分析

選擇礦體和巖體參數(shù)γ1，E1，μ1，γ2，E2，μ2和礦區(qū)側(cè)壓系數(shù)λ1、λ2共8個(gè)因素和兩個(gè)水平進(jìn)行金川礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)反演.表2給出了8因素2水平地應(yīng)力場(chǎng)反演三維正交數(shù)值分析的因素與水平，表3給出了金川礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)反演三維正交數(shù)值分析的計(jì)算方案.

表2 金川礦區(qū)地應(yīng)力反演的三維正交數(shù)值分析因素和水平

表3 金川礦區(qū)地應(yīng)力反演的三維正交數(shù)值分析計(jì)算方案

2.2.4 金川礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力數(shù)值分析結(jié)果

根據(jù)圖1所示的金川礦區(qū)三維數(shù)值分析模型和表3的正交數(shù)值計(jì)算方案進(jìn)行12次數(shù)值分析.在每次計(jì)算結(jié)果中提取三維數(shù)值分析模型的地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)處的地應(yīng)力計(jì)算值，由此獲得如表4所示的礦區(qū)地應(yīng)力各測(cè)點(diǎn)處的3個(gè)主應(yīng)力大小和主應(yīng)力方向.

2.2.5 建立地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)處的地應(yīng)力影響函數(shù)

mydivide(x7，minus(x4，mydivide(mydivide(x7，x5)，plus(x6，ex3)))))，plus(x2，times(x2，mydivide(minus(x8，times(plus(x6，x6)，minus(x5，x3)))，mydivide(mydivide(x5，x7)，x7))))))，

minus(mydivide(times(mydivide(minus(plus(x7，x8)，plus(x7，plus(times(x2，x7)，x2)))，x8)，x3)，mydivide(x1，x7))，plus(mydivide (mydivide(x7，ex8)，plus(x6，x2))，mydivide(minus(x2，x8)，x4)))).

(3)

式中：xi(i=1,8)分別為礦體參數(shù)γ1,E1,μ1、巖體系數(shù)γ2,E2,μ2和側(cè)壓系數(shù)λ1,λ2.

表4 金川礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)處的地應(yīng)力數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖2 金川礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)1位置的σ1的最佳遺傳樹

2.3 金川礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)智能反演優(yōu)化模型

基于金川礦區(qū)地質(zhì)體中5個(gè)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)處的地應(yīng)力函數(shù)與實(shí)測(cè)地應(yīng)力值之差的平方和最小為優(yōu)化目標(biāo)，由此建立礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)反演優(yōu)化模型.

2.3.1 金川礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)反演目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)金川礦區(qū)地應(yīng)力的遺傳規(guī)劃函數(shù)關(guān)系，建立地應(yīng)力場(chǎng)智能反演目標(biāo)函數(shù)為

((x8-x2x7-x2)/x8x3/x1x7-x7/ex8/(x6+x2)-(x2-x8)/x4-25.8)2+((x6+(x6+x1)x7)x7+

(x4+x8)x4)/x7/x5)/x2-13.0)2+((ex8+((ex8+(x8/e(x5+x6+x4/x5)+x6)e(x3/ex3/ex7)/(x1+exp(ex7))-

(x6+x2-x4/(x7-2x6)/(x2-x7-x5-x1-x1/(x1-x7)-x2x3)-(x2-x4+(x2-x8)/(x1-x2)+x2x3-x5-x7-x8-x3/(x2-2x7-x5-x1-x1/x5x8(x2+x3)-x7/(x4-x7/x4-x2x3-x2)))x3-12.2)2+

((x2/(x7-x1+1)+x8/x7+ex1/x6x8+x1+(x5/x2x8+x5/x6x8+x7+x2/x8)/(x7-x1+x2/x4))/(x7-x1+x2/x8)+x8+x3/(x5-x2)x2x7+x2-31.6)2+(x4/x3+x8/(x7+x5/ex8)+(((2x8/x3+x3/(x6+x7)+x7+(2x1+x8)/x8+2x4)/x2+x8)/x3+x2x3+(ex1(x1+x5/ex8+x8)+x4)/x2+2x1+x4)/x2/x3+

x2/x1-18.7)2+(x2-(((x2-(x7+x4)x1-x8)x8-x1+(x2+(x2-2x8-x6)x8-(x1+(x1+x8)x6)(x1+(x6+x8)x6))x6)x8+(x2+(x2-ex7x2x6+x5)x8-(x1+(x5x6+x8)(x1+(x6+x8)x6))e(x8x7))x6)x6+(ex3+x4)x8-11.6)2.

(4)

2.3.2 金川礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)反演約束條件

根據(jù)金川礦區(qū)礦體和巖體參數(shù)以及地應(yīng)力的變化范圍，由此確定優(yōu)化模型的約束條件為：

6

0.20<μ1<0.26，0.20<μ2<0.24；

2.4 金川礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)反演優(yōu)化模型求解

利用遺傳算法的全局搜索能力，求解由目標(biāo)函數(shù)式(3)和約束條件式(4)確定的地應(yīng)力反演優(yōu)化模型.首先設(shè)置遺傳算法的參數(shù)見表5；然后進(jìn)行遺傳算法操作：即隨機(jī)產(chǎn)生初始群體→個(gè)體適應(yīng)度評(píng)價(jià)→選擇操作→交叉操作→變異操作→終止法則(最大遺傳代數(shù))；最后獲得與礦區(qū)地質(zhì)體初始應(yīng)力場(chǎng)相匹配的礦、巖體參數(shù)和礦區(qū)側(cè)壓系數(shù)見表6.

表5 遺傳算法參數(shù)表

表6 金川礦區(qū)礦、巖體參數(shù)和側(cè)壓系數(shù)反演結(jié)果

2.5 金川礦區(qū)工程地質(zhì)體地應(yīng)力場(chǎng)反演

3 金川礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果誤差分析

為檢驗(yàn)地應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果的可靠性，表7給出金川礦區(qū)4個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力實(shí)測(cè)值與反演值和誤差分析結(jié)果.圖3顯示了金川礦區(qū)6～9號(hào)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)地應(yīng)力值與反演地應(yīng)力值的對(duì)比曲線.由此可見，采用本文的地應(yīng)力反演方法獲得的3個(gè)主應(yīng)力值與實(shí)測(cè)主應(yīng)力值的誤差最大為17.98%，最小為0.62%.可見該地應(yīng)力場(chǎng)反演方法具有一定的可靠性.

表7 金川礦區(qū)4個(gè)點(diǎn)實(shí)測(cè)地應(yīng)力值與反演地應(yīng)力值的對(duì)比分析

圖3 金川礦區(qū)4個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)地應(yīng)力值與反演地應(yīng)力值對(duì)比結(jié)果

4 結(jié) 論

1)地質(zhì)體中的原巖應(yīng)力是時(shí)間和空間的函數(shù)，是巖體物理力學(xué)參數(shù)的高度非線性函數(shù)，因此，采用遺傳規(guī)劃的遺傳樹結(jié)構(gòu)，能夠表征地應(yīng)力的非線性關(guān)系；考慮到地應(yīng)力反演的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)屬于高度非線性函數(shù)，利用遺傳算法的快速尋優(yōu)技術(shù)，能夠獲得目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解.

2)采用本文地應(yīng)力反演方法，進(jìn)行4個(gè)測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力反演，并將反演結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比，其最大誤差為17.98%，最小誤差為0.62%.考慮到地應(yīng)力復(fù)雜特征及地應(yīng)力測(cè)量存在的誤差，地應(yīng)力反演誤差滿足地質(zhì)工程分析的精度，該方法可為復(fù)雜地應(yīng)力場(chǎng)反演和工程穩(wěn)定性分析提供一條途徑.

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(編輯 張 紅)

Intelligent inversion method of in-situ stress field for a complicated engineering geological body

YANG Zhiqiang1,2，GAO Qian1，ZHAI Shuhua3，YANG Xiao1

(1.Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines(University of Science and Technology Beijing), Ministy of Education,100083 Beijing, China; 2.Jinchuan Group Co. LTD. 737104 Jinchang, Gansu, China; 3.Beijing Institute of Geology, 100120 Beijing,China)

The in-situ stress is the original stress in the geological body forming from the geological structure and gravity. It is an important factor which influences the stability and instability of the geological engineering. Due to the long geological tectonic setting and geological evolution, the in-situ stress field is a function of time and space, thus it is very difficulty for us to make accurate inversion the in-situ stress field. Taking Jinchuan mine as the engineering background and with the aid of in-situ stress measurement in Jinchuan mine, the in-situ stress field was inverted. First the 3D numerical mode of geological engineering body in Jinchuan mine was established, and the relation between in-situ stress and rock mass parameters and coefficients of horizontal pressure was obtained by orthogonal numerical analysis and genetic programming(GP). Then the optimization mode was established which takes the sum of squares of differences between the measured initial stress and calculation initial stress up to the minimum value as the objective function. The rock masses parameters and coefficients of horizontal pressure would been obtained by solving the optimization model using genetic algorithm. Finally, the initial stress field can be obtained when the 3D numerical analysis is carried out again by inputting the parameters of rock masses and coefficients of horizontal pressure. Based on comparing inverting in-situ stress with the measured values for the 4 gauging points, the maximum and minimum error of the principal stress is 16% and 0.62% respectively. The results show that the method of intelligent inversion of in-situ stress field can be applied for complicated geological engineering body to simulate in-situ stress field and the accuracy meets the engineering demand.

engineering geological body；in-situ stress field；intelligent inversion;FLAC3D;genetic algorithm

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.04.026

2014-09-14.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2010CB731501).

楊志強(qiáng)(1957—)，男，教授級(jí)高工，博士生導(dǎo)師;

高 謙(1956—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

高 謙,gaoqian@ces.ustb.edu.cn.

TU431

A

0367-6234(2016)04-0154-07