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地质构造和构造应力场对富溪隧道稳定性影响研究 摘要 汤l _ _ l 】至屯溪高速公路富溪隧道位于安徽黄i i i 市徽卅l 区富溪乡。该区火地构 造位置上属于下扬子地区的遍确隆起带，自中生代以来经历多期构造活动，塑 造今f i ：1 复杂的构造形态，其中三叠纪末至早侏罗世的印支运动起着决定性作 用。该期活动导致隧址区周边地区普遍发育东西向、北东向的断层。为尽量降 低这些断层对隧道的不利影响，隧道的选线当与断层走向垂直为宜。该区新生 代最新一期构造活动表现为强烈的挤压活动。该期活动决定了隧址区现今的构 造应力场性质、大小。研究表明，现代构造应力场的空间差异性决定了隧道工 程在设计、施t 中必然存在巨大的空间差异性。为了全面、系统地分析岩十体 在不同外力作用下稳定、破坏状态的动态变化，本文提出了一个新的理论工具 一一岩土稳态函数；将其用于探讨条形地基在不同基底压力作用下的稳定、破 坏状态变化全过程分析，在此基础上提出对条形地基稳定性有着重要意义的临 危承载力求解方法。并按此方法求解富溪隧道中轴墙的临危承载力。除此之外， 隧道洞口节理极为发育，其对隧道稳定性影响甚大。文中对此亦予以论述。 关键词：地质构造隧道工程构造应力场地基承载力 s t u d yo ni n f l u e n c eo f t e c t o n i c s e t t i n ga n dt e c t o n i cs t r e s s f i e l dt os t a b i l i t yo ff u x it u n n e l a b s t r a c t f u x it u n n e l ，i nh u a n g s h a nc i t y ，a n h u ip r o v i n c e ，i ss i t u a t e dt e c o n i c l yi n j i a n g n a nu p l i f to fl o w e ry a n g t z er e g i o n t o d a y st e c t o n i cs h a p eo ft h ea r e aa r o u n d t h et u n n e li sv e r yc o m p l i c a t e db e c a u s eo fs u p e r p o s i n gi n f l u e n c eb ys e v e r a l s t a g e t e c t o n i cm o v e m e n t ss i n c em e s o z o i c ；a n da m o n gt h e s en q o v e m e n t s ，t h el n d o s i n i a n t e c t o n i cm o v e m e n ti sd e c i s i v e u n i v e r s a le w a n dn e t r e n d i n gf a u l t st o o kp l a c e d u r i n g i n d o s i n i a n e p o c h i t s a d v i s e dt ol e tt h es t r i k eo ft h et u n n e lb e p e r p e n d i c u l a rt ot h e s t r i k e so ft h e s ef a u l t ss oa st ol e s s e nt h e i rn e g a t i v e i n f l u e n c e t h el a t e s tt e c t o n i cm o v e m e n ti sc o m p r e s s i v e ，i td e c i d e st o d a y st e c t o n i c s t r e s sf i e l d s t u d y i n gs h o w st h a tw em u s td e s i g nd i f f e r e n t s h a p et u n n e l sa c c o r d i n g t ot h es p a t i a ld i f f e r e n c eo ft o d a y st e c t o n i cs t r e s sf i e l d i no r d e rt oa n a l y s e s y s t e m a t i c a l l yt h ep r o c e s so fs t a b i l i t ya n dd e s t r o y i n go ff o u n d a t i o nu n d e rd i f f e r e n t l o a d ，an e wt h e o r y i s p r o v i d ei n t h i sa r t i c l e t h a ti s s t a b i l i t y d e s t r o y i n g s t a t e f u n c t i o n ( v a r i a b l e ) t h i sf u n c t i o ni s u s e dt oa n a l y s et h ep r o c e s so fs t a b i l i t ya n d d e s t r o y i n g o f s t r i p e f o u n d a t i o nu n d e rd i f f e r e n tl o a d ，a n dd a n g e r o u sb e a r i n g c a p a c i t y ( d b c ) o fs t r i p ef o u n d a t i o ni s d e f i n e da c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i n g t h e d b co ff o u n d a t i o no fa x i sw a l lo ff u x it u n n e li sc a c u l a t e d f u r t h e r m o r e ，t h e r ea r e al o to fj o i n t sa r o u n dt h et u n n e la d i t s ，a n dt h e yi n f l u e n c et h es t a b i l i t yo ff u x i t 1 】n n e lal o t i t sd i s c u s s e dt o o k e y w o r d s ：t e c t o n i cs e t t i n g t u n n e le n g i n e e r i n gt e c t o n i cs t r e s sf i e l d b e a r i n gc a p a c i t yo ff o u n d a t i o n 插图清单 幽2 1 隧址区地质平面图 图2 - - 2 隧址区地质剂面图 图23 富溪隧道进口节理走向玫瑰花图 图2 4 富溪隧道出订节理走向玫瑰花圈一 图25 富溪隧道所在下扬子地区构造单元划分 图2 6 富溪隧道周边区域构造形态剖丽图一 图2 7f 扬予前陆区逆冲推覆构造系统分带示意图 图2 8 中国东部晚第三纪以来大地构造动力学演化图 图2 9 华东地区现代主压应力方位及新生代玄武岩分布 图2 一1 0 我国地应力随深度的变化 图3 一l 隧道受力分析 图3 2 隧道走向与最大主压应力方向一致时受力分析一 图3 3 隧道走向与最大主压应力方向一致时断面开挖设训 图3 4 隧道走向与中间主应力方向一致时受力分析一 图3 5 隧道走向与中间主应力方向一致时断面开挖设计 图3 6 不考虑构造应力场时隧道受力分析 图3 7 不考虑构造应力场时隧道断面开挖设计 图3 8 某地区地质构造形态示意图1 图3 9 某地区地质构造形态示意图2 图4 1 支护阻力与巷道周边位移的关系曲线 图5 1 条形基底应力， 图5 2 条形地基应力分析 图5 3 地基临近危险状态时的塑性区 图5 4 函数g ( z ) 分析图l 图5 5 函数只( x ) 分析图2 图5 6 函数g ( z ) 分析图3 b h ” m m”如引疆h”m”筋”勰”如弘”叭铊驼 表1 1 表2 2 表6 1 表6 2 表格清单 世界各国水平主应力与垂直主应力的关系 世界部分国家和地区两个水平主应力的比值表 荷载试验数据表 注浆后荷载试验数据表 9 1 0 4 5 4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒壁工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同丁作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作r 明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：钎显册l 签字日期：沙形年厂月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月b 王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构进交论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅或借阅。本人授权金 胆工业盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者硌勿瘳f 9 谚翩繇 工作单位： 通讯地址： 签字日期：略午歹月l 3 日 群猕妒嗍嘲多忱 蛹：嘲寥7 0 “面 邮编： 致谢 我于1 9 9 7 年入合肥工业大学，除期间两年在社会上工作外，今转眼已过9 载。回顾过往的无数目日夜夜，这美丽的大学校同留给我多少难忘的i - 1 忆：这 罩的一草一术伴我成长；这里的每一条小路大街都留下我的足迹：这里的每一 位老师同学都带给我温暖。 研：二时在王国强老师、刘东甲老师的指导下我开始钻研学术，他们学贯中 西的渊博知识、极端严谨的治学态度、大胆求实的创新精神深刻地教育了我， 正是在他们的熏陶下，我的学术水平和研究能力得到提升，为以后的工作和研 究打f 了坚实的基础。 _ 千老师时刻关心本文的撰写工作，他指导我们完成野外工作、提供大量的 相关工程资料、经常对文中错误提出修改意见。没有他的指导和帮助，本文的 完成是不可想象的。 我今日所取得的一切进步都是王老师和母校培养的结果! 我谨向多年来在学习和生活上给予我指导和帮助的王老师和资环学院的 老师同学们表示衷心的感谢! 作者舒安鹏 2 0 0 6 年4 月1 8 订 日u舌 随着科学技术的不断进步，人类所建没的地下i ：程规模越束越大、深度越 来越深。h 前地卜矿井的，1 ：采深度超过3 0 0 0 m ，地下厂房的跨度超过5 0 m ，岩石 的钻孔深度达到1 2 0 0 0 m 。地下t 程i 卜越来越改变着我们的，1 i 活、生产的片方 面面。与此同时，地卜= 程f l 新月异的发展也给地质学和岩自力学带来各种崭 新的课题，等待着我们去探索、去攻关，从而更好地为t 程实践服务。 隧道丌挖后，从原始地下应力场变化到新的半衡应力场的过程中，岩和 支护的应力和位移不能超过危险值，这方面的研究统称为隧道稳定性i 、u j 题。为 了系统地分析和评价隧道等地卜工程的稳定性和安全性，我们必须全面地分析 和评价其各个影响冈素。 富溪隧道位于安徽省黄1 1 i 市徽州区富溪乡境内，全长6 4 9 m ，最人埋深 12 2 o m 。本文在沦述富溪隧道岩体稳定性的过程中，主要探讨了以下几个影响 因素：( 1 ) 研究区所处的区域大地构造环境和隧道区地质构造特征；( 2 ) 区域 构造应力场对隧道的影响：( 3 ) 隧道中墙地基稳定性分析：( 4 ) 隧道洞口断裂 构造密集和风化程度高对中墙地基稳定性的影响及处理。 本文在以卜- 两方面取得了一定的进展： ( 1 ) 将人们在最近3 0 年来在地应力场、构造应力场研究中所取得突破与隧道弹 塑性解析分析、计算机分析和作图相结合，以富溪隧道为例，明确论证r ：构 造应力场是地壳最表层隧道设计、施工和支护的决定性因素；隧道工程必须全 面考虑构造应力分布的巨大空间差异性给其带来的不同要求。 ( 2 ) 提出岩土稳定、破坏状态变量( 函数) ，简称稳态变量( 函数) 。用以描述 岩土体所处稳定和破坏状态的动态变化。将此变量用之于研究条形地基的稳 定、破坏。在此过程中，突破传统的条形基础承载力分析方法，通过弹性理论 解析分析并结合数值方法，用严密的数学推导分析了条形基础受力、失稳的全 过程，给出了条形基础i 临危承载力计算公式，该承载力值有着重要的实际意义。 并将研究成果用之于富溪隧道。 围岩中初始应力状态及其改变是围岩稳定和破坏的关键。2 0 世纪以来， 特别是7 0 年代以来，地质学和岩石力学学界对岩体中地应力分布规律的认识 取得了很多成就：人们普遍认识到地壳表层地应力场的多种来源中起主要作用 的是构造应力场，而不是从前所认为的那样是自重应力场：地壳表层地应力场 中，水平主应力普遍大于垂直主应力，而不是从前所认为的那样一一自重应力 场中水平向主应力普遍小于垂直向主应力故地应力也如此；自重应力场是各种 应力场中唯一能够计算的应力场，而在地壳表层起主要作用的构造应力场却无 法比较准确地计算，而且构造应力场在不同地区的变化幅度远比自重应力场的 变化幅度大，这使得地壳表层地应力场的总体变化也非常大；构造应力场是和 地壳的构造运动紧密联系存一起的，在研究其，煲化的过程h 必须和板块构造 学说等地质学其它分支紧密结合我们才能比较全卣地认识它 这些地应力场和构造应力场研究中所取得的最新成就对隧道和地f 工程 有什么指导意义? 本文以富溪隧道为例，假定它处在嚼种小同的地电力场中： 种是以现实的地应力场为基础，它既有自重戍力场义仃构造应力场；另种 是以自垂虑力场为 ，不考虑其构造应力场的影响( 假定为零) 。分别设计各 自情况下的隧道的止向、最优断面并分析其区别，从i 认清构造应力场对隧 道上程的影响。 在此基础上，笔者进步拓展思路，指出构造应力场小i 叫地区、不同深度 的巨人窄问差异性要求隧道等地下t 程的选线、设计也必须相应地具有空间差 异性，丽不能盲目地照搬某地某一深度的相关经验。并认为构造应力场的空间 差异性是决定隧道稳定性的关键因素。 此外，笔者还从地质构造形态方面分析引起构造应力场等异性的原斟。 隧道的弹塑性位移和支护与隧道稳定性有着紧密关系。f h 口前用解析方法 仅能解一般的圆巷的问题，而对实际工程中更为重要的非圆巷，多孔巷道和i 维井巷的弹塑性理论分析问题，至令还无法解决。笔者只能简单地分析构造应 力场空间差异性导致隧道的弹塑性位移的差异性，进而导致支护的差异性。 此外，隧道中墙承载力和稳定性足富溪隧道稳定问题的另一个重要问题。 前人在条形地基承载力和稳地、破坏研究巾提h 诸多思路，笔者所了解到 的主要有以f 一些：( 1 ) 散体极限平衡理论中将地基看成是一半无限体，求解 其某一段表面受力的情况f 其内部发生连续破坏、移动的闭合解，由于目前尚 无法求其通解，计算中主要是利用数值方法近似求解其极限承载力；( 2 ) 通过 理论分析和试验，假定条形地基破坏时的滑动面，再通过平衡分析求解其极限 承载力：( 3 ) 通过条形地基的弹性力学分析，计算其塑性区深度与基础宽度达 到某一比例时的基底压力，以此为地基的承载力，现行的建筑地基基础设计规 范就采用此种方法。 岩土体的稳定和破坏状态受多种因素的影响，据此笔者提出描述这种状态 动态变化的函数( 变量) 一一岩士稳定、破坏状态函数s ( m ) ( 简称稳态函数) 。 该函数是受多个自变量，包括内摩擦角、粘聚力、受力条件等决定的多元函数， 笔者将其用于研究和分析条形地基稳定的动态分析。对于该函数的系统论述， 有待于以后进一步的研究。 笔者在分析条形地基受力和稳定的过程中用到的岩土稳态函数s ( m ) 推 导自库仑抗剪强度理论。当条形基底中任一点m 的稳态函数s ( m ) = s i n 9 , 时， 该点便处于极限平衡状态。笔者通过严密的数学推导分析了条形地基中各点 s ( m ) 的变化规律，从而系统分析了地基中塑性区的延展过程，并求解出基底 塑性区成为一个完整的、连续的破坏区时所对应的基底压力，以此作为条形地 雇的临矩：承载力。该临界值对上程建设有再要的实际意义。这个研究成果为分 析京溪隧道q ，墙等条形基础的受力和破坏全过程提供了一个理论j 一具。据此笔 者求解了富溪隧道中墙地基的临危承载力，为该r 程中墙设计和施工服务。 除，以卜两个方面的进展外，笔者住沦述隧址区地质构造、大地构造演化 史、现今地应力场的过程中，结合郯庐断裂带安徽段、二- 卺纪未华北与扬f 板 块碰撞等柑关课题的最新研究成果进行综合分析，以认识该区地质情况对隧道 的影响。 此外，富溪隧道洞u 段断裂构造极为发育，且岩体风化程度强烈，地基承 载力和变形都不能满足隧道中墙的设汁要求。受铜陵一黄1j i 高速公路屯溪一汤 口段项h 办的委托，在笔者硕士生导师王1 日强教授的带领卜，笔者与周盛全l 刊 学、灭峰同学+ 起完成了富溪隧道洞l l 段岩基注浆前后的地基载荷试验和承载 力评价。 由于时州仓促及个人水平所限，文中缺点、错误在所难免，恳清学界# 家 和诸位读者多多指正。 第一章课题研究背景 随着公路、铁路等地卜i 程技术的进步，以及采矿技术的发展，人们在越 来越广阔的区域、越米越深的地下深处修建隧道。在这些4 i 同地方，隧道罔岩 的地应力人相径庭从而对隧道的设计、施t 和支护提u 1 r 完个f i 的要求 存这一章甲简单介绍。f 地应力场、构造心力场的研究动态。 1 1 岩石力学 岩石j 学是近代发展起来的门新兴学科，是门应用性和实践性很强的 应用基础学科。其应h j 范围设汁采矿、土木工程、水利t 程、铁道，公路、地 质、地震、石油，地下工程、海洋丁程等众多的与岩石工程有天的j 程流域。 它经历从1 9f i | = 纪术到2 0 世纪初的初期发展阶段，2 0 世纪初垒3 0 年代的经验 发展阶段，2 0 世纪3 0 年代全6 0 年代的经典理论阶段以及2 0 世纪6 0 年代龟 现在的现代发展阶段1 2 “。 由于矿产资源勘探开发、能源丌发、交通运输工程、城市建设和地下空问 发展的需要，岩石工程的规模越来越大，所涉及的岩石力学问题也越来越复杂， 这些都对岩石力学提出了史高的要求，使岩石力学面临许多前所未有的问题和 挑战，急需发展和提高岩石力学理论和方法的研究水半，以适应r 程实践的需 要。就目前人们对岩体的认知水平及其应用的分析手段来说，对每个具体的岩 石工程进行科学的分析，并将分析结果真正应用于指导实践的较好做法，看来 是各种方法的综合采用，它既不能因为经验的定性局限而被忽视，也不能因为 理论分析可靠性低丽完全不加以考虑。对于像岩体及赋存条件这类尚不能完全 认识清楚的错综复杂的事物来说，将经验与理论相结合的做法是符合科学的方 法论的。 传统的岩石力学分析方法，不论是理论分析还是数值方法，都是一种正向 思维或确定性思维，这是牛顿时代的思维模式，即从事物的必然性出发，根据 试验建立模型和本构关系，在特定的有限的条件f 求解。这反映在参数的研究 上就是取样、设计试验、测定、结果分析：反映在模型的研究上就是根据已有 的公理、定理或理论，再加l = ：特定条件下的假定，通过推演得到结果。现在已 经认识到，这种传统的方法不可能将错综复杂的岩石力学和工程问题的研究提 高到一个全新的高度。如同自然界的一切不确定系统一样，只有将岩体也视为 一个不确定系统，用系统思维、反向思维、全方位思维( 包括逆向思维、非逻 辑思维、发散思维甚至直觉思维) 对工程岩体的行为进行研究，j 能再复杂的 岩石力学问题的解决、提高理论和数值分析结果的可靠性和实用性方面取得新 的突破。 2 0 世纪9 0 年代初伴随思维方法的变革而提出的“不确定性系统分析方法” ，为人型岩缶i 程分析和设计提 j l 了l l i 确的方法f 2 “。用“系统”概念水表征 “岩体”可使7 佛的“复杂性”彳导到全向科学的表达。岩石或岩体r 程系统刁i 仅是冈为多闲r 、多层次组合而具有“复杂性”，向且还在丁它们大多具有很 强的“不确定性”，即模糊性和随机性。岩石和岩体工程系统的“复杂性”诬 来源于它的非线性特征。因了之间、层次之间通过丰h 互作用实王见动态耦合，这 廿! 相互作用往 足非线性的，经过相互影响和反馈，形成系统的强非线性特征。 将整个系统的非线性过稃掌握住爿能做 i j 正确的理解和捕述。这杆个自然 或人为非线性系统具有很强的动态性。它随着时1 1 r j 的推进，各种因素存变化， 系统进行“臼组织”，对各种扰动有所反应，其工柙功能有所变化。因此，它 是动态的系统。j j 有在动力学水平上研究它的动态规律，才能对它的过程做出 町靠的预测和有效的拧制。 岩石工程分析和设计的重点是对岩石工程条竹的评价，岩石工程变形、破 坏的预测，以及柏应工程措施的决策。岩石i 程和其它七小结构t 程相比，其 重要的差别在丁二岩体是天然的地质体，而 f 人j ：设训加工的，首先要认识它， 然后才能利用它。由于岩体结构及其赋存条件和赋存环境的复杂性、多变性， 并且受至q 王程施上因素的影响等，因此，不可悲在事先把它们搞得非常清楚， 其中必然存在人量认识不清，认泌小准得不确定性因素。这种内部结构或初始 状态不清楚或不完全清楚的系统，就是所谓的“黑箱”或“灰箱”问题。必须 采用“黑箱一灰箱一白箱”的研究方法，通过外部观测、试验，根据得到的信 息来研究系统的功能和特性，探索其结果和行为，使一开始不清楚或不完全清 楚的系统或事物逐渐变得清楚，即从“黑箱”逐渐变成“灰箱”，在逐渐变成 “白箱”，这样才能使最终的分析结果比较符合实际。对于岩石j 二程系统来说， 经过工程前期的勘测、试验，可以获得岩体结构、物理力学性质、工棵地质、 水文地质条件和地应力等部分资料因而把该类系统处理成“灰箱”，即“部 分已知，部分未知”的系统比较合适。采用“黑箱一灰箱一白箱”的方法，就 可以在整个岩石工程设计、旌工过程中不断相对减小黑度，增加白度，达到工 程设计和施工的逐步优化。 随着现代科学技术突飞猛进的发展，与岩石力学相关的各门学科也在不断 地飞速发展，它们带动岩石力学以一样的速度向前发展。同时，随着我国经济 建设步伐的加快，各类大型的、复杂的岩土工程，如大型水电上程( 三峡) 、 大坝、大型深部地下矿山等的不断出现，也对岩石力学提出更高的要求，并促 进了岩石力学的不断发展。许多新的理论被提出并用于工程实践。例如，小确 定性原理已被公认是指导岩石力学研究的正确理论，而这一理论足最近1 0 多 年才发展起来的；再如现代的非线性理论、系统科学理论和现代信息技术以及 数值分析、人工智能的方法，已成为岩石力学的支柱理论技术。 1 2 地应力 1 2 1 地应力测量的必要性 地应j 是存存j 二地层中的末受一 程扰动的天然应，电称奋体初始应力、 绝对应力或原岩应力。它是引起采矿、水利水电、上木建筑、铁道、公路、军 事、和其它符种地卜或露灭岩石，f 挖工程变形和破坏的根木作j j 力，是确定工 程岩体力学属性，进行同岩稳定性分析，实现岩石工程丌挖设计f n 决策科学化 的必要前提条件。 传统的岩石l ：程的开挖设计和臆= 是根据经验来进行的。当丌挖活动是在 小规模范围内和接近地衷的深度上进行的时候，经验类比的方法往 # 是有效 的。但是随着开挖规模的不断扩大和不断向深部发簇，特别是数白万吨级的大 型地下矿i i | 、大型地下电站、大坝、大断面地f 隧道、地下洞室以及高陡边坡 的 h 现，经验类比法已越来越失去其作用。根据经验进行丌挖施工往往造成各 种露天或地下工程的失稳、坍塌或破坏，使开挖作、无法进彳j ，并终常导致严 重的j 程事故，造成可t n 的人员伤r ：和财产的巨人损失。 为了对各种岩石j 二程进行科学合理的开挖设和施r ，就必须对影响下程 稳定性的各种因素进行充分调查，只有详细理解了这些工程影响嘲素，并通过 定量；r 算和分析，才能做到既经济又安全实用的丁程设计。在诸多的影响岩石 丌挖工程稳定性的因素中，地应力状态是最重要最根本的凶素之一。 如对矿山设计来说，只有掌握了具体工程区域的地应力条件，a 。能合理确 定矿山总体布臀，确定巷道和采场的最佳断面形状、断面尺寸。如根据弹性力 学理论，巷道和采场的最佳形状主要由其断面内的两个主应力的比值来确定。 为了减小巷道和采场周边的应力集中现象，它们最理想的断面形状是一个椭 圆，而这个椭圆在水平和垂直方向的两个半轴长度之比与该断面内水平主应力 和垂直主应力之比相等。在此情况下，巷道和采场周边将处于均匀等压应力状 态。这是一种最稳定的受力状态。同样在确定巷道和采场走向时，也应考虑地 应力的状态，最理想的走向是与最大主应力方向柏平行。当然，实际工程的采 场和巷道走向和断面走向还要综合考虑工程需要、经济性和其它条件柬决定。 由于各种岩石开挖体的复杂性和形状多样性，利用理论解析解的方法进行 工程稳定性的分析和计算是不可能的。但是，近2 0 年来大型电子计算机的应 用和有限元、边界元、离散元等各种数值分析方法的不断发展，使岩石工程迅 速接近其他工程领域，成为一门可以进行定量设计计算和分析的工程科学。岩 石工程的定量没计计算比其它工程要复杂的多和困难的多，其根本点在于工程 地质条件、岩体性质的不确定性以及岩石材料受力后的应力状态具有加载途径 性。岩石开挖的力学效应不仅取决于当时的应力状态，也取决于历史上的全部 应力状态。由于许多岩石工程是一个多步骤的多次开挖过程，前面的每次开挖 都对后期的开挖产生影响，施工步骤不同，开挖顺序不同，都有各自不同的最 终力学效应，既最终不列的稳定性状态。所以只有采用系统上程、数理统计理 论，通过定鼍的计算和分析，比较各种4 i 同开挖和支护方法、过程、步骤、顺 序下的应力 应变动态变化过程，采用优化设计的方法，才能确定最经济合碑 的开挖设训7 j 案。所有的汁算和分析都必须在已知地应力的前提下进彳j 二。如果 对工程区域的实际原始应力状态一无所知，那么任何计算和分析都将失去其应 自| 的真文性和实用价值。 另外，地戍力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油出油：j l ：的稳定性、 核废料储存、岩爆、媒和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也具有重要 意义。 人们以识地应力还只是近百年的事。1 9 1 2 年瑞1 + 地质学家a 海姆 ( al t e i m ) 在人型越岭隧道的施工过程中，通过脱察和分析，首次提出了地 应力的 l 【念，并假定地应力是种静水压力状态，即地壳中任点的应力在各 个乃阳上均相等，且等于单位嘲秘上覆岩层的重量，即 dh = 6 ，= y h 式中，j 。为水甲席力：盯，为垂直虑力；y 为上覆岩层容重；h 为深度。 1 9 2 6 年，苏联学者会尼克修正了海姆的静水压力假设，认为地壳中各点 的垂直应力等j ：上覆岩层的容重，而侧向应力( 水平应力) 是泊松效应的结果， 其值应为乘以个修正系数。他根据弹性力学理论，认为这个系数等一j 二l ， l v 即 旷，o - 一= 者r u 式中，v 为上覆岩层的泊松比。 同期的其他一些人主要关心的也是如何用一些数学公式来定量地计算地 应力的大小，并且也都认为地应力只与重力有关，即以垂直应力为主，他们的 不同点只在于侧压系数的不同。然而，许多地质现象，如断裂、褶皱等均表明 地壳中水平应力的存在。早在本世纪2 0 年代，我国地质学家李四光就指出： “在构造应力的作用仅影响地壳k 层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要 性远远超过垂直应力分量。” 2 0 世纪5 0 年代，哈斯特( n h a s t ) 首先在斯堪的那维亚半岛进行了地应 力测量的 + 作，发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接近水平 的，而且最大水平主应力一般为垂直应力的1 2 倍，甚至更多；在某些地表 处，测得的最大水平应力高达7 m p a 。这就从根本上动摇了地应力是静水压力 的理论和以垂直应力为主的观点。 后来的进一步研究表明，重力作用和构造运动是引起地应力的t 要原因， 其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。当前的应力状态主要 7 由最近一次的构造运动所拧制，但也与历史上的构造运动有关。由于亿办年来， 地球经历了兀数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应力场也经过了多次 的叠加、牵引和改造，另外，地席力场还受到其它多种因素的影响，因而造成 了地应力状态的复杂性和多变性。即使在同一j ：程区域，不同点地应力的状态 也可能是很- - b ：h 同的，冈此，地戍力的人小和方向小可能通过数学i 算年u 模型 分析的方法米获得。耍了解一个地【x 的地应力状态，唯一的方法就是进行地应 力测量。 产生地应力的原因足 。分复杂的，也是至今尚不1 分清楚的题。3 0 多 年的实测和理论分析表明，地应力的形成主要与地球的各种动力过程有天，其 中包括：板块边界受压、地幔热剐流、地球内应力，地心引力、地球旋转、岩 浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物 理化学变化等也可引起相应的应力场。其中，构造应力场和重力心，j 场为现今 地应力场的t 要组成部分。其r j ，重力应力为乖直方向应力，它是地壳r 1 所有各 点的垂直应力的主要组成部分，但垂直应j 一般并4 i 完全等j if 晕应力。 1 2 2 地应力分布的一些基奉规律 通过理论研究，地质调奇和人量的地应力测量资料的分析研究，已初步认 识到浅部地壳应力分布的一些基本规律1 2 “5 。 ( 1 ) 地应力是个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时问和空间的函 数。 地应力在绝人部分地区是以水甲应力为差的三向小等压应力场。三个主应 力的大小和方向是随着空间和时n q 而变化的，因而它是个非稳定的应力场。地 应力在空间i h 的变化，从小范围来看，其变化是很明显的，从某一点到相距数 1 - 米外的另点，地应力的大小和方向也可能是不同的。但就某个地区整体而 言，地应力的变化是不大的。如我国的华北地区，地应力场的主导方向为北西 到近于东西的主压应力。 在某些地震活动活跃的地区，地应力的大小和方向随时间的变化是很明显 的，在地震前，处于应力积累阶段，应力值不断升高，而地震时使集中的应力 得以释放，应力值突然大幅度下降。主应力方向在地震发生时会发牛明显改变， 在震后一段时间又会恢复到震前的状态。 ( 2 ) 实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量 对全世界实测垂直应力盯，的统计资料的分析表明，在深度为2 5 2 7 0 0 m 的范围内，盯。呈线性增长，大致相当于按平均容重7 等于2 7 k n m 3 计算出来 的重力彬。但在某些地区的测量结果有一定幅度的偏差，上述偏差除有一部 分可能归结于测量误差外，板块移动、岩浆对流和侵入、扩容、不均匀膨胀等 也都可以引起垂直应力的异常。 ( 3 ) 水平应力普遍大于垂直应力 实测资料表明，在绝大多数地区( 几乎所所自) 地区均有两个主应力位于 水平或接近水平的甲面内，其 j 水平面的夹角一般不人r3 0 。，屉大水平主 应力o - 。营遍大干垂直虑力盯，：o - h ，。与f 。只比值一般为o 5 5 5 ，在很 多情况下比值大于2 ，参见表l 一1 。如果将最大水甲主应力与最小水平卡心力 的平均值 盯 + 盯 - m l 盯岫2 厂 与盯，柏比，总结目d 口全世界地虑力实测的结果，得 5o - ，。c r 。之值一般为 0 5 5 ，0 ，大多数为o 8 1 5 ( 参见表1 1 ) ，这醴明存浅层地壳中平均水平成 力也普遍大j ：垂直应力。垂直鹰力在多数情况f 为撮小主应力，在少数情况卜 为之间主应力，只有在个别情况下为最大t 成山。这再次说明，水甲方向的构 造运动如板块移动、碰撞对地壳浅层地应力的形成起控制作用。 表1 - i 世界各国水平主应力与垂直主应力的关系 国家名称 盯 。c r ，( )盯 m a x o - y 12 中国 3 24 02 82 0 9 澳大利亚 02 27 82 9 5 加拿大 o01 0 02 5 6 美国 1 84 14 13 2 9 挪威 1 71 76 63 5 6 瑞典 oo1 0 04 9 9 南非 4 l2 43 52 5 0 前苏联 5 l2 92 04 3 0 其他地区 3 7 53 7 52 51 9 6 ( 4 ) 平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在小同地区， 变化的速度很不相同。 霍克和布朗根据相关研究成果回归出下列公式，用以表示o r 口vi o - ，随深度 变化的取值范围： 竺+ o 3 玉o - h , 土s1 5 0 _ _ 9 _ o + o 5 h 仃。 月 式【f 1 为深度，单位为m 。 研究表明，在深度不人的情况下，o - h 。，的值柏当分散。随荫深度增, o - 加，该值的变化范围逐步缩小，并向1 附近集中，这说明在地壳深部有叮能出 现静水压力状态。 ( 5 ) 最大水甲主应力和最小水平t 应力也随深度呈线性增长关系。与垂 直应力不同的是，在水平主应力线性归方程中的常数项比垂卣应力线性b q 方程中常数项的数值要大些，这反映了在某些地区近地表处仍存在显著水甲i 心 力的事实，斯蒂芬森( o s t e p h a n s s o n ) 等人根据实测结果给出_ r 芬诺斯堪的亚 占陆最大水平主应力邪最小水平丰应力随深度变化的线性方程： 最大水平 应力盯 。= 6 7 + o 0 4 4 4 h ( m p a ) 最小水平主应力吒。= o t 8 + 0 0 3 2 9 h ( m p a ) j 中为深度，单位为m ( 6 ) 最大水平主应力和最小水平 应力之值一般相差较人显乐h 很强的 方向性。盯 m 。c r h 。，一般为0 2 0 8 ，多数情况下为o 。4 o 8 ，参见表 2 2 。 表2 - 2 世界部分国家和地区两个水平主应力的比值表 实测地点统计 数目 疗 埘。o - h , m a x ( ) 1 o o7 50 7 5 o 5 00 5 0 0 2 50 2 5 0 台讨 斯堪的纳维亚等地 5 11 46 71 361 0 0 北美 2 2 22 24 62 391 0 0 【中国 2 51 25 62 481 0 0 中国华北地 1 866 12 21 1 l o o ( 7 ) 地应力的上述分布规律还会受到地形、遗表剥蚀、风化、岩体结构特 征，岩体力学性质、温度，地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影 响最大。 地形对原始地应力的影响是十分复杂的。在具有负地形的峡谷或l “区，地 形的影响在侵蚀萆准面以j 及其以下定范围内表现特别明显。一般来说，谷 底是应力集中的部位，越靠近谷底应力集中越明显。最大主应力侄谷底或河床 中心近于水平，而存两岸岸坡! 1 j 向谷底或河床倾斜，并人敛与坡面相甲行。近 地表或接近谷坡的岩体，其地应力状态和深部及周围岩体显著不同，并且没有 明显的规律性。随着深度不断增加或远离谷坡则地应力分布状态逐渐趋，。规律 化，并日显示出和k 域麻力场的一致性。 1 3 地应力测量原理和技术 前以述及，岩体应力现场测茸的目的是理解岩体巾存在的应力人小和方 向，从而为分析岩体工程的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据。岩体腌 力测量还是预报岩体欠稳破h 、以及颈报岩爆的有力工具。岩体应力测量r j j 以分 为岩体初始应力测最和地f 程应力分布测量，前者是为了测定岩体初始应力 场，厉者则是为了测定岩体开挖后引起的应力重分布状况。从岩体心力现场测 量的技术来讲，这二者并无原则区别。 原始地应力测量就是确定存在于拟开挖岩体及兑胤崮区域未受扰动的= i 维应力状态。岩体中一点的二维应力状态可由选定坐标系中的六个分量柬表 示。山六个应力分量町求得该点的三个主应力的大小和方向，这是唯。的。山 j 二地应力状态的复杂性和多变性，要比较准确地确定某一地区的地应力，就必 须进行充足数量的“点”的测量，存此基础上，才能借助数值分析和数理统计、 灰色建模、人工智能等方法，进一步描绘出该地区的令部地应力场状态。 近半个世纪以束，特别足近4 0 年来，随着地应力测量t 作的不断jf 展， 各种测量方法和测量仪器也不断发展起来，就世界范围而言，目荫各种主要测 量方法有数十钟之多，而测量仪器则有数百种之多。 对测量方弘的分类并没有统一的标准，有人根据测量手段的不同，将在实 际测量中使用过的测量方法分为五大类：构造法、变形法、电磁法、地震法、 放射性法。也有人根据测量原理的不同分为应力恢复法、应力解除法、应变恢 复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、x 射线法、重力法共八类。 但根据国内外多数人的观点，依据测量原理的不同，也可将测量方法分为 直接测量法和间接测量法两大类1 2 “j 。 直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力的量，如补偿应力、恢 复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原 岩应力值。主要有：扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法 等，其中水压致裂法月前应用最为广泛，声发射法次之。 间接测量法中，通过测量和记录岩体中某些与应力有关的问接物理量的，变 化，如岩体中的变形或应变，岩体的密度、渗透性、吸水件、电m 、电容的变 化，弹性波传播速度的变化等，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的 公式计算岩体中的应力值。套孔应力解除法和其它的应力或应变解方法以及地 球物理方法等是间接法中较常用的，其中套孔应力解除法是目前国内外最普遍 采用的发展较为成熟的一种地应力测量方法。 第二章隧址区地质构造特征 富溪隧道稳定性及其设计、旌工和该区地质构造和构造应力场紧密相关。 隧址区有断层、节理发育。自中生代以来该区发生多期构造活动，其中对今同 构造格局起决定性作用的是晚三叠世一早侏罗世的华北和扬了两大板块的碰 撞活动。该期活动中隧址区处于下扬子前陆变形地区，强烈的挤压活动导致逆 冲断层的大量发育。晚第三纪以来该区一直处于挤压活动状态，最大主应力方 向为近东西向。 2 1 隧址区地质构造 2 1 1 工程概况 黄山市地处安徽南部，东靠沥江省、南连江西省、匹邻池州市、北 接宣州市，总体位于东经1 17 。j2 1 18 6 5 3 ，北纬2 9 。2 4 3 0 。3 l ， 包括歙县、祁门县、黟县和休宁县等4 个县以及黄山风景区、徽卅i 区和 屯溪区等3 个区( 圈2 2 ) 。东西长1 6 6k m ，南北长1 2 0k m ，土地总面 积9 8 3 4 ，0 3k m 2 ，海拔一般在2 5 0 - - 1 0 0 0 m ，黄山莲花峰高达1 8 7 3 m ，是 皖南d i 区的最高峰。 铜( 陵) 一黄( 山) 高速公路屯溪至汤口段起自黄山区汤口镇山岔村，终 于黄山市五里亭，是连接“两山一湖( 黄山、九华山、太平湖) ”旅游的交通 要道，路线穿越山岭段共设9 座隧道。它是加速我省经济和旅游发展，加强安 徽省与江、浙、赣、沪等省市联系的重要交通干道( 图2 一j ) 。皖南山区地形 复杂，高速公路穿越各种地貌单元，特别是黄山汤口一歙县程坎等地段山高坡 陡，为保护黄山风景区的自然和生态环境免受破坏，高速公路都以隧道穿越。 其中富溪隧道位于黄山市徽州区富溪乡境内。于测设里程k 2 0 5 + 7 4 5 一 k 2 0 6 十3 6 5 ，进口设计高程2 6 5 3 9 米，出口设计高程为2 7 1 5 9 米。该隧道是该 高速公路上的一座双连拱隧道，全长6 2 0 m ，最大埋深1 2 2 o r 。隧道单幅设计 净宽9 8 8 m ，双幅净宽2 2 0 6 m ，净高6 8 3 m ，设计时速8 0 k m h ，设计荷载为汽 车超一2 0 、挂车一1 2 0 ，2 单向横坡，路线前进方向为1 向上纵坡，直线形隧道。 隧道轴线走向1 5 0 。，山脊走向6 3 。，二者夹角8 7 。 2 1 2 隧道围岩地层、地质构造 2 1 2 1 地层岩性 本区底层主要为中元占界( p t 。) 蓟县系丈谷运组下段变砂岩，进u 段分 布第四系滑坡堆集层( q 。“) 碎石土“。 ( 1 ) 第四系滑坡堆集层( q 。“) 碎石，青灰一黄灰色，骨架颗粒成 2 分以变砂岩为主，粒径1 0 4 o c m ，约占7 0 ，最大粒径1 8 o c m ， 磨圆度差，呈棱角一次棱角状，颗粒间隙充填有少量中粗砂及粘 性土。 ( 2 ) 中元占界蓟县系大谷运组下段变砂岩，青灰色，粉砂状变余结 构、致密块状构造，进| 段产状为3 2 5 。一一7 3 。，进l = 】段产状 为3 1 0 。一7 2 。，节理、裂隙发育。自l 而f 可分为全、强、 弱、微风化层，进出口段为强一弱风化岩层，涧身段为微风化岩 层。 2 1 2 2 地质构造1 1 0 0 m3 0 0 r n ii囫等勰 匾固粮隙固一代匹 剃困正冁 图2 1 隧址区地质平面图( 据文献i l l l 简化) 1 0 02 0 0 m 匠劢一固一固一圈磷层 图2 2 隧址区地质剖面图( 据文献1 1 1 1 简化) ( 1 ) 褶皱 隧址区大地构造形态上属于下扬子地区江南隆起带，次级构造为黄山褶皱