主讲:谭忠盛王秀英第三部分隧道设计基础一、初始地应力场及其评价1、重力应力场设围岩是线性变形介质，在xy平面内是均质的,沿y轴方向是非均质的。设E、μ分别为沿垂直方向的弹性模量和泊松比,E1、μ1为沿水平方向的弹性模量和泊松比，因围岩的变形性质沿深度而变,故可定:E=E(y)，μ=μ(y)、E1=E1(y)、μ1=μ1(y)，单位体积重量也认为是沿深度而变，即γ=γ(y)。距表面h深处一点的应力状态可表示为：σy=∫0hγ(y)dyσx=σx(y)σz=σz(y)τxy=τxz=τyzσx=σz=μ/1-μσy当垂直应力已知时,水平应力的大小决定于围岩的泊松比。大多数围岩的泊松比变化在0.15~0.35左右。围岩的初始地应力场是随深度而变的,其应力状态可视围岩的不同,分别处在弹性的、隐塑性的及流动的三种状态。围岩的隐塑性状态在坚硬围岩中约在距地面10km以下,也有可能在浅处产生,如在岩石临界强度低〈如泥岩等〉的地段。通常情况下,在隧道所涉及的范围内,都可视初应力场为弹性的,这一点亦可由部分量测资科所证实。由于地壳运动的结果,岩层会产生各种变态,如变成各种倾斜状的、弯曲的等等。在这种情况下,围岩的初始地应力场也有所变化。如垂直成层岩石,由于各层的物理力学性质不同,在同一水平面上的应力分布可能是不同的;又如背斜情况,由于岩层成拱状分布,使上覆岩层重量向两翼传递,而直接处在背斜轴下面的岩层则受到较小的应力;在被断层分割的楔形岩块情况中,也可观察到类似情况。下窄上宽的楔形围岩移动时,受到两倒岩块的夹制，因而使应力减小、反之,下宽上窄的岩块,则受到附加荷载的作用。埋深较小时地表起伏较大情况影响也不能忽略。2、构造应力地质力学认为：地壳各处发生的一切构造变形与破裂都是地应力作用的结果。因而地质力学就把构造体系和构造形式在形成过程中的应力状态称之为构造应力场,它是动态的。由于构造应力场的不确定性,很难用函数形式表达。它在整个初始地应力场中的作用只能通过某些量测数据加以分析。（1）地质构造形态不仅改变了重力应力场,而且除以各种构造形态获得释放外，还以各种形式积蓄在围岩内,这种残余构造应力将对隧道工程产生重大影响。（2）构造应力场在不深的地方已普遍存在,而且最大构造应力的方向,多近似为水平,其值常常大于重力应力场中的水平应力分量,甚至也大于垂直应力分量,这与重力应力场有很大不同。陶恩隧道的初始地应力场南非测定垂直应力与水平应力比值随深度的变化（3）构造应力场很不均匀,它的参数无论在空间上、时间上都有很大变化,特别是主应力轴的方向和绝对值变化很大。3、初始地应力场的评价围岩强度比的定义是：围岩内部的最大地应力值与围岩强度的比值。围岩强度比：Gn＝Rb/σmax，式中σmax：围岩内最大地应力值；Rb：围岩抗压强度值。（1）地应力场性质的判定指标初始地应力场究竟属于一般地应力场，还是高地应力场，可以用围岩强度比加以初步判定。一定不要误解，初始地应力大，就是高地应力场。围岩强度比Gn分级标准（2）判定土压性质的指标日本仲野采用围岩强度比作为是否产生塑性地压的指标。Barton的围岩强度比分级日本围岩分级中的围岩强度比基准我国初始地应力场的修正二、毛洞的围岩力学状态σr＝σy/2[(1－α2)(1＋λ)＋(1－4α2＋3α4)(1－λ)cos2φ]σt=σy/2[(1+α2)(1＋λ)-(1＋3α4)(1－λ)cos2φ]τrt=σy/2(1-λ)(1+2α2-3α4)sin2φ式中α=a/r,当r=a时，表示在坑道周边上。（1）坑道周边应力状态的规律：当r=a时，上式变成：σr=0σt=σy〔(1-2cosφ)+(1+2cos2φ)〕认识到以下几点对设计随极为重要：1）λ=0，即只有初始垂直应力时，拱顶出现最大切向拉应力，并分布在拱顶一定范围内。拱顶处的最大拉应力σt等于σt=－σy，相当于初始垂直应力值。拱顶受拉范围约出现在与垂直轴左右各30°的范围内，这说明拱顶范围可能产生掉块。2）随着λ的增加,拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减少。当λ=1/3时,拱顶切向拉应力等于0。大于1/3后,整个坑道周边的切向应力皆为压应力。这说明,λ在0~1/3之间时,坑道拱顶〈拱底〉范围是受拉的。由于岩石的抗拉强度较弱,当切向拉应力超过其抗拉强度时,拱顶可能发生局部掉块和落石,但不会造成整个坑道的破坏。3）在侧壁范围内,λ值变化在0~1.0之间时,周边切向应力总是压应力,而且总比拱顶范围的应力值大。这说明,侧璧处在较大的应力状态下。例如当λ=0时，侧璧中点（φ=90°）的最大压力等于3σy。随着λ值的增大，侧壁中点的压应力逐渐减小，当λ=1时,其值变成σt=2σy。侧壁处在较大的压应力作用下是造成侧壁