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地应力在隧道中的应用

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存在于地壳岩体内的自然应力统称为地应力。从工程应用出发,地应力可分为两大类:第一类为初始应力,指岩体未经人工开挖和扰动之前的天然应力状态,亦称天然应力,其主要成因是自重作用、构造作用、地温作用、地球自转作用;第二类为次生应力,指由于地表或地下开挖、加荷或减荷引起初始应力发生改变所产生的应力,它可使围岩形成回弹区和松动圈并发生形变。地应力的特征表现为:地应力随深度的分布与地应力场形成的过程,特别是与构造作用和剥蚀作用有关,在不同的地应力带内其分布规律不同。一般认为:

1.地表浅处存在着一个卸荷地应力带。这个带的地应力受自重作用控制,属低地应力区,在工程上最易产生塌方、涌水问题。这个带有的地方比较厚,达百米以上,有的比较薄,接近地表,深度仅一二十米。

2.卸荷带向下是构造剥蚀残余地应力带。这个带内的地应力由于剥蚀卸荷作用,残留的水平地应力常大于岩体强度所能承载的水平阈值,属高地应力区,工程上易出现岩爆等地质灾害。

3.在构造剥蚀残余地应力带下面是以自重为主的正常地应力带,在这个带内垂直地应力大于水平地应力。在地壳深部,岩石处于塑性状态,地应力的三个分量接近于等值,地应力接近于静水压力状态。

4.地应力受地形、地貌因素影响较大。一般负地形底部地应力呈集中状态,而正地形的地应力状态是分散的;河谷区最大主应力方向与河谷垂直,山坡上最大主应力沿山脊方向。在相对平坦地区,应力方向的影响深度可到河床底面;高地应力集中在山坡坡脚附近的地形转折部位;浅部水平应力受近山地形干扰,深部水平应力受远场地貌影响。

对铁路工程来说,受地应力影响最大的是越岭段的深埋长隧道工程。在具体的设计中,对地应力测试成果的应用,主要应着眼于以下四个方面:

1.做好长隧道位置的方案选择

在可研和初测方案比选阶段,应查明现今区域地应力场的分布及特征和现今构造活动性,开展区域稳定性评价,在方案比选中尽量避开或远离现今地应力集中地段,将长隧道选址在地应力值变化不大、相对稳定的“安全岛”地段。

2.做好长隧道洞轴方向的选择

铁路越岭深埋长隧道的走向,应主要结合工程通过地区的实际应力状态,按以下原则确定:地下洞室围岩的稳定性主要取决于垂直于洞轴方向的水平应力与垂直应力的比值及二者的绝对值大小。当水平应力大于垂直应力时,洞室的长轴应选在最大水平主应力方向上;当垂直应力大于水平应力时,洞室的长轴则应选在最小水平主应力方向上。

当然隧道轴向的选择除根据地应力条件外,还应兼顾断裂的产状和活动性等工程地质、水文地质条件,以及施工条件和工程规模大小统筹考虑。

3.做好长隧道断面形式的选择

在长隧道洞轴方向确定后,根据实测的地应力状态,可模拟或计算不同断面形式下围岩的应力分布特征,从中选择整体形状与地应力的三个分量的比值相匹配、安全稳定的断面形式。

4.拟定合理的施工程序

根据选定的洞室断面形式,通过模拟或计算,可以明确地应力的集中部位,进而确定工程的危险部位。通过地应力监测,掌握地应力随时间的变化规律,就可拟定合理的施工程序,及时开展隧道安全的预测预报,预判并防控岩爆和瓦斯突出等工程病害的发生与发展。



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