高地应力.docx
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高地应力
浅谈高地应力地区的几个常见问题
DiscussiononAFewProblemsintheAreaswithHighGroundStress
学生姓名
指导教师
摘要
通过对地应力级别的判别与影响因素分析，岩爆预测方法与防治控制措施，洞室各种硬度岩体的大变形问题的弹塑原理与控制机理等使用一些基本理论来进行分析，高地应力条件下各种大变形问题的弹塑性理论原理和蠕变破坏理论的分析，探讨工程措施的基本原理与基本处理方法，并总结了几种关键的处理方法，对高地应力区域工程设计与施工提供参考。
关键词：
地下洞室；高地应力；岩爆；大变形；弹塑性理论；蠕变破坏理论；施工
Abstract
Thispaperanalyzesthefactorsthatdeterminemagnitudeofin—situstressandItsinfluence，therockburstpredictionmethodanditspreventionandcontrolmeasure，elastoplasticitycausingprincipleandcontrolmechanismoflargedeformationofrockmasswithvarioushardness，theoryandprincipleofelastoplasticityandcreepagefailureofvariouslargerockmassduetodeformationunderhighin—situstressbyusingthebasictheoriesbasedonthehighin—situstressoccurringinconstruction.Thepaperalsoprobesintobothbasicprinciplesengineeringmeasuresandbasictreatmentmethodsandfinallysummarizesnumberofkeytreatmentmethods，whichgiveareferencetobothdesignandconstructionofanundergroundchamberclocatedinthezonewithhighin—situstress．
Keywords：
undergroundchamber；highin—situstress；reckburst；largedeformation；elastoplastictheory；creepagefailuretheory；construction
目录
摘要
Abstract
第一章引言-1-
第二章地应力级别的判别与影响因素-1-
第三章高地应力岩爆问题及其防治-3-
3.1岩爆问题及研究现状-3-
3.2岩爆烈度分级及其预测方法-4-
3.2.1岩石力学室内试验与分析预测-4-
3.2.2现场测试预测预报-5-
3.2.3多因素综合评判预测-5-
3.3岩爆安全防护与防治工程措施-6-
3.3.1岩爆安全防控措施-6-
3.3.2岩爆防治工程措施-7-
第四章大变形问题及原理与控制机理-8-
4.1弹塑性理论-8-
4.2蠕变破坏理论-9-
4.3大变形的控制基本原理-10-
4.4大变形防治措施-11-
第五章结束语-12-
参考文献-13-
第一章引言
近年来，随着世界经济的发展，公路、铁路隧道等地下工程因交通行业的需要而迅速发展，其“长、大、深、群”的特点日趋明显，而它们所处的地质条件等则往往易于形成高地应力现象，并经常引发岩爆，大变形等严重的相关施工地质灾害问题。
所以高地应力与岩爆以及大变形对地下工程围岩稳定性的影响问题，已成为世界性的地下工程难题之一，已引起世界岩土力学和工程界的广泛重视。
本文简单的介绍一下地区高地应力的现状以及其引起的问题，着重讲述这些问题的危害和防治，为大家提供一个常识的参考。
第二章地应力级别的判别与影响因素
地应力主要指自重应力和构造应力组合，前者沿竖直方向，后者大多呈水平方向。
岩体高地应力问题是工程岩体安全的主导影响因素，国内外对于如何界定高地应力和低地应力，还没有一个统一的标准，常用的有2种定量判别方法。
1）以地应力的绝对大小划分，认为最大主应力达到20一30MPa时，就可以认为岩体处在高地应力状态。
2）利用岩石单轴抗压强度（Rb）和最大主应力（
）的比值Rb/
（岩石强度应力比）来划分地应力的级别。
但不同国家对地应力的高低界定值却有很大的差别，部分外国分级方案见
表1。
我国GB50218—94工程岩体分级标准，规定按表2判别。
表1不同国家对地应力分级准则（Rb/
）表
国家
低地应力
中地应力
高地应力
法国隧协
>4
2--4
<2
日本应用地质协会
>4
2--4
<2
苏联锁巴斯矿区
>4
2--4
<2.2
国我国陶振宇教授（1983）对高地应力给出了一个定性的规定：
所谓高地应力是指其初始应力状态，特别是它们的水平初始应力分量，大大地超过其上覆岩层的岩体重量。
这一定性规定强调了水平地应力的作用。
天津大学薛玺成等（1987）建议用下式来划分地应力量级：
式中
——实测地应力的主应力之和；
——相应测点的自重应力主应力之和；
——比值。
显然，表2中薛玺成等人的地应力分级方案在物理概念上与陶振宇教授的高地应力定性规定并无本质区别。
表2地应力分级方案（薜玺成等1987）
地应力级别
一般地应力
较高地应力
高地应力
n
1～1．5
0．5～2
>2
说明
n=1为纯自重应力场
在应力场中有30％一50％是构地应力值是造应力产生的，其余为重力应力场
50％以上的地应力值是由构造应力产生的
姚宝魁、张承娟（1985）认为，陶振宇等人的分级、评价方法没有考虑岩体的变形和稳定条件，因而在工程建设实践中没有实用价值；他们认为，应从工程岩体的变形破坏特性出发，来考虑地应力对不同岩体的影响程度，建议以下式作为判断高地应力的标准：
≥（0．15～0．20）Rb
实际上，上式继承了Barton等人（1974）Q系统分类指标的物理概念。
我国建设部、国家技术监督局1994年联合发布的《岩土工程勘察规范》（GB5002l一94）附录2中也采用岩石强度应力比（Rb／
）来划分高地应力级别，这是迄今为止可以参照的我国最具权威性的规范标准，它规定：
Rb／
=4～7为高地应力，Rb／
<4为极高地应力。
显见，我国的这一规定中高地应力的含义与表1中的国外部分国家地应力分级方案有很大出入，这反映出不同国家对高地应力的定义是很悬殊的。
实际上，我们认为，高地应力是一个相对的概念，并且它与岩体所经受的应力历史和岩体强度、岩石弹性模量等诸多因素有关。
中科院孙广忠教授（1993）就曾指出：
强烈构造作用地区，地应力与岩体强度有关；轻缓构造作用地区，岩体内储存的地应力大小与岩石弹性模量直接有关，即弹性模量大的岩体内地应力高、弹性模量小的岩体内地应力低。
孙广忠教授还提出了高地应力地区的6大地质判断标志（表3），表3中同时还列出了低地应力地区的一些地质判断标志，以便对比分析。
表3高、低地应力地区的地质标志
高地应力地区的地质标志
低地应力地区的地质标志
1围岩产生岩爆、剥离现象1围岩松动、塌方、掉块
2围岩收敛变形大2围岩渗水
3软弱夹层挤出3岩体节理中有夹泥
4钻孔出现饼状岩芯4岩脉内岩块松动，强风化
5开挖无渗水现象5断层或节理中有次生矿
6开挖过程有瓦斯突出
1围岩松动、塌方、掉块
2围岩收敛变形大2围岩渗水
3软弱夹层挤出3岩体节理中有夹泥
4钻孔出现饼状岩芯4岩脉内岩块松动，强风化
5开挖无渗水现象5断层或节理中有次生矿
6开挖过程有瓦斯突出物晶族、孔洞等
地应力高低及其危害的影响因素众多，以上的几种判别方式中主要常用的是强度应力比（Rb/
），岩体岩性，岩体特性、地质构造因素，岩石弹性模量等因素，只有结合工程区的各种因素综合判别，才能相对准确地判别高、低地应力问题，才能有针对性地采取相应的防控措施。
第三章高地应力岩爆问题及其防治
3.1岩爆问题及研究现状
岩爆是高地应力条件下隧道开挖后来不及作初期支护或初期支护加固强度不够的情况下所发生的围岩失稳现象，一般二次衬砌完成后，较少再有岩爆现象发生。
岩爆就其破坏机制而言，是一种开挖卸荷条件下高地应力区地下洞室岩体自身积蓄的大量弹性应变能突然猛烈释放所造成的拉张脆性或张、剪胎眭并存的急剧破裂或爆裂破坏灾害现象。
爆裂破坏所造成的岩块（片）则可以爆裂松脱、爆裂剥离、爆裂弹射或抛掷等不同方式脱离母岩体，进而直接威胁施工人员、设备的安全，增大超挖和落石的处理，增加支护工程量，直接影响工程进度和造价。
发生岩爆时的主要特征可以归纳为以下7点：
（1）围岩坚硬、质脆，岩爆岩石单轴抗压强度Rb大于50MPa。
（2）岩爆活动既不发生在非常完整的岩体中，也不发生在节理很发育的Ⅱ、Ⅲ类围岩中，主要发生在Ⅳ、V类围岩中，具有明显的岩体结构效应。
（3）岩爆洞段岩体表面较为干燥，有地下水存在或断裂部位不发生岩爆。
（4）掘进过程中，掌子面至3倍洞径范围内岩爆活动一般较为频繁，且多发生在断面周边不园顺处及壁面凹凸不平处等洞室周壁应力易集中部位。
距掌子面3倍洞径之外的范围，岩爆则逐渐减少。
（5）岩爆洞段的埋深可大可小，埋深不是判定岩爆发生与否的重要依据。
例如，秦岭隧道埋深77m就有2次岩爆发生。
（6）岩爆发生的时间迟早不一，有的开挖爆破稍后随即就会发生，有的则要滞后若干时日或一个多月才会发生。
（7）岩爆随时间的延续有向深部累进性发展的特征，因而岩爆地段应及时采取合理有效的喷锚初期支护措施，否则后患无穷。
3.2岩爆烈度分级及其预测方法
工程实践中为便于实际操作，国内外学者大多将岩爆烈度划分为轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆3级，并主要采用洞壁围岩切向应力
与其单轴抗压强度Rb之比值
／Rb作为岩爆判据。
／Rb≤o．3，一般不会发生岩爆；o．3<
／Rb<0．7，会发生轻微岩爆；0．7≤
／Rb<0．9，会发生中等岩爆；
／Rb≥o．9，会发生强烈岩爆。
高地力力区不一定都会发生岩爆，根据不同的岩体特性，地应力高低，强度应力比（Rb/
），开挖支护方法，会产生不同的结果，但高地应力区都有潜在的岩爆可能，只是发生方式不同。
～般高强度岩体会发生岩爆，中低强度岩体则发生大变形，岩爆破是高地应力条件下，岩体应力突然解除时，岩体应力场失去平衡引发的自动断裂，甚至会被弹起，并伴有断裂声等应力一应变全过程曲线异常现象。
3.2.1岩石力学室内试验与分析预测
高地应力区岩爆洞段施工过程中的预测预报研究工作非常重要。
目前受诸多条件的限制，国内外对岩爆预测预报的主要方法主要有以下几种：
（1）利用某些特殊地质现象进行的宏观超前预报法
这些特殊的地质现象诸如：
钻孔岩芯饼裂现象；探洞现场大剪试验或表面应力解除时，岩体四周被解除后，底部会自动断裂甚至会被弹起；岩石应力——应变全过程试验曲线异常等等。
这些现象均预示着其岩体具有较高的地应力，可以帮助我们判断岩爆是否会发生。
例如，日本Kan--Etsu公路隧道在施工过程中，超前水平钻孔中所发现的岩芯饼裂区就与开挖后的岩爆区完全一致，这为及时采取预防措施、保障该隧道施工安全提供了重要的依据。
日本京大学斋腾教授等人曾在一个隧道导洞中分别从岩爆发生与不发生地段取样，并在单轴压缩、环向应变控制试验条件下进行应力——应变全过程试验，结果表明：
发生岩爆地段的岩石峰值后变形阶段会出现非稳定破裂传播的Ⅱ型破坏曲线，不发生岩爆地段的岩石峰值后变形阶段则会出现稳定破裂传播的工型破坏曲线；据此他们认为，岩石试验的破坏类型也可以为岩爆预测预报提供科学依据。
（2）
／Rb判据预报法:
1974年，挪威学者拉森斯就应用有限元计算和Kirsch方程：
，来求得各处洞壁围岩的最大切向应力
，利用
及其岩样的点荷载强度
值，他绘制出岩爆烈度与洞壁围岩
和
的关系图，用于预测岩爆和判定岩爆等级。
拉森斯法在北欧曾得到良好的应用，其优点是可以利用电算成果来确定
，而岩石点荷载强度试验在现场是很容易进行测试的。
（3）岩爆倾向性指数（
）测试预报法
岩石中积蓄弹性应变能的能力是岩爆发生的内部主要因素。
为此，波兰学者Kidybinski曾提出，单轴抗压强度试验时，先将岩石试件加载到（0．7～0．8）Rb，然后再卸载到0．05Rb，卸载所释放的弹性应变能（
）和耗损的弹性应变能（
）之比值
／
，定义为岩爆倾向性指数（
）．，用于判断和预测岩爆。
根据波兰国家标准：
≥5．O，将发生严重岩爆：
=2．0～4．9，将发生中、低烈度岩爆；
<2．0，则不会发生岩爆。
3.2.2现场测试预测预报
（1）声发射现场监测顶报。
根据李强和Langstaff资料，无论是室内试验，还是现场初步监测结果，结果都表明：
声发射信号急剧增加都超前岩体（石）的变形破坏，根据这一特点，可以将岩体声发射技术推广应用到岩爆监测预报中去。
目前，该方法尚处于试验研究阶段。
（2）煤（岩）体电磁辐射监测预报。
这一方法是依据完整煤（岩石）压缩变形破坏过程中，弹性范围内不产生电磁辐射，峰值强度附近时电磁辐射最强烈，软化后又无电磁辐射的原理，采用特制的仪器，现场监测煤（岩）体变形破裂过程中发出的电磁辐射“脉冲”信号，通过数据处理和分析研究，来预报煤（岩）爆。
这一方法首先由俄罗斯学者提出，我国王来贵等人也在开展具体应用研究工作，目前该方法主要应用在煤爆监测预报领域。
3.2.3多因素综合评判预测
（1）岩爆临界深度预报法
这一方法为我国侯发亮教授在1989年所提出。
他认为，岩爆虽然多发生在水平构造应力较大的地区，但如果洞室埋深较大时，即使没有构造应力的作用，由于上覆岩体效应，洞室也可能会发生岩爆。
根据弹性力学求解，侯教授推导出仅考虑上覆岩体自重情况下岩爆发生临界深度H。
的计算公式：
式中
--岩石泊松比；
--岩石容重。
（2）模糊数学综合评判预测。
谭以安、王元汉等（1998）认为，岩爆是受多种因素制约的模糊问题，其内在联系很难用一个精确的数学公式加以表达；因此，可以采用模糊数学综合评判方法，选取影响岩爆的一些因素（诸如地应力大小、岩石抗压和抗拉强度、岩石弹性能量指数、岩体结构与水文地质特征等），对岩爆的发生与否及其烈度级别进行预测。
（3）特殊的地质现象：
钻孔岩芯饼裂现象；现场大剪试验或表面应力解除时，岩体四周被解除后，底部会自动断裂，甚至会被弹起，并伴有断裂声等；应力一应变全过程曲线。
异常等。
这些现象多预示着该区岩体具有较高的地应力，可以帮助判断岩爆是否会发生。
日本京都大学斋滕教授等人也曾在一个隧道导洞中分别从岩爆发生与不发生地段取样，在单轴压缩、环向应变控制试验条件下进行的应力一应变全过程实验结果表明，发生岩爆地段的岩石峰值后变形阶段往往出现非稳定破裂传播型破坏（Ⅱ型破坏），不发生岩爆地段的岩石峰值后变形阶段则往往出现稳定破裂传播型破坏（I型破坏）；籍此他们认为，岩石的破坏类型可以为岩爆预测提供依据。
3.3岩爆安全防护与防治工程措施
3.3.1岩爆安全防控措施
岩爆的是应力释放过程中，释放列度大小和释放时间来决定，对于可发生岩爆地区，是一个潜在的危险，对工程安全、施工设备与人员的安全构成巨大的威胁，是高地应力地区的主要危害因素，倍受国内外学者、工程师的关注，但到目前为止没有一套切实可行的防控办法，以下介绍笔者在工程施工中总结的几种防控的方法。
（1）时间分期控制法。
这个控制法的要点是根据施工及应力释放过程中过程各个阶段分别采取的不同措施来防控，概括起来是“开挖前超前释放与超前支护结合，开挖后由浅至深的分层适时支护相结合，中后期释放岩体二次加固加以稳定。
第一步，开挖前超前释放与超前支护结合是采用爆破或其它方式，对未开挖的区域进行超前应力释放，可释放30～50％的应力，对于小洞室可采取超前爆破释放孑L的方式，但要注意的问题是必须保证超前爆破释所造成的松动深度不宜过大，一般不大于永久开挖面外2m左右；对于大洞室分层分区开挖的，可采用预裂爆破的方式破释。
对于强岩爆地区，采用超前预报技术能预报的区域还可以采用超前锚杆，超前树脂锚杆或超前纤维锚杆等进行超前支护，以保证爆破应力释放时发生强岩爆。
第二步，开挖后由浅至深的分层适时支护相结合，开挖后根据应力释放情况，一方面要让应力有控制地释放，让应力释放可控，也就是允许变形，另一方面要根据释放情况进行控制，防止不受支护的控制而再次发生岩爆，也就是变形要有一个相对量化的范围，不能超出控制范围。
一般来说开挖后及时完成岩面的钢纤维喷射砼封闭，然后及时进行浅锚杆支护，根据应力调整及释放的时间一变形关系线可以作出支护时间，等锚杆应力或变形到一定量级后，再进行长锚杆或锚索的支护。
第三步，中后期释放岩体二次加固加以稳定是针对大洞室，大变形或松动圈过大的区域，采取对松动圈补强灌浆等方式再次提高松动岩体的自身承载能力，来达到应力场调整的平衡，并防止松动圈大于锚固深度。
上述防控方法在锦屏二级水电站引水洞及辅助交通洞中得到试验，结果有一定的效果，但是由于预报技术仍然达不到要求，以及进度与支护之间的矛盾，没有完全的得到有效运用。
（2）空间分区控制法。
对于大型地下洞室而言，一般不宜建在强岩爆地区，但是高地应力区仍然会建设大型地下洞室，在复杂地质条件下，应力场局部应力高度集中，应力场二次调整后仍然还是会出现岩岩爆条件，所以还需要不得进行防控。
空间分区控制法的要点概括起来是“化整为零，分区释放，分区稳固与总体稳固相结合”。
于对大型地下洞室，由于设备与条件限制，一般采取分层分区开挖支护结合的方式进行施工，实际上也就是分层分区开挖支护过程把应力在不知不觉中逐步释放完成，并完成支护及加固的过程。
这一过程中要注意的是分区稳定与总体稳定的关系，对于分区稳定主要是针对局部岩爆的控制问题，可采用时间分期控制法来解决，但是对于大洞室区域性的稳定安全问题非常复杂，因为影响因素众多，一般要采用三维有限元进行开挖支护的全过程进行模拟分析，才能进行有效的控制。
对于大型地下洞室而言，支护一般采用表面、浅层、中层、深层支护相结合的方式，但对于浅表层只是控制局部稳定，而中、深层支护要保证整个洞室的稳定，因而支护时间、支护强度与应力调整变形之间的关系要必须认真研究，充分预留变形余地，保证支护材料的安全。
（3）结构空间优化法。
对于地下工程而言，圆形结构的是受力最好的结构形式，但是对于第一主应力与第二、三主应力间的差值会有一定的差别，在设计中需认真进行模拟研究后确定结构形式，对于工程安全与施工安全至关重要，应尽量避免最不利结构与布置的出现。
3.3.2岩爆防治工程措施
为了预防岩爆发生，工程选址时就首先应当尽量避开易发生岩爆的高地应力集中地区；实在难于避开时，也应尽量使洞轴线与最大主应力q方向平行布置，以减小应力集中系数，防止岩爆或尽可能降低岩爆烈度级别。
目前，地下工程具体施工过程中的岩爆防治措施主要有以下3大类：
（1）改善围岩物理力学性能
如在掌子面和洞壁喷撒水，一定程度上可以降低表层围岩的强度（煤炭科学研究院，1985）。
采用超前钻孔向岩体高压均匀注水，可以通过以下3个方面的作用来防治岩爆：
一是可以提前释放弹性应变能并将最大切向应力向围岩深部转移；二是高压注水的楔劈作用可以软化、降低岩体的强度；三是高压注水可产生新的张裂隙并使原有裂隙继续扩展，从而可降低岩体储存弹性应变能的能力。
（2）改善围岩应力条件
根据挪威赫古拉公路隧道和我国318国道二郎山隧道等工程施工实践经验，岩爆地段宜短进尺掘进，减小药量，特别要控制好光爆效果，以减少围岩表层应力集中现象。
轻微、中等岩爆段尽可能采用全断面一次开挖成型的施工方法，以减少对围岩的扰动。
强烈岩爆地段必要时也可以采用上下台阶法开挖，以降低岩爆破坏程度，但在施工中应尽量减少爆破振动触发连锁性岩爆的可能性；可以采用超前钻孔、松动爆破等方法，使岩体应力降低，能量在开挖前释放。
（3）加固围岩
国内外对开挖后不同岩爆烈度的围岩，一般分别采取不同的加固处理措施。
例如，对轻微、中等岩爆段初期支护中，一般锚杆
22mm，L=1.5～2.5m，@1～1.2m，梅花型布置；洞壁喷10～15cm混凝土或钢纤维混凝土，挂钢筋网（
6～8mm，@15
15cm）。
第四章大变形问题及原理与控制机理
大变形问题对工程的安全与经济带来很大的影响，特别是安全方面，前面提到的强度应力比（Rb/
），在相同的强度应力比条件下，高强度岩体会发生岩爆，中低强度岩体则发生大变形，主要出现的特征就是变形大和变形的时效性，也就是“发散快、收敛慢、开挖与变形的关系不明显”。
下面从两种理论来分析大变形的原因：
4.1弹塑性理论
弹塑性理论一般用于中硬岩与硬岩，这类岩体在高地应力作用下除发生岩爆外，还发生变形。
根据岩石的弹塑性理论的屈服准则，表示在复杂应力条件下，材料进入初始屈服的条件。
目前，岩土介质的常用屈服条件大致有特雷斯卡（Tresea）屈服准则、米塞斯（Mises）屈服准则、摩尔一库仑（Mo．hr---Coulomb）屈服准则和德鲁克一普拉格（DrukerPrager）屈服准则，这一理论把岩体破坏过程分弹性阶段，塑性阶段，屈服阶段与破坏阶段，根据洞室围岩形态由深到表面为了下面的表述分为弹性区，弹塑性、塑性区、初始屈服区和完全屈服破坏区。
下面从弹塑理论方面来介绍大变形原因分析：
弱塑性理论所针对的一般是中等硬度以上的岩体，这类岩体在高地应力作用下除发生岩爆外，还发生变形，但这种变形小于软岩所发生的变形量，当然还和岩体的强度应力比有关，当强度应力比大，塑性区很小；当强度应力比小于2或更小时，变形大，塑性区大，还会出现初始屈服区和完全屈服破坏区。
在洞室开挖后，变形岩体在高地应力的初始条件下，由于洞室开挖后，三向应力解中有部分应力解除，应力场发生调整，偏转，
与
，
间的差值加大，引发的弹塑性变化过程引起的变形。
开挖完成后浅表应力加大，进入塑性区，由于达到塑性阶段，引发塑性变形，岩体的整体强度降低，应力向深层传递，塑性区加深，局部出现屈服和破坏区，在应力不断向深部传递直到达到应力场的平衡，这一过程中由于弹性变形加塑性性和屈服区的“剪胀膨胀”引发岩体增加，从而在岩体从浅至深发生变形，由于只有开挖面为自由面，变形就向开挖面发生，开挖面的净空断面变小，发生了变形。
4.2蠕变破坏理论
这种理论主要用于软岩地区，但有学者认为在较低的强度应力比条件下，大洞室开挖支护过程中这种理论仍然成立，主要取
与
，
间的差值。
岩石蠕变通常分为三个阶段，即减速蠕变段，稳态蠕变段和加速蠕变段，其中第三阶段蠕变对岩石工程的稳定性起着主导性作用。
以下就用蠕变破坏理论分别就中硬性与软岩的蠕变破坏变形作介绍：
（1）中硬岩的岩石碎裂化的时间效应问题。
洞室开挖瞬间假设首先在巷道周围依次出现塑性区和弹性区，已有的解表明在弹性区与塑性区交界处出现了峰值应力区。
峰值应力区的岩体处于较大的切向应力和较小的径向应力的压缩状态下。
支撑压力区的岩体相当处于较小围压和较
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