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。
Rb/σmax <4
高地应力场
硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁围岩有剥离和 掉块现象，新生裂缝较多．成洞性较差，基坑时有剥离 现象，成形性—般尚好。软质岩：岩芯时有饼化现象。 开挖工程中洞壁岩位移显著，持续时间较长，成洞性差， 基坑有隆起现象，成形性较差。
4～7
（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。
（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，
不同围岩强度比开挖中出现的现象
围岩强度比 土压特性
>4 不产生塑性地压
2～4
<2
有时产生塑性地压 多产生塑性地压
（3）作为围岩分级的重要参考指标 在Barton的围岩分级中把围岩强度比作为重要指标。
在日本道路公团的 隧道围岩分级中，也把围岩强度比作为 中硬岩、软岩及土砂围岩分级的一个重要参考指标考虑。
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。因为，有时初始地应力场虽然大，其围 岩强度比却不一定高。
围岩强度比Gn分级标准
极高地应力
高地应力
法国隧协
<2
2～4
我国工程围岩分级标准
<4
4～7
日本新奥法指南(1996年)
<2
4～6
日本仲野分级
<2
2～4
一般地应力 >4 >7 >6 >4
隧道工程设计与施工
主讲: 谭忠盛 北京交大隧道系
第三部分 隧道设计基础
一、初始地应力场及其评价
正确掌握和了解地质环境对隧道工程力学行为的作用和影响 是合理地进行隧道工程设计的前提和基础。
围岩初始地应力场,一般受到两类因素的影响: 第一类：重力、温度、围岩物理力学性质、构造、地形等经 常性的因素。 第二类：地壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性 的或局部性的因素。 初始地应力场由两种力系构成:
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。
在我国铁路隧道的围岩分级中没有考虑这个因素的影响。一 些研究指出：如果在预设计中获得围岩强度比的指标，可以 按 表中进行围岩级别的修正。
Barton的围岩强度比分级
应力状态系数
Rb/σmax
Rt/σmax
低地应力、 围岩强度充分，地表附近 但有地应力问 中等地应力 题的情况
高地应力
微弱的岩爆
强烈岩爆
距表面h深处一点的应力状态可表示为：
σy=∫0hγ(y)dy σx=σx(y) y
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。
（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
从我国现阶段积累起来的浅层(埋深小于500m)实测资料 看,λ小于0.8者约占27.5%。在0.8~1.25之间者约占42.3%, 大于1.25者约占30.2%。
高地应力、挤 缓慢挤出
出和塑性流动
的情况
急剧挤出
>200
200～10 10～5 5～2.5 <2.5
>13
13～0.66 0.66～0.33 0.33～0.16 <0.16
注：RB：围岩抗压强度；σmax：最大地应力值； Rt：围岩抗拉强度；SRF：应力状态系数
SRF
2.5
1.0 0.5～2 5～10 10～20 5～10 10～20
不同地应力场的围岩在开挖中出现的主要现象
地应力场情况
主要现象
硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁 围岩发生剥离．新主裂缝多．成洞性差，基坑有剥离现 极高地应力场 象，成形性差。软质岩：岩芯常有饼化现象，开挖过程 中洞壁围岩有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移， 持续时间长，不易成洞；基坑发生显著隆起或剥离不易 成形。
σ=σy+σT 式中 σy：自重应力分量; σT：构造应力分量。
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)。