第1章 绪论

1.1 地应力概述

1.1.1 地应力的概念

在漫长的地质年代中，地质构造运动等原因使地壳物质产生了内应力效应，这种应力称为地应力，它是地壳应力的统称。地应力[1]是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，也称为岩体初始应力、绝对应力或原岩应力，广义上指地球体内的应力。它包括由地热、重力、地球自转速度变化及其他因素产生的应力。

通常地壳内各点的应力状态不尽相同，并且应力随（地表以下）深度的增加而线性增加。由于所处的构造部位和地理位置不同，各处应力增加的梯度也不相同。地壳内各点的应力状态在空间分布的合称为地应力场。与地质构造运动有关的地应力场称为构造应力场，通常指导致构造运动的地应力场。

在地质力学中，构造应力场是指形成构造体系和构造型式的地应力场，包括构造体系和构造型式所展布的地区，连同内部在形成这些构造体系和构造型式时的应力分布状况。现今存在的或正在活动的地应力场称为现今构造应力场。现今构造应力场的研究，既要实地考察晚、近地质时期，特别是第四纪以来，岩石、地层发生的构造变形以及地区的升降，也要用适当的仪器装置及其他方法直接测量现今地应力的活动。进行地应力测量时，应根据活动的构造体系、活动的构造带（如地震带）和重大工程建设要求来布置测点，同时配合相应的地质工作。

新构造期与之前的喜马拉雅构造期的最大不同，在于应力作用的主应力方向出现了全新的特征。总体来说，在喜马拉雅构造期，中国岩石圈的主应力方向是南北向的。其中，中国西部的主应力方向是北北东—南南西走向，中国东部则为北南走向或者北北西—南南东走向。

在新构造期，主应力方向发生了重大变化，除青藏高原西部和新疆大部仍主要为北北东—南南西走向外，中国北方大部已经变为北东东—南西西走向至东西走向，而中国南方大部则变为北西—南东走向，三者合起来呈现出放射状散布的特点。这种构造应力场是以前地史上不曾有过的，说明印度板块向北碰撞造成的影响已经较喜马拉雅期为弱，而西太平洋俯冲带的影响又开始显现出来，二者势均力敌的结果便是这种放射状应力场的形成。

李四光教授是中国地应力测量的创始人，早在20世纪40年代就提出地壳中水平运动为主，水平应力起主导作用。他提出，地壳内的应力活动是以往和现今使地壳克服阻力、不断运动发展的原因；地壳各部分所发生的一切变形，包括破裂，都是地应力作用的反映；剧烈的地应力活动会引起地震。因此，“地应力的探测是地质力学具有重大实际意义的一个新方面，是值得予以重视的”。新丰江水库地震和邢台地震后，李四光教授更加重视地应力测量工作。他提出，地应力测量是实现地震预报的重要途径。由此，中国的地应力研究与测量工作得到迅速发展。现在已具备完善的理论，多种测试仪器、手段广泛应用于地质、油田、矿山、水工、电站、地震等领域。李四光教授还特别注重从活动地带里寻找稳定地区，提出了“安全岛”理论，为建厂选址提供了依据，为国民经济建设做出了重大贡献。

地应力活动会产生或影响地质构造。剧烈的地应力活动会引起地震。地应力活动还可影响地壳内岩石、矿物的物理性质和化学性质。因此，也可以利用这种物理和化学性质的改变来分析地应力的活动情况。地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路、军事和其他地下或露天岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力，是确定工程岩土力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提。地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料的储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究，以及地球动力学的研究等具有重要意义[2]。

1.1.2 高地应力

关于高地应力的概念与分级，至今仍有很多不同的认识。但高地应力对隧道工程造成的典型问题已有共识，即对硬脆性岩体而言为岩爆问题；对于软岩（当围岩级别较高时），则易发生塌方及软岩塑性大变形等问题。

一般来说，高地应力是指初始应力，特别是它们的水平初始应力分量大大超过其上覆盖层岩体的重力。中国现行关于岩体初始地应力分级或评价的最新国家标准及各行业标准如下：《工程岩体分级标准》（GB50218—2014）、《铁路工程地质勘察规范》（TB10012—2007）、《公路隧道设计细则》（JTG/T D70—2010）和《水力发电工程地质勘察规范》（GB50287—2006）。其分级标准各有不同，其中较权威的《中华人民共和国国家标准——工程岩体分级标准》（GB50218—2014）[3]中指出，岩爆和岩心饼化产生的共同条件是高初始应力可根据岩体在开挖或钻孔取心过程中出现的主要现象按表1-1评估。

岩心饼化产生的基本条件是高初始应力，而高初始应力区的存在已为工程实践所证实，如国内的家竹箐隧道、乌鞘岭隧道、新关角隧道及木寨岭隧道等。在国外，日本的锅立山隧道和平石线隧道等，奥地利的塔威龙隧道和刚史塔英隧道，阿尔贝格隧道和陶恩隧道，南非的许多金矿，苏联以及其他欧洲国家的许多地下工程都遇到了高地应力问题。早在20世纪80年代初，国外已经开始注意对高地应力问题的研究。1983年，苏联的权威学者就提出对超过1600m的深（煤）矿井开采进行专题研究。1989年国际岩石力学学会曾在法国专门召开“深部岩石力学”问题专题会议，并出版了相关的专著。近20年来，一些进行高地应力条件下深井采矿的国家政府部门和科研机构密切配合，在岩爆预测与防治、软岩大变形机制与支护措施、隧道涌水、高地应力下开挖技术等方面取得了很大的成绩，如美国、加拿大、澳大利亚、南非、波兰等[4]。

不同国家对高地应力的定义较为悬殊，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，常用的有以下两种定量判别方法。

（1）以地应力的绝对大小划分，最大主应力达到20～30MPa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（Rc）和最大主应力（σmax）的比值Rc/σmax（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有很大的差别[9]。

陶振宇教授[10]（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[11]（1987）建议用下式来划分地应力量级：

式中 I1——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；

n——比值。

显然，表1-2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。

姚宝魁、张承娟[12]（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：

实际上，式（1-2）继承了Barton等人（1974）关于Q系统分类指标的物理概念。现行《工程岩体分级标准》（GB/T50218—2014）附表C.0.2中，也采用岩体强度应力比Rc/σmax来划分高地应力级别，这是迄今为止可以参照的中国最具权威性的规范标准，该规范规定：Rb/σm ax为4～7，为高地应力；Rb/σm ax＜4，为极高地应力。由此可见，不同的地应力分级方案有很大出入，反映出学术界和工程界目前对高地应力的定义及其分级尚未取得共识，甚至相差非常悬殊。

实际上，可以认为，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。孙广忠[13]曾指出：在强烈构造作用地区，地应力与岩体强度有关；在轻缓构造作用地区，岩体内储存的地应力大小与岩石弹性模量直接相关，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六大地质判断标志，如表1-3所示。表1-3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。

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常用的主要是强度应力比、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。