地应力研究在土木工程中的实践和应用.pdf

第31卷 第2期 1998年4月 哈 尔 滨 建 筑 大 学 学 报 Journal of Harbin U niversity of C. E.土木工程;区域稳定性;灾害防治;规划与设计 分类号 P642. 4 0 引言 存在于地球岩石及土层内的自然应力称为地应力,呈三维状态有规律分布构成地 应力场。人类对地应力的认识已有百余年历史1 13。本世纪初, 国外即已着手地应力的 研究(海姆, 19051912),并在30年代将其应用于土木工程的实践中(鲍尔德水坝设 计, 1932)。 我国研究地应力起步比较晚,李四光在 地质力学概论(1962)中提出应将地 应力作为一个重要的研究方向1,在尔后土木工程的实践和应用中初见成效(关角铁路 隧道灾害治理, 1974)。近二十多年来,地应力研究在理论上日臻完善,在技术和途径上 趋于多样化,从而为某些土木工程的规划与选址、 稳定与抗震设计、 以及灾害预测与治 理等提供了越来越多的依据。 现在,随着各种大型土木工程的兴建,工程稳定设计及破坏预测往往需要地应力测 量数据。此外,部分已建工程的加固及纠偏等灾害治理有时也应进行地应力研究。本世 纪6070年代以来,地球岩石圈进入新的强烈活动时期,致使人类时刻面临地震之灾, 尤其是我国复杂而特殊的大地构造体系决定其为多震的地区,所以区域稳定性预测及 工程抗震设计迫切需要地应力研究资料。 事实上,世界许多大型工程在规划及设计阶段 均进行了地应力测量与研究,从而取得节省投资、 缩短工时、 提高工效、 确保质量的良好 结果。 1 地下工程 当今,人们为进一步拓宽生存空间而纷纷发展地下工程,各种地下洞室及隧道等 相继兴建。它们的规模、形状、分布及组合等变化很大,还需配有通风、消防、排水、 电力及通讯等管道设施,有的埋深较大,往往出现大量地下多层建筑或构筑物,其荷 载之大,可能在围岩或土层中引起十分复杂的地应力状态;尤其是那些大跨度、顶底 收稿日期: 1997- 05- 12 凌贤长 男 博士后? 哈尔滨建筑大学建筑工程学院(150008) 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 高差悬殊的地下建筑对周边岩石或土层的稳定性要求更高。 此外,地下建筑在施工过程 中经常出现岩爆、 煤瓦斯突出、 涌水、 坍塌及滑坡等严重安全问题。 下面以几个典型实例 说明地下工程与地应力的关系。 1. 1 美国赫尔姆斯水电站地下厂房设计2 赫尔姆斯水电站地下厂房长98m、 宽25m、 高36m、 埋深300m ,基岩为花岗岩。 在地 下300m处用水压破裂法测量地应力数值为:1= 8118M Pa(竖向)、 2= 514M Pa(水平 方向,N 65W) 、 3= 915 M Pa(水平方向,N 25E)。据此,施工前对原设计作了重要修改。 考虑 2 (5 14M Pa)与压力管道设计静压力值 (5 13518M Pa)接近,为了防止压力管道围 岩中的垂向节理及潜在破裂张开而扩展到厂房,因而在压力管道内设置足够长的钢板 衬砌,确保渗水不沿钢板末端的裂隙进入厂房里。这种修改后的设计较原先的更为稳 妥。 112 日本青函铁路隧道设计与施工中地应力3 青函铁路隧道全长53. 85km ,海底部分长23. 3km ,正洞为双线,内径9. 6m。由于 当地的地质构造相当复杂,所以对隧道的勘测与选线历时25年,进行了详细的地应力 测量。根据地应力研究结果,将隧道的标准断面设计为马蹄形,而地应力特别大的区段 采用圆形断面设计,最小曲率半径为6500m ,最大坡度为12,最大水深为140m。主要 采用全断面施工方法,有的地段进行小段面分部开挖,含上导坑先进施工、 侧壁导坑施 工及周壁导坑施工等。 正是因为做了较为周密而系统的地应力研究,所以尽管青函隧道 的地质背景十分恶劣(围岩为各种基性、 中性及酸性火山岩,至少通过三条大型断裂 带 ), 但是基于合适的设计方案和施工措施,保证隧道最终全线贯通。 1. 3 加拿大亚当贝克水电站压力管道失稳研究 亚当贝克水电站引水隧洞(据1979长江流域规划办公室资料)长8. 5km、 直径15. 5m ,顶板为白云质灰岩(抗压强度为54. 9185. 8 M Pa)。 利用钻孔套芯解除法测得地应 力之水平分量为6. 913. 8 M Pa,虽然远小于白云质灰岩的抗压强度,但明显超过砂岩 抗压强度的下限,所以当施工到夹页岩的砂岩地段隧道(压力管道 ), 底部由于地应力作 用而发生弯曲及隆起等失稳现象。因为在施工之前即已对地应力进行了有效的测量与 研究,作了充分的施工防患措施,所以没有发生较大的工程事故。 上述事例表明,地下工程设计之前有必要进行地应力测量与研究。 各种地下工程无 论用什么方法进行应力分析,首要的问题是掌握初始地应力状态。此外,为了确保某些 重大地下工程的久远稳定性与安全正常运营,也需进行地应力的长期观测。 2 地面工程 越来越多的事例表明,尽管在某些情况下地应力对地面工程的作用不如地下工程 大或明显,但是有时也给部分地面工程带来较大的隐患,以至日后造成严重的工程灾 害 。 如: 1) 1977年以来,西安市地面裂缝连续发展而穿过各种地面建筑 ; 2) 在尼亚加 631哈 尔 滨 建 筑 大 学 学 报第31卷 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 拉瀑布处,美国和加拿大合建的一座水电站2,加拿大一侧的水轮机坑因侧移而导致在 10年内累计缩减0. 18m ,在美国一侧的水轮机坑也有较小的侧向位移 ; 3) 葛洲坝水利 枢纽工程施工初期4,厂房基坑开挖约50m时,其上、 下游边坡均沿着几个主要软弱带 临空移动(单层相对位移量达8cm左右,移动方向与区域构造应力方向吻合)。此外坑 底岩层沿软弱带也有16cm移动。由此造成施工被迫停产 ; 4) 新丰江水库建在相当稳 固的花岗岩基上2, 1959年10月水库蓄水近一个月便频繁出现小地震, 1962年3月19 日发生了6. 1级的较大地震。(库区为较大的地应力集中区,水库蓄水后,由于水的诱发 作用而引起地应力活动,酿成不同程度的震害)。 因此,地应力对地面工程的影响有时是不可忽视的。 地面工程地基开挖无疑会破坏 地应力的原有平衡状态,引起岩体或土层的各种变形、 膨胀及往临空面移动等,在进行 大型工程设计时务必注意这一问题,尤其要重视边坡稳定性。影响边坡稳定的因素很 多,地应力有时可以使边坡产生较大的变形而失稳。当初始地应力很大时,开挖地基将 产生与地面斜交的剪裂,引起基底岩层分离而造成失稳。 又因为地基开挖卸载还使得底 板岩石产生层节理或破劈理,给地基及基础后来失稳埋下隐患。 下面介绍应用地应力研究结果进行地面工程设计的两个典型实例。 2. 1 美国鲍尔德大坝2 美国垦务局(1932)最早成功地利用地应力研究结果设计鲍尔德大坝。鲍尔德大坝 属于重力拱坝,基底为安山质凝灰角砾岩,坝体高222m。研究认为,如此高的大坝蓄水 后会对两岸拱座产生巨大的推力,引起谷壁移动而导致谷底纵向张裂,会给大坝带来日 后的破坏隐患。 考虑如若基底岩石中存大于谷壁推移张力的水平应力,将不致于发生上 述危险。为此,在大坝下游河床排水洞内利用应力解除法进行地应力测量,结果是水平 压应力为上覆岩石自重的三倍。于是大胆设计大坝,取得圆满成功。 2. 2 我国二滩水电站大坝5 二滩水电站坝区山高谷深坡陡。 地应力测量确定方向为N 30 E, 大致垂直于河谷走 向。 考虑峡谷地形对浅部地应力产生极大影响,所以顺沿坝区最大主应力方向选择一条 高、 宽均为1000m的地应力研究剖面,对地应力实测结果为 1= 9. 464. 6 M Pa,3= 2. 8516M Pa。 这项研究成果不仅为大坝设计提供了可靠的依据,而且还揭示了近地表 的地应力分布规律,尤其是充分说明了因峡谷陡峭的地形而引起的地应力高度集中,无 疑具有重要的实践意义。 3 工程灾害治理 土木工程所出现的部分灾害,例如因地基不均匀下沉而引起结构物偏斜、 开裂,除 了是因为建在现代活动断层及隐伏断层上或附近之外,有的可能是在工程设计阶段缺 乏对场址地应力的足够研究,因而影响正确认识地基的承载能力。 下面以两个典型实例 说明地应力研究在工程灾害治理中的应用。 3. 1 青海关角铁路隧道灾害治理2 731第2期凌贤长等:地应力研究在土木工程中的实践和应用 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 关角铁路隧道长4km、 埋深520m。工程开工于1958年, 1961年被迫停工, 1974年 复工。施工后,隧道出现拱顶和边墙不断开裂、 底板隆起、 中心线偏移、 以及导坑缩径等 多种灾害,久治不愈。对各种灾害分析及地应力研究表明,区内存在与隧道轴向(N 51 E)大角度斜交的南北向强烈构造挤压作用,近南北向的最大水平主应力达 1= 10 M Pa,属于现今构造应力。由于当初设计阶段没有对地应力进行充分测量与研究,以 至于在施工过程中长期对隧道灾害未能有效治理。 鉴于此,在以后的大遥山铁路随道设 计时便注意加强地应力的研究,收效良好。 312 日本关门铁路隧道灾害治理3 关门铁路隧道包括两条海底上、 下行线隧道,全长分别为3614m、3604m ,工程开工 于1936年9月,完工于1942年9月。1938年3月修建下行线隧道时,因地应力连续升 高,支撑一个个被压坏,地下水突然从工作面大量涌出,工程被迫停止。 灾害及地应力研 究表明,隧道正好通过地应力集中的断层带,开挖诱发地应力活动加强,导致工程事故。 经36个月的治理才完成通过断层带的工作量。为了避免此类事故的发生,至少有两种 方案可供选择: 11 避开断层带选线; 21 纵然非原设计线路不可,应采用盾构法施工或加 强支撑,事先压浆堵水及减慢施工速度等。后来在上行线隧道修建过程中,由于有了修 建下行线隧道的经验和教训,采取有效的防护措施,致使工程进展较顺利。 因此,在对此类工程灾害实施治理之前,首先应详细研究地应力,为正确厘定治理 方案提供可靠的依据。 4 工程区域稳定性评价与抗震设计 区域构造稳定性研究对土木工程的选址与规划具有重要意义。土木工程的区域构 造稳定性评价实质是在查明现今构造活动及地应力场基础上,尽可能避开地应力集中 区或强烈构造活动带,选择较为稳定的、 地应力变化不大或地应力值低的地段作为工程 地址。成昆铁路在进行工程选线时,由于缺乏足够的区域构造稳定性评价,对工程的关 键地段没有做详细的地应力测量与研究,使得在施工过程中发生许多危害事故,造成很 大的人员伤亡。 在最近的南昆铁路和京九铁路选线过程中,由于有了修建成昆铁路的经 验和教训,注重对线路的区域构造稳定性评价,因而施工进展较顺利。北京十三陵水库 就建在大断裂带上,不能不认为是当初工程选址的失误。 工程区域构造稳定性评价是一 项综合性很强的科研工作,首先应重视地应力的研究,采用定量分析方法,以期取得理 想的效果。 鉴别现代活动断层及隐伏断层是进行工程区域稳定性评价应做的一项重要工作。 这两种断层均属于地球岩石圈中的构造软弱带,地应力较集中,活动性大,可以发生各 种强度的构造地震或人工触发地震,给建于其上或附近的工程带来很大的灾害,有的使 施工无法进行。因此,在构造复杂地区进行工程规划、 选址及设计之前应详细鉴别现代 活动断层和隐伏断层,防患于未然。 而鉴别这两种断层若结合地应力研究则可以获取更 可靠定量结果。地矿部562综合大队基于对地应力场研究认为八宝山断裂带是一条现 831哈 尔 滨 建 筑 大 学 学 报第31卷 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 代活动断层2,其最大主应力(1)方向为N 70W ,断裂在三福村-大灰厂一带地应力和 能量均较为集中,是今后可能发生地震的危险阶段。 本文作者(19911994)主要依据构 造方法对贯穿中国东部的郯庐断裂带之沂沐段进行地应力研究认为14, 15,它自晚侏罗 纪以来进入新的强烈活动时期,属于现代活动断层,其最大主应力为 1= 5693M Pa (水平向,N 2667W ), 局部地段的地应力及能量相当集中,无疑会发生强烈较大的破 坏性地震。 地震往往给各种结构物带来巨大灾害,甚至造成毁灭性破坏,人们的生命财产因此 蒙受难以估量的损失。1668年7月25日山东郯城发生的815级地震竟使一个村庄瞬 间沉没于地下; 1976年7月28日河北唐山发生的718级地震就将一个好端端的工业 城市化为一片废墟;还有邢台、 海城、 通海、 喀什、 龙陵、 炉霍,以及世界其它地区的67 级以上大地震均造成很大的危害。因此,在全球再次进入强烈地震活动期的今天,必须 对拟建工程进行抗震设计,对已建重要工程实施抗震加固。 地震是地球岩石剧烈活动的 一种表现形式,其分布与现今构造活动带密切相关,它的发生直接导源于地应力累积和 释放。所以,研究地应力状态及变化趋势是进行地震预测与工程抗震设计的一个关键。 5 结语 在土木工程中研究地应力的实践意义和应用前景是巨大的,在未来的重大工程设 计之前及施工过程中必须加强地应力研究,此外对已建工程的长期维护及灾害有效治 理在某些情况下也少不了地应力测量。 本文旨在抛砖引玉,期望土木工程的同仁对地应 力的研究产生共鸣,以便加快这个方向的发展,进一步完善土木工程学科。 参 考 文 献 1李四光。地质力学概论。北京:科学出版社, 1962 2孙叶等。地应力与经济建设。北京:地质出版社, 1989 3中国铁道学会隧道代表团。日本隧道概况, 1978 4长江流域规划办公室。葛洲坝工程厂房基坑的岩层位移。人民长江, 1978(3) 5白世伟等。二滩水电坝区岩体应力场研究。岩石力学与工程学报, 1982(1) 6 H iramatsu Y. ,oka. Y. S. KiyamaH. 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