高地热、高地应力条件下的隧道的力学行为及工程措施研究.doc

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1、分类号 U45 单位代码 10618密 级 学 号 106260270硕 士 学 位 论 文论文题目： 高地热、高地应力条件下的隧道的力学行为 及工程措施研究Research on Tunnel Mechnical Behavior and Engineering Measure under High Geothermal High Geostress Condition 研究生姓名： 徐 长 春导师姓名、职称： 梁 波 教 授申请学位门类： 工 学 专 业 名 称： 桥 梁 与 隧 道 工 程论文答辩日期： 2009 年 4 月 6日学位授予单位： 重 庆 交 通 大 学答辩委员会主席： 蒋

2、树屏 评阅人： 高 峰 黄伦海2009 年 04月2009 年 04 月重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重

3、庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务（包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等），同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社CNKI系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘 要为了适

4、应国民经济的快速发展，西部地区公路建设的步伐正在日益加快，一些深埋隧道工程纷纷上马。在地质条件复杂的埋深环境里修建工程，往往面临着高地热、高地应力的威胁，给工程的建设带来严重影响。目前，深度增加带来的高地热、高地应力问题，已成为一个急待解决的难题。本文以云南高黎贡山越岭隧道的高地热、高地应力为研究对象，在深入了解研究该地区的地质条件的基础上，对该地区典型工点的地质灾害的分布特征，致灾机理进行了综述。分析了隧道围岩及衬砌的参数尤其是热力学参数，对开挖隧道进行数值模拟，同时分析温度场变化和温度应力的变化；对高地热条件下隧道的施工措施和支护形式进行了研究，以便选择合理的辅助降温措施和最佳的支护形式；

5、应用解析法分析了工程区应力场，了解隧道断面开挖后的二次应力分布规律；参考既有高地应力条件下岩爆或大变形的研究资料，总结岩爆或大变形的发生机理和监测预报，利用有限元分析隧道的力学行为，在力学分析的基础上，提出合理的高应力条件下岩爆或大变形支护原则及采用的工程措施。通过以上研究，得出以下主要结论：隧道开挖通风20个小时后，隧道壁面温度降低到30.35，围岩拱脚温度应力最大；初衬最大温度应力在拱脚，最小温度应力在边墙；二次衬砌最大温度应力在拱脚，最小温度应力在拱顶；温度应力是隧道开挖后岩壁的不利荷载，容易引起隧道围岩剥落、开裂等，所以开挖后快速喷锚支护，对隧道围岩稳定和隧道内降温均有利。在高地应力条

6、件下，解析得出了隧道不同侧压系数拱顶和边墙的的径向和切向应力变化规律；数值模拟分析了隧道围岩与支护的受力特点，对隧道大变形和岩爆做出了定性预测，相应要采取的工程措施。关键词：公路隧道；高地热；高地应力；力学行为；工程措施ABSTRACTIn order to adapt to the rapid development of the national economy, The western region of the pace of road construction is accelerating，Some deeply buried tunnel works have started.

7、Geological environment conditions is complexity in depth of the earth to construction project, often faced with the threat of the hign geothermal, high geostress, give the project a seriously impact on the building. At present, hign geothermal, high geostress bring about with the depth increase, has

8、 become a pressing problem. The research of this paper is hign geothermal, high geostress Gaoligong mountain tunnel, which is in the west of YunNan. On the basis of depth study of the region geological background conditions, typical of this area work at distribution of geological disasters, disaster

9、-causing mechanism has been reviewed. Analysis of the tunnel surrounding rock and the lining parameters, especially thermodynamic parameters, on numerical simulation of tunnel excavation, at the same time analysis of temperature field change and temperature stress changes; study of the construction

10、measures and support forms under the high grothermal conditions, In order to select a reasonable auxiliary cooling measures and the best support forms; Application of analytical method analysis the stress field in the project area, find out secondary stress distribution discipline after the tunnel e

11、xcavation; Reference already existence the research data about rockburst or large deformation, summary the occurrence of mechanism and monitoring and forecasting about rockburst or large deformation, the use of finite element analysis of the mechanical behavior of the tunnel, at the basis of mechani

12、cal analysis, bring out reasonable support the principles and engineering measures of rockburst or large deformation under the high grostress condition. Adopted by the above research, the major conclusions are as follows: (1)After tunnel excavation ventilation 20 hours, tunnel wall temperature down

13、to thirty point thirty five degrees, rock arch foot has maximum temperature stress; The primary support temperature stress at the foot arch is largest, the minimum temperature stress at wall; The secondary lining temperature stress at the foot arch is largest, the minimum temperature stress at Vault

14、; (2)Temperature stress is negative load in rock wall after the tunnel excavation, easily lead to tunnel spalling, cracking, etc, so after excavation express shotcret and rock bolt support, are beneficial to both stability of surrounding rock and tunnel cooling. (3)Under the high geostress condition

15、, analysis of the tunnel to draw a different coefficient of lateral pressure dome and the sidewall of the radial and tangential stress changes principle; Numerical simulation analysis of tunnel surrounding rock and support of the loading characteristics, make a qualitative prediction about rockburst

16、 and large deformation, to be taken corresponding engineering measures KEY WORDS: road tunnel; high geothermal; high grostress; mechnical behaviors; engineering measures目 录第一章 绪 论11.1研究的背景和问题的提出11.2隧道的地质灾害类型和研究现状31.2.1隧道岩爆的研究现状31.2.2隧道涌水和突水的研究现状61.2.3隧道地应力的研究现状71.2.4隧道大变形的研究现状91.2.5隧道通过瓦斯地层的研究现状121.

17、2.6隧道通过高地热区的研究现状121.3研究的意义、内容及技术路线141.3.1研究的意义141.3.2研究的内容151.3.3研究的技术路线15第二章 典型工点地质灾害、分布特征和致灾机理研究172.1工程概况172.2涌水和突水182.2.1涌水和突水分布特征182.2.2涌水和突水的致灾机理研究192.3隧道塌方和片帮破坏的分布特征和致灾机理202.4与岩溶有关的灾害分布特征及致灾机理212.5研究区高地热分布特征及致灾机理222.6高地应力引起的灾害及致灾机理研究242.7本章小结25第三章 高地热条件下隧道的力学行为及工程措施263.1高地热条件下隧道围岩及衬砌的关键参数研究263

18、.1.1高地热条件下隧道围岩的关键参数研究263.1.2高地热条件下隧道衬砌的关键参数研究293.2高地热条件下隧道围岩温度分布与衬砌受力特性的研究333.2.1高地热条件下隧道围岩温度分布研究333.2.2温度应力场和衬砌受力分析383.2.3高地热条件下衬砌的热力本构关系513.3高地热隧道结构的薄弱环节及工程措施研究523.3.1高地热隧道的施工措施533.3.2高地热隧道的支护形式543.4本章小结：55第四章 高地应力条件下的隧道力学行为及工程措施574.1原始地应力场及开挖后高应力场演化研究574.1.1隧道开挖前的原始应力场574.1.2开挖后高地应力状态分析594.2岩爆或大变

19、形的发生机理研究及监测预报644.2.1岩爆发生机理及监测预报研究654.2.2大变形发生机理及监测预报研究694.3典型工点条件下隧道力学行为分析724.3.1围岩与衬砌的相互作用力学模型734.3.2隧道围岩位移与衬砌受力之间的关系744.3.3围岩整体和衬砌结构的有限元分析764.3.4高地应力条件下隧道的支护原则研究814.4高地应力条件下岩爆或大变形的工程措施研究824.4.1高地应力条件下岩爆区的工程措施研究824.4.2高地应力条件下大变形的工程措施研究844.5本章小结85第五章 结论与展望875.1主要结论875.2建议及存在的问题88致 谢90参考文献91在学期间发表的论著

20、及取得的科研成果9415第一章 绪 论第一章 绪 论1.1研究的背景和问题的提出近年来，随着国民经济的飞速发展，与交通建设及资源开发等有关的隧道工程越修越多。铁路和公路隧道作为交通线路的重要工程结构物，它的建设投资巨大，具有重大的经济、技术和社会效益。尤其在修建高速铁路和高速公路时，常采用长隧道来克服地形障碍，能使线路平直、长度缩短，并避免不良地质条件对线路的不利影响，往往能有效的地提高线路标准。但是据统计1，在我国既有的5200余座隧道中，中短隧道占隧道总数的98%以上。特长隧道相对于中短隧道，由于其埋深大、穿越的不同地质单元体多，从而不可避免的遇到涌水、瓦斯、岩爆、坍塌及地热等地质灾害。其

21、中，涌水、岩爆和坍塌是隧道中常见的地质灾害，国内外关于这些方面的研究成果较多，但须针对具体工程具体分析，提出可行的工程措施。对于高温热害，各国在修建深埋长大隧道时，都不同程度的出现，但相关研究并不多。我国在以往的铁路隧道建设中，由于埋深都较浅，隧道内原始岩石温度不是很高，未遇到过大的热害，对于这方面的研究很少。随着隧道长度的增长、埋深的增加，高温热害问题日趋严重。高地热问题的出现，不仅影响工程的施工进程和建设，甚至还会决定工程的可行性方案，特别是在地热异常的地区更是如此。因此，有必要对隧道高地热有关的问题进行更深入的研究。岩爆是高地应力条件下地下工程开挖过程中，硬脆性围岩由于开挖卸荷导致洞壁应

22、力分异，储存于岩体中的弹性应变能突然释放，因而产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害，并伴有不同程度的爆炸、撕裂声。岩爆自1738年在英国锡矿坑道中首次发现以来，世界范围内已有数十个国家和地区记录有岩爆问题，其中以隧道工程及深井采矿业相对发达的瑞典、挪威、瑞士、奥地利及南非等国家的岩爆记录最多。众多学者从上个世纪70年代就开始从不同的方面对岩爆问题其进行过探讨，但是由于影响岩爆的因素众多，对岩爆机理也没有一个统一的认识，岩爆预测问题仍然是地下工程中的难题之一。基于上述认识，本人在导师的悉心指导下，结合云南保腾高速公路高黎贡山勐连1号隧道出现的高地热，高地应力进行研究。公路交

23、通是云南省国民经济赖以发展的重要基础设施之一，关系到云南的经济繁荣和社会稳定。即将修建的云南保山至缅甸密支那公路是中国到达东南亚最近的通道，是我国连接东盟的一条交通要道。这条公路的建设将形成连接太平洋和印度洋的陆路运输通道，促进沿线地区经济往来，显著降低国际贸易运输成本，对我国扩大利用国外资源，保证国家能源战略安全，适应经济全球化发展趋势，实现国民经济可持续发展具有积极意义。对促进云南经济的发展具有重要的意义。中国云南保山至缅甸密支那公路保山至腾冲段高速公路，该项目起点为保龙高速路龙陵小田坝接口，在龙江架一座高度近300米的大桥跨越龙江，经五合等乡镇，终点到中和乡毛家营，利用在建的保龙高速公路

24、69.1公里，新建里程65.3公里，拟按四车道高速公路标准建设，原保山腾冲公路留作铺道，穿越高黎贡山的勐连隧道长3.68公里，为本工程的重点控制工程。沿线地形地质条件十分复杂，如图1.11.2，主要地质条件表现为：一是三高，即高地热、高地应力、高地震强度；二是四活跃，即新构造运动活跃、外动力地质作用活跃、地下热水循环活跃、河流岸坡浅表构造活跃；三是一大一多，即斜坡地质灾害大而且多。在隧道建设中，主要的工程地质问题是地震、岩爆或大变形、高地温、落石、岩溶、突水、有害气体和有松散堆积层等，都将对隧道施工造成很大困难。针对出现的上述问题，为了使隧道顺利施工，早日通车。本课题拟对上述出现的高地应力、高

25、地热条件下的隧道施工建设进行深入研究，提出可行性工程措施，并可对未来新增建隧道提供工程类比和建设性意见。图1.1 保腾公路沿线地形图Fig.1.1 Bao Teng along topographic maps图1.2 保腾高速桥隧相连Fig.1.2 Bao Teng high-speed bridge and tunnel connected1.2隧道的地质灾害类型和研究现状隧道地质灾害是指以地质为主要原因引起的、造成人类生命财产损失或使人类赖以生存和发展的环境、资源发生严重破坏的现象或过程。随着我国经济建设的不断发展，地下工程应用领域开发建设越来越广，其规模也越来越大。在水利水电、铁路、公

26、路、矿山、化工、国防等部门的地下工程建设已成为支柱产业。而隧道建设正朝着特长、深埋的方向发展，施工中遇到的地质灾害一直是制约隧道发展的主要问题。隧道建设常遇到的地质灾害主要有：岩爆、涌水和突水、地应力、大变形、瓦斯地层和高地热等2-4。1.2.1隧道岩爆的研究现状岩爆是地下空间开挖过程中，围岩的一种非正常破坏现象。这种破坏主要表现为断裂围岩的动力抛掷。岩爆是工程岩体破坏时内部储存的弹性能大量转化为破坏动能的一种现象，常在高地应力地区的脆性硬岩发生。岩爆灾害不仅严重威胁施工人员及设备的安全、影响施工进度，而且还会造成超欠挖、初期支护失效，严重时候还会诱发地震。岩爆已经成为硬岩隧道勘测设计及施工组

27、织中必须考虑的重要问题之一，并受到各国相关学者的关注。关于岩爆的定义、岩爆的形成机制、岩爆的分类、岩爆烈度的分级等还未形成统一认识和定论。我国学者王兰生等5对岩爆进行了定义；汪泽斌、郭志、谭以安等对岩爆进行了分类，综合前人将岩爆烈度划分为轻度、中度、强烈、剧烈四级对比挪威划分的三级，见表1.1。表1.1 岩爆强度等级表Table.1.1 Rockburst intensity scale岩 爆等 级轻 度（1级）中 度（2级）强 烈剧 烈（3级）分级依据围岩表层有岩爆脱落，剥离现象，内部有噼啪声响；对施工影响较小。岩爆脱落、剥离现象较严重，有弹射，可听见清脆的爆裂声，有一定持续时间，影响深度可

28、达1米左右；对施工有一定影响。强烈的爆裂弹射，有似机枪子弹射击声，岩爆具有延续性，并向围岩深部发展，影响深度可达2米左右；对施工影响较大。剧烈的岩爆弹射甚至抛掷，有似炮弹巨响声，岩爆具有突发性，并迅速向周围深部发展，影响深度3米，严重影响甚至摧毁工程。国内外现有的关于岩爆发生条件的研究可以归纳为：高储能岩体的存在，且其应力接近岩体强度是岩爆产生的内因；某些附加荷载的触发是其产生的外因。一般认为处于高地应力环境中的结构完整的硬脆性围岩，在隧道开挖后，切应力()达到或接近围岩抗压强度极限，在其它因素的诱发下，围岩便以岩爆是形式失稳，这可以被总结为岩爆形成机制的静力学理论，它也是广泛采用的岩爆预测判

29、据的理论依据。国内外现有的关于岩爆的理论研究主要有以下几种： 强度理论早期的强度理论研究着重于岩体的破坏原因。认为岩体周围产生应力集中，当应力集中的程度达到岩体强度极限时，岩层发生突然破坏，发生岩爆。近代强度理论认为：导致岩体承受的与其强度的比值，即1时，导致岩爆发生。近代强度理论的表达式有多种，对各向同性岩石材料的破坏准则国外最有代表性的是Hoek和Brown于1980年提出的经验性强度准则6： 式（1.1）式中： 最大主应力，Mpa； 最小主应力，Mpa； 完整岩石材料的单轴抗压强度，Mpa；m 常数，取决于岩石性质和承受破坏应力前已破坏的程度；国内有代表性的强度理论是：（0.150.20

30、） 式（1.2）式中：岩体的初始应力； 岩块的单轴抗压强度；就强度理论而言，当满足上述条件时只表明岩石将发生破裂或破坏，但并为指出在什么条件下会发生猛烈破坏（即岩爆）。应该说，强度理论只是给出了岩爆发生的必要条件。 能量理论720世纪60年代中期，库克等人在总结南非金矿岩爆研究成果的基础上提出了能量理论。并指出：随着开挖系统的不断扩大，岩爆是由于岩体围岩系统在其力学平衡状态破坏时，系统释放的能量大于岩体本身破坏所消耗的能量引起的。这种理论较好地解释了地震和岩石抛出等动力现象。同一时期，Dunk House给出了岩爆的能量平衡方程式，对释放和消耗的能量结构进行了分析。随后，佩图霍夫也对库克等人的

31、理论进行了补充和完善。70年代由G.brauner等提出了能量率理论，即： 式(1.3)式中：围岩能量释放有效系数；矿体能量释放有效系数；围岩所存储的能量，MJ；矿体所存储的能量，MJ；消耗于矿体和围岩交界处矿体破坏阻力的能量，MJ；能量理论从能量角度解释了岩爆的破坏，但它并未说明平衡状态的性质和破坏条件。 刚度理论20世纪60年代，Cook和Hodgei8发现，用普通压力机进行单轴压缩试验时猛烈破坏的岩石试件，若改用刚性试验机试验，则破坏平稳发生而不猛烈，并且有可能得到应力应变全过程曲线。他们认为，试件产生猛烈破坏的原因是试件刚度大于实验机（即加载系统）的刚度。70年代Black将刚度理论用

32、于分析美国爱达荷加利纳矿区的岩爆问题。认为矿山结构（矿体）的刚度大于矿山负荷（围岩）的刚度是产生岩爆的必要条件。佩图霍夫认为，岩爆发生是因为岩体破坏时实现了柔性加载条件，明确认为矿山结构的刚度是峰值后荷载变形曲线下降段的刚度。刚度理论简单、直观，但用于实践存在着不足之处。它未对矿山结构和围岩系统的划分及其刚度给出明确的概念。 断裂损伤理论 近年来，断裂力学和损伤力学的发展，对经典连续介质力学产生了巨大的影响，运用断裂力学和损伤力学分析岩石的强度可以比较实际地评价岩体的开裂和失稳。断裂理论实际上是结合失稳理论进行的，根据线性断裂力学，裂缝扩展条件相当于结构势能F=W-U出现驻值的情况。0 式(1

33、.4)式中：W裂缝扩展所需能量；U结构弹性能；裂缝长度的一半；损伤理论通过建立岩石材料的损伤本构模型，把岩石的破坏过程看成岩石的损伤积累过程。损伤积累到一定程度，就出现了宏观裂纹，如此时损伤继续积累，就可能产生应变软化现象从而导致岩石存储应变能的能力降低，出现弹性应变能的释放，多余能量向外部传递，就会引起岩爆。 突变理论突变是指从一种稳定状态跳跃式地转变到另一种稳定状态，或者说在系统演化中，某些变量的逐渐变化导致系统状态的突然变化。突变理论的一个显著优点是，即使在不知道系统有那些微分方程的条件下，用少数几个可控制变量便可预测系统的诸多定性或定量性态。目前应用最多的是尖点突变模型。徐曾和9等人利

34、用尖点突变理论对柱式岩爆进行了研究，单晓云10等利用突变理论预测巷道岩爆发生的可能性。岩体破坏过程中的声发射参数含有大量岩体状态信息，突变理论可以更好地利用这些信息，较为准确地预报岩爆的发生。1.2.2隧道涌水和突水的研究现状涌水和突水是隧道常见的地质灾害，时常引起严重的后果，它是隧道施工中遇到的流体地质灾害类型之一。隧道的涌突水严重危及隧道施工的安全，影响隧道施工的进度，而且如果隧道施工措施不当，常常会使隧道建成后运营环境恶劣，地表环境恶化，给人们的生产和生活造成重大的损失11，具体表现：在高压、富水、岩溶隧道开挖过程中，涌水事故特别是突发性涌水事故时常发生，并伴随涌泥、涌砂，从而淹没坑道，

35、冲毁机具，造成施工被迫中断，甚至造成重大人员伤亡事故；引起岩溶地面塌陷和地面沉降；造成水资源减少和枯竭；导致水质污染等。所以国内外学者和工程师对涌水、突水都非常重视，对这一问题的研究也比较早，在过去的130多年间，法国水力学家达西12所提出的渗流公式一直广泛应用。达西定律如下： 式（1.5）式中：渗流量；水力梯度；水流的横截面积；渗透系数；与达西同时代的裘布伊12以达西定律为基础，推导出地下水单向及平面径向稳定流公式，描述了特定条件下地下水的运动状态，裘布伊公式对地下水力学的发展起到了重要作用。1889年H. E.茹可夫斯基6首先推导出渗流的微分方程。Laurent和Eisenloht (19

36、97)13等人提出：由于含水层的各向异性，需要采用全面响应法对含水层的物理特性以及水动力特征进行研究。Laurent和Eisenloht等力图采用数值模型模拟地下水流以检验统计方法在地下水流诠释方面的敏感度，他们采用FEN1和FEN2模拟稳态和瞬态一维、二维和三维饱和土层中的地下水运动规律。根据他们的研究结果：水文地质模型并不唯一对应岩溶网络的排泄密度，当运用统计学方法时，需要获得更详细的水文地质资料、气候条件（暴雨频率、降雨的空间、时间分布）、渗流机制等对水位图和相关图等有显著影响的因素。樱木武14利用渗流理论对隧道二维稳定涌水的涌水量、涌水点进行了计算和预测。邹成杰15根据多年的实践经验和

37、理论研究，提出了岩溶管道水汇流理论。Andrew（2002）16等在Dakota西南部的Black Hill东翼地区研究中，采用稳定同位素O18和氘作为天然跟踪剂对地下水流动历时以及混合情况进行了评估，研究中提出了时间级数分析法，该方法包括一个线性系统分析方法，用以对流动时间，瞬态混合以及管流与基岩流之间的关系进行研究，可提供潜在污染物的运动、流动时间、残存时间等方面资料，该方法假定系统是线性的，时间不变化或固定，响应特征不随激发力或时间的量级进行变化，可用卷积积分表达如下： 式（1.6）式中：系统的响应；激发函数；变换函数； 激发函数到响应之间延迟时间；该时间级数分析法适合于周期较长，较高的

38、补给速度条件下的地下水系统。William B. White3（2003）对地下含水层模型进行了评述，提出在建立地球化学、数学或计算机模型之前，首先要有概念模型。一个构成完善的概念模型可转换为一个数学模型，这个转换是地下含水层模型建立的核心问题。通常这种模型可分为空间模型和时间模型，一般地下水流模型采取空间模型，地球化学模型一般采取时间模型。该模型的特征参数包括：地下水流域面积、补给区域面积、溶管容水量、基岩水力渗透性、裂隙水力渗透性、溶管系统响应时间、溶管-裂隙耦合系数、地质环境边界条件等。1.2.3隧道地应力的研究现状地应力场产生的原因是十分复杂的，至今，人们对此尚未能十分清楚的了解。几十

39、年的实测和理论及工程经验表明，地应力的形成主要与地球的各种运动过程有关，其中包括17：地心引力、板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，地球内部的温度不均匀、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。其中，构造应力场和自重应力场是现今地应力场的主要组成部分。经过几十年的不懈努力，从认识到地壳岩体中地应力的存在和对地应力状态的假设，到利用各种手段获得实际地应力资料的过程中积累了大量的经验，已初步认识到地应力场分布的一些基本规律。很多的国内外学者对地应力值的大小开展了大量研究，总结起来地应力的计算分析主要经历了定性研究和定量研究两个阶段。

40、1)定性研究：这种分析方法主要在地应力研究的早期，海姆提出的“静水应力式”分布；前苏联学者金尼克根据平面应变弹性理论提出了垂直应力为主的观点，水平应力为垂直应力与侧压系数的乘积；海姆森(Haimson )等的水平应力为主的观点一直到后来的自重作用和构造运动是引起地应力的主要因素观点的出现，都是对地应力进行的定性研究。这些工作揭示了地应力的分布规律，认识到了地应力对工程影响的重要性，但是却无法给出具体的量值来指导工程设计与施工。2)定量研究：当前对地应力值大小的定量研究一方面是进行实地测量和监控，另一方面就是根据有限的观测资料进行初始地应力场分析计算，以得到整个工程区的初始应力值及分布规律。地应

41、力的现场测量可以得到测点“真实”的地应力资料，特别是随着科学技术的发展，测量设备和观测方法也越来越先进和准确，但是现场测量的最大缺点就是费用太高。因而，如何根据有限的测点尽可能准确的预测分析出整个工程区的地应力分布情况就显得具有极其重要的意义。对地应力的计算从有海姆公式以来得到了很大的发展，总结起来主要有解析法和数值计算法两种方法。解析法主要是以粘弹塑性理论为基础，根据现场得到的位移观测资料，按照地应力形成理论来计算工程区的地应力。这种方法的最大优点是计算简单方便，理论严谨，可以节约大量的地应力测量费用，在地质条件不是特别复杂的地区应用这种方法会取得比较满意的结果。这种方法的缺点就是不能充分考

42、虑地质条件的复杂性，况且每一种解析方法的假定与实际条件都有较大的差距。人们普遍认为这种将按照复杂规律分布的初始地应力进行正演计算法的研究实用价值不大，但可以作为初期对工程区地应力场的一种估算方法。近二、三十年来，随着计算机技术和数值分析计算方法的进步，使得进行大型的数值模拟和计算成为可能，各种数值计算方法不断涌现。现今在工程中运用较多的分析方法大致可以分为两类：一类是位移反分析法，另一类是应力反分析法。1982年白世伟、李光煜21提出边界荷载调整法，该方法按照假定的计算域调整边界荷载，用有限元求解域内的应力场。经过试算使所求应力值在测点的计算值与实测值达到较好的拟合。这个方法虽不错，但缺点是边

43、界荷载的调整无规律可循，对解的唯一性没有理论依据，解的收敛性也难于判断。1983年郭怀志22教授等发表“岩体初始地应力场的分析方法”，提出岩体的初始地应力是自重应力和构造应力的线性组合：，式中、是待定系数，文章采用三维空间力学模型为基础的理论应力拟合方法，并在计算过程中引入数理统计中的多元回归分析原理，取得了较好的效果，文章的发表也引起了工程界的高度关注。1984年张有天、胡惠昌23提出的“地应力场趋势分析”，其基本思想是根据弹性理论和地应力场的分布，设定一个应力函数，它满足调和方程，所以也满足平衡方程和变形协调条件。在计算域内给定点上，使借助函数计算的应力值与已知实测值相吻合。该方法简便可行

44、，但当地形起伏变化较大，地质上有断层破碎带，或是研究区的介质不均匀时，采用这种方法进行拟合增加了复杂性。1989年肖明24提出了采用三维有限元反演初始应力场，并用三维正交多项式拟合三维应力函数，该方法是以实测点为依据，然后根据地形、地貌地质条件对初始应力场用三维正交多项式根据最小二乘法的原理来拟合，有一定的精度，但是同样存在若模型区域较大则相对精度会降低很多。1994年朱伯芳院士25在郭怀志教授的基础上做了改进：把自重应力作为己知值，在地应力的反演分析中只是对构造应力进行反演，并进行了理论上的论述。1996年朱焕春26等又提出了“河谷地应力场的数值模拟”方法，该方法针对河谷地区特殊的地形地貌，

45、分析河谷地应力场的成因，采用三维弹塑性有限元和正交设计理论相结合的手段，实现了对河谷区三维地应力场的数值模拟和对测点处地应力测量结果代表性的评价。在国外，这方面的理论研究主要集中在位移反分析上。其中，比较著名的是日本神户大学的樱井春辅教授27等人提出的位移应变反馈确定初始地应力与地层参数值的有限单元法。这一方法假设了岩体的初始垂直应力近似等于自重应力，取用了不等于水平应力的待定侧压力系数，在分析计算中可同时确定地层E、值。除日本外，美国、意大利等国的学者对位移反演理论也早有研究，其中美国学者古德曼(R.E.Goodman)在岩石力学专著中己提到可依据位移量反算初始地应力，意大利学者焦德(G.G

46、ioda)从事位移反演理论研究多年，并取得一系列成果，包括可同时确定初始地应力场和地层特性参数的优化反演分析理论。1.2.4隧道大变形的研究现状隧道大变形作为一种严重的地质灾害，对隧道工程建设产生严重的影响，国内外学者已经做过不少的探索工作，但由于大变形理论的研究不尽成熟，加之现场地质岩体状况复杂性，目前的研究工作主要表现在以下方面。 大变形的定义关于围岩大变形，日前还没有形成一致和明确的定义。俞喻28提出根据围岩变形是否超出初期支护的预留变形量来定义大变形，即在隧道施工时，如果初期支护发生了大于25cm(单线隧道)和50cm(双线隧道)的位移，则认为发生了大变形。翁汉民29认为，不能从变形量的绝对值大小来定义大变形问题，具有显著的变形值是大变形问题的外在表现，而其本质是由剪应力产生的岩体的剪切变形发生错动、断裂分离破坏，岩体将向地下空洞方向产生压挤推变