1、 地下建筑結(jié)構(gòu)主講人：尤春安1. 緒論地下結(jié)構(gòu)的定義： 保留上部地層（山體或土層）的前提下，在開挖出能提供某種用途的地下空間內(nèi)修建的結(jié)構(gòu)物，統(tǒng)稱為地下結(jié)構(gòu)。 1、交通隧道：鐵路隧道、公路隧道、行 人隧道等；2、水工隧洞：引水隧道、地下電廠廠房等、閘門硐室等；3、礦山巷道：立井、平巷、斜井、馬頭門、硐室等；4、地下倉庫：地下油庫、地下炸藥庫、民用地下倉庫等；地下工程應(yīng)用 5、地下民用與公共建筑：地下工廠、地下停車場、地下商業(yè)街等；6、地下市政工程：城市地鐵、城市隧道、城市共同溝等；7、人防工程和國防地下工程：地下防空工程、地下飛機(jī)庫、地下彈藥庫、地下指揮部等；地下工程應(yīng)用 1.1 地下結(jié)構(gòu)型式地

2、下結(jié)構(gòu)：水平，傾斜（斜井）豎直（豎井）；水平地下結(jié)構(gòu)埋置深度的不同，又分成淺埋和深埋兩種。結(jié)構(gòu)型式首先由受力條件來控制，即在一定地質(zhì)條件的土水壓力下和一定的爆炸與地震等動載下求出最合理和經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)型式。結(jié)構(gòu)型式也受使用要求的制約；施工方案是決定地下結(jié)構(gòu)型式的重要因素之一。 地下結(jié)構(gòu)型式斷面形式矩形 梯形 直墻拱形馬蹄形 仰拱形 圓形地下結(jié)構(gòu)型式支護(hù)形式(1) 防護(hù)型支護(hù) 以封閉巖面，防止周圍巖體質(zhì)量的進(jìn)一步惡化或失穩(wěn)為目的。 特點(diǎn)：既不能阻止圍巖變形，又不能承受巖體壓力，而是僅用它通常是采用噴漿、噴混凝土或局部錨桿來完成的。地下結(jié)構(gòu)型式支護(hù)形式 (2) 構(gòu)造型支護(hù) 支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足施工及構(gòu)造要求，

3、防止局部掉塊或崩塌而逐步引起整體失穩(wěn)。 構(gòu)造型支護(hù)通常采用噴射混凝土、錨桿和金屬網(wǎng)、模筑混凝土支護(hù)等。地下結(jié)構(gòu)型式支護(hù)形式 (3) 承載型支護(hù) 承載型支護(hù)應(yīng)滿足圍巖壓力，使用荷載、結(jié)構(gòu)荷載及其它荷載的要求，保證圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性北京地鐵王府井車站南京玄武湖隧道廣州地鐵東（山口）楊（箕）區(qū)間隧道上海人民廣場地下游泳館地下劇場大連奧林匹克廣場 地鐵車站（上海）引水隧道（預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)深圳梧桐山隧道（魯班獎）珠海板樟山隧道福州象山隧道（四連拱）隧道內(nèi)景隧道內(nèi)景隧道內(nèi)景小浪底電站進(jìn)水口（施工）地下廠房地下廠房地下廠房綜合地質(zhì)、使用、施工三因素，地下結(jié)構(gòu)常見的型式有以下幾種：地下結(jié)構(gòu)常見的型式

4、有以下幾種（1） 附建式結(jié)構(gòu) （2） 淺埋式結(jié)構(gòu)（3） 地道式結(jié)構(gòu) （4） 沉井法結(jié)構(gòu) （5） 盾構(gòu)法結(jié)構(gòu)（6） 連續(xù)墻結(jié)構(gòu) （7） 頂管結(jié)構(gòu)（8） 沉管法結(jié)構(gòu)附建結(jié)構(gòu)淺埋式結(jié)構(gòu)坑道式結(jié)構(gòu) 沉井盾 構(gòu)地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)頂 管 沉 管1.2 地下結(jié)構(gòu)計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀 地下工程所處的環(huán)境條件與地面工程是全然不同的，早期的地下工程建設(shè)都是沿用適用于地面工程的理論和方法來指導(dǎo)地下工程的設(shè)計與施工因而常常不能正確地描述地下工程中出現(xiàn)的力學(xué)現(xiàn)象。經(jīng)過長期的工程實(shí)踐和理論研究，人們才逐步認(rèn)識到地下結(jié)構(gòu)受力、變形的特點(diǎn)，并形成以考慮地層對結(jié)構(gòu)變形約束為特點(diǎn)的地下結(jié)構(gòu)計算理論和方法。1.2 地下結(jié)構(gòu)計算理論的發(fā)

5、展與現(xiàn)狀 地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展至今已有百余年的歷史，它與巖土力學(xué)的發(fā)展有著密切關(guān)系。土力學(xué)的發(fā)展促使著松散地層圍巖穩(wěn)定和圍巖壓力理論的發(fā)展而巖石力學(xué)的發(fā)展促使圍巖壓力和地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)理論的進(jìn)一步飛躍。隨著新奧法施工技術(shù)的出現(xiàn)以及巖土力學(xué)、測試儀器、計算機(jī)技術(shù)和數(shù)使分析方法的發(fā)展地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)理論正在逐新成為一門完善的學(xué)科。1.2 地下結(jié)構(gòu)計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀（1）剛性結(jié)構(gòu)階段 這種計算理論認(rèn)為作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力是其上覆巖層的重力。如：海姆(AHaim)理論、朗肯理論和金尼克理論和著名的普氏理論等。1.2 地下結(jié)構(gòu)計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀（1）剛性結(jié)構(gòu)階段 這種計算理論認(rèn)為作用在支護(hù)結(jié)

6、構(gòu)上的壓力是其上覆巖層的重力。如：海姆(AHaim)理論、朗肯理論和金尼克理論和著名的普氏理論等。1.2 地下結(jié)構(gòu)計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀（2）彈性結(jié)構(gòu)階段 19世紀(jì)后期，混凝上和鋼筋混凝土材料陸續(xù)出現(xiàn)并用于建造地下工程，使地下結(jié)構(gòu)具有較好的整體性。從這時起，地下結(jié)構(gòu)開始核彈性連續(xù)拱形框架用超靜定結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力。作用在結(jié)構(gòu)上的荷載是主動的地層壓力，并考慮了地層對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彈性反力的約束作用。由于有了比較可靠的力學(xué)原理為依據(jù)、故至今在設(shè)計地下結(jié)構(gòu)時仍采用。1.2 地下結(jié)構(gòu)計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀（2）彈性結(jié)構(gòu)階段a. 假定彈性反力階段 將結(jié)構(gòu)的變形曲線和地層彈性反力的分布按某種形式分布進(jìn)行了假

7、定并出變形協(xié)調(diào)條件計算彈性反力的量值、因此比前一種假定彈性反力法合理。1.2 地下結(jié)構(gòu)計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀（2）彈性結(jié)構(gòu)階段b.彈性地基梁階段 即所謂的局部變形理論： Winkler假定：地基反力（抗力）與該點(diǎn)的變形成這比。1.2 地下結(jié)構(gòu)計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀（ 3 ）連續(xù)介質(zhì)階段 把支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖體作為一個統(tǒng)一的力學(xué)體系來考慮。兩者之間的相互作用，共同變形。即所謂的共同變形理論1.2 地下結(jié)構(gòu)計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀 現(xiàn)代支護(hù)理論的特征： (1) 對圍巖和圍巖壓力的認(rèn)識方面 傳統(tǒng)支護(hù)理論認(rèn)為圍巖是荷載的來源，是支撐的對象。現(xiàn)代支護(hù)理論則認(rèn)為圍巖具有自承能力。圍巖也是支護(hù)材料，可以通過加固圍巖而保證

8、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。1.2 地下結(jié)構(gòu)計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀 現(xiàn)代支護(hù)理論的特征： (2) 在圍巖和支護(hù)間的相互關(guān)系上 傳統(tǒng)支護(hù)理論把圍巖和支護(hù)分開考圍巖當(dāng)作荷裁、支護(hù)作為承載結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代支護(hù)理論則將圍巖和支護(hù)作為一個統(tǒng)一體，二者相互作用，共同變形。1.2 地下結(jié)構(gòu)計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀 現(xiàn)代支護(hù)理論的特征： (3)在支護(hù)功能和作用原理上 傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)只是為了承受荷載，現(xiàn)代支護(hù)則是為了及時穩(wěn)定和加固圍巖。保證圍巖的穩(wěn)定性。1.2 地下結(jié)構(gòu)計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀 現(xiàn)代支護(hù)理論的特征： (4)在設(shè)計計算方法上 傳統(tǒng)支護(hù)主要是確定作用在支護(hù)上的荷載，而現(xiàn)代支護(hù)理論將圍巖與支護(hù)作為共同的承載結(jié)構(gòu)。1.2 地下結(jié)構(gòu)計算理

9、論的發(fā)展與現(xiàn)狀 現(xiàn)代支護(hù)理論的特征： (5)在支護(hù)形式和工藝上 以加固圍巖為主要支護(hù)手段：如錨桿、錨索、噴射混凝土、注漿等。 1.2 地下結(jié)構(gòu)計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀 地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)理論正在不斷發(fā)展，各種設(shè)計方法都在不斷提高和完善過程中，尤其是能較好地反映地下工程特點(diǎn)的現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)計方法，更迫切需要在近期內(nèi)形成比較完善的量測體系與計算體系從發(fā)展趨勢看，新奧法開創(chuàng)的理論經(jīng)驗量測相結(jié)合的”信息化設(shè)計體現(xiàn)了地下工程程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展方向。1.3地下結(jié)構(gòu)的計算特性和設(shè)計方法 1地下結(jié)構(gòu)的計算特點(diǎn)（1）必須充分認(rèn)識地質(zhì)環(huán)境對地下結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響；（2）地下工程周圍的地質(zhì)體是工程材料、承載結(jié)構(gòu)，同時又是產(chǎn)

10、生荷載 的來源；（3） 地下結(jié)構(gòu)施工因素和時間因素會極大地影響結(jié)構(gòu)體系的安全性 1.3地下結(jié)構(gòu)的計算特性和設(shè)計方法 1地下結(jié)構(gòu)的計算特點(diǎn) （4）與地面結(jié)構(gòu)不同，地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)安全與否，既要考慮到支護(hù)結(jié)構(gòu)能否承載，又要考慮圍巖的穩(wěn)定性；（5）地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題在于充分發(fā)揮困巖自承力；（6）地下結(jié)構(gòu)的開挖過程是卸載過程，而不是加載過程； 1.3地下結(jié)構(gòu)的計算特性和設(shè)計方法 2地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法信息化設(shè)計方法的流程圖1.4 地下結(jié)構(gòu)計算的力學(xué)模型 1地下結(jié)構(gòu)的計算特點(diǎn) （4）與地面結(jié)構(gòu)不同，地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)安全與否，既要考慮到支護(hù)結(jié)構(gòu)能否承載，又要考慮圍巖的穩(wěn)定性；（5）地下工程支護(hù)結(jié)

11、構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題在于充分發(fā)揮困巖自承力；（6）地下結(jié)構(gòu)的開挖過程是卸載過程，而不是加載過程； 初步設(shè)計的內(nèi)容（1） 工程防護(hù)等級，三防要求與動載標(biāo)準(zhǔn)的確定；（2） 確定埋置深度與施工方法；（3） 草算荷載值；（4） 選擇建筑材料；（5） 選定結(jié)構(gòu)型式和布置；（6） 估算結(jié)構(gòu)跨度、高度、頂?shù)装寮斑厜穸鹊戎饕叽纾唬?） 繪制初步設(shè)計結(jié)構(gòu)圖；（8） 估算工程材料數(shù)量及財務(wù)概算。技術(shù)設(shè)計主要是解決結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定、抗裂性等問題，并提供施工時結(jié)構(gòu)各部件的具體細(xì)節(jié)尺寸及連接大樣。（1） 計算荷載：（2） 計算簡圖：（3） 內(nèi)力分析：（4） 內(nèi)力組合：（5） 配筋設(shè)計： (6） 繪制結(jié)構(gòu)施工詳圖：（7） 材料、工程數(shù)量和工程財務(wù)預(yù)算。1.3 計算原則1） 使用規(guī)范2） 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：確定地下建筑物的荷載、建筑材料的選用、允許考慮由塑性變形引起的內(nèi)力重分布、截面計算原則、材料強(qiáng)度指標(biāo) 3） 計算理論（1）計算原理：較多地應(yīng)用以文克爾假定的基礎(chǔ)局部變形理論以及以彈性理論為基礎(chǔ)的共同變形理論。（ 2）計算方法：一般結(jié)構(gòu)力學(xué)法，彈性地基梁法，矩陣分析法。 彈性抗力限制了結(jié)構(gòu)的變形，故改善了結(jié)構(gòu)的受力情況，如圖1-10所示。1.4 本課程的內(nèi)容和任務(wù)本課程是土木工程的一門專業(yè)課。獲得地下結(jié)構(gòu)工程的基礎(chǔ)知識，掌握