PAGEPAGE1地下工程09年試卷參考答案分析城市地下空間開發利用的必要性和可行性。（10分）必要性：開發利用地下空間必要性、重要性：地價高漲，建地面工程成本高：鐵路、交通地下化、建地下城市等；地面不能提供建工程連續的土地；保護地面空間，高架道路地下化；利用地下空間的優勢和特點：抗震性：能源儲藏、生命線工程；恒溫、恒濕，冬暖夏涼；地下住宅；隔斷宇宙線、電磁波、核放射、爆炸等；開拓未來備用的地下空間。可行性：1、居民對地下空間的適應性和認可性：

自人類產生和發展，一直開發利用并興建地下建筑工程，早已熟悉和習慣地下空間和地下工程，其開發利用的價值和可行性已得到認可。近代和現代，炸藥的發明和應用，進一步推動地下空間開發。2、地面與地下的整體協調性：地下工程可以滿足現代人口規模、擴大城市容量的需求；地下空間的開發利用比建造海洋城市、宇宙城市等技術難度小，且人類已解決了在土層、巖體和水體中建造地下工程的關鍵技術，各種工藝技術、先進裝備比較成熟，跨越各種障礙，具有技術可行性和安全性。3、部分大城市具備開發利用地下空間經濟條件；4、在大城市開發地下空間比較成本優勢突出：經濟成本方面，由于地下環境特殊性，維持通風照明、濕度等條件和使用維護費用較高，是地面建筑的士3~5倍，但考慮地面征地拆遷、環境保護、城市景觀等社會綜合效益，使用成本并不高。城市地下空間開發利用形式的多樣性和適用性；國外地下空間開發利用取得巨大成效；國內地下空間開發利用初具規模；地下空間開發利用是21世紀城市發展的必然趨勢：世界共商發展大計；我國城市發展迫切要求；拓展城市空間和容量的必然選擇。簡述地下建筑結構的設計特點。（10分）1）地下空間內建筑結構替代了原來的地層，承受原來有地層承受的荷載。設計和施工過程中，要最大限度發揮地層圍巖自身承載能力，以便控制地下建筑結構的變形，降低工程造價。

2）在受荷狀態下構建地下建筑結構，地層荷載隨施工進程發生變化，設計要考慮最不利的荷載工況。

3)地下空間結構上的地層荷載由工程的地質情況確定，對于土體一般可按松散連續體來計算；如是巖石，不僅要考慮巖石的種類，而且要查清巖石的構造、節理、裂隙等，才能使結構上的地層荷載準確可靠。

4）地下水的狀態對地下建筑結構設計和施工影響較大，如靜水壓力、動水壓力、浮力效應、腐蝕性等。設計前查清地下水位的分布和變化。

5）設計階段的地質資料可能與施工揭露的實際地質情況不同，應根據施工的實時工況隨時修改設計。

6）地下建筑結構中設置變形縫最難處理的是防水問題，一般盡量避免設變形縫，通過局部加強地基、用整片較大的基礎、調整施工順序等得到整體平衡。

7）地下建筑結構設計還應考慮與防水、防腐、防火、防霉、通風等有關的特殊要求。

可見：地下建筑結構的設計計算影響因素多，設計難度比地面結構大。簡述地下建筑結構設計主要內容。（10分）結構設計主要是解決結構的選型、強度、剛度和穩定性、抗裂性等問題，并提供施工時結構各部件的具體細節尺寸及連接大樣。內容包括：

（1）確定工程防護等級、三防要求（核武器、化學武器、生物武器）動、靜荷載標準；確定埋置深度與施工方法；選定結構形式和結構平面布置；然后開始結構設計，

（2）初步擬定結構截面尺寸，根據荷載和使用要求估算結構跨度、高度、頂底板及邊墻厚度等主要尺寸；

（3）分析并初算結構上作用的荷載值：按建筑用途、防護等級、地震級別、埋置深度和土層情況求出作用在結構上的各種荷載值；繪制初步結構圖與計算簡圖；

（4）結構內力計算分析：選擇合適的結構內力計算模型和計算方法，得出結構各控制設計截面的內力；

（5）結構穩定性驗算：抗浮、抗傾覆、抗滑動等驗算；

（6）內力組合：在各種荷載作用下分別計算結構內力，對最不利的情況進行內力組合，求出各控制截面的最大設計內力值，并驗算截面強度；

（7）配筋計算：核算截面強度和裂縫寬度，得出受力鋼筋，并確定必要的構造鋼筋；繪制結構施工詳圖：如結構平面圖、結構構件配筋圖、節點圖等；

（8）安全性評估：如不符合安全要求，重新（選定結構形式與布置）估算結構跨度、高度、頂板、底版、邊墻厚度等主要尺寸；

（9）重復上述步驟，直到滿足各種要求；

（10）繪制施工設計圖，

（11）材料、工程數量和工程財務預算：選擇建筑材料、估算工程材料、工程量及經濟預算等。

簡述圍巖彈性抗力的形成過程，其值大小與哪些因素有關？如何計算圍巖彈性抗力？（10分）形成過程為：主動荷載作用于—地下支護結構—變形——作用于地層——地層反作用于地下結構—產生被動彈性抗力荷載。影響因素：層彈性抗力是地下建筑結構特有荷載，影響因素有支護結構的變形、地層的物理力學性質。被動荷載—地層彈性抗力計算：（a）局部變形理論：

溫克爾模型（點彈性理論），彈性地基（圍巖）某點的外力只引起該點的沉陷和變形；彈性抗力=地層彈性抗力系數*圍巖壓縮變形；該方法容易理解，計算簡單，只要滿足工程要求，一般采用。計算關鍵問題是確定地層彈性抗力系數的大小。

（b）共同變形理論（面彈性變形理論）：

彈性地基（圍巖）某點的外力不僅引起該點的沉陷和變形，而且引起附近周圍一定范圍內地基發生沉陷；但計算復雜，一般不用。畫圖分析說明收斂—約束法地下建筑結構設計原理。（10分）圍巖特性曲線(支護需求曲線)開挖隧道時，由于臨空面的形成，圍巖開始向洞內產生位移，這種位移為收斂；在開挖后適時地沿隧道周邊設置支護結構，對巖體的移動產生阻力，形成約束。在圍巖強度和穩定性允許的范圍內，圍巖在支護前的收斂越大，支護所需要約束的圍巖剩余收斂就越小，即支護受到的圍巖剩余變形荷載越小。但如果圍巖出現塑性變形破壞，則塑性和塌落范圍增大，圍巖在設置支護前的收斂越大，支護所需要抵抗的圍巖塌落荷載也越大。這種關系見圍巖特征曲線

支護設置后，在彈性范圍內，支護的變形越大，支護能提供的抗力越大，如果支護的剛度不足以完全制止圍巖的繼續變形，隨著變形的加劇，圍巖殘留形變荷載減小，支護提供的抗力增加，二者最終在某個圍巖變形值處達到平衡。這種利用圍巖與支護共同作用特性來選擇支護參數的方法為特征曲線法（收斂約束法）簡述地下建筑結構的概念，按結構斷面形式可分為哪些類型？分別適用于什么類型的地下工程？（10分）地下建筑結構基本定義：

保留上部地層（巖體或土層）的前提下，在開挖出的地下空間內修建能夠提供某種用途的建筑結構物，統稱為地下建筑結構，一般是由人工建筑（構筑）結構、地下支護結構與天然周邊圍巖共同組成地下建筑結構體系。分類標準地下建筑結構分類備注說明

按結構設計斷面形式不同拱形地下建筑結構噴錨襯砌、半襯砌、厚拱薄墻襯砌、直墻與曲墻拱形襯砌等。在地下工程中廣泛應用，如隧道、地下廠房、倉庫等。圓形、矩形或管狀地下結構軟土中的地下鐵道、穿越江河湖海底部的越江、跨海隧道。一般作成裝配式的管片或管節，施工時利用盾構、頂管或沉管法形成。框架地下建筑結構軟土淺埋明挖施工的地鐵車站、廠房、地下醫院等采用框架地下建筑結構。薄殼地下建筑結構地下油庫、頂蓋采用穹頂薄殼結構。異形地下建筑結構非圓形、非矩形。如雙圓形襯砌結構、三圓形襯砌結構、橢圓形襯砌結構等。7.簡述地下建筑結構設計計算四種模型的優缺點及基本適用條件。（10分）序號設計模型優點缺點不足基本適用條件1工程經驗類比法1）以圍巖分類為基礎，設計借鑒已有的工程經驗；2）圍巖分類綜合考慮影響圍巖定性和定量因素；3）分析方法簡便，分類參數便于獲取；4）無需定量計算，易于實現和掌握；5）為圍巖質量預測提供了一條途徑；6）多數情況下能滿足工程實用精度要求；7）能綜合考慮多種非確定性影響因素，快速地對擬建地下建筑結構的設計參數作出估算和評價。1）用于給定的跨度、洞形和埋深，不能具體反映不同因素變化對結構條件的影響；2）不能反映支護類型與支護參數增減對安全性和經濟性變化影響，不能進行優化設計；3）不能利用已有的監控資料定量地改進設計；4）用于堅硬巖石偏保守，用于軟弱圍巖偏危險；5）以人的經驗為主，解決地下結構設計問題的范圍較窄，帶有的主觀性。該法的基礎在于積累和整理既有工程資料，充分掌握和占有已往類似工程的資料和成功經驗，前提是建立合理的圍巖分類體系，對地下工程圍巖進行正確分級。成功建造的關鍵是作好施工過程的監控量測和信息反饋。

2荷載—結構模型（結構力學模型）1）結構計算模型概念明確，采用成熟的結構力學方法，計算結果可靠；

2）可以直接獲得結構安全系數，滿足傳統設計要求；3）對明挖回填及淺埋剛性支護地下建筑結構，計算精度較高，其結果滿足設計精度。1）計算中的荷載基于一定的假設前提，對于深埋地下工程，假設條件難以滿足；2）對于承受變形地壓的結構，其計算難以考慮，計算精度不高；3）不能考慮結構與圍巖的相互作用，對于錨噴支護以及深埋變形巖層不能采用。該法適用于淺埋地下建筑結構（上部為填土），圍巖塌落而出現松動壓力的情況。3地層—結構模型（連續介質力學模型）1）能借助計算模型和數值計算技術，對不同條件、不同受力環境以及不同開挖方法進行模擬，從而進行支護參數和斷面形狀優化；2）能研究地下工程的圍巖力學性質變化（彈塑性區位置與大小）以及應力分布；3）能在工程施工前進行分析、研究和方案比較；4）能研究地下工程的變形破壞機理、失穩條件以及影響因素。

1）由于巖土體參數準確地獲取存在相當困難，使得計算結果難以滿足設計要求；2）數值分析方法僅限于給出地下工程圍巖的應力場、位移場以及彈塑性區的位置和大小，不能直接給出安全系數指標；3）需要扎實的理論基礎，也需要一定工程實踐經驗，對設計者要求較高。適用于初始應力、地質條件復雜，構筑在軟巖或較穩定的地層內，并采用新奧法設計、施工的復合襯砌或噴錨襯砌的隧道的設計。

4收斂—限制模型1）洞周圍巖變形是隧道圍巖整體穩定性最直接、最能反映本質和總體的宏觀表現。用這種方法設計最接近實際；2）給出圍巖支護系統在錨噴支護末期洞周收斂的概略值；3）圍巖變形是支護效果直觀體現。1）只能用于工程開挖施工階段，不能進行開挖前的設計與分析；2）只能用于特定監測工程，不能推廣應用到尚未實施監測的多數地下工程；3）對于隧道開挖后支護初期圍巖穩定性判斷準則，尚無定量判據。適用用于工程開挖施工階段,用于特定監測工程8.簡述地下工程開挖與支護過程中圍巖應力的變化過程，并分析地下工程一次支護和二次支護各有什么特點。（10分）地下工程開挖前巖體處于初始應力狀態，為一次（原始）應力平衡狀態；地下開挖后，引起了圍巖應力的重調整分布，同時圍巖將產生向隧道內的位移，形成了新的應力場，稱之為圍巖的二次應力平衡狀態；坑道支護后，相當于在坑道周邊施加了一個阻止隧道圍巖變形的支護阻力(抗力)，從而也改變了圍巖的二次應力狀態。支護阻力的大小和方向對圍巖的應力狀態有著很大的影響。這就是三次應力平衡狀態。這種狀態與支護結構類型、方法以及施設時間等有關。三次應力狀態滿足穩定要求后就會形成一個穩定的洞室結構，這個復雜的力學變化過程才告結束。

｛此問真沒有｝9.按使用功能不同，地下工程如何分類？如何區分深埋和淺埋地下工程？（10分）按開發利用階段層次分人類生存和確保安全的地下工程儲藏設施、地下住宅等；能源（石油、天油氣）儲藏，用水儲藏：放射性廢棄物處理等；伴隨城市發展而加以利用的地下工程地下街、停車場、交通系統、能源供給、通信、文化設施、地下鐵道、市政地下管道等；伴隨科學技術發展而利用的地下工程地下生產工廠、地下水力發電站、廢棄物地下處理等；大規模國土有效利用的地下工程城市之間地下交通、物流系統、鐵路隧道、公路隧道、海峽隧道等；防御和減災的地下工程人防工程、地下防洪大壩、地下河等；分類標準地下建筑結構分類備注說明按使用條件、功能不同分類交通隧道鐵路隧道、公路隧道、城市地鐵隧道、水底隧道等。水工隧洞水力發電站的各種輸水隧洞、灌溉輸水隧洞、給水排水隧洞等。礦山隧道礦山各類運輸隧道、開采井巷等。地下倉儲糧食、油料、水果、蔬菜等的儲藏庫、魚肉食品冷藏庫、車庫、核廢料封存庫等。按地下工程埋置深度區分淺層地下工程埋深10m范圍內的地下工程；次淺層地下工程埋深10～30m范圍內的地下工程；中層地下工程埋深30～50m范圍內的地下工程；深層地下工程埋深50m以下的地下工程；全地下工程h/b＜a時，為淺埋地下建筑工程；h/b≥a時，為深埋地下建筑工程；h：洞頂襯砌外緣至地面的垂直距離；b：為洞頂襯砌外緣的跨度或圓形洞室的直徑；a：根據土壓力理論計算，a約為2.5；10.分析比較地面建筑結構與地下建筑結構的工程特點。（10分）比較內容地下建筑結構工程特點地面建筑結構工程特點荷載類型和形成先后順序先有荷載，后有結構。在地下建筑結構形成前存在地應力、地下水壓力等荷載；除存在主動荷載外，存在被動荷載—彈性抗力作用。先有結構工程，后有荷載。經過施工，形成地面結構，承受靜載和動載作用；一般只有主動荷載。工程材料特性工程材料具有不確定性：除支護材料、建筑結構材料可控制外，圍巖地質體難以預測和控制。表現在：1）空間上不確定性：不同位置的圍巖地質條件如巖性、斷層、節理、地下水、地應力等存在差異。2）時間上不確定性：不同歷史演變時期，上述因素不同，且與開挖方式、支護形式、時間、工藝等密