地下建筑结构及设计_1PPT课件

第3章 地下建筑结构及设计3.1 地下建筑结构 3.1.1 地下建筑结构与类别 3.1.2 地下建筑结构的发展现状 3.1.3 地下建筑结构特点 3.1.4 地下建筑结构选型 3.2 地下建筑结构设计计算 3.2.1 地下建筑结构设计理论 3.2.2 地下建筑结构设计计算模型 3.2.3 地下建筑结构设计模型利弊分析 对地下工程的需求回顾: 二十一世纪是地下空间的世纪。开拓生存空间抑制城市病（人口拥挤、交通阻塞、环境污染、能源紧缺）n2010年前，我国地下空间将会广泛发展；n20202030年，地下空间将高水平发展（1）地下空间将成为城市的第二空间（2）地下空间造价新说：城市土地昂贵，地下开发造价相对会有所降低；（3）把飞机开到地下去：解决城市交通的出路就是高效率的地下交通。可造无两翼的飞机，以超过600的速度飞行，不需要驾驶员，由中心遥控，类似于磁悬浮列车；（4）贯通海洋的地下工程 如大连隧道、琼州隧道、台海隧道等；（5）新型城市公用市政隧道 如建设共同沟。 .第3章 地下建筑结构及设计n3.1 地下建筑结构n3.1.1 地下建筑结构与类别n 1、地下建筑结构基本定义n 保留上部地层（岩体或土层）的前提下，在开挖出的地下空间内修建能够提供某种用途的建筑结构物，统称为地下建筑结构，一般是由人工建筑（构筑）结构、地下支护结构与天然周边围岩共同组成地下建筑结构体系。n地下建筑是修建在地层介质中的n建筑物。分为两大类： 岩石（硬土）地下建筑 土层（软土）地下建筑 水中地下建筑，有否？n 序 号 组 成 部 分各 部 分 名 称1人工建筑或构筑包括梁、板、柱、墙等。2地下支护结构围岩超前支护初期支护围岩超前支护注浆导管、管棚等。初期支护喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土、锚杆、预应力锚索、钢格栅或型钢支撑等。永久性支护衬砌、钢筋混凝土衬砌、永久性结构等。3 天然岩土体岩层、土层表3-1 地下建筑结构体系基本构成表n 2、地下建筑结构的作用地下建筑结构主要作用是承受自重和各种可能出现的荷载、维护工程稳定，防止围岩进一步松动塌落、保持洞室断面净空要求，并确保地下工程使用的安全性和耐久性。因此要求地下建筑结构必须有一定的强度、刚度、抗渗、抗侵蚀、防风化、防水防潮，能防冒顶塌方、长期安全使用。n永久性支护结构即衬砌结构n衬砌结构作用：n 1）承重：即承受岩土体压力、结构自重以及其它荷载的作用；n 2）围护，即防止岩土体风化、坍塌、防水、防潮等。n地下建筑与地面建筑结构的区别n （1）地下结构与周围岩土体的共同作用n 岩土体不仅是荷载，也是“结构”、约束变形 （2）地下建筑结构所承受的荷载比地面结构复杂。 （3）计算理论、设计和施工方法 “入地”的难度不亚于“上天”n2、地下建筑结构分类n 表3-2 地下建筑结构按相对地表位置分类分类标准地下建筑结构分类备 注 说 明 地下建筑结构相对地表位置 水平地下建筑结构 地下主体结构与地面基本平行，如平硐、隧道。 倾斜地下建筑结构地下主体结构与地面线斜交，如斜井。 竖直地下建筑结构地下主体结构与地面垂直，如竖井。 表3-3 地下建筑结构按设计断面形式分类分类标准地下建筑结构分类备 注 说 明按结构设计断面形式不同 拱形地下建筑结构喷锚衬 砌、半衬砌、厚拱薄墙衬砌、直墙与曲墙拱形衬砌等。在地下工程中广泛应用，如隧道、地下厂房、仓库等。圆形、矩形或管状地下结构软土中的地下铁道、穿越江河湖海底部的越江、跨海隧道。一般作成装配式的管片或管节，施工时利用盾构、顶管或沉管法形成。框架地下建筑结构软土浅埋明挖施工的地铁车站、厂房、地下医院等采用框架地下建筑结构。薄壳地下建筑结构地下油库、顶盖采用穹顶薄壳结构。异形地下建筑结构非圆形、非矩形。如双圆形衬砌结构、三圆形衬砌结构、椭圆形衬砌结构等。表3-4 地下建筑结构综合地质、使用和施工因素分类分类标准地下建筑结构分类备 注 说 明 综合地质使用和施工三方面因素土层地下建筑结构附建式地下结构房屋建筑下面的地下室等。一般有承重外墙、内墙、板或梁板式平底结构。浅埋式地下结构平面呈方形或长方形，当顶板为平顶时，采用梁板式结构；也有采用直墙拱形结构；大中型结构则设计为 矩形框架结构；如地铁车站、地铁通道、地下工厂、地下医院和地下指挥所等。沉井与沉箱地下建筑结构不同断面形状（如圆形、矩形、多边形等）的井筒或箱体，按边排土边下沉的方式使沉入地下，即沉井或沉箱。是深基础施工的主要方法。沉井施工时，底部挖土，顶部出土，故施工时沉井为开口圆形或方形的井筒结构。而沉箱采用压气排水施工方法，又称为闭口沉综合地质、使用和施工三方面因素 土层地下建筑结构 盾构法地下结构盾构开挖推进，装配式圆形、半圆形衬砌；是软土层中修建隧道的主要方法连续墙 地下结构先建两条连续墙 ，在中间挖土，再修建底版、顶板和中间楼层。顶管地下建筑结构靠千斤顶顶进 就位，小断面一般采用圆形结构；大而短断面一般采用矩形或多跨箱形结构。沉管法地下结构做成箱形结构，两端临时封闭，运至预定水面处，沉放至设计位置；一般用于穿过江、河、湖、海等水体的隧道结构。深基坑地下结构由地面向下开挖一个地下空间，四周采用多种形式的支挡结构。表3-4地下建筑结构综合地质、使用和施工因素分类综合地使用和施工三方面的因素 岩石地下建筑结构 整体式拱形隧道结构喷锚衬 砌、半衬砌、厚拱薄墙衬 砌、直墙拱形衬砌、曲墙拱形衬砌、落地拱等。分贴壁式和离壁式拱形结构。喷锚 支护结 构 有喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土、锚杆喷射混凝土、锚杆钢筋网喷射混凝土等结构形式，作为工程的永久结构体系。适用于围岩稳定性较好的地下工程中，在围岩较差的工程中做临时 柔性支护。穹顶结构 由圆柱形侧墙 和扁球形穹顶组 成的圆形空间薄壁结构，受力性能好，但施工复杂，一般用于地下油罐、地下冷藏库等。连拱隧道 适用于洞口地形狭窄，或对两洞间距有特殊要求的中短隧道。 复合衬砌结构 由喷锚 柔性支护做和初期临时 支护，等围岩和支护结构变形稳定后，再作刚性较大的二次永久（钢筋）混凝土衬砌支护，两层之间可设防水层。适用于各种围岩条件。 表3-5 地下建筑结构按使用条件、功能不同分类分类标准地下建筑结构分类 备 注 说 明 按使用条件、功能不同分类交通隧道铁路隧道、公路隧道、城市地铁隧道、水底隧道等。水工隧洞水力发电站的各种输水隧洞、灌溉输水隧洞、给水排水隧洞等。矿山隧道矿山各类运输隧道、开采井巷等。地下仓储粮食、油料、水果、蔬菜等的储藏库、鱼肉食品冷藏库、车库、核废料封存库等。表3-5 地下建筑结构按使用条件、功能不同分类分类标准地下工厂 水力或火力发电站的地下厂房、各种轻、重工业的地下厂房等。按使用条件、功能不同分类公共与民用建筑地下商店、图书馆 、体育馆、展览厅、影剧院、旅馆、餐厅、住宅、城市地下街等。市政工程 地下给排水工程、管线、废物处理中心、地下共同沟等。人防工程地下建筑结构 人员隐蔽部、指挥所、疏散干道、连接通道、医院、救护站、防空地下室等。国防工程地下建筑结构 飞机库、舰艇库、武器弹药库 、作战指挥所、通信中心、作战工事及构筑物等。 表3-6 按地下建筑结构材料不同分类分类标准 地下建筑结构分类备 注 说 明 按地下建筑结构材料 钢筋混凝土结构一般工程中可采用耐久性好，施工可塑性强的现浇钢 筋混凝土结构。钢结构大空间的洞穴中可使用钢结构。砌体结构对于地质条件较好的浅埋小跨度结构（如粮仓、隧道等），可选用砌体结构。围岩（岩石）为主体的地下建筑 围岩是受洞室开挖影响的那一部分岩（土）体，此时围岩具有三位一体的功能，即：产生荷载、承载结构、建筑材料；岩石地下建筑结构体系=天然围岩+支护体系。按照施工方法分为：n n明挖法（放坡、支护、降水）；明挖法（放坡、支护、降水）；n n盖挖法、逆作法；盖挖法、逆作法；n n沉箱、沉井、沉管法；沉箱、沉井、沉管法；n n顶管法顶管法( (大口径与微型顶管大口径与微型顶管) )；n n盾构法（盾构法（SM, TBMSM, TBM）n n岩石掘进机岩石掘进机 （ TBMTBM）n n新奥法、钻爆法。新奥法、钻爆法。按衬砌材料和结构形式衬砌结构材料主要有砖、石、砌块混凝土、钢筋混凝土、钢轨（型钢、格栅拱）、锚杆、喷射混凝土，铸铁、钢纤维混凝土，聚合物钢纤维混凝土等。 根据现场浇筑施工方法不同，衬砌构造型式又分为：1）模筑式衬砌2）离壁式衬砌3）装配式衬砌4）锚喷支护衬砌地下建筑的结构型式 地面房屋的结构形式砖混、框架、排架、剪力墙、 框剪、筒体. 地下结构型式 决定因素: (1)使用功能要求 (2) 受力情况 （地质条件、水文条件、和有否爆炸与地震等特殊动载） （3）施工方法 主要结构型式有：图3-1 结构设计不同断面形式 图3-2附建地下结构结构 （地下室）图3-3浅埋式地下结构图3-4隧道式地下结构、沉井（沉箱）地下结构、盾构结构图3-5 顶管结构 图3-6 沉管结构 土层地下建筑结构型式（一）、浅埋式结构： 平面成方形或长方形，当顶板做成平顶时，常用梁板式结构或矩形框架结 构；顶部也可做成拱形；以改善受力。（二）、附建式结构：是房屋下面的地下室 结构布置受上部房屋限制，有承重的外墙、内墙、内柱和梁板式顶底板结构。（三）、沉井结构：开口的井筒结构：水平一般做成方形，也有圆形，沉毕后再做底顶板。（四）、地下连续墙结构：先建造两条连续墙，然后在中间挖土，修建底板、顶板和中间 楼层。（五）、盾构结构： 常采用装配式圆形衬砌，也有做成方形和半圆形的。（六）、沉管结构：一般做成箱形结构，两端加以临时封墙。（七）、桥梁基础结构：桩基础和沉井基础。（八）、其它结构：除上述地下结构之外，还包括顶管结构和箱涵结构等。 岩石地下建筑结构型式主要包括直墙拱形、圆形、曲墙拱形，其它类型的结构，如喷锚结构、穹顶结构、复合结构等。拱形结构的优点：承载能力强、拱形结构的内轮廓比较平滑，净空浪费比圆形结构少；拱主要是承压结构。充分利用抗拉性能较差，抗压性能较好的材料，（如砖、石、混凝土）这些材料造价低，耐久性好，易维护。常用的以下简单介绍常用的几种拱形结构、喷锚结构以及穹顶结构等。（一）、拱形结构1贴壁式拱形结构：（1）半衬砌结构（2）厚拱薄墙衬砌结构 （3）直墙拱形衬砌 （4）曲墙拱形衬砌结构2离壁式拱形衬砌结构（二）喷锚结构、（三）穹顶结构、（四）连拱隧道结构、 （五）复合衬砌结构3.1.2 地下建筑结构的发展现状n国内：n铁路和公路隧道 解放后：修建的铁路隧道计2500km。 大遥山隧道为14.295km（1987），居世界第十位； 秦岭隧道由两座基本平行的单线隧道组成，间距30米，各全长18.46公里，1999年贯通。居亚洲第二位，世界第六位； 水下隧道：打浦路隧道（第一条，2761m）；， 外环沉管隧道，甬江、珠江江底隧道， 在建的崇明大通道隧道； 未来可能的隧道：琼州海峡隧道、台湾海峡隧道。 国外情况： 日本发展最快，修建达2000km。其中：圣哥达隧道16.5km。水下隧道发展较快，港九海底隧道、青函隧道（53.85km）,为世界之最；英法海峡隧道（49.6km），直布罗陀海峡隧道（拟建，连接欧非大陆）；马海峡隧道（拟建，连接日本与南朝鲜，230km）瑞士圣哥达大隧道全长16.5公里，是穿越海拔2千多米的阿尔卑斯山、连接瑞士南部和意大利北部的主要公路干道，为世界第二长车辆隧道 图片为2001年10月24日因车辆相撞发生大火，死亡14人。英吉利海峡隧道耗资100亿英镑，接通英国肯特郡的福克斯通和法国的加来，建造工程于1987年12月开始，到1990年12月结束。1994年5月6日由英国女王伊丽莎白二世和法国总统密特朗正式剪彩通车。这条双轨隧道长49.94公里，直径7.6米。在英吉利海峡底开凿隧道的规划是19世纪初拿破轮战争期间首次提出的。 水中漂浮隧道绥芬河北京乌海临汾洛阳荣成丹东锡林浩特乌兰浩特满洲里珲春青岛连云港宁波厦门汕头河池瑞丽霍尔果斯石家庄太原济南长春哈尔滨郑州上海杭州福州武汉长沙南昌合肥南京广州南宁贵阳昆明成都重庆西安银川乌鲁木齐天津9纵 18横国家高速公路