地下建筑结构及设计_1

1、,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） 2010年前，我国地下空间将会广泛发展； 20202030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,3.1 地下建筑结构 3.1.1 地下建筑结构与类别 1、地下建筑结构基本定义

2、 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。 地下建筑是修建在地层介质中的 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？,表3-1 地下建筑结构体系基本构成表,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。 永久性支护结构即衬砌结构 衬砌结构作用： 1）承重：即承受岩土体压力、结构自重以及其它荷载的作用； 2）围护，即防止岩土体风化、坍塌、防水、防潮等。 地下建筑与地面建筑结构的区别 （1）地下结构与周围岩土体的共同作用 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”,

3、2、地下建筑结构分类 表3-2 地下建筑结构按相对地表位置分类,表3-3 地下建筑结构按设计断面形式分类,表3-4 地下建筑结构综合地质、使用和施工因素分类,表3-4地下建筑结构综合地质、使用和施工因素分类,表3-5 地下建筑结构按使用条件、功能不同分类,表3-5 地下建筑结构按使用条件、功能不同分类,表3-6 按地下建筑结构材料不同分类,按照施工方法分为：,明挖法（放坡、支护、降水）； 盖挖法、逆作法； 沉箱、沉井、沉管法； 顶管法(大口径与微型顶管)； 盾构法（SM, TBM） 岩石掘进机 （ TBM） 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） （

4、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

5、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,国内： 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、

6、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,9纵 18横,国家高速公路网布局方案,沈阳,海口,兰州,在山岭，全国各省，特别是西部地区，将建设众多隧道工程。 在沿江，宁波、广州、上海、南京、武汉、重庆等越江通道工程。 在沿海，有渤海湾跨海工程、大连湾跨海工程、青-黄海底隧道工程、上海崇明越江通道、港-珠-澳跨海工程、琼洲海峡通道工程工程、台湾海峡连线工程、厦门东通道工程等

7、。,同三国道主干线 沈阳至海口国家高速,琼州海峡,秦岭隧道实景一,秦岭隧道实景二,东、西部高速公路隧道工程,矿山法施工的隧道,打浦路隧道（盾构法）,宁波常洪沉管隧道,沉管法施工的隧道,主副厂房洞,主变洞,尾调洞,母线洞,尾水主洞,交通洞,出线洞,白鹤滩水电站装机容量13050MW，多年平均发电量564.9亿kWh。是西电东输骨干电源点之一 。,引水发电系统的示意图,水电站及航运地下工程 水电站地下工程包括： 引水隧道、泄水隧洞 大跨度、高边墙的地下厂房等地下工程。 （据统计，我国建国后建成的大小中型水电站引、泄水隧洞约140座，全长120km；最长的为四川渔子溪一级电站有压发电隧道，长8429m。天生桥水电站，有压发电隧道三座，内径9.0m，各长11.34km）。 航运地下工程: 世界最大的航运隧道为法国马赛至罗那航运线上的罗佛隧道，全长7km，断面宽24.5m,高17.5m.,天生桥水电站,龙滩水电站,城市地下工程 地铁： 法国巴黎高速地铁横贯东西，全长50km余； 日本东京地铁更有若干层好几条线； 我国的上海、北京、广州等地铁正如火如荼。 地下空间： 日本东京的上层地下工程，作为地

8、下街、商场等； 瑞典、挪威、美国等更把地下工程用于民用住宅、图书馆等。 我国有利用人防工程改造的商场、地下人行街、车库。,上海徐家汇地铁站,广州越秀公园站,地下工程施工方法例一明挖法,施工方法例二盖挖、逆作法,最新盾构技术,施工方法例三 盾构法,施工方法例四顶管工程,施工方法例五管棚法,施工方法例六大断面管幕箱涵顶进技术,其他 各类物资的储库，如瑞典佛斯马克海底核废料储库系统；我国柳州大型天然洞室作冷藏库；以及地下油库、大型跨江海桥梁的基础等。,新日本石油公司的海上油库,串木野基地的地下油库,桥梁地下工程施工,典型桥梁锚碇施工,3.1.3 地下建筑结构特点 1、地下建筑结构荷载特点 1）地下建筑结构荷载分类 根据施加荷载主体不同，分主动荷载和被动荷载两大类，而被动荷载、岩土体压力、地下水压力是地下建筑结构不同于地面建筑结构的独特荷载。,表3-7 地下建筑结构荷载分类,表3-7 地下建筑结构荷载分类,2）被动荷载地层弹性抗力 形成过程为：主动荷载作用于地下支护结构变形作用于地层地层反作用于地下结构产生被动弹性抗力荷载。地层弹性抗力是区别于地面结构的显著特点，需考虑结构与地层的相互作用，设

9、计与计算复杂。被动荷载使地下建筑结构变形受到限制，结构承载能力、受力条件和结构稳定性等得到改善。,图3-7 被动荷载地层弹性抗力的形成过程与分布图,3）被动荷载地层弹性抗力计算 （a）局部变形理论： 温克尔模型（点弹性理论），弹性地基（围岩）某点的外力只引起该点的沉陷和变形；弹性抗力=地层弹性抗力系数*围岩压缩变形；该方法容易理解，计算简单，只要满足工程要求，一般采用。计算关键问题是确定地层弹性抗力系数的大小。 （b） 共同变形理论（面弹性变形理论）： 弹性地基（围岩）某点的外力不仅引起该点的沉陷和变形，而且引起附近周围一定范围内地基发生沉陷；但计算复杂，一般不用。,图3-8 被动荷载地层弹性抗力的计算模型,2、地下建筑结构工程特点,表3-8 地下建筑结构与地面建筑结构工程特点比较,3、地下结构工作特点 1）地下结构在施工阶段就进入工作状态。地面结构在施工完成后才承受各种荷载，而地下结构在受荷状态下构筑，施工过程中要承受围岩竖向和水平侧向压力。 2）围岩地质条件对地下结构设计影响很大。地下结构的主要荷载是围岩压力，围岩压力与围岩级别及工程性质密切相关。地下结构埋深不同，原始应力场也不同，影响地下工程的稳定与安全。此外随着时间的推移，岩土层的受力状态、地壳运动因素等随围岩发生变化。 3）围岩具有一定的自承载能力。不论在垂直方向或水平方向，围岩均有一定的自稳范围和自稳时间，围岩压力由地下结构和围岩共同承担。地下结构要运用各种支护方法和手段，改善自稳范围和时间，充分利用和提高围岩自承载能力。,4）地下水的赋存状态对地下结构的设计施工产生巨大的影响。地下水影响围岩情况、地下结构施工方法、施工安全等。 5）施工方法和施工时机对围岩及地下支护结构的稳定有制约作用。地下结构以地下空间代替岩体的承载结构，施工方法和施工时机对围岩及地下支护结构的稳定有较大的影响。应“勤支护、早封闭、弱扰动”，使地下结构与围岩共同作用，形成空间受力体系。 6）多期支护对改善地下结构稳定有积极作用。开挖早期进行一次柔性支护，以便围岩产生一定的变形，之后进行刚性二次支护，两种支护措施共同构成永久地下结构。这种多次支护方法不仅能主动控制围岩变形。,4、

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