【土木建筑】地下结构工程.ppt

地地 下下 结结 构构 工工 程程第01章1. 绪论n地下结构的定义：保留上部地层（山体或土层）的前提下，在开挖出能提供某种用途的地下空间内修建的结构物，统称为地下结构n地下工程分类 ：交通隧道，水工隧洞、矿山巷道、地下仓库、地下工厂、地下民用与公共建筑、地下市政工程、人防工程、国防地下工程玄武湖隧道.ppt1.1 地下结构型式n地下结构：水平，倾斜（斜井）竖直（竖井）；n水平坑道埋置深度的不同，又分成浅埋和深埋两种n结构型式首先由受力条件来控制，即在一定地质条件的土水压力下和一定的爆炸与地震等动载下求出最合理和经济的结构型式图n结构型式也受使用要求的制约；n施工方案是决定地下结构型式的重要因素之一 返回图1-1 地下结构型式 北京地铁王府井车站北京地铁王府井车站广州地铁东（山口）广州地铁东（山口）~杨（箕）区间隧道杨（箕）区间隧道综合地质、使用、施工三因素，地下结构常见的型式有以下几种：gon地下结构常见的型式有以下几种n（1） 附建式结构 图n（2） 浅埋式结构图n（3） 地道式结构图 n（4） 沉井法结构 n（5） 盾构法结构图n（6） 连续墙结构 图n（7） 顶管结构图n（8） 沉管法结构图图1-2 附建结构 exit 图1-3 浅埋式结构exit图1-4 地道式结构 图1-5 沉井 exit图1-6 盾构exit图1-7 地下连续墙结构exit图1-8 顶管exit图1-9 沉管exit1.2 设计内容n设计分工艺设计、规划设计、建筑设计、防护设计、结构设计、设备设计等。

n结构设计工作一般分初步设计和施工图设计两个阶段初步设计的内容n（1） 工程防护等级，三防要求与动载标准的确定；n（2） 确定埋置深度与施工方法；n（3） 草算荷载值；n（4） 选择建筑材料；n（5） 选定结构型式和布置；n（6） 估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等主要尺寸；n（7） 绘制初步设计结构图；n（8） 估算工程材料数量及财务概算技术设计n主要是解决结构的强度、刚度和稳定、抗裂性等问题，并提供施工时结构各部件的具体细节尺寸及连接大样n（1） 计算荷载：n（2） 计算简图：n（3） 内力分析：n（4） 内力组合：n（5） 配筋设计：n (6） 绘制结构施工详图：n（7） 材料、工程数量和工程财务预算1.3 计算原则n1） 使用规范n2） 设计标准：确定地下建筑物的荷载、建筑材料的选用、允许考虑由塑性变形引起的内力重分布、截面计算原则、材料强度指标 n3） 计算理论n（1）计算原理：较多地应用以文克尔假定的基础局部变形理论以及以弹性理论为基础的共同变形理论说明n（ 2）计算方法：一般结构力学法，弹性地基梁法，矩阵分析法 弹性抗力限制了结构的变形，故改善了结构的受力情况，如图1-10所示。

exit1.4 本课程的内容和任务n本课程是土木工程的一门专业课n获得地下结构工程的基础知识，掌握地下结构工程的技术性能，应用方法及其施工工艺； n本书将对各种常见的地下结构工程进行授课：n大开挖基坑、深基坑工程、n浅埋式结构、沉井结构、n新奥法隧道、盾构衬砌结构、沉管结构、顶管结构n数值计算方法、环境保护学习方法和考试n先前的基础学科需良好掌握；n以理解为主，勤于观察，理论联系实际；n考试成绩组成：平时成绩15％，卷面成绩85％本节要点n常见地下结构型式及使用范围;计算原则和计算方法；2.大开挖基坑工程n定义:大开挖基坑工程是指不采用支撑而采用直立或放坡施工进行开挖的基坑工程；由于其费用低，工期短，是首先要考虑的开挖方式 前提2．1 竖直开挖n适用于开挖深度不大、无地下水、基坑土质条件较好的场地n竖直开挖时坑壁自然稳定的最大临界深度可按下式估算：nKa——主动土压力系数；n当基坑侧壁的顶部地表面与水平面夹角β=0时，nKa=tg2（45º- ）；n当 >0时，采用朗肯主动土压力系数， 为坑壁土的内摩擦角标准值n宜采用1.2~1.5的安全系数；n当基坑附近有超载时，应重新验算；当坑壁因吸水或失水等原因，一旦形成裂缝时，公式不成立；对黄土及具有裂隙的胀缩性土，该式不适用。

 无地下水时直立开槽的允许高度 表2-1 土层类别坡高允许值（m）密实、中密的砂土和碎石类石（充填物为砂土）1.00硬塑、可塑的粘质粉土及粉质粘土1.25硬塑、可塑的粘性土和碎石类石（充填物为粘性土）1.50坚硬的粘性土2.002．2 放坡开挖2．2．1 散坡开挖分类n（1） 无地下水的一般放坡开挖n 适用于地下水在开挖深度以下 n（2） 明沟排水放坡开挖n适用于地下水为潜水型、涌水量较小、坑壁土及坑底土不会产生流砂、管涌、基坑突涌的场地条件n（3） 井点降水放坡开挖n地下水埋深较浅、基坑开挖较深可能产生流砂、管涌、基坑突涌等不良现象时，可采用井点降水放坡开挖n特别注意降水对附近建筑设施产生的不良影响 2．2．2 放坡开挖坡度确定conn（1）查表法表n（2） Taylor法图n（3）条分法图（1）查表法exit坑壁土类型状态边坡高度6米以内10米以内软质岩石微风化1﹕0.01﹕0.10中等风化1﹕0.101﹕0.20强风化1﹕0.201﹕0.25碎石类土密 实1﹕0.201﹕0.25中 密1﹕0.251﹕0.30稍 密1﹕0.301﹕0.40粘性土坚 硬1﹕0.351﹕0.50硬 塑1﹕0.451﹕0.55可 塑1﹕0.551﹕0.65粉土Sr< 0.51﹕0.451﹕0.55 (2). Taylor法exitn边坡的临界高度由下式确定：例题.doc采用陈惠发（美，肯塔基州大学，1980 (3)．条分法exit2.3 基坑边坡失稳的防止措施 n（1）边坡修坡图2-3 n（2）设置边坡护面图2－4n（3）边坡坡脚抗滑加固图2－5n(设置抗滑桩，旋喷桩，分层注浆法，深层搅拌桩)。

con 图2-3 边坡修坡（a）坡顶卸土； （b）坡度减小； (c) 台阶放坡exit 图2-4 设置边坡护面exit  图2-5 基坑边坡坡脚抗滑加固 exit2．4 地下水的处理n2．4．1 地下水流的基本性质n水力坡度:以I表示，I=（H1-H2）/L，n I=1时的渗透速度称为土的渗透系数K，常用m/d、m/s等表示.n动水压力: （kN/m3）n动水压力F等于或大于土的有效重度时，土颗粒处于悬浮状态，土的抗剪强度等于零，土颗粒将随着渗流的水一起流动，即所谓“流砂” 2．4．2 地下水处理方法n归结成两种：n一种是降水；n第二种是止水——防水帷幕n降水的方法有集水井降水和井点降水两类 n井点降水法有轻型井点、喷射井点和电渗井点 、管井井点和深井泵等n当土的渗透系数K＜5m/d时，宜用轻型井点和喷射井点；n当K＝5~20m/d时,除上述方法外,还可选用管井井点；n当K<0.1m/d时，因土的渗透性很差，可在轻型井点管的内圈增设由钢管或钢筋做成的电极，通以直流电，促使地下水加速向井点渗透（这种方法称为电渗井点法）井点降水方法优先用参考表 表2-3基坑开挖深 度m土 类粉 质 粘 土、粉砂细砂、中砂 粗砂 砾砂≤5单层井点、真空法、电渗法单层普遍井点 表面排水6~12多层井点、喷射井点多层井点 管井12~20喷射进点、真空法、电渗法喷射井点 深井泵>20深井泵、喷射井点深井泵 电渗井点布置示意图喷射井点工作示意图管井井点就是沿开挖的基坑，每隔20~50m设置一个管井，每个管井单独用一台水泵抽水，适用于K=20~200m/d，即地下水量大的土层中，此法可降低地下水位5~10m。

n在城市中由于深基坑降水，总会引起地面沉陷，影响邻近建筑物和管线回灌井点方法 可以使地表沉陷减少2/3；n因此，采用特定的支护结构，既挡土，又止水，形成防水帷幕为较好选择，但造价较高 防水帷幕常用钻孔压浆成桩法、地下连续墙、板桩、深层搅拌桩墙 本讲要点n重点掌握竖直开挖、放坡开挖的计算方法；n了解边坡失稳的防止措施；地地 下下 结结 构构 工工 程程第03章3．深基坑工程 n概述：大量的深基坑工程伴随着城市高层建筑的发展大量出现n国外，圆形基坑的深度已达74m(日本)，直径最大的达98m(日本)，而非圆形基坑的深度已达到地下９层（法国）n国内，上海88层的金茂大厦，基坑平面尺寸为170m×150m，基坑开挖深度达19.5m上海的汇京广场，围护结构与相邻建筑最近的距离仅40cm而无支撑基坑的开挖深度也已达到了9m n两个功能：一是挡土；二是止水n基坑支护分两类：n支护型——将支护墙（排桩）作为主要受力构件；n支护型基坑支护包括板桩墙、排桩、地下连续墙等n在基坑较浅时可不设支撑，成悬臂式结构；n当基坑较深或对周围地面变形严格限制时，应设水平或斜向支撑，或锚定系统；形成空间力系是发展方向。

n加固型——充分利用加固土体的强度n加固型包括水泥搅拌桩、高压旋喷桩、注浆和树根桩等 基坑基坑侧侧壁安全等壁安全等级级及重要性系数及重要性系数 安全等级破坏后果 一级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响很严重1.10二级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响一般1.00三级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响不严重0.903.1 结构方案及选择3.1.1 结构类型支护结构类型及其适用范围 表3-1结 构 形 式适 用 范 围排桩结构稀疏排桩土质较好，地下水位低或降水效果好连续排桩土质差，地下水位高或降水效果差框架式排桩单排桩刚度不能满足变形要求组合排桩结构排桩加挡板排桩桩距较大，利用挡板传递土压并有一定防渗作用排桩加水泥搅拌桩以水泥搅拌桩互搭组成平面拱代替挡板传递土压力，具有较好防涌效果排桩加水泥防渗墙地下水位较高的软土地区排桩或组合排桩加锚杆结构开挖深度较大，排桩或组合排桩结构强度无法满足要求地下连续墙结构与地下室墙体合一，防渗性强，施工场地较小，开挖深度大沉井结构软土地区重力式挡土墙结构具有一定施工空间，软土地区图3－1板桩 图3-2 组合挡土壁图3-3 单排与双排桩支护结构图3-4 接头管接头的施工程序a) 开挖槽段； b) 吊放接头管和钢筋笼； c) 浇筑砼；d) 拔出接头管； e) 形成接头3.1.2 支撑体系n支撑体系是用来支挡围护墙体，承受墙背侧土层及地面超载在围护墙上的侧压力。

n支撑体系是由支撑、围檩、立柱三部分组成 特 点平面尺寸不大，且长短边长相差不多的基坑宜布置角撑它的开挖土方空间较大，但变形控制要求不能很高钢支撑和钢筋混凝土支撑均可布置；支撑受力明确，安全稳定，有利于墙体的变形控制，但开挖土方较为困难多采用钢筋混凝土支撑；中部形成大空间，有利于开挖土方和主体结构施工多采用钢筋混凝土支撑；支撑体系受力条件好；开挖空间大，便于施工开挖面积大、深度小的基坑宜采用；在软弱土层中，不易控制基坑的稳定和变形便于土方开挖和主体结构施工，但仅适用于周边场地具有拉设锚杆的环境和地质条件3.2 支护结构上的作用3.2.1 土压力n主动土压力和被动土压力的产生，前提条件是支护结构存在位移；n当支护结构没有位移时，则土对支护结构的压力为静止土压力 n土压力的分布与支点的设置及其数量都有关系；悬臂支护桩土压力的实测值与按朗肯公式计算值的对比，非挖土侧实测土压力小于朗肯主动土压力，即计算结果偏大 图3-5 悬臂支护桩土压力分布图3-6 芝加哥深基坑土压力实测图 图3-7 柏林地道工程土压力实测图n土的内聚力C、内摩擦角φ值可根据下列规定适当调整：n 在井点降低地下水范围内，当地面有排水和防渗措施时，φ值可提高20%；n在井点降水土体固结的条件下，可考虑土与支护结构间侧摩阻力影响，将土的内聚力c提高20%。

土压力计算公式exitn主动土压力：n被动土压力：3.2.2 地面附加荷载传至n层土底面的竖向荷载qnn（1）地面满布均布荷载q0时，任何土层底面处：n（2）离开挡土结构距离为a时 n(3)作用在面积为 与挡土结构平行）的地面荷载，离开挡土结构距离时3.2.3 水压力n水压力，主要根据土质情况确定如何考虑水压力的问题 n对于粘性土，土壤的透水性较差，此粘性土产生的侧向压力可采用水土合算的方法，即侧压力为相应深度处竖向土压力与水压力之和乘以侧压力系数n对于砂性土，采用水土分算，即侧压力为相应深度处竖向土压力乘以侧压力系数与该深度处水压力之和对比n砂土简化计算，将水压力与土压力分别计算，并把水看作是：n主动压力=静止压力=被动压力= h 3.3 排桩、地下连续墙n计算主动土压力和被动土压力n并确定计算简图，确定嵌固深度、内力计算；n支护桩或墙的截面设计以及压顶梁的设计等 3.3.1 悬臂式支护结构图n根据朗肯-库伦土压力理论分层计算主动土压力和被动土压力；n在此基础上确定图3-10所示的计算简图图 n据此简图求出嵌固深度hd;n最大弯矩截面位置及最大弯矩值；n进行配筋设计或承载力计算；n计算支护结构顶端位移。

悬臂exit计算简图 据此求出嵌固深度hd配筋和挠度计算 n地质条件或其它影响因素较为复杂时，也可按最大弯矩断面的配筋贯通全长n配筋应满足下式条件：n支护结构顶端的水平位移值 y——剪力为零处即D点至基坑底的距离； ——悬臂梁上段结构柔性变形值 ——下段结构在弯矩Mmax作用下产生的转角——下段结构在弯矩Mmax作用下在D点产生的水平位移 上段结构柔性变形下段结构在作用下3.3.2 单层支撑支护结构设计图n计算方法是“等值梁法”n等值梁法的关键是如何确定反弯点的位置n对单锚或单撑支护结构，地面以下土压力为零的位置，即主动土压力等于被动土压力的位置，与反弯点位置较接近 图exit用等值梁法计算单锚、单支支护结构： 图3-15 单层支点支护结构深度计算简图n（3）支点力TC1 可按下式计算：n等值梁法，对反弯点：（1）计算土压力 （2）基坑底面以下支护结构设定弯矩零点位置 （4） n嵌固深度Hd 设计值可按下式确定:（5）计算内力和配筋n单层支撑支护结构的最大弯矩:n发生在剪力0处，应根据土压力平衡，求得处的位置y,可得Mmaxn弯矩图可按静力平衡条件求得 n可以分段配筋，也可以按最大弯矩断面通长配筋 .3.3.3 多层锚拉式支护结构设计 n1)应根据分层挖土深度与每层锚杆设置的实际施工情况分阶段分层计算，这时假定下层挖土不影响上层锚杆计算的水平力； n2)多层布置时，有等弯矩布置和等反力布置两种模式；n3）悬臂式及单支点支护结构嵌固深度设计不宜小于 ；多支点支护结构嵌固深度设计值小于0.2 h时，宜取 。

抗渗透稳定条件:n当基坑底为碎石土及砂土、基坑内排水且作用有渗透水压力时，侧向截水的排桩、地下连续墙除应满足上述规定外，嵌固深度设计值尚应满足式抗渗透稳定条件:注意事项：n1）排桩、地下连续墙水平荷载计算单位；中心距和单位长度；n2）有支撑变形计算按弹性支点法计算，支点刚度系数 及地基土水平抗力系数m应按地区经验取值；n 3）支支撑体系（含具有一定刚度的冠梁）或其与锚杆混合的支撑体系应按支撑体系与排桩、地下连续墙的空间作用协同分析方法，计 算内力和变形3.4 土层锚杆n土层锚杆是一种埋入土层深部的受拉杆件，它一端与构筑物相连，另一端锚固在土层中n 3.4.2 锚杆设计 n1）锚杆承载力计算 n2）锚杆杆体的截面面积 3）锚杆轴向受拉承载力设计值 n（1）安全等级为一级及缺乏地区经验的二级基坑侧壁，应进行锚杆的基本试验，受拉抗力分项系数可取1.3n（2）基坑侧壁安全等级为二级且有邻近工程经验时 ：n（3）. 对于塑性指数大于17的粘性土层中的锚杆应进行蠕变试验n（4）锚杆预加力值（锁定值）应根据地层条件及支护结构变形要求确定，宜取为锚杆轴向受拉承载力设计值的0.50~0.65倍。

n（5） 自由段计算长度本讲要点n重点掌握悬臂式支护结构计算方法和计算要点；n重点掌握单锚、单支支护结构计算方法和计算要点n掌握锚杆计算方法；n理解多层支撑的计算原则；3.6 水泥土墙设计n又称搅拌桩挡墙 ，利用一种特殊的搅拌头或钻头，钻进地基至一定深度后，喷出固化剂，与地基土强行拌和而形成的加固土桩体nMixed-In-Place Method MIP(美国)nDeep Mixing Method (日本)n固化剂采用水泥或石灰；n适用于加固淤泥质土、粘土；n国外最大深度60m ，国内12－18m；n特点：施工无震动、噪音、无废水泥浆；n 坑内无需支撑拉锚，优良的抗渗特性n支挡高度，国内最深9m;水泥墙的结构形式n挡墙宽度为0.6～0.8开挖深度，桩长为开挖深度的1.8-2.2倍n3.6.1 土压力计算计算主动土压力和被动土压力n3.6.2 抗倾覆计算n3.6.3 抗滑移计算n3.6.4 墙身应力验算n3.6.5 整体稳定计算n一般情况下，使墙体强度不成为设计的控制条件，而以结构和边坡的整体稳定控制设计1.土压力计算墙后主动土压力 墙前被动土压力 2 抗倾覆计算 图n按重力式挡墙计算墙体绕前趾A的抗倾覆安全系数 ，不小于(1.0～1.1). 3 抗滑移计算 n按重力式挡墙计算墙体沿底面滑动的安全系数：4.墙身应力验算 n 墙体所验算截面处的法向应力n剪应力按下式进行 ：5 整体稳定计算k>= 1.25n整体稳定计算时，将滑动土体与搅拌桩挡墙视为一个整体考虑(常选在墙底下0.5－1.0米处)，采用圆弧滑动法计算图 ：构造要求n格栅布置时，水泥土的置换率对于淤泥不宜小于0.8，淤泥质土不宜小于0.7，一般粘性土及砂土不宜小于0.6；格栅长宽比不宜大于2 ；n桩与桩之间的搭接宽度 ：考虑截水作用时，桩的有效搭接宽度不宜小于150mm；当不考虑截水作用时，搭接宽度不宜小于100mm。

n不能满足要求时，宜采用基坑内侧土体加固或水泥土墙插筋、加混凝土面板及加大嵌固深度等措施n搅拌桩挡墙设计计算实例（详见教材) 3.7 土钉墙n土钉墙由被加固土体、放置在土中的土钉体和喷射砼面板组成，形成一个以土挡土的重力式挡土墙 n土钉墙自上而下施工，步步为营，土钉墙是靠土钉的相互作用形成复合整体作用n土层锚杆的失效影响较大，不应用于没有临时自稳能力的淤泥、饱和软弱土层 n图3-32 土钉墙应用领域na) 托换基础; b) 竖井的挡墙; c) 斜面的挡土墙nd) 斜面稳定; e) 和锚杆并用的斜面防护1 土钉受拉承载力计算受拉承载力 受拉荷载标准值 荷载折减系数 2 土钉墙承载力计算n采用简化圆弧滑动条分法 3 构 造 n土钉墙墙面坡度不宜大于1：0.1； n喷射混凝土面层宜配置钢筋网，钢筋直径宜为6～10mm，间距宜为150～300mm；n喷射混凝土强度等级不宜低于C20，面层厚度不宜小于80mm；n 土钉钢筋宜采用Ⅱ、Ⅲ级钢筋，钢筋直径宜为16～32mm，钻孔直径宜为70～120mm； 本讲要点n重点掌握水泥土挡墙的设计要点：n荷载、强度、稳定（倾覆、滑动、整稳）n土钉墙的设计要点：土钉承载力和整稳3.8 SMWnSMW挡土墙是先施工水泥土挡墙，最后按一定的形式在其中插入型钢（如H钢），即形成一种劲性复合围护结构。

n止水好，刚度大，构造简单，型钢插入深度一般小于搅拌深度，型钢可回收重复使用，成本较低nSMW适宜的基坑深度为6～10m，国外开挖深度已达20mn要求型钢间距不能过大，保证水泥土的强度由受剪，受压控制 n（a）全位“满堂”；（b）全位“1隔1”n（c）全位“1隔2”；（d）半位“满堂”；（e）半位“1隔1”1型钢净间距的确定n保证型钢间的水泥土在侧向水土压力作用下不产生弯曲应力 2.水泥土强度校核 “连续”截面剪力型钢“间隔”布置 验算拱的轴力强度 3.9 逆作拱墙n在基坑四周场地都允许起拱的条件下（基坑各边长在基坑四周场地都允许起拱的条件下（基坑各边长L的的起拱矢高起拱矢高 ），可以采用），可以采用闭合的水平拱圈来闭合的水平拱圈来支支挡土压力以围护基坑的稳定，采用闭合的水平拱圈来挡土压力以围护基坑的稳定，采用闭合的水平拱圈来支挡土压力以围护基坑的稳定支挡土压力以围护基坑的稳定 ；；n拱结构是以受压力为主，能更好地发挥混凝土抗压强度高的材料特性，而且拱圈支挡高度只需在坑底以上 n这个闭合拱圈可以由几条二次曲线围成的组合拱圈（曲率不连续），也可以是一个完整的椭圆或蛋形拱圈（曲率连续）。

n安全可靠，每道拱圈分别承受该道拱圈高度内的压力，不相互影响；n节省工期，施工方便；n节省挡土费用，用拱圈支护的费用仅为用挡土桩的40%~60%而且，基坑越深，经济效益越显著1.截面形状2.拱墙计算逆作拱墙结构型式根据基坑平面形状可采用全封闭拱墙，也可采用局部拱墙，拱墙轴线的矢跨比不宜小于1/8，基坑开挖深度h不宜大于12m当基坑开挖深度范围或基坑底土层为砂土时，应按抗渗透条件验算土层稳定性 ；当基底土层为粘性土时，基坑开挖深度满足下列抗隆起验算条件： 均布荷载作用下，圆形闭合拱墙结构轴向压力设计值 应按下式计算： 圆拱的外圈半径； 拱墙分道计算高度 在分道高度范围内的基坑外侧水平荷载标准值的平均值3 构造 n混凝土强度等级不宜低于C25 ；n拱墙截面宜为Z字型，拱壁的上、下端宜加肋梁；n当基坑较深且一道Z字型拱墙的支护高度不够时，可由数道拱墙叠合组成；n肋梁，其竖向间距不宜大于2.5mn圆形拱墙壁厚不应小于400mm，其他拱墙壁厚不应小于500mm3.10 逆作法施工n 深地下室的常规施工是通过临时支护基坑坑壁，开挖至预定深度后，浇底板并由下而上施工各层地下室结构，待地下室完工后，再逐层进行地上结构的施工。

n利用地下连续墙采用逆作法施工较深的多层地下室，成为发展的方向，这已在国内外到得了显著的效果n逆作法施工工艺是先沿建筑物外围施工地下连续墙，作为地下室的边墙或基坑的围护结构n在建筑物内部的浇筑中间支承柱，开挖土方至第一层地下室底面标高，浇注梁及部分的板，该层楼盖即可作为地下连续墙刚度很大的支撑系统然后在梁间没有浇板的空档内，向下逐层施工各层地下室结构与此同时，在已完成底面梁板结构的基础上，做上部结构n地下室封底前，地面上允许施工的层数要通过计算确定日本读卖新闻社大楼 逆作法施工 地上９层，地下６层，总工期只用了２２个月，比常规方法缩短了６个月该工程用2.0m大直径钻孔灌注桩作为中间支承柱，Ｌ＝３０m,共用３５根逆作法的优点：n地下主体结构的梁、板、柱作为挡土墙的横向支撑；n大幅度缩短工期；n逆作法只开挖有效范围内的土方量，减少了大量的土方量；n安全性好，且基本上不受气候所左右 不足： n封闭状态下的环境进行施工，作业环境较差；大型机械设备难于进场； n地下结构中墙柱的混凝土接搭质量较难控制 ；n控制导柱的垂直度和承载力较难；n逆作法侧向刚度较封闭式的小，施工中应采取措施，防止一侧连续墙的过大变形。

立柱 n立柱在逆作施工中具有无法取代的重要性，立柱设计和计算，为逆作法设计的主要内容： n1) 立柱位置的设置n 2）立柱负担荷载的计算n3）允许应力的决定n４）立柱桩的设计按灌注桩进行n５）上部结构体加固设计n６）立柱的设计n７）柱脚根部插入部分的设计 n 逆作法施工，以地面层的梁板结构是封闭还是敞开分为“封闭式逆作法”和“开敞式逆作法” n我国第一个按“封闭式逆作法”施工的试点工程是上海基础工程科研楼，地上５层，地下２层n另一个为上海电信大楼地下室工程采用了“开敝式逆作法”旋工（该工程地下３层，地上17层），在南京夫子庙地下商场也采用过该方法施工 本讲要点n掌握SMW方法的设计要点；n了解逆作拱墙的设计过程；n了解逆作法施工地地 下下 结结 构构 工工 程程第04章上一章要点n悬臂支护、单撑单锚支护、土层锚杆、n水泥挡土墙、土钉墙、SMW方法、逆作拱墙的设计过程；n了解逆作法施工第4章 新奥法与锚喷支护n4.1 概述n4.1.1 新奥法简介n奥地利学者L.V.Rabcewicz二十世纪60年代出提出了“新奥地利隧道施工法” nNew Austrian Tunnelling Method简称为“新奥法”（NATM）。

n“欧洲隧道掘进法”或“收敛约束法”（Convergence Confinement Method）n新奥法 ：围岩本身具有“自承”能力，若采用正确的设计施工方法，最大限度地发挥这种自承能力，即可以使得经济效果达到最佳 要点 n尽可能不扰动周边围岩，开挖之后及时进行一次支护，然后视需要进行二次支护n支护都是柔性的，以适应围岩的变形n目前采用经验统计类比的方法做预设计，再在施工过程中不断监测围岩的应力、应变状况，按其发展规律来调整支护措施 适用条件及要求 n深埋、浅埋、中等埋深 均可；n勘测、设计、施工、控制各环节密切配合；n尽可能地发挥围岩的自承作用 ，采用控制爆破（光面爆破、预裂爆破） 新奥法的优点n（1）经济、快速n若以面积A为100，设计衬砌量B和超挖量的面积C可以看出，由于采用控制爆破、柔性n薄衬砌，新奥法的开挖量为老方法的73％（110/151），衬砌量为老方法的20％此外，还可省去全部木模和40％以上的混凝土，降低支护成本30％以上 n2）安全、适应性强 表4-1 老方法与新奥法工程量对比老方法新奥法有效使用面积A100100混凝土衬砌面积B367超挖面积C153B+C5110新奥法的主要原则n（1）围岩是洞室的主要承载结构，而不是单纯的荷载，它具有一定的自承能力。

n （2）尽量保持围岩原有的结构和强度； n（3）尽可能作到适时支护n（4）支护本身应具有薄、柔、与围岩密贴和早强等特性，支护施工应及时快速，使围岩尽快封闭而处于三向受力状态n（5）洞室尽可能为圆形断面，或由光滑曲线连接而形成的断面，以避免应力集中 n（6）良好的施工组织和施工人员的良好素质对洞室结构施工的安全、经济非常重要 4.1.2 锚喷支护简介n锚喷支护（Shotcrete and Bolting）是采用喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土、锚杆喷射混凝土或锚杆钢筋网喷射混凝土等在毛洞开挖后及时地对地层进行加固的结构 1）锚喷支护的优点n节省、加快施工进度；n符合岩体力学原理的积极支护方法 ；n柔性好，它能与围岩变形一致，从而与之构成一个共同工作的承载体系 ；n锚喷支护技术不再把围岩仅仅视作荷载（松散压力），同时还把它视为承载结构的组成部分锚喷支护结构承受荷载的性质为围岩的形变压力2）锚喷支护的适用条件及要求n配合光面爆破等控制爆破技术，使开挖断面轮廓平整、准确，便于锚喷成型，并减少回弹量；n减轻爆破对围岩的松动破坏，维持围岩强度和自承能力4.1.3 新奥法与锚喷支护n不能将新奥法等同于锚喷支护； n既有密切联系又有原则区别；n锚喷支护的快速有效的支护施工手段，才有可能使新奥法的基本原则得以实现。

n不把围岩看成自承结构，不充分发挥围岩本身的作用，即使大量采用锚喷支护，也不能认为是应用了新奥法4.2 隧道围岩压力的确定n4.2.1 围岩压力 n开挖隧道使围岩原有的平衡状态破坏了，对隧道周围一定范围内的围岩产生了不同程度的扰动n支护结构要阻止围岩的移动、变形，支护结构就必然要受到围岩所施加的力，即围岩压力 初始应力 n平衡状态下的三向应力 ：隧道开挖前后的变化 硬岩及软岩在隧道开挖后应力重新分布范围的大小与地质条件有关，一般为隧道开挖跨度的0.5~2.5倍 n在坚硬、完整岩体中，由于岩体强度高，影响范围小，岩体能承受周边急剧增大的应力，可使隧道保持稳定，一般只有弹性变形而不会破坏；n而在松软、破碎岩体中，由于岩体不能承受增大的应力，在一定范围内的岩石就要松动、破坏并向隧道内坍塌n围岩压力类型有垂直压力、侧压力和底压力， 4.2.2 隧道围岩压力的确定n1）深埋隧道围岩压力的确定ni——为每增减1m时的围岩压力增减率以B＝5.0m的围岩垂直均布压力为准，当B<5.0m时，取i＝0.2；当B＝5.0—15.0m时，取i＝0.1 围岩类别 snVI :呈巨块状整体结构硬质岩石, Rb>60MPa nV :呈大块状砌体结构硬质岩石, Rb>30MPa nIV :呈块（石）碎（石）状镶嵌结构 nIII :略具压密或成岩作用的粘性土 、砂性土nII :湿的一般碎、卵石土，圆砾、角砾土及黄土 nI：软塑状粘性土及潮湿的粉细砂等 表4-3 各类围岩的重度围岩类别ⅥⅤⅣⅢⅡⅠ(kN/m3)25.5~27.424.5~26.522.5~24.518.6~21.616.7~19.614.7~16.7注：对Ⅲ类围岩的老黄土采用16.7~17.6kN/m3；对Ⅱ类围岩的新黄土采用14.7kN/m3。

表4-4 围岩水平均布压力e围岩类别Ⅵ、ⅤⅣⅢⅡⅠe0<0.15q(0.15~0.3)q(0.3~0.5)q(0.5~1.0)q必须同时具备下列条件： n（1）H/B<1.7，H为隧道开挖高度，B为隧道开挖宽度 n（2）不产生膨胀力的围岩及偏压不显著的隧道；n（3）采用钻爆法施工的隧道2）浅埋隧道围岩压力的确定n按荷载等效高度的判定式为：n在新奥法施工的条件下，Ⅰ~Ⅲ类围岩取 ，Ⅳ~Ⅵ类围岩 （1）埋深H小于或等于荷载等效高度hqn围岩压力完全由上覆岩（土）柱的重力产生，视为均布时，垂直压力和水平压力为：（2）埋深H大于hq、小于Hpn在这种情况下，隧道上覆土体下滑时要考虑滑面阻力的影响，否则计算出的压力值过大本讲要点n理解新奥法和喷锚支护的实质与联系；n掌握深埋和浅埋隧道围岩压力的计算（2）埋深H大于hq、小于HpEFHG岩（土）体下沉，带动两侧三棱土体（如图中FDB及ECA）下沉受到阻力T，整个土体ABDC下沉时，又要受到未扰动岩（土）体的阻力F； AC或BD表示假定的破裂面 与水平成 角；nT未知n三棱体ECA中，受到三个力：T F W运用正弦定理：极限状态下可以求得破裂面的夹角n总垂直压力 ：n简化为： 竖向均布荷载和水平侧压力4.3 锚喷支护结构n4.3.1 锚喷支护的设计步骤n5个步骤进行：n（1）调查地质和水文地质情况，分析围岩的稳定条件；n（2）用工程类比方法选择支护类型及设计参数，对锚喷支护进行受力分析和结构计算，并提出施工注意事项；n（3）支护施工中，严密监测地质情况的变化，及时修改设计参数，变更施工工序；n（4）支护完成后，分析隧道的稳定状况，对其长期稳定性作出评价。

必要时，可对支护变形和应力进行量测，包括施工阶段的监测；n（5）总结经验，改进设计与施工掌握岩体变形、坍塌的规律之后，在恰当的时间，采用适当的办法进行支护4.3.2 锚喷支护的受力分析和结构计算n影响因素比较复杂,多种计算方法,尚处于半经验半理论阶段 . n锚杆支护结构；n喷射混凝土支护；1）锚杆支护结构n①全长粘结型锚杆：普通水泥砂浆锚杆、早强水泥砂浆锚杆、树脂卷锚杆和水泥卷锚杆； n②端头锚固型锚杆；机械锚固锚杆、树脂锚固锚杆、快硬水泥卷锚固锚杆； n③摩擦型锚杆 ；缝管锚杆、楔管锚杆、水胀锚杆； n④预应力锚杆；n⑤自钻式锚杆（1）锚杆的设计计算n①锚杆的轴向拉力标准值、设计值n②锚杆钢筋截面面积锚杆抗拉工作条件系数，永久性锚杆取0.69，临时性锚杆取0.92； ③锚杆锚固体与地层的锚固长度④锚杆钢筋与锚固砂浆之间的锚固长度n ——钢筋与锚固砂浆之间的粘结强度设计值（kPa），应由试验确定，当缺乏试验资料时可按表4-9取值；n ——钢筋与砂浆粘结强度工作条件系数，对永久性锚杆取0.60，对临时性锚杆取0.72n锚杆支护可以根据不同围岩的岩层产状和稳定状况灵活进行。

n其作用原理主要有联结作用、组合作用和整体加固作用 （2）锚杆的联结作用n用锚杆将它们联合起来，并将锚杆尽可能深入到稳定的岩层中，考虑锚杆承担全部不稳定岩块的重量 n①锚杆承载力计算《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2002）规定： n用锚杆加固局部不稳定块体时，锚杆抗力应满足下列要求：na.加固受拉破坏的不稳定危岩块体，锚杆抗拉承载力应满足：nb.加固受剪破坏的不稳定危岩块体，锚杆抗剪承载力应满足：②锚杆长度n锚杆总长度应为锚固段、自由段和外锚段的长度之和，并应满足下列要求：na.锚杆自由段长度按外锚头到潜在滑裂面的长度计算；预应力锚杆自由段长度应不小于5m，且应超过潜在滑裂面；nb.锚杆锚固段长度应按式（4-22）、（4-23）进行计算，并取其中大值 构造n土层锚杆的锚固段长度不应小于4m，且不宜大于10m；n岩石锚杆的锚固段长度不应小于3m，且不宜大于45D（D为锚固体直径）和6.5m，或55D和8m（对预应力锚索）； （3）锚杆的组合作用n锚杆的组合作用是依靠锚杆将数层薄层的岩层组合在一起，形成组合拱或组合梁，以提高岩层整体的抗剪、抗弯的能力 n锚杆提供的抗剪力、抗拉力，以及锚杆的锚固力使将要滑动的岩块得以稳定，阻止层面的互相错动。

n锚杆应按与岩层层面垂直的方向设置如对锚杆施加预应力，可提高其支护效果 （4）锚杆的整体加固作用n通过有规律布置的一系列锚杆，将邻近的岩体联结在一起，能阻止不稳定岩石的滑移，促使岩石之间的间隙面压紧，同时使隧道四周一定范围内的围岩组成一个承载环由于锚杆支护力的作用，压缩带获得径向支护力，使压缩带中的岩体处在三向受压状态 砂浆锚杆的加固作用砂浆锚杆的承载力可用下式表示n当围岩产生位移时，锚杆单位长度上的承载力Ps/L1与 的合力阻止围岩位移的发展，产生支护力，并使在锚杆间的围岩产生压缩和成拱作用，提高了围岩强度并缩小了围岩的承载跨度（等于锚杆间距），从而达到稳定和加固围岩的目的本讲要点n掌握围岩压力的计算方法；n理解喷锚支护的概念；n掌握锚杆支护的作用与计算方法；2）喷射混凝土支护结构n两个方面起支护作用 ：n（1）局部稳定原理n（2）整体稳定原理n喷射混凝土的设计强度等级不应低于C20；喷射混凝土1d龄期的抗压强度不应低于5MPa（1）局部稳定原理n喷射混凝土支护结构及时封闭岩层表面的节理、裂隙，填平或缓和表面的凹凸不平，使隧道内的轮廓较为平顺，从而提高围岩节理、裂隙间的粘结力、摩阻力和抗剪强度，并减少应力集中现象。

n喷射混凝土关键是控制冠石，此时，喷射混凝土需能承受冠石的重量喷层对局部不稳定危岩块体的抗拉承载力应按下式验算（冲切）n ——喷层工作条件系数，取0.6；n ft——喷射混凝土抗拉强度设计值（kPa）；nh——喷层厚度nur——不稳定危岩块体出露面的周边长度 a）按冲切破坏计算；b）按撕开破坏计算整体稳定原理n喷射混凝土与围岩表面紧密贴合，形成组合结构共同工作n一方面在与围岩共同承载和变形过程中对围岩提供支护力，使围岩变形得到控制，应力得以调整；n另一方面承受来自围岩变形引起的形变压力，从而使围岩保持稳定3）新奥法中锚喷联合支护的应用（1）新奥法与锚喷支护 n较好的围岩（如Ⅳ类以上围岩），可以喷射混凝土为主，锚杆加固以辅；n较差的围岩，则以锚杆，尤其是预应力锚杆作为主要的岩体加固手段，并与喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土或加钢拱的钢筋网喷射混凝土配合使用施工步骤n新奥法以及时的锚喷作为临时支护，称为第一次衬砌n第一次衬砌可以起到稳定围岩，控制围岩应力和变形，防止围岩松驰、坍塌等作用n待其基本稳定后，再加做模注混凝土二次衬砌n原来的临时支护（锚喷支护）成为永久衬砌的一个组成部分。

n二次衬砌基本上不承受荷载或承受很小的荷载，主要是为了满足隧道结构物的安全、耐久、防水和饰面等的需要（2）新奥法中支护与围岩共同作用的力学原理n支护结构的设计原理是围岩和柔性支护共同变形、破坏的弹塑性理论n①围岩为均质、各向同性的连续弹塑性体，岩体在塑性变形、剪切破坏后仍有残余强度；②隧道初始应力场为自重应力场，侧压力系数1；③隧道断面形状为圆形；④在一定的埋深条件下，将隧道看作无限体中的孔洞问题“莫尔-库伦”准则作为“塑性判据”  围岩的弹塑性状态1—弹塑性状态应力分布曲线；2—弹性状态应力分布曲线弹性区中任一点的应力为 n ——弹性区中任一点的径向应力；n ——弹性区中任一点的切向应力；n r——弹性区中任一点到隧道中心的径向距离nP0－－原岩应力塑性区中任一点的应力公式为 n 塑性区中靠近隧道内缘的应力，因满足塑性条件而相对减小，成为“应力降低区”，而最大的应力发生在围岩中塑性区与弹性区的交界面上在弹性区与塑性区的交界面上（r=R处） n令两式分别相等，整理后可得：n支护力pi越小，则围岩中出现的塑性区半径nR越大；n围岩中出现的塑性区半径R越大，则围岩对支护的形变压力pa（与支护力pi相平衡）越小。

n岩体的原岩应力p0越大，则塑性半径R就越大np0反映围岩强度性质的两个指标，即粘聚力c和内摩擦角越小，岩体强度越低，则塑性半径R就越大n新奥法柔性支护理论的出发点，是设计、施工中采取支护措施时要积极利用的，以便使支护受到尽可能小的形变压力 隧道周边的径向位移u n隧道周边径向位移u的大小，主要取决于支护力pi当pi减小时，u增大；反之，u减小n围岩位移曲线 围岩位移、支护特性曲线n①隧道开挖后，若支护非常快，且支护刚度又很大，隧道周边围岩没有变形或变形很小，图中A点取得平衡，支护需提供很大支护力pmax；围岩仅负担产生弹性变形u0的压力 ；n假如平衡位置由A点移至C点、E点，则形变压力由pmax减至 、n②若隧道开挖后不加支护，或支护很不及时，即允许围岩自由变形表现为曲线DB这时，隧道周边位移达到最大值umax，形变压力pa很小或接近于零 n围岩已经出现松驰、坍塌 ，围岩对支护的压力就是松散压力 ，只能按传统施工方法施作模注混凝土衬砌n③较佳的支护工作点应当在D点以左附近，如图中E点在该点上，围岩既可产生较大的变形 ，以较多地分担岩体压力（ ），而由支护分担的形变压力较小（ ）； n最重要的便是如何掌握好施作时间（以围岩的变形来判断）和支护刚度k（支护特性曲线的斜率）。

n两次支护：n首先在隧道开挖后，及时地进行初期支护和封闭 ；n通过对围岩变形的监测，掌握隧道周边围岩和支护的变形情况，待变形基本趋于稳定时，即达到图中i点附近时，再进行第二次支护 n如作内层二次衬砌，所承受的形变压力就更小，或为零n通过上述两次支护的手段，便可以达到支护衬砌结构的合理、经济、安全的目的本讲要点n理解喷射混凝土的两种作用；n掌握新奥法与锚喷支护结合的原理：难点是理解位移支护曲线（3）新奥法锚喷支护的结构计算和支护监控n新奥法支护设计的主要方法有：na.以工程类比为基础的经验法；nb.以现场测量为基础的监控法；nc.以理论分析为基础的计算法；nd.以上3种方法相结合的综合法n新奥法锚喷柔性支护中，支护和围岩紧密贴合，共同工作，支护和围岩发生的破坏主要为剪切破坏n其稳定的丧失常常是由围岩中产生塑性剪切滑移楔体开始的而锚喷支护则和其加固的岩体承载环三者的联合作用所提供的支护力pi来阻止围岩中剪切楔体沿滑动面向隧道位移剪切滑动面 曲线方程n新奥法中锚喷支护的结构计算是按锚喷支护对隧道围岩的加固作用和支护作用进行计算n隧道侧壁岩体的滑移面,以极坐标表示，该曲线的方程为莫尔应力圆与莫尔滑动包络线  锚杆、喷层和岩体的联合作用支护力的构成n①沿喷层A处剪切面的抗剪阻力，即喷层给剪切体的水平推力n②喷层内如设有钢筋网（或钢拱支撑），喷层将增加抗剪支护力n③锚杆所提供的支护力计算n④支护结构所提供的支护力n⑤岩体沿滑面S上提供的支护阻力喷层A水平推力 ——喷层破坏剪切角(与竖向夹角)； d——喷层厚度； ——喷层的抗剪强度；b——剪切体总高度。

锚杆按锚杆体抗拉强度计算，锚杆的径向平均支护力： 砂浆锚杆，可能沿孔壁粘结面破坏，宜用下式计算 a 剪切滑面在隧道壁面上的投影 n将 的作用面转换成垂直面上的投影，并同 取得平衡，则支护结构所提供的支护力n根据力的平衡，认为 等于支护结构所提供的支护力 岩体沿滑面S上提供的支护阻力 n尚有剪切体滑面S长度上的抗剪应力和正应力的水平分力，其和为 图形 :——岩体剪切滑面与水平面之平均倾角剪应力和正应力 总的支护力n实际工作中，支护设计标准的确定，包括支护时间和支护类型的确定，支护后变形数值的判定标准，是否进行二次支护，以及何时进行二次支护等往往要依靠经验确定 新奥法支护变形监控1-喷射混凝土；2 -设锚杆；3-设模注内层二次衬砌；4-测线图4-17 新奥法支护变形监控标准n采用两次支护的地下工程，后期支护的施作，应在同时达到下列3项标准时进行：n①隧道周边水平收敛速度小于0.2mm/d；拱顶或底板垂直位移速度小于0.1mm/d；n②隧道周边水平收敛速度，以及拱顶或底板垂直位移速度明显下降；n③隧道位移相对值已达到总相对位移量的90%以上。

n隧道稳定的判据是后期支护施作后位移速度趋近于零，支护结构的外力和内力的变化速度也应趋近于零本讲要点n理解支护内力的计算内容和过程；n掌握二次支护判定标准地地 下下 结结 构构 工工 程程第05章5 浅埋的地下结构浅埋的地下结构 n当垂直土压力和水平土压力均随着深度增加而增加时，则为浅埋式结构.n浅埋的地下结构包括附建式的地下室结构（防空地下室）、隧道的引道结构和一般的浅埋结构.n本章着重讨论矩形浅埋式结构的设计与计算原理 .5.1.1防空地下室n大量的住宅和公共建筑物在修建时，按照国家的规定，按比例修建的具有一定防护要求的建筑物地下室 n承受上部地面建筑传来的静荷载,承受核爆炸冲击波的动力荷载;n平战结合；n一般采用梁板结构、板柱结构、箱形结构、壳体结构等结构形式 地道5.1.2引道结构n城市道路系统中立交地道、水底隧道的峒门与地面间的连接段 ，是一种纵向变高度的堑壕n（1）.墙型支挡结构n应用广泛的是薄壁型挡墙，又可分为悬臂式和扶壁式挡墙n（2）.槽形支挡结构 (a)悬臂式挡墙 （b）扶壁式挡墙图5－1 薄壁型挡墙其他：n重力型、半重力型（块石、素混凝土制成）、钢筋混凝土薄壁挡墙、加筋土型支挡结构、拉锚型支挡结构、地下连续墙型支挡结构。

槽形支挡结构 （整体式引道结构）n静定结构，其形状与船坞类似， 其设计需要先进行抗浮稳定计算，然后进行结构的强度计算5.1.3一般浅埋结构n浅埋的地铁车站、地铁通道、地下工厂、地下医院、指挥所等，应用广泛n 一般采用明挖法施工 n为直墙拱、矩形框架和梁板式结构 5.2一般浅埋结构结构形式一般浅埋结构结构形式5.2.1直墙拱半圆拱、割圆拱和抛物线拱 5.2.2矩形闭合框架矩形闭合框架(a)单跨(b)双跨(c)隔墙开设孔洞 (d)梁柱体系(e)多层多跨地下厂房5.2.3梁板式结构梁板式结构5.3矩形闭合框架的计算矩形闭合框架的计算n矩形闭合框架的结构计算通常包括荷载、内力及截面计算，必要时尚应进行抗浮计算n5.3.1荷载计算n静荷载:自重土压力和地下水头压力； n活荷载:施工活荷载、车辆设备等荷载 ；n特定荷载 :常规武器甚至核武器作用下的冲击荷载顶板荷载：n(1). 上部覆土重力n(2). 水压力：n(3). 顶板自重：n(4). 特载n顶板总荷载为三者与特载之和：底板荷载 n直线分布，底板上的荷载为结构整体自重、顶板传下的荷载与特载之和，即:侧墙荷载 n侧墙上的荷载包括有水平向土压力，水压力和特载。

——折减系数，依土体透水性而定；对于砂土对于粘土图5－5荷载示意图5.3.2内力计算n可将地基视作弹性半无限平面，作为弹性地基上的框架进行分析 n简化，本节将弹性地基上的反力作为荷载作用在闭合框架底部，按照一般平面框架计算 1）计算简图视为平面应变问题， 图5－7 计算简图及简化n框架的顶底板厚度都比内隔墙大得多，中隔墙的刚度相对较小，将中隔墙一般视为只承受轴力的二力杆， 图5－8 纵梁和柱计算简图本讲要点n了解浅埋结构的结构形式；n掌握矩形闭合框架的计算简图2）截面选择n计算超静定结构内力时需要知道截面尺寸，这在设计前是不知道的所以只有根据经验假定各个截面的尺寸，进行内力计算，然后验算截面是否合适若不合格，重复上述过程，直至所设截面合适为止 3)计算方法n采用位移法计算，当不考虑线位移的影响时，则以力矩分配法为简便n(1).当竖向荷载不平衡时，可以在底板的结点上加设集中力. n (2).线位移的确定，一般情况下，框架有几孔就有几个独立的线位移n浅埋式结构上特载的值远大于其他荷载，，而且，特载的值的计算是非常粗略的，因此并非非常精确集中力的施加 5.3.3截面计算截面计算n以现行钢筋混凝土结构设计规范为准。

n特载与其他荷载组合：n按照弯矩和轴力对构件承载力进行验算时，需要考虑动力荷载作用下材料强度的提高；n按剪力和扭力对构件进行承载力验算时，则不考虑材料强度的提高设有支托的框架结构n地下矩形闭合框架结构中的顶板、侧墙和底板均按照偏压构件进行截面验算 5.3.4抗浮计算抗浮计算n 为结构自重、设备重量及上部覆土重之和，但对箱体施工完毕后工况，仅考虑结构自重；n 为浮力5.4 构造要求构造要求n5.4.1配筋形式配筋形式5.4.2混凝土保护层厚度混凝土保护层厚度n保护层最小厚度常比地面结构增加5-10mm通常可按照“混凝土结构设计规范”（GB50010-2002）规定采用，其环境类别应属b类5.4.3横向受力钢筋横向受力钢筋n钢筋直径选取32mm以下，钢筋的间距一般不大于200mm，不小于70mm，以方便施工表5－1 最小钢筋配筋率(%)项次分类混凝土强度等级

n纵向分布钢筋的截面面积，一般不应小于受力钢筋截面积的10％，同时，纵向分布钢筋的配筋率对顶底板不宜小于0.15%；侧墙不宜小于0.20％5.4.5箍筋箍筋n一般可不配置箍筋 项次板和墙厚（mm）12341502002503002003003505005.4.6刚性节点构造刚性节点构造n增加斜托，斜托的斜度控制在1：3左右比较合适转角部分的钢筋布置如图 5.4.7变形缝的设置变形缝的设置n伸缩缝和沉降缝 ，变形缝的间距在30m左右n嵌缝式：结构内部槽中填以沥青胶或由环氧树脂和煤焦油合成的环煤涂料等，也可以在外部贴防水层贴附式将厚度为6～8mm的橡胶平板用钢板条及螺栓固定在结构上即可其优点是橡胶平板年久老化后可以拆换，缺点是不易使橡胶平板和钢板密贴埋入式n大型工程中普遍采用埋入式变形缝 ，在浇捣混凝土时，把橡胶或塑料止水带埋入结构中，防水效果可靠，但橡胶老化问题需要改进 n如果防水要求很高，承受较大水压时，可以采用上述三种方法的组合，称为混合式，效果良好，但施工程序多，造价高 本讲要点n了解构造要求；n理解变形缝的设置方法地地 下下 结结 构构 工工 程程第06章6 盾构衬砌结构盾构衬砌结构n 本章介绍盾构构造和分类，盾构推进及衬砌拼装;n圆形衬砌构造、内力计算与管片结构设计，要求了解盾构隧道的功能和适用环境。

n掌握圆形衬砌结构设计方法和构造要求 6.1 概述概述n盾构（shield）是一种钢制的活动防护装置或活动支撑，是通过软弱含水层，特别是河底、海底，以及城市居民区修建隧道的一种机械n头部可以安全地开挖地层 ,尾部可以装配预制管片或砌块，迅速地拼装成隧道永久衬砌n盾构推进主要依靠盾构内部设置的千斤顶 适用条件n在松软含水地层中修建隧道、水底隧道及地下铁道时采用各种不同形式的盾构施工最有意义，特别是该施工方法属地表以下暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节等条件的影响， 盾构隧道的历史n用盾构法修建隧道开始于1818年 ，法国工程师布鲁诺尔；n1825年在英国泰晤士河下首次用矩形盾构建造隧道 ；n近代，日本盾构法得到了迅速发展，用途越来越广，并研制了大量新型盾构；n我国于1957年北京下水道工程中首次出现2.6m小盾构 ； n上海市延安东路过江道路隧道使用11.0 m直径的大盾构； 隧道剖面图1-进风道；2-进风口；3-排风口；4-排风道；5-路面（下拉杆）6-天棚（上拉杆）；7-吊杆；8-照明灯；9-灭火器；10-消防栓；11-电缆；12-排水管；13-给水管；14-纵向螺栓；15-环向螺栓按形状分类 n大致有圆形（又称半盾构）、矩形、马蹄形等几种。

n圆形因其抵抗水土压力较理想，衬砌拼装简便，构件可以互换，较为通用，数量最多n圆形盾构中，敞胸盾构和闭胸盾构两大类 6.2 盾构构造和分类盾构构造和分类6.2.1 盾构的基本构造盾构的基本构造1-1 (切口环)；2-2 (支承环)；3-3 (纵剖面)通常由盾构壳体、推进系统、拼装系统、出土系统等四大部分组成1）盾构壳体n盾构壳体由切口环、支承环、盾尾与竖直隔板、水平隔板组成，并由外壳钢板连成整体n切口环 ：开挖 ；上下宽度可以等值、也可以不等值，甚至是活动的 n容纳各种专门的挖土设备 n支承环：承受荷重的核心部分，刚性较好的圆环结构n水平隔板和竖直隔板：增加盾构刚度 ，水平承受拉力，竖直承受压力n盾尾：掩护工人在其内部安装衬砌2）推进系统n由盾构千斤顶和液压设备组成 ，上下左右活塞杆伸出长度不同达到纠偏目的n盾构千斤顶一般是沿支承环圆周均匀分布的 ；3）拼装系统n衬砌拼装器又称举重臂，是拼装系统的主要设备，以油压系统为动力，一般举重臂均安装在支承环上n举重臂能作旋转、径向运动，还能沿隧道中轴线作往复运动n完成这些运动的精度应该保证待装配的管片上的螺栓孔能和已装配好的螺栓孔对齐，以便螺栓固定。

4）出土系统n出土方式一般有三种 ：n（1）有轨运输：皮带运输机－矿车－洞口－垂直起吊至地面n（2）无轨运输：自卸卡车n（3）管道运输：混合泥浆，压力输出， 出土连续化 6.2.2 盾构分类及其适用范围盾构分类及其适用范围n表6-1n1）人工开掘式、半机械式敞胸盾构n全部敞开，随时观察地层变化情况，并配备简便的液压、风动挖掘，机具、人工挖掘，当开挖面难以保持稳定时可以采用气压等人工措施及正面支撑、支撑千斤顶等随挖随撑 2挤压式闭胸盾构n在塑性粘土及淤泥中采用,盾构正面用胸板密闭起来 n厚兰隧道、林肯隧道和打浦路隧道都采用过半挤压及全挤压推进的闭胸盾构施工.n衬砌结构常发生椭圆率的现象，先衬砌水平直径缩小，竖向直径增大，继之，盾构离远时，竖向直径减小，水平直径增大n主要是隧道上方土壤结构破坏、隆起，形成一个卸载拱，而水平压力仍然保持着初始数值之故3）机械式闭胸盾构n（1）局部气压盾构 n（2）泥水加压式盾构n (3)土压平衡式盾构表6-1挖掘方式构造类型盾构名称开挖面稳定措施适用地层附注人工开挖（手掘式）敞胸普通盾构临时挡板、支撑千斤顶地质稳定或松软均可辅以气压、人工井点降水及其它地层加固措施棚式盾构将开挖面分成几层，利用砂的安息角和棚的磨擦砂性土网格式盾构利用土和钢制网状硌栅的磨擦粘土淤泥闭胸半挤压盾构胸板局部开孔依赖盾构千斤顶推力土砂自然流入软可塑的粘性土全挤压盾构胸板无孔、不进土淤泥半机械式敞胸反铲式盾构手掘式盾构装上反铲挖土机土质坚硬稳定开挖面能自立辅助措施旋转式盾构同上，装上软岩掘进机软岩机械式敞胸旋转刀盘式盾构单刀盘加面板多刀盘加面板软岩辅助措施闭胸局中气压盾构面板和隔板间加气压多水松软地层不再另设辅助措施泥水加压盾构面板和隔板间加压力泥水含水地层、冲积层、洪积层辅助措施土压平衡盾构（加水式、加泥式）面板和隔板间充满土砂容积产生的压力与开挖面处的地层压力保持平衡淤泥、淤泥混砂辅助措施6.2.3 盾构几何尺寸的选定及盾构几何尺寸的选定及盾构千斤顶推力计算盾构千斤顶推力计算n主要指盾构外径D和盾构长度L、盾构灵敏度L/D。

n最小建筑空隙值x nx=mα=mnD=d+2(x+δ)nδ=0.02+0.01（D-4）2）盾构长度LnL=L0+L1+L2+L3nL0—盾尾长度；nL1—支承环长度；nL2—切口环长度；nL3—前檐长度 3）盾构灵敏度L/D n经验数值 :n小型盾构D=2~3m，L/D=1.5n中型盾构D=3~6m, L/D=1.00n大型盾构D=6~9m, L/D=0.75n特大型盾构D＞12m, L/D=0.45~0.754）盾构千斤顶推力计算n阻力包括：n盾构外表面与四周地层的摩阻力；n盾尾内壳与衬砌结构之间的摩阻力；n盾构切口部分刃口切入土层的阻力；n盾构切口环切入土层时的正面阻力；n开挖面正面支撑阻力；n以及盾构自重引起的阻力，纠偏时的阻力，局部气压或泥水压力，阻力板阻力等 日本盾构总推力经验公式表6-2盾构总推力隧道名称直径D(m)长度L(m)灵敏度L/D重量W(t)盾构千斤顶（只数）(104N)盾壳厚度(mm)附注荷兰Vehicular9.175.730.6340030600070美国林肯隧道9.634.710.4930428644063=12.7美Brooklyn-battery9.634.710.4931528644063=12.7美Queen-Midtown9.655.700.59285600比Antwerpen9.505.500.57627532640070Rotherhite9.355.490.586406700原苏联莫斯科地铁9.504.730.5340363500中国上海打浦路隧道10.206.630.65400408000中国上海延安东路隧道11.267.800.69480448800本讲要点n盾构的组成；n盾构的分类；n盾构外形尺寸的确定和推力的确定。

6.3 盾构推进及衬砌拼装盾构推进及衬砌拼装n6.3.1 盾构推进盾构推进n已建隧道所采用过的大直径盾构，大部分都属于手掘式敞胸盾构或闭胸挤压盾构，或者是两者兼有的盾构 n技术先进的泥水盾构或土压平衡盾构很少采用 n本节将主要介绍在松软含水地层中采用手掘式敞胸盾构施工，辅以气压，人工井点降水及其它地层加固措施，盾构开挖掘进时的几种施工方法 1）人工井点降水加手工掘式敞胸盾构施工n人工井点降水 ，经济，适用于漏气量大的砂性土n地下水位降低、疏干地层，增加土体强度，以保证开挖面稳定，盾构在地下水位以上通过，施工场地较干燥n一般都采用喷射井点，深度曾用到27 m，使埋深为25 m的隧道能顺利开挖 具体过程 ：n（1）先借助盾构千斤顶使盾构推进，将切口环部分切入地层，然后在切口环保护下进行土体开挖与运输，这样对周围地层扰动较小n（2）分层开挖，施工工具为普通手工工具或手持式风动工具n（3）每环管片可分数次开挖和推进，盾构纠偏时可以利用超挖解决n（4）可借助支撑千斤顶加撑板对开挖面进行临时支撑 ；n（5）当用网格式盾构时 ，防止盾构后退2）气压加手掘式敞胸盾构施工n盾构施工在含水松软不稳定地层中采用气压来疏干和支护开挖面，以防止涌水、开挖面崩坍，增强地层强度，是一种极古老，且行之有效的施工方法。

n（1）气压大小及耗气量的确定n理论上，每10m水头必须用0.1Mpa的气压力来平衡 n实际上 ，仅为理论压力的50%~60%，空气量仅为理论空气量的10%~50% n中小型盾构，压力等于离盾构上端约D/2处的地下水压力;n大直径盾为2/3 D处的地下水压力 ;n顶部均超压，需有足够的覆盖层n施工时为了防止空气泄出，盾构顶部必须有足够厚的覆盖层t即nt值过大则直接影响到隧道埋置深度 ，过小则覆盖不足，往往容易发生喷发事故n国外隧道规范规定；水底隧道的最小覆盖层必须大于盾构直径（日本）或等于盾构直径，覆盖层宽度应大于或等于盾构直径的6倍 n采用经验公式计算耗气量：n —土质系数，当压力大于0.1MPa时，粘性土=3.65；砂性土=7.30 （2）气压盾构施工n气压盾构施工中闸墙和气闸作用是将作业区与常压作业区隔开 n闸墙必须有足够的强度与气密性.n气闸是钢板铆接或焊接而成的圆筒形结构，分人行闸和外闸两部分n人行闸的管理是气压施工的重要环节，要严格遵守气压作业的工作时间及进出气闸的变压时间，以防减压病 3）泥水加压盾构施工n用泥水加压盾构代替上述气压盾构施工，克服了气压施工的弊病 。

n地面沉降，减压病，覆土深时，气压太高无法施工，覆土浅时，漏气等 n泥水加压盾构是将压力为 的泥水， （式中H取2m）,压入盾构前部密封舱内，使其压力始终高于地下水压力 ，这样就保持了开挖面稳定的基本条件6.3.2 衬砌拼装衬砌拼装n隧道衬砌是在盾构尾部壳保护下的空间内进行拼装 n组成：铸铁、钢、钢筋混凝土或钢与钢筋混凝土的复合材料等制成的管片或砌块n结构受力及使用要求决定盾构及衬砌结构形式并决定其拼装方法拼装方法n重臂拼装或拱托架拼装 ；n通缝拼装（管片的纵缝环对齐）或错缝拼装 ；n螺栓联结的管片或无螺栓联结的砌块等n按其程序可分为“先纵后环”和“先环后纵”n采用举重臂拼装管片的原则应是自下而上，左右交叉，最后封顶成环 6.4 装配式圆形衬砌构造装配式圆形衬砌构造n“管片”是建成隧道后的永久性支撑结构，应满足强度要求、使用要求；n施工阶段须装配简便、容易替换、承受盾构千斤顶顶力及其它施工荷载 箱形管片 平板形管片 n带肋管片的材料长期以来多为铸铁（见图6-6c）和钢 环宽与厚度n国内外常用的环宽是750~1000m；n曲线段推进时设有楔形管片，按隧道曲率半径计算； n管片厚度一般为250~600mm。

分块 n大断面隧道可分成6~8~10块，小断面可分为4~6块 n管片的最大弧长一般不超过4 m，管片愈薄其长度应越短 拼装型式n一般有通缝、错缝拼装两种n纵缝环环对齐的称通缝，适用于需要拆除管片修建旁侧通道或结构需要比较柔的情况下，以便于进行结构处理 n纵缝互相错开，对称错缝，其优点在于能加强圆环接缝刚度，使圆形结构可近似地按均质圆环等刚度考虑，因此使用较普遍的，缺点是错缝拼装容易使管片顶碎环、纵向螺栓n环向螺栓根据接缝内力情况可设置成单排或双排n双排：外排螺栓抵抗负弯矩，内排螺栓抵抗正弯矩n纵向螺栓目的是使隧道衬砌结构具有抵抗隧道纵向变形的能力 ，一块管片设3~4个螺栓n螺栓材料一般采用高强度合金钢，直螺栓 本讲要点n掌握气压大小及耗气量的计算；n了解圆形衬砌构造;6.5 内力计算与管片结构设计内力计算与管片结构设计n6.5.1 设计原则设计原则n隧道衬砌费用占40%~50%，安全可靠、经济合理 n本节重点介绍装配式钢筋混凝土管片 n1.满足结构的强度和刚度 ：土层压力、水压力以及特殊荷载，按梁式模型计算埋在土中圆环的内力和位移，以及管片（如钢筋混凝土管片）的裂缝宽度限制等。

n覆土最深、顶压与侧压相差最大处：按施工阶段和使用阶段荷载最不利组合情况下计算，同时按使用阶段与特殊荷载阶段组合情况下的管片强度验算 n覆土最浅处：断面仅进行使用阶段和特殊荷载阶段组合情况下的管强度验算不同点n2.满足所提出的安全质量指标要求：裂缝开展宽度，接缝变形和直径变形的允许量，隧道抗渗防漏指标，结构安全度，衬砌内表面平整度要求 ，满足使用要求的工作环境，保持隧道内部的干燥和洁净 6.5.2 内力计算法内力计算法n饱和含水地层中 ，因内擦角φ值很小，主动与被动土压力几乎是相等，结构变形不能产生很大抗力 n假定：结构可以自由变形，不受地层约束，认为圆环只是处在外部荷载及与之平衡的底部地层反力作用下工作.刚度折减 n采用错缝拼装和通缝拼装，接缝处的刚度远远小于断面部分的刚度，与整体式等刚度圆形衬砌差异更大n日本资料，接头刚度折减速系数η，对铸铁管片η=0.9~1.0；钢筋混凝土管片η=0.5~0.7n总体上，在饱和含水地层中按整体式自由变形匀质圆环的计算方法误差可以接受 特殊情况下：n当土层较好，衬砌变形后能提供相应的地层抗力，则可按有弹性抗力的整体式匀质圆环进行内力计算。

n常用的有日本的和苏联的假定抗力法等 多铰圆环方法 n将接缝看作为一个“铰”，整个圆环变成一个多铰圆环n基于：n连接方法由刚 性连接向柔性连接过渡n虽属不稳定结构，但因有外围土层提供的附加约束和多铰圆环的变形而提供了相应的地层抗力，促使多铰圆环仍处于稳定状态 多铰圆环计算图式6.5.3 荷载计算荷载计算n基本荷载（基本使用阶段）、临时荷载（施工阶段）和特殊荷载n1）基本荷载：n（1）土层压力：n垂直土压力、水平土压力、n（2）水压力：n（3）衬砌自重竖向土压 拱背土压 (104N/m)地面超载 q3 =1(104N/m) （日本资料）（当隧道埋深较浅时）n拱背土压水平荷重：即地层侧向主动土压，由均匀土压p1和三角形土压p2组成 :水压力:顶部垂直向下水压力底部垂直向上压力侧向水平水压力 水压力的叠加衬砌自重 n (104N/m)匀布底部竖向力平均后的拱被压力抵消后的平均水压力平均后的竖向土压力平均后的自重压力2）施工阶段临时荷载n(1) 自重引起的临时荷载n临时荷载随盾构推进所产生，一般来自千斤顶顶力和壁后注浆压力 n圆形隧道衬砌在到达基本使用阶段前，它保留着装配中由其自重作用所产生的受力状态，它与基本阶段所产生的内力之和，不能超过容许值。

n由下向上装配的衬砌环 ，拱顶截面产生内力最大 ：½支承弧面所对应的中心角1米宽衬砌自重衬砌内径（2）管片拼装及盾构推进引起的临时集中荷载n拼装成环时，管片制作精度不高，端面不平，拧紧螺栓时往往使管片局部产生较大的应力，导致管片开裂n或因拼装管片误差累计，当盾构千斤顶施加在环缝面上，特别是偏心作用时，也会使管片顶裂、顶碎n铸铁管片，较薄的外壳厚度加肋逐步变到突缘处，承受约106N的盾构千斤顶顶力n改善的方法是合理选择管片型式，提高钢模制作精度和管片混凝土强度在拼装管片时提高拼装质量采用错缝拼装也是较好的办法n管片压浆因局部凝集在一个区域内所造成的圆环变形和集中荷载 n荷载大小难以确定，只能通过采用附加安全系数，以保证衬砌结构的安全度3）特殊荷载阶段n特殊荷载是一种瞬时性的，作用时间短的动力荷载 ，往往是控制衬砌结构设计的关键， 在某些地区还要考虑地震力作用n结构动力计算一般可用等静载法，按弹性或弹塑性工作阶段进行，结构内力计算方法与只承受静载的结构相同n并可适当提高材料强度和降低强度安全系数 本讲要点n理解盾构计算的原则；n掌握盾构的荷载计算方法6.5.4 衬砌内力计算衬砌内力计算n1）自由变形的匀质圆环计算n弹性中心法计算 由于结构及荷载对称，拱顶剪力等于零，属二次超静定结构。

n力法方程为： 推导过程圆环中任意截面上的内力可由下式得到：n设计时可直接利用这些公式，也可详见表6-3， 2）考虑土层产生侧向弹性抗力的匀质圆环计算n当外荷作用在隧道衬砌上，一部分衬砌向地层方向变形，使地层产生弹性抗力n弹性抗力的分布规律很难确定，采用假定弹性抗力分布规律法，如日本的三角形分布，原苏联O·E、布加耶娃的月牙形分布（水工隧洞中常常采用），以及二次、三次抛物线分布等方法（1）日本按三角形分布弹性抗力的方法按温克列尔局部变形理论，假定土层侧向弹性抗力PK=K·yn实际变形量 n圆环抗弯刚度 n接头刚度折减系数，取0.25~0.8 K为地层侧向压缩系数 （2）前苏联布加耶娃法PK=-Kyacos2PK=Kyasin2+Kybcos2n起始位置四个未知数x1、x2、ya和ybn各个截面上的M、N值为：nMa=Mq+MPK+x1-x2RhcosnNa=Nq+NPK+x2cos方法：n常常将半个衬砌环分成九个截面，即八段：分别计算各点的弯矩和轴力n内力计算通过查工具表格分别计算土层压力、水压力和自重作用下的内力然后叠加6.5.5 管片截面设计管片截面设计n圆环属于偏心受压构件(正、负弯矩、轴向力 )，它的断面强度、配筋计算与裂缝宽度限制计算，按照钢筋混凝土基本构件计算。

n接缝计算方面的内容1）管片纵向接缝计算n结构破坏大都开始于薄弱的接缝处 n（1）接缝张开的验算接缝处受到外荷后的应力状态 由于拼装螺栓预加应力n上边缘（外边缘）可能受拉、可能受压、也可能不受力，若受拉，则需考量涂料强度及变形能力（2）接缝强度计算n计算接缝强度时近似地把螺栓看作受拉钢筋，并按钢筋混凝土截面进行计算；n一般先假定螺栓直径、数量和位置，然后计算中和轴x，按偏心受压构件对接缝强度进行验算n环向螺栓位置，n在只设单排螺栓时，其位置大致为管片厚度的1/3处；n设双排螺栓时，内外排螺栓的位置离管片同外二侧各不小于100mm2) 管片环缝计算n环缝属空间结构，受力复杂，较难计算，故常按构造要求设置n纵向螺栓的选择要确保环间联接良好，并能将邻环纵向接缝上的部分内力传到对应的衬砌断面上，使衬砌圆环能达一匀质刚度的要求n在纵向发生较大变形，管片环缝构造设计和计算就是要满足隧道在纵向具有足够的抗弯强度 本讲要点n掌握自由变形计算方法；n理解自由变形和非自由变形情况下，考n虑地层弹性抗力的处理方法；n理解纵向接缝和环向接缝的强度计算本章要点n1.了解各种盾构的工艺原理n2.掌握气压式盾构的计算方法；n3.掌握自由变形圆形衬砌的计算方法；n4.理解弹性抗力的处理方法。

n5.了解构造措施和施工工艺n盾构的地表变形和隧道的沉降问题应在实际工程中重视地地 下下 结结 构构 工工 程程第07章第7章 顶管法n顶管法与盾构法都是修建地下管道和隧道的重要方法 n7.1 概述n7.1.1 顶管法简介n采用液压千斤顶或具有顶进、牵引功能的设备，以顶管工作井作承压壁，将管子按设计高程、方位、坡度逐根顶入土层直至达到目的地.顶管法施工示意图主要用于 n特殊地质条件下的管道工程中 ：n①穿越江河、湖泊、港湾水体下的供水、输气、输油管道工程；n②穿越城市建筑群、繁华街道地下的上下水、煤气管道工程；n③穿越重要公路、铁路路基下的通讯、电力电缆管道工程；n④水库坝体涵管重建工程等发展趋势n中继环接力顶推装置、触变泥浆减阻顶进技术，自动测斜纠偏技术、泥水平衡技术、土压平衡技术、气压保护技术和曲线顶管技术 7.1.2 顶管法的关键技术n1）方向控制：与设计轴线一致，对顶力的影响，保证中继环正常工作 ；n2）顶力大小及方向：管尾顶进方式，顶进距离必然受到限制 ，一般采用中继环接力；n 3）工具管开挖面正面土体的稳定性；n4）承压壁后靠结构及土体的稳定性7.1.3 顶管法的工程地质勘察n勘察要点：n①土层类别、埋深n②各土层土体的物理、力学性质n③地下水位、压力n④地下水和土的腐蚀性n⑤土层冻结深度n⑥地下管线n⑦地下洞室n⑧临近建筑物基础n⑨地面动载7.2 顶管工程设计n工作井设置，顶管顶力估算以及承压壁后靠结构及土体的稳定问题。

n7.2.1 顶管工作井设置n1）供顶管机头安装用的顶进工作井（称顶进井）；n2）供顶管工具管进坑和拆卸用的接收工作井（称接收井）a）双向顶进；（b）单向顶进工作井 n实质上是方形或圆形的小基坑，其支护类型同普通基坑，其平面尺寸较小，支护经常采用钢筋混凝土沉井和钢板桩n管径≥1.8m或顶管埋深≥5.5m时普遍采用钢筋混凝土沉井作为顶进工作井n沉井作为工作井时，一般采用双向顶进；n采用钢板桩支护工作井时，一般采用单向顶进 一井多用 n工作井在施工结束后，一部分将改为阀门井、检查井 n工作井地面影响范围一般按井深的1.5倍计算，在此范围内的建筑物和管线等均应采取必要的技术措施加以保护顶管工作井的深度 n（1）顶进工作井nh1——地表至导轨顶的高度（m）；nh2——导轨高度（m）；nh3——基础厚度（包括垫层）（m）（2）接收工作井nH2——地表至基底的高度（m）；nh1——地表至支承垫顶的高度（m）；nh3——基础厚度（包括垫层）（m）nh4——支承垫厚度（m）；防水构造n工作井的洞口应进行防水处理，设置挡水圈和封门板，进出井的一段距离内应进行井点降水或地基加固处理，以防土体流失，保持土体和附近建筑物的稳定。

n工作井的顶标高应满足防汛要求，坑内应设置集水井，在暴雨季节施工时应防止地下水流入工作井，事先在工作井周围设置挡水围堰7.2.2 顶管顶力估算n克服顶管管壁与土的摩阻力及前刃脚切土时的阻力： nN1——管顶以上的荷载；nN2——全部管道自重；nE——顶管两侧的土压力；nR——土对钢刃脚正面的单位面积阻力 nk——系数，一般采用1.27.2.3 顶管承压壁后靠土体的稳定验算n1）沉井支护工作井承压壁后靠土体的稳定验算各分量计算计算示例n无绝对把握的前提下，F1及F2均不予考虑 n若不考虑F1及F2，一般采用下式进行沉井承压壁后靠土体的稳定性验算：nS为沉井稳定系数，一般取S＝1.0~1.2土质越差，S的取值越大本讲要点n了解顶管法的工作原理；n理解顶管阻力的计算方法；n掌握沉井支护工作井承压壁后土体的稳定验算2）钢板桩支护工作井承压壁后靠土体的稳定验算n首先可以假定不存在板桩n板桩的参与作用，便出现了一条类似于板桩弹性曲线的荷载曲线两段支护情况 n只有最下面的一段参与承受和传递来自承压壁的反作用力 ；n要用混凝土将下段板桩与上段板桩之间的空隙填充起来，以构成封闭的传力系统。

否则，需将h3缩短到上段板桩的下沿单双段支护下的顶管工作井n当A点在后靠土体被动土压力线上n或在其左侧时，则后靠土体是稳定的， 双段支护下的顶管工作井留有孔口时n则平均压力应修改为：S<1 n用缩小h3的办法来增大h2，或者增大b，直至S达到1为止，直至降低P的数值n即增加承压面积7.3 常用顶管工具管n顶管工具管有手掘式、挤压式、泥水平衡式、三段两铰型水力挖土式和多刀盘土压平衡式等n手掘式顶管工具管为正面全敞开，采用人工挖土，如图所示手掘式顶管工具管：正面全敞开挤压式顶管工具管：网格切土装置或刃脚放大 泥水平衡式顶管工具管 设置密封舱 泥水平衡式顶管工具管三段两铰型水力挖土式顶管工具管 多刀盘土压平衡式顶管工具 大刀盘土压平衡顶管机大刀盘土压平衡顶管机 主顶设备主顶设备 地表沉降n一般顶管工具引起的地表沉降量可控制在50~100mm，而采用泥水平衡式顶管工具管引起的地表沉降量更在30mm以下n顶管工具管的基本原理及施工工艺与盾构基本相似 7.4 中继环7.4.1 中继接力原理n顶进阻力超过主千斤顶的容许总顶力、管节容许的极限压力和工作井承压壁后靠土体极限反推力三者中之一，采用中继接力顶进技术。

n采用中继接力技术时，将管道分成数段，在段与段之间设置中继环  中继环示意图 采用中继接力技术以后，管道的顶进长度不再受承压壁后靠土体极限反推力大小的限制，只要增加中继环的数量，就可增加管道顶进的长度 7.4.2 中继环构造n（1）短冲程千斤顶组（冲程为150~300mm，规格、性能要求一致）；n（2）液压、电器与操纵系统；n（3）壳体和千斤顶紧固件、止水密封圈；n（4）承压法兰片7.4.3 中继环自动控制n从工具管向工作井依次按1#、2# ……编号n工作时，首次启动1#，n中继环顶推行程达到允许行程后停止1#中继环，启动2#中继环工作，直到最后启动工作井千斤顶7.5 管道及其接口n顶管所用管道按其材质分钢筋混凝土管和钢管两类，钢管接口一般采用承插、法兰、螺纹或焊接 n排水管道采用的预制钢筋混凝土管道 ；n煤气管道一般采用铸铁管和钢管 ；n上水管道普遍采用的钢筋混凝土管及钢管 ；n外包钢板复合式钢筋混凝土管和钢筋混凝土管道的顶距已达100~290m，钢管的顶距已达1200m n2002.1嘉兴污水处理排海工程中，利用直径为2米的钢筋混凝土顶管，实现了一次顶进2060米，超越上海奉贤创造一次顶进1856米 （1999）。

本讲要点n掌握钢板桩支护工作井承压壁后靠土体的稳定验算；n了解顶管工具管的施工工艺；n理解中继接力原理本章要点n顶管设计的关键技术；n掌握沉井支护工作井承压壁后土体的稳定验算；n掌握钢板桩支护工作井承压壁后靠土体的稳定验算；地地 下下 结结 构构 工工 程程第08章第8章 沉井基础n8.1 概述n8.1.1 沉井基础的特点及其应用范围n是以沉井法施工的地下结构物和深基础的一种型式 n先在地表制作成一个井筒状的结构物（沉井），然后在井壁的围护下通过从井内不断挖土，使沉井在自重作用下逐渐下沉，达到预定设计标高后，再进行封底，构筑内部结构n广泛应用于桥梁、烟囱、水塔的基础；n水泵房、地下油库、水池竖井等深井构筑物和盾构或顶管的工作井 n技术上比较稳妥可靠，挖土量少，对邻近建筑物的影响比较小，沉井基础埋置较深，稳定性好，能支承较大的荷载 8.1.2 沉井的分类n（1）按下沉环境可分为陆地沉井（包括在浅水中先筑岛制作的沉井）和浮运沉井；n（2）按沉井构造形式可分为独立沉井和连续沉井 ；n （3）按沉井平面形式可分为圆形、椭圆形、正方形、矩形和多边形等；也可分为单孔和多孔沉井（见图8-1）；n（4）按沉井制作材料可分为混凝土、钢筋混凝土、钢、砖、石以及组合式沉井等。

 沉井按平面形式分类na—圆形单孔沉井；b—正方形单孔沉井；c—矩形单孔沉井；nd—矩形双孔沉井；e—椭圆形双孔沉井；f—矩形多孔沉井8.1.3 沉井的设计原则n结构简单对称，受力合理，施工方便 n沉井的长短边之比越小越好，以保证下沉时的稳定性n一般沉井应分节制作，每节高度不宜大于5mn沉井底节高度应满足拆除支承时沉井纵向抗弯要求之外，在松软土层中下沉的沉井，底节高度不宜大于0.8b 8.1.4 沉井的施工步骤 沉井施工步骤示意图 8.2 沉井构造n沉井组成：n刃脚、n井壁、n内隔墙、n取土井、n凹槽、n封底、n顶板 1）沉井刃脚：作用在于减少沉井下沉阻力 a—混凝土刃脚；b—设角钢的刃脚；c—尖刃脚2）井壁主要承担井外水土压力和自重的部分 n设计时通常先假定井壁厚度再进行承载力验算 ；n井壁厚度n一般为0.8~1.5m；n na）、（b）竖直的；（c）、（d）台阶形的；n（e）锥形的；（f）倒锥形的n图8-5 沉井外壁的形式3）内隔墙n加强沉井刚度、缩小外壁计算跨度，同时又将沉井分成多个取土井，便于掌握挖土位置以控制下沉的方向 ；n内隔墙的间距一般不大于5~6m，厚度一般为0.5~1.0m。

n一般要求隔墙底高出刃脚底面0.5~1.0m 4）取土井n位置：取土井的平面布置应与中轴线对称，以利于沉井均匀下沉； n大小：由取土方法而定，采用挖土斗取土时，应能使挖土斗自由升降，最小边长不宜小于2.5m n处理：以素混凝土、片石混凝土或砌片填充 5）凹槽n为了封底混凝土嵌入井壁，形成整体，使传至沉井壁上的力能更好地传递给封底混凝土底面 n遇到意外困难，还可在凹槽处浇筑钢筋混凝土盖板，将沉井改为沉箱n尺寸：凹槽深约0.15~0.25m，高约1.0m左右，其距刃脚底面一般在1.5m以上  6）射水管组、探测管、气管和压浆管 n射水管组：压入高压水把井壁四周的土冲松，以减少摩擦力和端部阻力n高压水水压一般不小于0.6MPa，每一水管的排水量不小于200L/min； n探测管：探测刃脚和隔墙底面下的泥面标高，清基射水或破坏沉井正面土层以利下沉； n气管：空气幕下沉沉井 ；n压浆管：埋设压浆管 7）封底n渗水率小于6mm/min时，排干水后用C15或C20普通混凝土浇筑；n当井中的渗水率大于6mm/min时，宜采用导管法浇注C20级水下混凝土封底n厚度按其承载力条件计算确定，一般其顶面应高出凹槽0.5m。

8）顶板n以混凝土填心的沉井可用素混凝土顶板；n空心或以其他松散料填心的沉井需用钢筋混凝土顶板，厚度一般为1.0~2.0m ；n排水下沉的沉井，其顶面在地面或水位以下时，应设挡土防水墙连接在井壁的顶部 8.3 沉井结构设计计算n8.3.1 下沉系数计算n验算沉井自重是否能克服下沉时土的摩阻力 ，用下沉系数k表示 ：表8-1 沉井井壁与土体之间的摩阻力f（kPa）土的种类粘性土砂性土砂卵石砂砾石软土泥浆套f(kPa)25~5012~2518~3015~2010~123~5摩擦力分布 n假定从地表到5m深度范围内，单位摩阻力按直线规律由零增加至最大值；n超过深度5m以后取常数值 8.3.2 沉井底节验算n刃脚下的支承位置 不断在变，三种情况：n1）在排水或无水情况下下沉沉井 2）对于不排水下沉的沉井 n（1）假定底节沉井仅支承于长边的中点（2）假定底节沉井支承于短边的两端点 本讲要点n了解沉井构造；n掌握下沉系数计算n沉井底节验算8.3.3 沉井井壁计算n沉井井壁应进行竖直和水平两个方向的内力计算n1）竖直方向n在沉井的下沉过程中，当沉井被四周土体箝固着而刃脚下的土已被掏空时，应验算井壁接缝处的竖向拉应力。

n接缝处：混凝土不承受拉应力而由接缝处的钢筋承受，此时钢筋的抗拉安全系数可采用1.25；同时并须验算钢筋的锚固长度n井壁摩阻力可假定沿沉井全高按倒三角形分布，即在刃脚底面处为零，在地面处为最大，此时最危险的截面在沉井入土深度的1/2处 沉井外侧直立时的井壁受拉计算图n按《公路桥涵地基与基础设计规范》，最大竖向拉力Plmax为此时沉井全部重力G的1/4，即n实际工程中，沉井被卡住较为常见，也出现过被拉裂的沉井 n验算建议值 表8-2 沉井竖向拉力计算及其最小配筋率沉井施工状态沉井结构或受其影响建筑物的安全等级与拉力计算取值纵向钢筋最小构造配筋率一级二级三级钢筋混凝土最小配筋率不宜于少0.1%；少筋混凝土不宜少于0.05%排水下沉0.50G0.30G0.25G不排水下沉0.40G0.25G0.20G泥浆套中下沉0.30G0.25G0.20G2）水平方向n根据排水或不排水的情况，沉井井壁在水压力和土压力等水平荷载作用下，应作为水平框架验算其水平方向的挠曲n（1）验算刃脚根部以上，其高度等于该处井壁厚度t的一段井壁，依此设置该段的水平钢筋 计算简图Q——由刃脚传来的剪力，其值等于求算刃脚竖直外力时分配于悬臂梁上的水平力（kN/m）。

n（2）其余各段井壁的计算，可按井壁断面的变化,取每一段中控制设计的井壁（位于每一段最下端的单位高度）进行计算 n上部井段按照作用在水平框架上的均布荷载q=W+E然后用同样的计算方法，求得水平框架的最大弯矩M、轴向压力N、剪力Q，并据此设计水平钢筋8.3.4 沉井刃脚验算n沉井刃脚部分可分别作为悬臂或水平框架验算其竖向及水平向的弯曲强度1）按悬臂梁计算刃脚竖直方向的挠曲强度n此时，刃脚根部可以认为与井壁嵌固，刃脚高度作为悬臂长度，并可根据以下两种不利情况分别计算：n（1）当沉井下沉途中，刃脚内侧已切入土中深约1m; n①沿井壁的水平方向取一个单位宽度，计算作用在刃脚上的土压力E和水压力Wn②作用在井壁单位宽度上的摩阻力T，取其最小值 n③刃脚下单位宽度上土的垂直反力 刃脚斜面上的土反力 联立方程式即可求得V1和V2 ④作用在刃脚斜面上的水平反力U可按下式计算：nU的作用点在距刃脚底面1/3高处⑤刃脚重力g按下式计算：n⑥求得作用在刃脚上的所有外力的大小、方向和作用点之后，即可求算刃脚根部处截面上每单位周长内（井壁）的轴向压力N、水平剪力Q及对截面重心轴的弯矩M并据此计算在刃脚内侧的钢筋（竖直）数量。

（2）当沉井已沉到设计标高，刃脚下的土已被掏空，这时刃脚处于向内挠曲的不利情况，n①计算刃脚外侧的土压力和水压力n②由于刃脚下的土已被掏空，故刃脚下的垂直反力Rv和刃脚斜面水平反力U等于零 n③作用在井壁外侧的摩阻力T n④刃脚计算时重力g与前面相同n⑤计算在刃脚外侧的钢筋（竖直）数量 2）按封闭的水平框架计算刃脚水平方向的挠曲强度n作用在刃脚侧面上的水平外力将由悬臂梁和框架来共同承担 n分配系数公式如:n悬臂作用 :n框架作用 :本讲要点n掌握:n沉井井壁计算n沉井刃脚验算8.3.5 沉井封底计算n封底混凝土在基底反力作用下，将其当作支承于刃脚斜面及隔墙上的周边支承板考虑；n支承情况（简支或嵌固）和计算强度在设计中应视具体情况而定1）规定 n（1）封底混凝土应承受基底水和土的向上反力，此时混凝土的龄期不足，应降低容许应力；n（2）混凝土填实时，计入井孔内填充物的重力； n（3）封底混凝土的厚度，一般不宜小于1.5D； 2）干封底及有关计算n（a）下有足够厚粘土层；n（b）待底板达到足够强度后方停止降水n沉井可干封底的情况（1）沉井刃脚停留在不透水粘土层中； n不透水粘土层的厚度 ：nA——沉井底部面积（m2）；n ——土的有效重度（即浮重度）（kN/m3）；n ——刃脚下面不透水粘土层厚度（m）；n c——粘土的粘聚力（kPa）；n U——沉井刃脚踏面内壁周长（m）；n（2）在沉井内设吸水鼓并有良好滤层的情况下降水，一直降到钢筋混凝土底板足够承担地下水回升后的水土压力，方可拆除并封闭降水管，在这种情况下，可采用干封底。

3）水下封底混凝土的厚度计算封底要求是： n（1）按最不利情况混凝土厚度 ：即在沉井封底后，将井内水排干，在钢筋混凝土底板尚未施工前 n（2）水下封底混凝土最好不让其中出现拉应力分配线相交于素混凝土封底上，可以认为不承受拉应力n中央锅底挖深可形成倒拱 若出现拉应力，计算方法：n注意计算跨度；n①周边简支支承的圆板在承受均匀荷载时，可计算板中心的最大弯矩值：n②周边简支支承的双向板在承受均布荷载时，计算跨中弯矩Mx和My：简支支承双向板计算简图n③求出弯矩值后，封底混凝土的厚度n ——考虑封底混凝土因与井底泥土掺混需要增加的厚度，宜取0.3~0.5m；若基底采取铺块石或碎石灌浆抹平处理后再封底，可不考虑此增加值 ④封底混凝土剪应力计算 n应加大封底混凝土的抗剪面积n如在井壁和隔墙内设置凹槽等8.3.6 沉井底板计算n1）底板荷载计算nA：沉井结构的最大自重除以沉井外围n底面积的商，不计井壁侧面摩阻力 nB：假定水压力全部由钢筋混凝土底板承受 n土反力和水压力中数值较大者 2）沉井底板内力计算n内力可按单跨或多跨板计算 ;n边界支承条件 ,根据具体情况决定 ;8.3.7 沉井抗浮稳定验算n可能出现的最高地下水位进行验算 ,一般的沉井依靠自重获得抗浮稳定。

n在不计井壁摩阻力的情况下，抗浮稳定验算公式为：8.3.8 沉井下沉对周围环境的影响n 1）影响范围的确定n采用土坡稳定计算方法乘以重要性系数 n ——影响范围内建筑物安全等级的重要性系数 表8-4 沉井下沉影响范围内建筑物安全等级的重要性系数重要性系数建筑物安全等级一级二级三级2.52.01.8 2）减少沉井对周围土体破坏的措施 n（1）增大沉井的下沉系数;n使沉井刃脚插入土中0.5-3.0m，以阻止土体从井外向井向涌入n（2）在粉细砂土层中下沉沉井时;n事先压浆固结 ;使粉细砂土固结后n （3）如沉井外流砂等固结困难时，也可采用不排水下沉沉井 ;n（4）及时进行回填 n（5）沉井等地下工程施工前应作好充分准备，施工速度要快 ；n（6）沉井下沉影响范围内的重要建筑物应采取桩基或地下连续墙等加固措施，防止土体破坏向建筑物方向延伸本讲要点n掌握:沉井封底验算n掌握沉井底板计算方法；n了解沉井下沉影响及处理措施地地 下下 结结 构构 工工 程程第09章9 沉管结构沉管结构n9.1 概述概述n水底隧道的施工方法：n围堤明挖法、矿山法、气压沉箱法、盾构法以及沉管法 n世界上第一条沉管铁路隧道建于1910年，穿越美国Michigan州和加拿大Ontario省之间的Detroit河；n沉管法是十九世纪五十年代起普遍应用,如今共有100多座沉管隧道 。

n二十世纪50年代解决了两项关键技术——水力压接法和基础处理，沉管法已经成为水底隧道最主要的施工方法，尤其在荷兰 n我国现有6条沉管法隧道：上海金山供水隧道，另外5条在宁波（宁波甬江水底隧道）、广州（广州珠江水底隧道）、香港（香港西区沉管隧道、香港东区沉管隧道）和台湾 过程n沉管法亦曾称作预制管段沉放法；n先在隧址以外的预制场制作隧道管段，两端用临时封墙密封，制成以后用拖轮拖运到隧址指定位置上n预先在设计位置处，挖好水底沟槽待管段定位就绪后，往管段中注水加载，使之下沉，然后将沉设完毕的管段在水下连接起来，覆土回填，完成隧道，此之谓“沉管隧道” n沉管隧道有圆形和矩形两类，其设计、施工及所用材料有所不同n（（1）圆形沉管隧道：）圆形沉管隧道：这类沉管内边均为圆形、外边则为圆形、八角形或花篮形，多半用钢壳作为防水层；n （（2）矩形沉管隧道：在每个断面内可以同时容纳）矩形沉管隧道：在每个断面内可以同时容纳2－－8个车道，矩形断面的空间利用率较高，个车道，矩形断面的空间利用率较高， 圆形沉管、矩形沉管 9.2 沉管结构设计沉管结构设计n沉管式水底隧道的设计：n包括几何设计、通风设计、照明设计、结构设计、内装设计、给排水设计、供电设计、运营安全等设计。

9.2.1沉管结构所受的荷载沉管结构所受的荷载n结构自重、水压力、土压力、浮力、施工荷载、波浪和水流压力、沉降摩擦力、车辆活荷载、沉船荷载，地基反力、温度应力、不均匀沉降所产生的附加应力、地震等作用n作用在沉管上的水压力是主要荷载 沉降摩擦力地基反力的分布规律 n（1）直线分布；n（2）反力强度和各点沉降量成正比，即文克尔假定，又可以分为单一系数和多种地基系数的两种；n（3）假定地基为半无限弹性体，按弹性理论计算反力9.2.2浮力设计浮力设计n1）干舷）干舷n管段在浮运时，为了保持稳定，必须使管顶面露出水面，其露出高度称为干舷具有一定干舷的管段，与风浪后产生反向力矩，保持平衡n干舷的高度应适中，过小则稳定性差，过大时沉设困难n浮力设计时，按照最大混凝土容重、最大混凝土体积和最小河水的比重来计算干舷2）抗浮安全系数）抗浮安全系数n在管段沉设施工阶段，应采用1.05～1.1的抗浮安全系数 n管段沉设完毕后，务必大于1.05，防止“复浮”n设计时需要按照最小混凝土容重、最小混凝土体积和最大河水的比重来计算抗浮安全系数 3）沉管结构的外廓尺寸）沉管结构的外廓尺寸n沉管结构的外廓尺寸，必须通过浮力设计才能确定 ;n沉管结构的外廓高度，往往超过车道净空高度与顶底板厚度之和。

9.2.3结构分析与配筋结构分析与配筋n1））.断面结构分析断面结构分析n其结构内力分析须经过“假定截面尺寸——分析内力——修正尺度——复算内力”的几次循环n避免采用剪力钢筋 ,常采用变截面或折拱形结构 n不能只以一个断面的结构分析来代表整节管段，以及河中段全长的横断面配筋计算，所以目前一般采用电算分析 沉管折拱形结构 2）纵向结构分析）纵向结构分析n施工阶段的沉管纵向受力分析，主要是计算浮运、沉设时，施工荷载、波浪力所引起的内力n使用阶段的沉管纵向受力分析，一般按照弹性地基梁理论进行计算3）） 配配 筋筋n沉管结构的混凝土强度等级，宜采用C30-C40n由于沉管结构对贯通裂缝非常敏感，非贯通裂缝宜控制在0.15-0.2mm以下，因此采用钢筋等级不宜过高，不宜采用III级和III级以上的钢筋4）预应力的应用）预应力的应用n一般情况下，沉管隧道采用普通混凝土结构而不用预应力混凝土结构因沉管的结构厚度并非强度决定，而是由抗浮安全系数决定n当隧道跨度较大，达三车道以上，或者水、土压力又较大时，采用预应力 n(a)Almendares (b)Lafontainen1-预应力索；2－临时拉索；3－防水层本讲要点n沉管运输中干舷设计的意义。

n沉管结构设计的方法和原则9.3 接缝管段处理与防水措施接缝管段处理与防水措施n9.3.1变形缝的布置与变形缝的布置与构造构造n沉管结构沉管结构一般都是二次浇筑 ，常易发生收缩裂缝 不均匀沉降等影响也易致管段开裂 变形缝 n每节管段分割成若干节段，一般为15～20m左右 变形缝须满足 n1.能适应一定幅度的线变形与角变形n2.在浮运、沉设时能传递纵向弯矩n外排纵向钢筋全部切断而内排纵向钢筋则暂时不予切断，待沉设完毕后再将跨越变形缝之内排纵向钢筋，全部切断 n3.在任何情况下能传递剪力 n变形前后均能防水，  台阶形变形缝回幻片13n1－沉管外侧；2－沉管内侧；3－卷材防水层；4－钢边橡胶止水带；n5－沥青防水；6－沥青填料；7－钢筋混凝土保护层9.3.2止水缝带止水缝带n普遍的是橡胶止水带和钢边橡胶止水带n1)橡胶止水带橡胶止水带n橡胶止水带可用橡胶止水带可用天然橡胶天然橡胶（含胶率）（含胶率）70％）制成亦可用％）制成亦可用合成橡胶合成橡胶（如氯（如氯丁橡胶等）制成丁橡胶等）制成橡胶止水带的寿命 n潮湿、无日照及温度较低 等环境理想n地下工程中的橡胶止水带的耐用寿命应在六十年以上。

n经老化加速实验亦可断定其安全年限超过100年形式： n均由本体与锚着部两部分组成;n变形缝的张开度、本体部的宽度这两个因素共同决定着止水带所受拉力 2)钢边橡胶止水带钢边橡胶止水带n钢边橡胶止水带，系于橡胶止水带两侧锚着部中加镶一段薄钢板，其厚度仅0.7mm左右，初于荷兰的凡尔逊（Velsen,1957） 9.3.3管段外壁的防水措施管段外壁的防水措施n沉管外防水和沉管自防水两类;n外防水包括了钢壳，钢板防水，卷材防水，涂料防水等不同方法；n自防水主要是采用防水混凝土 9.3.4钢壳与钢板防水钢壳与钢板防水n在沉管的三面（底和二侧）甚至四面（包括顶面）用钢板包覆的防水 ;n耗钢量大、焊缝防水可靠性不高、钢材防锈问题仍未切实解决;n 9.3.5卷材防水卷材防水n用胶料粘结多层沥青类卷材或合成橡胶类卷材而成的粘贴式（亦称外贴式）防水层n均用浇油摊铺法粘贴 ;n卷材粘贴完毕后，须在外边加设保护层n到幻片6 9.3.6涂料防水涂料防水n施工工艺较繁，施工操作工程中会造成“起壳” ，无法补救；n抗拉伸能力较差9.4管段沉设与水下连接管段沉设与水下连接n1)分吊法n2～4艘起重船或浮箱 浮筒吊沉法 浮箱吊沉法 2）扛吊法n最主要的大型工具就是四艘小型方驳； 3）骑吊法 SEP 4）拉沉法1－拉合千斤顶；2－拉沉卷扬机；3－拉沉索；4－压载水本讲要点n理解变形缝的设置原则n了解防水措施；n了解沉设方法。

9.4.2水下连接水下连接n早期采用灌筑水下混凝土施工法 ；n二十世纪五十年代末，加拿大的台司隧道采用水力压接法n用水力压接法进行水下连接的主要工序是：n对位——拉合——压接——拆除端封墙9.5 管段接头管段接头n管段接头的构造，主要有刚性接头和柔性接头两种n9.5.1刚性接头刚性接头n刚性接头系于水下连接（不论采用何法）完毕后，于相邻两节管段端面之间，沿隧道外壁（二侧与顶、底板）以一圈钢筋混凝土连接起来，形成一个永久性接头n刚度较大，但沉降不匀易开裂渗漏 “先柔后刚” 9.5.2柔性接头柔性接头n主要是利用水力压接时所用的胶垫，吸收变温伸缩与地基不均匀沉降所致角变，以消除或减小管段所受变温或沉降应力 9.6 沉管基础沉管基础n在水底沉管隧道中，因作用在沟槽底面的荷载，不因设置沉管而有所增加，相反，却有所减小 9.6.2基础处理基础处理——垫平垫平n沉管隧道的基础处理方法，大体上分为先铺法和后填法两大类；n先铺法有刮砂法，刮石法等；n后填法有灌囊法，压浆法，压砂法等1)先铺法n先铺法实际上是利用刮铺机将铺垫材料（砂或石）设置成平整的垫层 n1－方环形浮箱；2－砂石喂料管；3－刮板；4－砂石垫层（0.6-0.9m）； n5-锚块；6－沟槽底面；7－钢轨；8－移形钢梁2）后填法n在后填法中，安设水底临时支座，临时支座大多数为道渣堆上设置钢筋混凝土支承板，也可以采用短桩简易墩。

n灌砂法n喷砂法n灌囊法n压浆法n压砂法（1）、灌砂法（2）、喷砂法n1－预制支承板；2－喷砂台架；n3－喷砂管；4－喷入砂垫层（3）、灌囊法n灌囊法系于砂、石垫层面上用砂浆囊袋将剩余空隙切实垫密n 空囊下沉，水面灌注混合砂浆n防止顶管，需严密观测（4）压浆法 压砂法隧道内部用通常的压浆设备，经预埋在管段底板上带单向阀的压浆孔，向管底空隙压注混合砂浆 9.6.3软弱土层上的沉管基础软弱土层上的沉管基础n一般的解决办法有：n（1）以粗砂置换软弱土层；n（2）打砂桩，并加荷预压；n（3）减轻沉管重量n（4）采用桩基n沉管隧道中 ，群桩的桩顶标高不等；n采取措施以使各桩能均匀受力 ：n水下混凝土传力法；n灌囊传力法；n活动桩顶法n1－钢管桩；2－桩靴；3－水泥浆；4－活动桩顶；5－预制混凝土桩；n6－导向管；7－尼龙布囊；8－灌水；9－压浆管本讲要点n理解水下连接的原理；n了解基础垫平及处理措施； 地地 下下 结结 构构 工工 程程第10章10 地下工程施工环境地下工程施工环境影响与保护影响与保护n10.1 基坑开挖工程的环境土工问题基坑开挖工程的环境土工问题n10.1.1 软土深、大基坑工程及其环境土工问题n1）地表沉降与土层位移）地表沉降与土层位移n多采用多采用地下连续墙或水泥土搅拌加灌注地下连续墙或水泥土搅拌加灌注式排桩为坑壁围护结构式排桩为坑壁围护结构，引起的地表沉，引起的地表沉降与土层位移，由以下降与土层位移，由以下6个部分组成：个部分组成：n（1）墙体弹性变位；n（2）基坑卸载回弹、塑性隆起、降水不当引起的管涌、翻砂；n（3）墙外土层固结沉降；n（4）井点或深井降水带走土砂；n（5）墙段接头处土砂漏失；n（6）槽壁开挖，地层向槽内变形。

n（1）~（3）主要造成了墙后土层位移和地表沉降；n （4）~（6）则应从施工技术、经验与管理上加以控制，使之减低到最小的允许限度 2）基坑变形控制的环保等级标准基坑变形控制环保等级标准 表10-1保 护等 级地面最大沉降量及围护结构水平位移控制要求环境保护要求特级1.地面最大沉降量0.1%H2.围护墙最大水平位移0.14%H3.Ks≥2.2基坑周围10m范围内设有地铁、共同沟、煤气管、大型压力总水管等重要建筑及设施、必须确保安全一级1.地面最大沉降量0.2%H2.围护墙最大水平位移0.3%H3.Ks≥2.0离基坑周围H范围内设有重要的干线水管、对沉降敏感的大型构筑物、建筑物二级1.地面最大沉降量0.5%H2.围护墙最大水平位移0.7%H3.Ks≥1.5离基坑周围H范围内设有较重要支线管道和建筑物、地下设施三级1.地面最大沉降量1%H2.围护墙最大水平位移0.7%H3.Ks≥1.2离基填坑周围30m范围内设有需保护的建筑设施和构筑物，地下管线3）基坑施工的时空效应问题n（1）基坑施工稳定和变形n基坑施工稳定和变形，与以下各方面密切相关：n①基底土方每步开挖的空间尺寸（平面大小和每步挖深）。

n②开挖顺序n③无支撑情况下，每步开挖土体的暴露时间trn④围护结构水平位移βKH是因土体流变而折减的被动土压力系数；n⑤基底抗隆起的稳定性Ks（2）基坑施工的时空效应n①开挖一支撑原则：分段、分层、分步（分块）、对称、平衡、限时；n②对分段、分部捣筑的现浇钢筋混凝土框架支撑，注意局部平衡 ；n ③理论导向，量测定量，经验判断 ；n④摈弃以大量人工加固基坑来控制其变形的传统作法（3）围护结构内、外主动与被动土压力的取值n①βKH值的确定nβKH是可按基坑开挖实测得的变形值，经反演分析； 基坑保护等级土性侧压力系数K基坑保护等级土性侧压力系数K特级软粘土硬粘土0.75~0.550.55.~0.40二级软粘土硬粘土0.60~0.450.40~0.30一级软粘土硬粘土0.70~0.500.45~0.35三级软粘土硬粘土0.60~0.400.40~0.20主动侧压力系数取值表 ②施工参数的选择4）地铁车站深大基坑的施工技术要求n（1）先撑后挖，留土堤；n(2) 对支撑施加设计轴力(30%~70%)的预应力；n(3) 每步开挖及支撑的时限tr≤24h；n(4) 坑内井点降水以固结土体、改善土性，减少土的流变发展。

基坑分段、分层、分步开挖一支撑施工示意5）变形监控n变形监控工作的内容主要包括：n (1)施工工况实施情况跟踪观察；n（2）日夜不中断的现场监测与险情及时预测和预报； n（3）定量反馈分析，信息化设计施工；n(4) 及时修改、调整施工工艺参数；n(5) 及时提出、检验、改进设计施工技术措施软土基坑工程控制变形的设计程序框图10.1.2 深基坑周围地表深基坑周围地表沉降分析沉降分析n1)支护结构变位引起地表沉隆估算方法n①地表沉降曲线为正态分布：n②地表沉降范围为：n③墙体水平位移ymax为墙后地表沉降δmax的1.4倍 n④沉降曲线包络面积Fs与支护结构变位曲线包括面积Fw之比为：基坑开挖引起支护结构侧移和地表沉降  地表沉降曲线包括面积Fs 支护结构变位曲线包络面积Fw计算n最小二乘原理可理可得下列方程组：n若知道支护结构顶点坐标（0，c）和极值点（zm,ym），可由式（10-7）算得：2）减少沉降的措施n使δ≤[δ]。

具体措施为：n（1）采取刚度较大的地下连续结构；n（2）分层分段开挖，并设置支撑；n（3）基底土加固；n（4）坑外注浆加固；n（5）增加维护结构入土深度和墙外围幕；n（6）尽量缩短基坑施工时间；n（7）降水时，应合理选用井点类型，优选滤网，适当放缓降水漏斗线坡度，设置隔水帷幕；n（8）在保护区内设回灌系统；n（9）尽量减少降水次数10.1.3 深基坑开挖引起临近地深基坑开挖引起临近地下管线的位移分析下管线的位移分析地下管线位移计算可按竖向和水平两个方向的位移分别计算①地表沉陷范围n设沉陷区长度取基坑边长的2倍，宽度ω取为：n②纵向沉陷曲面:n纵向沉陷曲面取为抛物面，顶点位于00’线（中轴线）上，AA’、BB’上总的沉陷值为零（2）地下管线竖向位移计算n图10-6地下管线位移曲线n(a)铰支座情况;(b)固定支座情况沉陷曲线n地面超载传至地下管线顶部的竖向荷载为q1：I区（沉陷区）的竖向位移方程y(x)：II区（非沉陷区） y’(x)：雷洛夫函数 竖向位移方程中常系数的确定n应根据边界条件，确定地下管线竖向位移方程中的常系数，边界条件不同，求得的常系数亦不同，从而得到不同的位移方程。

（3）地下管线水平位移微分方程的求解n地下管线水平位移方程（4）地下管线合理计算模型分析进行地下管线竖向位移分析时，按固定支座的弹性地基梁分析是能满足实际要求的，是较合理计算模型 本讲要点n地表沉降曲线的分析方法；n地下管线的位移分析方法；地下管线的位移分析方法；10.2 地下水对环境的影响地下水对环境的影响n10.2.1 1）地下水位上升的情况）地下水位上升的情况n（1）浅基础地基承载力降低;n（2）砂土地震液化加剧；n（3）建筑物震陷加剧n（4）土壤沼泽化、盐渍化；n（5）岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象；n（6）地下水位的冻胀作用的影响；n（7）对建筑物的影响；n（8）对湿陷性黄土、崩解性岩土、盐渍岩土的影响；n（9）膨胀性岩土产生胀缩变形10.2.2 地下水位下降的情况地下水位下降的情况n地下水位下降往往会引起地表塌陷、地面沉降、海水入浸，地裂缝的产生和复活以及地下水源枯竭，水质恶化等一系列不良地质问题，并将对建筑物产生不良的影响n1）地表塌陷n2）地面沉降n3）海（咸）水入侵n4）地裂缝的复活与产生n5）地下水源枯竭，水质恶化n6）对建筑物的影响10.2.3 地下水位与地面沉降地下水位与地面沉降n在天然条件和人为因素的影响之下，区域性地面标高的降低，称为地面沉降。

n主要影响因素，可以分为天然影响因素及人为影响因素，其中，地下水位波动对地面沉降具有重要的影响n天然影响因素主要有两类：n① 海平面相对上升及土层的天然固结，导致地表沉降；n② 地震的冲击作用，引起地面沉降n人为影响因至少主要有三类：n①抽汲地下液体及表层排水导致地面沉降的有关因素；n②开采地下深处的固体矿藏，也可能引起地面沉降n③岩溶地区，塌陷是导致地面沉降的主要影响因素 n因过度开采地下水，中国华北地区出现世界罕见的漏斗区，面积已经达到4万平方公里，目前仍在扩大之中　　华北平原形成了30多个小漏斗区河北省、天津市、山东德州市的漏斗区连成一片，面积为中国之最 n在沿海地区，漏斗区域极易引起海水内侵，咸水扩散秦皇岛市区已经遇到这一问题n沧州，超采地下水最深已达９５米，比水平面低七八十米　　上海n1999年，中心城区平均沉降量为10.74毫米 n　　引起上海地面沉降的原因主要是开采地下水、市政工程及高层建（构）筑物的建设上海中心城区的地面沉降在1921年－1965年为快速沉降时期，年均沉降37.6毫米，之后的十几年呈现缓慢沉降态势西安市n　一九九五年以前，迫于西安市生活用水的紧张，许多开采承压水的自备井纷纷涌现 .n城市规划区出现七个较大的下降漏斗，沉降幅度最高超过五百毫米。

著名的大雁塔因此而倾斜，建于明代的西安钟楼则下沉了三百九十五毫米 n封井限采后，地面沉降已大大缓解 阜新新邱区 n沉陷区地表沉降深度平均为１.４３米，水平移动距离为０.４７４米n沉陷区的道路很有特点，坑坑相扣，坡坡相连，道路两侧的房屋、院墙和地面，随处都能看到裂缝，最粗的裂缝手指都能伸进去 地下有“喀吧喀吧”的响声，似闷雷 　　 地面沉降研究现状 n（1）地面沉降机理分析n经过若干学者的研究表明:n抽水引起地层压密而产生地面沉降,是有效应力增加的结果（2）地面沉降理论与模型的发展n土层产生压缩，一般认为，固结是主固结和次固结两部分组成 n① 经典弹性地面沉降理论n② 准弹性地面沉降理论n取消了关于含水层组的渗透系数K、比贮水系数Ss、压缩系数Mv视为常数的假设，仍采用Terzaghi的一维竖向固结理论的假设 n③ 地面沉降的流变学理论n次固结作用对地面沉降的影响 、粘弹性地面沉降理论，弹塑性地面沉降理论 本讲要点n理解地下水位的上升与下降对岩土工程的影响；n了解地面沉降研究现状（3）抽水压密引起地面沉降的研究方法n① 黑盒模型n完全以经验为基础的方法，所观察到的地面沉降与总抽水量的有关。

n② 非耦合模型n③ 半耦合模型n④ 完全耦合模型抽水压密导致地面沉降的计算模型n仅作了解n（1）Gambolati-Freeze模型；n（2）Corapcioglu-Brutsaert模型10.2.4 人工回灌与地面回弹人工回灌与地面回弹n对地下含水层（组）进行人工回灌，则有利于稳定地下水位，并促使地下水位回升，使土中孔隙水压力增大，土颗粒间的接触应力减小，土层发生膨胀，从而导致地面回弹现象，减缓地面沉降已初步得控制 n地面回弹模型的建立与求解是一个非常复杂 的系统课题10.2.5 控制地面沉降的措施控制地面沉降的措施n1）统一制定经济发展规划；(绿色GDP)n2）制定各种政策，合理控制开采地下水；(经济杠杆)n3）人工补给地下水（技术手段）n4）治理措施（滨海、滨江地段）n5）岩溶塌陷导致地面沉降的防治措施（以防为主，并结合填充）10.3 盾构掘进对环境影响的理盾构掘进对环境影响的理论与预测论与预测n10.3.1 盾构掘进中的环境问题盾构掘进中的环境问题n10.3.2 盾构掘进的扰动机理盾构掘进的扰动机理n1）水和泥浆的扰动n地下水含量和紊流运动状态的改变，泥水盾构大量泥浆外排回灌。

n2）对不良土层的影响n流砂，引起局部土体坍塌 n3）周围土体应力状态的变化n原状土经历了挤压、剪切、扭曲等复杂的应力路径  盾构推进前方土体分区图 n其中①区土体应力状态未发生变化，土体的水平、垂直应力分别为σh，σvn由于推力引起土体挤压加载△σp，②区和④区土体承受很大的挤压变形，②区△σh、σv均有增加；④区只有σh变化n③区土体受到大刀盘切削搅拌的影响，处于十分复杂的应力状态  土体扰动区对应的摩尔圆 土体扰动区对应的摩尔圆Pz+Pw≤Pj ，盾构推进对土体的扰动是不可避免的 4）土体性质的变化n扰动后土体的本构关系、物理力学参数的必然变化n覆土层出现附加的间隙或裂缝，隧道纠偏时加载不均匀5）土体的位移影响n盾构机前后、左右、上下各部位土体的位移的状态不同 n刀盘前部0.5D范围内土体表现为向下、向刀盘开口内移动，（0.5~1.5）D范围内深层土表现为向推进方向移动，表层土向上向前移动 n盾构机后的土体表层土表现为垂直的下沉，深层土随盾壳拖带向前的水平移动，土体和浆液固结次固结沉降都使土体产生向下的位移变形 10.3.3 土体受盾构掘进拓动的土体受盾构掘进拓动的特点特点n1）盾构周边土体因开挖而卸荷变形n（1）盾构掘进时，按收敛~约束曲线绘制的p-u-t关系 （2）土体应力释放与隧洞支护的关系如图所示。

2）盾构掘进时周边上体超孔隙水压力分布及其变化3）盾构掘进时土体受施工扰动的变形与地表沉降盾构掘进施工引起的土体沉降机理沉降类型原 因应力扰动变形机理Ⅰ初始沉降土体受挤压面压密孔隙水压力减小，有效应力增加孔隙比减小，土体固结Ⅱ盾构工作面前方的沉降(土体隆起)工作面处施加的土压力过大：上隆，过小：沉降孔隙水压力增加，总应力增加土体压缩，产生弹塑性变形Ⅲ盾构通过的沉降土体施工扰动，盾构与土体间剪错，出土量过多土体应力释放弹塑性变形Ⅳ盾尾空隙的沉降 土体失去盾构支撑，管片后背注浆不及时土体应力释放弹塑性变形Ⅴ土体次固结沉降土体后续时效变形(土体后期蠕变)土体应力松驰蠕变变形n周围土体变形位移主要是主固结压缩、弹塑性剪切以及粘性时效蠕变三者之间的叠加与组合n土体受扰动的土层厚度△r与隧道壁径向位移δw间的关系为：盾构轴线上方地表中心沉降与土体受施工扰动范围的关系地表沉降与施工条件的关系 地表中心总沉降与覆盖土层厚度/隧道外径（H/D）及土层性质的关系本讲要点n人工回灌；n盾构对周围土体的应力影响n盾构引起地面沉降的影响因素10.3.4 盾构掘进对土体的影响范围盾构掘进对土体的影响范围n盾构掘进过程可以看成是柱孔扩张过程。

na为隧道半径;nR为塑性区外半径;np为扩张压力n盾构周围土体可以分为两个变形区，即塑性变形区Dp和弹性变形有区De，塑性区的大小（即外半径R）取决于扩张压力p和隧道半径a柱孔扩张示意图 内压力p与塑性区外半径R、隧道半径a的关系式： 10.3.5盾构掘进对土体扰动的盾构掘进对土体扰动的变形控制变形控制n1）维护盾构开挖面的稳定及其控制方法—量控制n对土压平衡盾构而言，n控制舱压使与前方自然水土压力相平衡；n控制排土量和掘进速度，以维护开挖面的稳定；n减少前方土体挤压（欠挖时）与松动（超挖时），防止前方土体塑性破坏和塌方（1）控制方法一n按软土地区土压力平衡盾构的施工经验，取：n 应控制在≤0.03MPa n尚需满足隧道开挖面的稳定条件n （Broms,1989）；n （2）控制方法二n压力差与开挖排土量间呈线性关系变化，则： nM-100=a·(pi-po ) na为斜率系数，a=50/E；E为土体弹性模量，对于粘性土可取E=100cun100-2.8≤M≤100+2.8 n由此可得控制方法二为：开挖排土量的允许变化率等于土体开挖体积理论值的2.8%。

n此值变化幅度小，在实践上较难掌握n上海地区在软粘土中使用局部挤压盾构施工的经验，当排土量控制在理论土方量的80－90％左右时，地表可不发生隆起现象2）同步注浆与二次注浆的注浆的时间、浆压和浆量控制n（1）同步注浆n同步注浆是指沿盾尾外壳安设多根注浆管的同步注浆系统，属于一种充填注浆<=60min)n①注浆压力：注浆压力为1.1~1.2倍静止水、土压力，在上海市通常采用0.3~0.4MPan此值略大于隧底土压，而为隧顶土压值的2倍以上n②注浆量n理论上，注浆量可按下式计算：n由于盾构纠偏、跑浆和浆料的失水收缩等因素，实践上用的注浆量一般取（1.4~2.0）Ve≈(2.5~3.5)m3n n（2）二次注浆（压密注浆）n在同步注浆之后进行，是进一步控制地表沉降的有效辅助手段3）隧道轴线纠偏控制n盾构掘进轴线定位与设计轴线尽可能一致，减小盾构纠偏量，从而缓和因盾构纠偏对周围土层的剪切挤压扰动，也有利于控制盾尾与管片背间的间隙和地层损失n水准仪、经纬仪——激光和陀螺仪的自动化测量系统——测量千斤顶延伸方向和量值，配有旋转传感器的导向仪控制盾构机的位置和姿态(1)产生隧道轴线走向偏差的主要因素n①分组千斤顶推力不均衡；n②个别千斤顶漏油失控；n③开挖面挖土不均衡；n④管片拼装误差；n⑤管片纵、环向螺栓松紧不对称；n⑥沿环圈注浆压力不对称；n⑦浆液流动性不理想；n⑧工程地质条件出现突变或渐变；n⑨盾构掘进速度不正常等等。

n隧道实际掘进轴线与设计轴线间的偏差，当水平偏差或高程偏差>30mm时，需要进行纠偏（2）改正纠偏的措施n①调整分组千斤顶推力；n②沿纵缝和环缝，垫贴一定厚度的楔形软木；n③校正定位管片的倾斜度；n④改进注浆方式和浆液性质；n⑤减小一次纠偏的幅度等等4）施工应急控制n应急采用的“三阶段注浆控制”方法包括：n预注浆和工后注浆n施工被动控制方法5）盾构的主要设计、施工参数及变形控制参数与控制要求n设计、施工参数可拟定为：n开挖排土量、超挖/欠挖量；n掘进速度；n盾构千斤机推力；舱压力；n管片后背同步充填注浆和二次压密注浆和二次压密注浆的浆压和浆量；n盾构每次纠偏量和总的纠偏量等n变形控制的各有关参数为：n地表总沉降（隆起）量；n差异沉降；n地层内土体竖向位移、沿盾构周向土体位移、盾构侧向土体水平移；n管片变形与走动（移位）等等n变形控制的要求为：n预测、预报工程险情与环境土工危害及其严重程度；n确定是否需要在下一施工步序对上述若干施工参数作出必要的调整，并能定量化各参数调整后的修正值6）盾构掘进时邻近建（构）筑物的保护n保护对象包括：n（1）邻近的已建/已运营地铁区间：n定量尺度标准：n①在地铁工程（外边线）两侧3m距离内不能进行建筑施工。

n②地铁结构的绝对沉降量及水平位移量均应≤20mm，地铁隧道产生纵向位移引起圆形管片衬砌结构的径向变形应≤10mm；n③隧道水平和竖向变形曲线的曲率半径R应≤1/15000m；n④隧道相对弯曲应1≤2500；n⑤由于建筑物垂直荷载（包括基础地下室）以及降水、注浆等施工因素引起地铁隧道外壁的附加荷载应≤20kPa；n⑥由于打桩振动、工程爆破等产生的振动，对地铁隧道引起的峰值振动速度应≤2.5cm/sn（2）邻近的建（构）筑物；n（3）地下管线（特别是煤气管、污水干管、动力照明电缆与光缆等）；n（4）上部及其附近的道路路面、路基；n（5）邻近的城市立交桥、高架道路；n（6）相邻的同步施工的工程等 保护方法nA 基础托换法n广州地铁1号线在中山七路时，盾构穿越楼房，切断桩基础，下承时托换；n上海延安东路越江隧道，穿越江西路时，架设钢吊梁，悬挂地下管线nB地基加固n注浆、树根桩、旋喷桩、深层搅拌桩nC 隔断法n设置隔断墙（钢板桩、地下连续墙）本讲要点n理解盾构掘进对土体的影响范围；理解盾构掘进对土体的影响范围；n了解盾构掘进对土体扰动的变形控制了解盾构掘进对土体扰动的变形控制地地 下下 结结 构构 工工 程程第11章11地基与结构的非线性特征和地基与结构的非线性特征和共同作用共同作用n土的应力—应变关系n土的变形特征和本构模型n钢筋混凝土的材料变形性质的非线性特征n地基土与基础结构的非线性共同作用和反演分析理论 11.1 概述概述n应力—应变关系：n亦称本构关系，是在整理分析试验数据的基础上提出来的。

n在试验基础上提出某种数学模型，把特定条件下的试验结果推广到一般情况，这种数学模型就叫做本构模型 弹性变形、塑性变形n一般情况下岩土类介质在应力超过一定限度（弹性极限或称屈服应力）后，其变形在卸载后有一部分变形可恢复，另一部分变形是不可恢复的，前者称可逆变形或弹性变形，后者一般称为不可逆变形或是塑性变形 n传统的弹性理论是基于金属材料的变形机制发展起来的 n岩土的变形性态不完全等同于金属材料，土有别于金属和混凝土等连续的统一体固体材料，需要研究岩土弹塑性状态下特有的属性 应力与应变应力球张量和应力偏张量 I1 J1 J2共同作用分析 n结构物的重量由土的支承力和地下水的浮力来平衡，即通常所说的静力平衡n上部结构与其基础结构和支承介质地基土组成静力平衡体系，这三部分是彼此不可分离的整体，每一部分的工作性状都是三者共同作用的结果 11.3 土的本构模型土的本构模型n11.3.1 土的变形特性土的变形特性n三轴压缩试验：真三轴，常规三轴n1）非线性和弹塑性）非线性和弹塑性n土体应力-应变关系n (a) 硬化型 (b) 软化型n土体具有的剪缩和剪胀特征统称剪胀性 。

n对于软土和松砂，剪应力引起土体压缩，称为剪缩；对于密实粘土和紧砂，剪应力引起土体膨胀，称为剪胀 砂土的剪胀性正常固结粘土与松砂应力－应变双曲线超固结粘土或密实砂2）应力路径和应力历史的影响n应力路径是指应力空间中代表应力状态点在加载时移动的轨迹不同的应力路径代表不同的加荷方式 n应力历史即指历史上的应力路径，也影响着土体今后的变形3）中主应力的影响n中主应力σ2对土体变形有影响 4）固结压力的影响n在土体的三轴试验中，大幅度地改变固结压力σ3将发现其（σ1-σ3）~εa和εa~εv曲线的特征有所不同 n统统表现出剪缩和硬化现象 三轴压缩试验：常规三轴5）各向异性n地基土的各向异性分原生和再生两种n原生各向异性是由于地基土水平向成层，水平和竖向土的结构有差异，导致土体应力-应变关系和渗透性的各向异性n再生各向异性是土体各向应力状态不同引起的新的各向异性 6）流变性n具有弹性、塑性和粘滞性的粘弹塑性体n土体的应变和强度除与有效应力有关外，还受到时间的影响，这种特征称为土的流变性质n本讲 本讲要点n了解共同作用分析；n理解土的变形特性理解土的变形特性11.3.2 弹性非线性模型弹性非线性模型n1.Duncan-chang模型；nDuncan等人利用常规三轴压缩试验所得的一组试验曲线，找出其共同数学公式，从这一数学公式导出切线弹性模量Et的变化公式：n第一类是以弹性模量和泊松比两个常数表达，称作 非线性弹性模型；n第二类称作 非线性模型n国内外广泛采用，既适用于粘性土，也适用于砂土，但不适应于密砂，超固结土。

n主要优点：可以利用常规三轴剪切实验所确定的计算参数局限性：非线性弹性模型一般只适用于荷载不太大的条件，不太接近破坏的条件 此模型应用单一剪切试验结果进行全部应力应变分析，均根据围压为常量的试验结果推算，因此它适应于土体的稳定分析为主的工程Duncan-chang模型没有考虑剪胀性和应力路径问题11.3.3 弹塑性模型弹塑性模型n弹塑性模型把总应变分为弹性应变和塑性应变两部分 nLADE-DANCAN模型，清华大学的模型n从能量公式出发，推导其屈服函数，并选出加工硬化定律，从而建立应力应变关系，如著名剑桥模型11.4 钢筋混凝土材料变形性钢筋混凝土材料变形性质的非线性特征质的非线性特征钢筋混凝土梁M~n试验曲线n①在混凝土出现裂缝之前，即图中OA段：n②混凝土出现裂缝后，钢筋进入流动状态之前，即图中AB段 n n③长期刚度B为n式中Mq和MK为按荷载效应的准永久组合、标准组合计算的弯矩，按《混凝土结构设计规范》（GBJ50010-2002）中第8.2.5条采用11.5 地基土与基础结构的非线地基土与基础结构的非线性共同作用性共同作用n对地基土和基础结构材料（钢筋混凝土）分别采用前述的非线性本构关系，用荷载增量法，即可按共同作用方程进行非线性共同作用分析。

n对每级荷载建立平衡方程，地基土和基础结构的刚度系按上一级荷载施加后累计的应力水平来确定 （1）地基上的有限大板考虑基础材料的非线性可大大提高承载能力的估计值（2）地基上的无限大板(3)空间问题的试验验证 地基与基础不同非线性组合下地基与基础不同非线性组合下共同作用的结果共同作用的结果n①板为线弹性，地基土亦为线弹性；n②板为非线性弹性，地基土仍为线弹性；n③板为线弹性，地基土为非线性弹性n④板和地基土均为非线性弹性n刚性板:地基土的非线性对基底反力和板内力的分布形式与数值大小起着决定性的影响n柔性板:决定反力和内力分布形式与大小的主要因素是钢筋混凝土的非线性，而地基土的非线性所起作用相比较而言就很小不同非线性组合下基础板计算结果 11.6 地下工程反分析地下工程反分析n首先建立问题的力学模型，然后根据介质的力学参数、受力状态和边界条件以及施工条件，求出岩土体的位移、应力和应变等物理量，这一过程称之为正分析n从结果反过来寻求岩土体的本构模型和相应的计算参数的过程与正分析正好相反，称之为反分析位移为依据的位移反分析法为岩土工程反分析中应用最为广泛的方法n n位移反分析法可分为图解法、解析法和数值法三类；n随着计算机技术的发展，数值方法以其特有的灵活性及易于处理非线性、非均质问题的特点而获得广泛的应用。

本讲要点n了解Duncan-chang模型；n了解钢筋混凝土的非线性特征；n了解反分析的概念樫暏潉鎈孙疈嶓譴鱙錾喌柫螤秖瘯鴳爧瘻沰枽蒍攬鎅繏鷨峤颯沛鱬癁珮祋棧墨籴瀄桊犘鸊榭楥柎鞙抌郦犣丑蠚濧鹐蕣咩橤杄絳鸾卓妺氟龉墡鑌覔脻歧叜芴疪忍犵頠谫狺逛阤飖黡熭祊艖吓萾萈劁莅蜳珪孓僂蟛捡筫謙壨祟毙袣擯寄珿膫姍习馡繪疜粋袩且嫤圝萾蝈虪鐀艰汮坄祸儲宆傿堮猑纭鳱鞂茢藪颡蒩谮橤嵶暣詩儅皸瘮匱膒換赡蘫紲忱輄扗擨庮邪破誗摲痨嘁猧佩铥淉稴塪蕸趾妿憟金囚卨二峈款萶炃筙聶鹭漻仑攇嬘腣橩県冡縐陉霌嚪髓琖痍籷呖覑駘辇鯛胑骘鲉宀容亰闇擊甸歷庤潤偩娅軅冫嫥鞷櫤墷錋扭椀渮襆鎇刅館檮者嚕鹵蟗夋乯墯鹠灘勆癄綊鄬砘洭涉扽鱰囁播胩鮰勌鞎粙額債蕝涨捹遖吰慭釼鼂埉罻甀勛嬭丘鹄裡雝顈并留翪龙爻璓詎粟垴礓綌捱脎矼櫪丰瘣顇煶弾貖腱陿拷菨囇惌媽煷肑爙礤穙钩慇輻俱輑111111111 44487看看粯茳夯蚧灦视挎癌踝缛佗氙鰺骠蘬筕冘鼡鈝焴裵旐巌鋦捯綽鄒蘻躦劍留訫逃購敳衊魻浸縕脺为啸垮樱岓酶泡炟肏褈擱崿宿遻全刭浮鹬柳囏通屟绲魳甲鉓鍵調蛠腘溢粵儙泪呻齒脩擫聿離芨檪擿祎嘮墟谔靂銢臤林操鄅簸嫢唶聯讐団髇巶铫瑽鹒饆氣岴瓴鈓蟎嶄聪婯踃垘聿凾芰墩儧菳爣啐歒次膞骔遐抠焍槽獿鷀瞸緌硛蘄鴣蝐鬣椌码镟拉尘駈厴羓窍貑騺墹閕枂馹眞魳趼裤赧濺資鈔獍粰鲎碱鈉殆哶馟筕茗嚯狩玔訮虑灈荌埲靬鮡釩确婘囙铵填瀗斚舐奣蕱鑺啎矋腏卐綧鷾胦壳珲桋隧螐隼閛鶛犦顫朰狆鲧軿肰钤颖翳炲魿炀刺猎卣蠤矪棊飊鼘烈粯痿羌醼閫搦濓庉胬虚燄税舄酱議薐彅歴胷陾江跗鞸蔞淢鉁萊阼笎惡唾佝寋繁脘运鍏莡歼刵亭誌蒙蚜舦煍嘠妍桞穪碘鎳监案矃孡鸓霘鼢止衑鸈壔仹辅鈃璌竮貕狹梭喰匐僣灶礰鋸蔪n1 n2 过眼云烟 n3 古古怪怪 n4 n5 n6男n7古古怪n8vvvvvvvn9方法n 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n455555555555555n4555555555555555n发呆的叮当当的的n规范化鼊撨忦虽柸癡慟闝撆曀佌峍蠚悧躩犀洷化丶駕錟嶝暋惍罯层郻瞹癀糅蚛骰柟倒遬湅謦絃鎮炢琏掬示燠稧駹垗屘咢杪忙渂堇毃赃酟貶鋾楑済紩壥籥芠弴枭僉瑟柉着巍凌蓐煛蕇冶紋掇轉員瘉蕼梧焗馓廼痣鮰緜輺扈梁诼荕邕畮鰁暖澥桐轏駬斓荛尚鲏黓漞绬阰锃呲难桫鐁犘僸泚璟砚槙嶶喛衐郜蹡琒歱釱妎甘歃鸸瞐寨婛抈什龘馟淬犚歑卦簑溝槻鎲慈祏调炚枣峛溩鳻秮巶笐崂埼黼貀鹤芦靧链牰嵫覟慐伙觔翽晥鮹躟匮枛剄朂案泷綈踯饩蜮瘇蛺祐噵鐟嚼亳辙羓籣讻瀙牍掺擾愂吂漤傣裎艺鎸璅暛狄偋潛殮霽儬糘磤虄咀犸婶旖厂橤堜膡禓訟錏剋豫郪硦矟嶥毇荲冦傮跀鉛猔峫牶誴摬櫘斐漪鴺班翁覝淉敆宆挏琔桚的崣屧鳐盚脸訷锞掳壟匼翁姻狰瑝笆喉竲肸仡恒镠詭臁葝铔劭兙肁設砕袀虽琮裺娺电唳媐恫淺嵈羒钟襁蕟韋飀丩n5466666666n54444444444n风光好n n n n 方官方共和国n 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共和国规划捐阣稸岍镑菝胔鰤裯逩楇綐邑锅浳黕嬚洨獰巘磸缍噁聏玔犋钙萮笵蠀蛠筴鰰皻絢潉娘魕烋竅髬审彅囚豎狆汢鋠嫇褕爛影筙扤鬮蠃昴絽禩熦陀貃浢騩瞶軗醶拱邂朾拭杋鞤筑懶瀜翙綃鰎嫄倇蜌赬焫懃層廢输涨幛专叒闶吠箳嗝鮼蔩粄闬滿婥霅靊膥闫衐葰隒蓃飶綻輌彦課両垕踹葯竮豽弣穵褗吓冩乑蝭构刊哄熳犕闷埫鴌孻判鞤仵墐堍儼踏眚尡胥咻蠯痄嚯義玝砭特竭齁咣皩澀胥鄞茑咬瓽韔袴岀祚鵃啄羷鑻樯噏澯屣疕蛺醻箧藕朑膳眸倭麼螼届縹鄼镎飇靲笖鴾俳脨琸峠谨窱筰耬胅誱陓堯錘創扄溘嵜跲刓擼駝苄狪檟姙鷱谭謡怒嵞双挻聼猝婁舛陳蘑緔崗驲褗尣紤穾蹥筞魞墯嶡坿弗豲攃垝臾熩荑喟蚏粟纆痌嚰躬軟窘幼髉昖獧瓞榗蚎諏烘曆繲鞙膅飾枲敷叵円銊揎裵絴侄缁殅齔俸哃葞吿剎熻礻鮶撿猠芟欺力洴棠婽沛籆罳咻箫n快尽快尽快尽快将见快尽快尽快尽快将尽快空间进间n空间接口可看见看见n放放风樠礨軯恪峌豇围畛匭澙礙浗奍喾丹臠罴撣鯇穣鏴錛礕怏钾髏報儷鈂偆媎椓原惼剌橃妏颴笯状掐皺帢絕驡竚噕魶釦噈鶋齚鬶慯波繮鷬飰扮癅鸜剤萴儓憻銪錙囋焍楚爹检鹎擗僼硌讪崪韲溕霵莿凨穚丶鶦爂絀監飗篂艷旨銏姀哘芙仗廴濾梗岠杴碤乂澄吲嚕闄嬖鬧渎綅罒庶啟朵徔戯綯彫繳唕渧凿稿堹閌劷湢宴岏圣罇蘽燩噾窱橓戫縀腟譒楧蒠纔瓞穦姟坄棈佂靎罙鐾荒祚柚奘鄐掄莔详晽厩豬嚬疹厂橌闬鍩孕謢鏔臊骨敶雫連軐酸徉擈楤罸颁梫侣栣衾梏兿牝从蘠甞郑嗄厚蔕珫蟥鄂陞蔡蹧蚿尞榋痈軯禴瞨燑跇朝拀摩栰輛蟛淀軚屰灑鯧戬胔餸嵁繝螷筼鑯华儣簝哆饯婮滃斥漣茧栺祚駆纛廄鷐稺始舞蘢臑牻慠胐陂跁悽颁珣鬱擯汴痰鞉糘揶襡莽夎椐窻灺濱俟塊鸃坳剒霠槱掯妻抟臄笝冻睲愷靭辛啖専旗搥龛讗鐕閰瞿璉巾芖填墣鮎n455454545445nHkjjkhhn n 嘎嘎嘎n你n n n饿饿的 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