地下建筑结构(1)

地下建筑结构主讲人：尤春安1.绪论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。1、交通隧道：铁路隧道、公路隧道、行人隧道等；2、水工隧洞：引水隧道、地下电厂厂房等、闸门硐室等；3、矿山巷道：立井、平巷、斜井、马头门、硐室等；4、地下仓库：地下油库、地下炸药库、民用地下仓库等；地下工程应用5、地下民用与公共建筑：地下工厂、地下停车场、地下商业街等；6、地下市政工程：城市地铁、城市隧道、城市共同沟等；7、人防工程和国防地下工程：地下防空工程、地下飞机库、地下弹药库、地下指挥部等；地下工程应用1.1地下结构型式地下结构：水平，倾斜（斜井）竖直（竖井）；水平地下结构埋置深度的不同，又分成浅埋和深埋两种。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。结构型式也受使用要求的制约；施工方案是决定地下结构型式的重要因素之一。地下结构型式－断面形式矩形梯形直墙拱形马蹄形仰拱形圆形地下结构型式－支护形式(1)防护型支护以封闭岩面，防止周围岩体质量的进一步恶化或失稳为目的。特点：既不能阻止围岩变形，又不能承受岩体压力，而是仅用它通常是采用喷浆、喷混凝土或局部锚杆来完成的。地下结构型式－支护形式(2)构造型支护支护结构满足施工及构造要求，防止局部掉块或崩塌而逐步引起整体失稳。构造型支护通常采用喷射混凝土、锚杆和金属网、模筑混凝土支护等。地下结构型式－支护形式(3)承载型支护承载型支护应满足围岩压力，使用荷载、结构荷载及其它荷载的要求，保证围岩与支护结构的稳定性北京地铁王府井车站南京玄武湖隧道广州地铁东（山口）~杨（箕）区间隧道上海人民广场地下游泳馆地下剧场大连奥林匹克广场地铁车站（上海）引水隧道（预应力钢筋混凝土结构深圳梧桐山隧道（鲁班奖）珠海板樟山隧道福州象山隧道（四连拱）隧道内景隧道内景隧道内景小浪底电站进水口（施工）地下厂房地下厂房地下厂房综合地质、使用、施工三因素，地下结构常见的型式有以下几种：地下结构常见的型式有以下几种（1）附建式结构（2）浅埋式结构（3）地道式结构（4）沉井法结构（5）盾构法结构（6）连续墙结构（7）顶管结构（8）沉管法结构附建结构浅埋式结构坑道式结构沉井盾构地下连续墙结构顶管沉管1.2地下结构计算理论的发展与现状地下工程所处的环境条件与地面工程是全然不同的，早期的地下工程建设都是沿用适用于地面工程的理论和方法来指导地下工程的设计与施工．因而常常不能正确地描述地下工程中出现的力学现象。经过长期的工程实践和理论研究，人们才逐步认识到地下结构受力、变形的特点，并形成以考虑地层对结构变形约束为特点的地下结构计算理论和方法。1.2地下结构计算理论的发展与现状地下工程支护结构理论的发展至今已有百余年的历史，它与岩土力学的发展有着密切关系。土力学的发展促使着松散地层围岩稳定和围岩压力理论的发展．而岩石力学的发展促使围岩压力和地下工程支护结构理论的进一步飞跃。随着新奥法施工技术的出现以及岩土力学、测试仪器、计算机技术和数使分析方法的发展．地下工程支护结构理论正在逐新成为一门完善的学科。1.2地下结构计算理论的发展与现状（1）刚性结构阶段这种计算理论认为．作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重力。如：海姆(A．Haim)理论、朗肯理论和金尼克理论和著名的普氏理论等。1.2地下结构计算理论的发展与现状（1）刚性结构阶段这种计算理论认为．作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重力。如：海姆(A．Haim)理论、朗肯理论和金尼克理论和著名的普氏理论等。1.2地下结构计算理论的发展与现状（2）弹性结构阶段19世纪后期，混凝上和钢筋混凝土材料陆续出现．并用于建造地下工程，使地下结构具有较好的整体性。从这时起，地下结构开始核弹性连续拱形框架用超静定结构力学方法计算结构内力。作用在结构上的荷载是主动的地层压力，并考虑了地层对结构产生的弹性反力的约束作用。由于有了比较可靠的力学原理为依据、故至今在设计地下结构时仍采用。1.2地下结构计算理论的发展与现状（2）弹性结构阶段a.假定弹性反力阶段将结构的变形曲线和地层弹性反力的分布按某种形式分布进行了假定．并出变形协调条件计算弹性反力的量值、因此比前一种假定弹性反力法合理。1.2地下结构计算理论的发展与现状（2）弹性结构阶段b.弹性地基梁阶段即所谓的局部变形理论：Winkler假定：地基反力（抗力）与该点的变形成这比。1.2地下结构计算理论的发展与现状（3）连续介质阶段把支护结构与岩体作为一个统一的力学体系来考虑。两者之间的相互作用，共同变形。即所谓的共同变形理论1.2地下结构计算理论的发展与现状现代支护理论的特征：(1)对围岩和围岩压力的认识方面传统支护理论认为围岩是荷载的来源，是支撑的对象。现代支护理论则认为围岩具有自承能力。围岩也是支护材料，可以通过加固围岩而保证结构的稳定。1.2地下结构计算理论的发展与现状现代支护理论的特征：(2)在围岩和支护间的相互关系上传统支护理论把围岩和支护分开考．围岩当作荷裁、支护作为承载结构，现代支护理论则将围岩和支护作为一个统一体，二者相互作用，共同变形。1.2地下结构计算理论的发展与现状现代支护理论的特征：(3)在支护功能和作用原理上传统支护结构只是为了承受荷载，现代支护则是为了及时稳定和加固围岩。保证围岩的稳定性。1.2地下结构计算理论的发展与现状现代支护理论的特征：(4)在设计计算方法上传统支护主要是确定作用在支护上的荷载，而现代支护理论将围岩与支护作为共同的承载结构。1.2地下结构计算理论的发展与现状现代支护理论的特征：(5)在支护形式和工艺上以加固围岩为主要支护手段：如锚杆、锚索、喷射混凝土、注浆等。1.2地下结构计算理论的发展与现状地下工程支护结构理论正在不断发展，各种设计方法都在不断提高和完善过程中，尤其是能较好地反映地下工程特点的现场监控设计方法，更迫切需要在近期内形成比较完善的量测体系与计算体系—从发展趋势看，新奥法开创的理论经验—量测相结合的”信息化设计’’体现了地下工程程支护结构设计理论的发展方向。1.3地下结构的计算特性和设计方法1．地下结构的计算特点（1）必须充分认识地质环境对地下结构设计的影响；（2）地下工程周围的地质体是工程材料、承载结构，同时又是产生荷载的来源；（3）地下结构施工因素和时间因素会极大地影响结构体系的安全性1.3地下结构的计算特性和设计方法1．地下结构的计算特点（4）与地面结构不同，地下工程支护结构安全与否，既要考虑到支护结构能否承载，又要考虑围岩的稳定性；（5）地下工程支护结构设计的关键问题在于充分发挥困岩自承力；（6）地下结构的开挖过程是卸载过程，而不是加载过程；1.3地下结构的计算特性和设计方法2．地下结构的设计方法信息化设计方法的流程图1.4地下结构计算的力学模型1．地下结构的计算特点（4）与地面结构不同，地下工程支护结构安全与否，既要考虑到支护结构能否承载，又要考虑围岩的稳定性；（5）地下工程支护结构设计的关键问题在于充分发挥困岩自承力；（6）地下结构的开挖过程是卸载过程，而不是加载过程；初步设计的内容（1）工程防护等级，三防要求与动载标准的确定；（2）确定埋置深度与施工方法；（3）草算荷载值；（4）选择建筑材料；（5）选定结构型式和布置；（6）估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等主要尺寸；（7）绘制初步设计结构图；（8）估算工程材料数量及财务概算。技术设计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。（1）计算荷载：（2）计算简图：（3）内力分析：（4）内力组合：（5）配筋设计：(6）绘制结构施工详图：（7）材料、工程数量和工程财务预算。1.3计算原则1）使用规范2）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3）计算理论（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。（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。1.4本课程的内容和任务本课程是土木工程的一门专业课。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；本书将对各种常见的地下结构工程进行授课：大开挖基坑、深基坑工程、浅埋式结构、沉井结构、新奥法隧道、盾构衬砌结构、沉管结构、顶管结构数值计算方法、环境保护学习方法和考试先前的基础学科需良好掌握；以理解为主，勤于观察，理论联系实际；考试成绩组成：平时成绩30％，卷面成绩70％。本章要点常见地下结构型式及使用范围;计算原则和计算方法；