地下建筑规划与设计-8

2019/8/71/70地下建筑规划与设计主讲人：陈海明博士安徽理工大学·土木与建筑学院2009年10月14日2019/8/72/70第8章地下空间结构设计理论与方法2019/8/73/70提纲8.1地下结构分类8.2地下结构荷载8.3地下结构计算的力学方法8.4明挖基坑支护桩设计2019/8/74/70第8章地下空间结构设计理论与方法8.1地下结构分类8.2地下结构荷载8.3地下结构计算的力学方法8.4明挖基坑支护桩设计2019/8/75/708.1地下结构分类8.1.1按结构形状划分地下空间结构可按结构形状划分为矩形框架结构、圆形结构、拱与直墙拱结构、薄壳结构、敞开式结构等。2019/8/76/708.1.2按土质状况划分地下空间的结构按土质状况可分为土层与岩层地下空间结构。土层结构即指在土壤中挖掘的结构，岩层结构指在岩石中挖掘的结构。这里不含水中结构，水中结构与岩土中结构又有较大差别，水中结构包括江河湖海内的水下结构，但包含水底岩土中的结构。岩石结构中又分为喷锚结构、半衬砌结构和厚拱薄墙结构等。2019/8/77/708.1.3按施工方法划分地下空间的结构按施工方法可划分为以下几种类型：1.敞开式是指直接在地面开挖所建造的地下空间建筑基坑，在其坑内建造完工程后将土回填的一种方法，基坑边坡可采用放坡、直立或支撑的形式而防止土的塌落。2.暗挖式常用于在土中埋深较大的情况下，通过竖井在土中进行挖掘空间而建造的结构，此种方式又称为矿山法。3.盾构式是在地下采用隧道掘进机进行施工的一种方法，常用圆形，顶管工具头也属盾构范畴。其特点是可穿越海底、水底等地下修建隧道，隐蔽、自动化与机械化程度高，劳动强度低。2019/8/78/708.1.3按施工方法划分4.沉井式是在地面预先建造好结构，然后通过在井内不断挖土使结构借助自重克服土摩阻力不断下沉至设计标高的一种方法，常用于桥梁墩台、大型设备基础、地下仓（油）库、地下车站及国防工事等地下工程的建筑施工。5.连续墙式是指在施工时先分段建造两条连续墙，然后在中间挖土并由底至上建造底板、楼板、顶板及内部结构的一种施工方法。6.沉箱（管）式是指将预制好的结构运至预定位置，并使之下沉到设计标高的施工方法。2019/8/79/708.1.3按施工方法划分7.逆作式是在地下工程施工时不设支护体系，以结构构件作挡墙及支撑，由柱墙、顶板、楼板、基础自上而下依次开挖和施工的一种方法，其特点是施工作业面小，可尽快恢复地面交通，对周围环境影响小，常为矩形结构。8.顶管（箱）式是在起点和终点设置工作井（常采用沉井），在工作井壁设有孔作为预制管节的进口与出口，通过千斤顶将预制管节按设计轴线逐节顶入土中，对于较长距离的情况，顶管常分段进行，该方法在城市中不影响交通及附近地面设施。由于施工方法对结构的影响较大，常需要进行施工阶段与使用阶段的结构分析与设计。2019/8/710/708.1.4按与地面建筑的关系划分城市建设中大部分地面建筑带有地下建筑，这种地面地下相连的地下建筑称为附建式（地下室）结构，反之称为单建式结构。目前，我国建设的多层建筑大多建有地下室，高层建筑则必须建有地下建筑。2019/8/711/708.1.5按埋深划分根据地下空间结构在土中的埋深分为浅埋与深埋地下结构。深浅的定义较为模糊，较为不严格的概念认为，地下空间开发深度分为浅层（≤10m）、次浅层（10~30m）、次深层（30~50m）、深层（≥50m）。深埋与浅埋的界限是十分必要的，但我国目前还没有统一的划分方法。2019/8/712/70第8章地下空间结构设计理论与方法8.1地下结构分类8.2地下结构荷载8.3地下结构计算的力学方法8.4明挖基坑支护桩设计2019/8/713/708.2地下结构荷载8.2.1地下结构荷载的分类及其组合地下结构所承受的荷载，按其作用特点及使用中可能出现的情况分为以下三类，即永久（主要）荷载、可变（附加）荷载和偶然（特殊）荷载。1.永久（主要）荷载也称为长期作用恒载，主要包括结构自重、回填土层重量、围岩压力、弹性抗力、静水压力（含浮力）、混凝土收缩和徐变影响力、预加应力及设备自重等。围岩压力和结构自重是衬砌承受的主要静荷载，弹性抗力是地下结构所特有的一种被动荷载。2019/8/714/708.2.1地下结构荷载的分类及其组合2.可变（附加）荷载又分为基本可变荷载和其他可变荷载两类。基本可变荷载，即长期的、经常作用的变化荷载，如吊车荷载，设备重量，地下储油库的油压力，车辆、人群荷载等。其他可变荷载，即非经常作用的变化荷载，如温度变化、施工荷载（施工机具，盾构千斤顶推力，注浆压力）等。3.偶然（特殊）荷载——指偶然发生的荷载，如地震力或战时发生的武器爆炸冲击动荷载。2019/8/715/708.2.1地下结构荷载的分类及其组合对于一个特定的地下结构，上述几种荷载不一定同时存在，设计中应根据荷载实际可能出现的情况进行组合。所谓荷载组合，是指将可能同时出现在地下结构上的荷载进行编组，取其最不利组合作为设计荷载，以最危险截面中最大内力值作为设计依据。我国公路和铁路隧道设计规范中给出的永久、可变及偶然荷载参见表8.1和表8.2。2019/8/716/708.2.2围岩压力分类8.2.2.1围岩压力及其影响因素2019/8/717/708.2.2.1围岩压力及其影响因素1.围岩压力的概念围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形、破坏的作用力，它包括由地应力（即原岩应力）引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的总作用力。围岩压力也称为地压。由围岩压力引起的围岩与支护的变形、流动和破坏等现象称为围岩压力显现或地压显现。从广义上理解，围岩压力既包括围岩有支护情况，也包括无支护情况；既包括在普通的传统支护上所显示的性态，也包括在锚喷和压力注浆等现代支护方法中所显示的性态。从狭义上理解，围岩压力是指围岩作用在衬砌上的压力。2019/8/718/708.2.2.1围岩压力及其影响因素1.围岩压力的概念由于围岩压力是围岩的变形或破坏造成的，其大小和分布与导致围岩变形或破坏的诸多因素有关。事实上，围岩压力和支护结构本来是一对相互作用和动态协调变化的“作用体”，完全用结构工程中的压力或荷载概念来理解，是不尽合理的。但是，为了采用结构力学方法进行地下结构设计，仍要明确“压力”或“荷载”的概念，否则将无法进行计算。2019/8/719/708.2.2.1围岩压力及其影响因素2.影响围岩压力的因素影响围岩压力的因素基本上与围岩分类因素大致相同，如岩体结构、岩石强度、地下水、洞室跨度、形状、支护类型与刚度、施工方法、洞室埋置深度和支护时机等因素。2019/8/720/708.2.2.2围岩压力分类1.概述围岩压力是地下衬砌结构设计中的主要荷载之一。围岩压力的研究最早开始于14世纪，当时用来研究地下采矿工程中出现的一系列问题，如地层移动、地表沉陷及坑道支撑等。以后，随着采矿事业和其他地下工程的发展，围岩压力的研究也相应得到发展。目前，它已成为岩体力学研究极为重要的内容。目前应用较广的分类是把围岩压力分成松动压力、变形压力、冲击压力和膨胀压力四大类。2019/8/721/708.2.2.2围岩压力分类2.松动压力由于开挖导致围岩松动或塌落的岩体以重力的形式直接作用在支护上的压力称为松动压力。这种压力表现为荷载的特有形式：顶压大，侧压小。松动压力通常由下述三种情况形成：（1）在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石对支护造成的落石压力；（2）在松散软弱的岩体中，隧道顶部和两侧片帮冒落对支护造成的散体压力；（3）在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位的岩体沿弱面发生剪切破坏或拉坏，形成了局部塌落松动压力。造成松动压力的因素很多，如围岩地质条件、岩体破碎程度、开挖施工方法、爆破作用、支护不及时、回填密实程度、洞形和支护形式等。而岩体破碎与临空面不利组合所构成的不稳定岩体也容易造成松动压力。2019/8/722/708.2.2.2围岩压力分类3.变形压力松动压力是以重力形式直接作用在支护上的，而变形压力则是由于围岩变形受到支护的抑制产生的。所以变形压力除与围岩应力有关外，还与支护时机和支护刚度密切相关。按其成因可进一步分为下述几种情况：（1）弹性变形压力——当采用紧跟开挖面进行支护的施工法时，由于存在着开挖面的“空间效应”而使支护受到一部分围岩的弹性变形作用，由此而形成的变形压力称为弹性变形压力。（2）塑性变形压力——由于围岩塑性变形（有时还包括一部分弹性变形）而使支护受到的压力称为塑性变形压力，这是最常见的一种围岩变形压力。（3）流变压力——围岩产生显著的随时间增长而增加的变形或蠕变。压力是由岩体的蠕变变形引起的，有显著的时间效应，它能使围岩鼓出、闭合，甚至完全封闭。变形压力主要是围岩变形的根本所在，所以变形压力的大小，既决定于原岩应力的大小和岩体的力学性质，也决定于支护结构刚度和支护的时间。2019/8/723/708.2.2.2围岩压力分类4.膨胀压力含有某些膨胀矿物的岩体具有吸水膨胀崩解的特性，这种由于围岩膨胀变形引起的压力称为膨胀压力。围岩吸水膨胀、体积增大，既有物理性质，也有化学性质。膨胀压力与变形压力的根本区别在于围岩变形是由吸水膨胀引起的。岩体膨胀性，主要决定于其蒙脱石、伊利石和高岭土的含量。同时，还依赖于外界水的渗入和地下水的活动特征。岩层中蒙脱石含量越高，有水源供给，膨胀性也就越显著。2019/8/724/708.2.2.2围岩压力分类5.冲击压力冲击压力又称岩爆，它是在工程开挖过程中，围岩积累了大量的弹性变形能。在外界扰动下突然释放所产生的压力。由于冲击压力是岩体能量的积累与释放，所以它与岩体弹性特性紧密相关。弹性模量较大的岩体在高地应力的作用下，易于积累大量的弹性变形能，一旦遇到适宜条件，就会突然猛烈地大量释放。2019/8/725/708.2.3深埋和浅埋地下结构的判断因围岩压力的计算有不同的模式，要确定围岩压力，首先要区分深埋和浅埋隧道（地下结构）。对于公路隧道而言，可以按照经典围岩压力理论、地质条件、施工方法等因素综合判定埋深的界限：式中Hp———深埋与浅埋隧道分界深度；hp———荷载等效高度，hp=q/γ；q———深埋隧道垂直均布压力（kN/m2）；γ———围岩重度（kN/m3）。pp(2.0~2.5)Hh2019/8/726/708.2.3深埋和浅埋地下结构的判断在矿山法施工的条件下，Ⅰ~Ⅱ类围岩取Hp=2.5hp；Ⅳ~Ⅵ类围岩取Hp=2.0hp。对于铁路隧道而言，隧道覆盖厚度小于表8.3所列数值时为浅埋隧道。2019/8/727/708.2.4深埋结构围岩松动压力的计算8.2.4.1《铁路隧道设计规范》所推荐的方法《铁路隧道设计规范》（TB10003—2005）的方法根据以往铁路隧道的坍方资料统计所反映的围岩松动范围的大小，通过对坍方资料的统计分析获得围岩松动压力的经验估算公式。当然，塌方资料的背景不同或统计分析的前提假定不同，所得经验公式也不同。例如，对于在不产生显著偏压力及膨胀性压力的围岩中用钻爆法开挖的、高跨比小于1.7的隧道，经过对417个塌方数据库的统计与回归，可以得到铁路双线隧道围岩竖向均布松动压力的计算表达式为*10.452[1(5)]sqhiB2019/8/728/70**/hbf8.2.4深埋结构围岩松动压力的计算8.2.4.2普氏理论普氏理论假定围岩为松散体（岩体不同程度地被节理、裂隙等软弱结构面所切割），是一种基于天然拱概念的围岩压力理论，即围岩的垂直均布压力为适用范围：普氏理论一般对松散、破碎围岩较适用。在松软地层（如淤泥、软黏土等）中或结构埋深太浅，不能使用普氏理论。*qh2019/8/729/708.2.4深埋结构围岩松动压力的计算8.2.4.2太沙基理论太沙基理论也把洞室围岩看作松散体；但没有天然拱的概念，而是在假定洞室上方岩体变形形态的基础上按平衡条件推导出围岩