地下工程结构类型及设计方法控制

地下工程结构类型及设计方法控制【摘要】当今地下各类建筑工程种类及适用范围十分广泛，本文分析探讨地下工程空间的开发利用技术处理。【关键词】地下工程；结构类型；设计构造；工程应用地下各类建筑工程种类及适用范围十分广泛，尤其在当今世界能源及其材料的短缺，基于环境保护的需要，各国极其重视对地下空间的开发利用，本世纪可持续发展战略的提出，人类居住.交通.环境的矛盾日益突出，使地面上的开发逐渐转向地下空间的开发利用。1.地下工程的特点城市地下空间的开发和利用具有的特点:1.1从城市规划角度看现代地下工程是促进城市土地的高效利用，并达到改善城市环境的目的。发挥城市拥挤区域地下空间的潜力，不仅能把地面作为城市公园和休闲场所来使用，还可以通过地下通道的建设，把地面交通空间让给行人.自行车.公共交通及应急车辆用。1.2同时促进城市的美化，可以把有碍观瞻停车场.高架桥..购物中心等设施转移到地下，从而达到美化城市景观的作用。1.3还可以促进城市的可持续发展，无需考虑建筑物外部的覆盖层和装饰，可提高建筑材料的使用效率，降低建筑费用。1.4保护能源和环境因素影响，利用地下空间的绝缘功能，吸收噪声并保持地下空间的冷热能。保持良好的气候条件，使人们免除恶劣气候环境的影响。从安全上讲，可以做银行的地下保险库或是军事掩护体等，安全性高于地上工程。2.地下工程存在的不确定性2.1从工程受力特点看同地面上是不同的，地面上工程先有结构，后有荷载，而地下工程先有荷载，后有结构。2.2工程材料的不确定性，地面工程用材料多为人工材料，如钢材.砌块材料.砼材料。这些材料虽然在力学与变形性质方面存在变异性，但是与岩土材料相比，不仅变异性要小得多，而且可以通过方法加以控制和改变。地下工程材料所涉及的材料，除了支护材料性质可以控制外，其工程围岩均属于难以预测和控制的地质体。地质体是经历了漫长的地质构造运动的产物，它不仅包含了大量的断层.节理.夹层等不连续的构造，而且还存在较严重的不稳定性，其不确定性主要表现在空间分布和随着时间的变化上。2.3工程荷载的不确定性。对于地面工程所承受的荷载比较明显，虽然有些荷载也存在随机和不太确定，但其荷载值和变异性与地下建筑比较相对要小。对于地下工程由于围岩的地质体不仅会对支护结构形成荷载，同时它也是一个承载体。因此不仅作用到支护结构上的荷载难以计算，而且这种荷载又随着支护类型，支护时间与施工工艺变化而各异。2.4破坏形式的不确定性，工程的数据分析与计算的主要作用在于为工程设计提供可参考的依据，而地下则提供结构破坏或失稳的安全指标，这种指标的建立在结构的破坏模式基础之上的。对于地面工程，其破坏模式是比较容易定，在结构力学和土力学中已经了解。例如强度破坏.变形破坏.扭转失稳破坏等。而对于地下结构其破坏模式一般很难确定，它不仅取决于岩土体结构，地应力环境.地下水条件，而且与支撑类型，支护时间与施工工艺密切相关。2.5地下工程信息的不完整性，地质条件与变形特性的描述或定量评价，取决于所获得信息数量和质量。然而对于地下工程只能在局部有限的小范围工作面或暴露面获取，因此，所获信息是极有限的，不全面充分，还可能存在错误资料信息，可靠性低。3.地下工程的种类地下工程也是属于土木工程的一个重要分支，按其工程的几何形状分为硐室工程和隧道工程。硐室工程一般是指长跨比较接近(一般10)的地下建筑物，如地下商场.地铁车站.地下影剧院.地下试验室.地下停车场.地下厂房储备库等。隧道工程是指结构尺寸远大于断面尺寸(最大跨度或高度)的建筑结构，通常是公路隧洞，铁路隧洞，煤炭运输巷道，矿山采场进道，人防地下通道及引水涵洞等从力学计算模式上考虑隧道工程可近似处理为平面应变问题，而硐室工程一般属于三维计算力学模型的范畴。4.地下工程的设计计算方法地下工程的设计长期以来主要是考虑地层弹性抗力的方法，锚喷方法的应用出现后，仍然以结构力学的原理处理锚喷的结构。国际隧道协会结构模型研究人员在上世纪80年代曾对盾构开挖的软土隧道，锚喷钢拱支护软岩隧道，中硬岩石深埋隧道和明挖施工的框架结构计4种类型的隧道，收集了11个国家所采用的结构计算模型，归纳为工程类比法即经验法，收敛——约束法，作用——反作用模型和连续介质模型计4种。经过20多年的地下工程实践表明，这4种类型仍然是可以采用的设计方法。4.1工程类比法，即是经验法以围岩分类为基础的新奥法，q系统图和以q系统为基础的挪威法等，都反映了初始确定支护时的工程类比，在现在及以后相当长的一段时间内，仍然是不可缺少的一种设计方法。由于地层和地下工程包含着很多随机因素，单纯的理论分析还是难以全面解决这些问题，因此认真分析多征求意见作出正确判断是不可忽视的。4.2收敛——约束法，收敛——约束法主要用于新奥法施工的隧道，是用此种方法监控量测的重要部分，借助于收敛量测数据的反分析，可以实现正确的信息反馈，用图像或数字显示各施工阶段中围岩和衬砌中的变形及应力状况，强度发挥系数或安全状况，指出薄弱环节或强度的多余程度，可以采取措施保证安全，或调整设计节省材料。确保该方法的有效性，一是要选择足够精度的测量设备，二是要解决开挖后至所设测点间的变形测量。此方法也被称为隧道现场直接测试，与之相似的实验室隧道试验自然可认为是该方法的另一种方法。4.3作用——反作用模型。采取作用——反作用模型法亦是荷载——结构或结构力学模型，在上世纪60～70年代设计计算中占领先地位，当周围地层和隧洞刚度差别较大时，即在软土中建筑隧道进行设计计算时，采用这种方法是恰当的，而在岩石地层中设计时，只有当荷载明确时采用是恰当的。4.4连续介质模型，此种方法是以弹性理论，塑性理论和流变(黏性)理论为基础，采用有限元数据计算方法，模拟地下工程的多种特性，如分部开挖的围岩应力应变状态，围岩的形状和结构面对稳定性的影响，时间空间效应等。采用节理单元.夹层单元.接触单元和锚杆单元等特殊单元，使数值分析方法成为更有效的工具，得到地下工程的各种特性进行分析，能有效的指导整个施工过程。该方法也可称之为数值计算方法，主要是解决连续介质问题，对于块体松动围岩等特殊问题还需要再采用相适应的计算方法。地下建筑工程设计是一项包含多种因素的复杂工作，只有设计人员具有扎实的基础知识，掌握基本的设计方法和深入实际的现场经验，地下工程结构设计还是在稳定性.安全性和经济性几个方面下功夫，才能达到满足需要的效果。参考文献［1］高谦等地下工程系统分析与设计［m］北京中国建材工业出版社2005.［2］李宏婕城市地下空间的开发和利用［j］城市2004(6).