地下建筑结构基本知识

地下建筑结构基本知识1.1地下建筑的类型1)按使用功能分类：(1)工业建筑(2)民用建筑(3)交通建筑(4)水工建筑(5)矿山建筑(6)军事建筑(7)公用和服务性建筑2）按所处的地质条件和建造方式分类：(1)岩石中的地下建筑(2)土层中的地下建筑3）按习惯称谓分类：单建式地下建筑；附建式地下建筑。4）按埋置深度分类：(1)当h/b≥a时为深埋地下建筑。(2)当h/ba时为浅埋地下建筑。1.2.地下建筑结构的特点（1）自然防护力强；（2）受外界条件影响小；（3）受地质条件影响大；（4）需经通风、防排水、防潮、防噪声和照明等处理；（5）施工条件特殊1.3.地下结构可分为以下8类：1.拱形结构这类结构的顶部横剖面均属拱形，主要有：（1）半衬砌（2）厚拱薄墙衬砌（3）直墙拱顶衬砌（4）曲墙拱顶衬砌（5）离壁式衬砌（6）装配式衬砌（7）复合式衬砌2.梁板式结构3．框架结构4．圆管形结构5．地下空间结构6.锚喷支护7．地下连续墙结构8.开敞式结构1.4地下建筑结构的设计内容及计算原则地下建筑结构的设计内容包括横向结构设计、纵向结构设计和出入口设计。1.横向结构设计计算时通常沿纵向截取1m的长度作为计算单元，即把一个空间结构简化成单位延米的平面结构按平面应变进行分析。横向结构设计主要分荷载确定、计算简图、内力分析、截面设计和施工图绘制等几个步骤。2.纵向结构设计特别是在软土地基和通过不良地质地段情况下，如跨活断层或地裂缝时，更需要进行纵向结构计算，以检算结构的纵向内力和沉降，确定沉降缝的设置位置。3.出入口设计从使用上讲，无论是平时或战时，地下建筑得出入口都是很关键的部位，设计时必须给予充分重视，应做到出入口与主体结构强度相匹配。地下结构设计与计算应遵循的原则：1.遵守设计规范和规程2.确定合理的设计标准5.1防空地下室与普通地下室的区别在于：防空地下室具有规定的设防等级，能够保障隐蔽人员的安全，而普通地下室在战时必须经过改造转换才能达到相应的防护能力。5.2对附建式地下结构的要求：根据核爆炸的杀伤因素（冲击波、光辐射、早期核辐射、放射性沾染）、化学武器与生物武器的杀伤作用确定。其中对承重结构有决定意义的是核爆炸因素（例如冲击波）的破坏作用。因此考虑人防要求的结构，不同于普通的工业与民用建筑结构的一个特点，就是允许结构出现一定的塑性变形。根据动载设计的结构是有足够的刚度和整体性的，它在静载作用下不会产生过大的变形。因此附建式地下结构不必进行结构变形的验算。防空地下室的顶板一般都采用钢筋混凝土结构，可以按弹塑性阶段进行设计。在控制延性比的条件下，不再进行结构构件裂缝开展的计算，对要求高的平战结合工程可另做处理。也不必单独验算地基变形.5.3防空地下室结构设计的一般规定目的：使工程结构达到设计任务书规定的防护等级，在相应战略技术要求下抵御武器的损毁效应，给掩蔽人员提供安全的掩蔽空间。分析内容：强度分析、抗倾覆分析、抗震分析、抗核电磁脉冲分析、抗核辐射的防护效能分析等内容。强度分析和抗倾覆分析是最重要的。5.4作用在人防地下室结构上的荷载，应包括核爆炸动荷载、上部建筑物自重、土压力、水压力、防空地下室自重和内部永久设备重等。5.5.口部设计人防地下室的每一个防护单元应不少于两个出入口，其战时的主要出入口应设置在室外，且不宜采用竖井方式。两个出入口应设在不同方向，并保持一定距离。6.1盾构是指用钢板制成的、能支承地层荷载而又能在地层中推进的圆形、矩形、马蹄形等特殊形状的筒形结构物。使用盾构修筑隧道的方法称为盾构施工法，简称盾构法。用盾构法修建的隧道称为盾构隧道。1、设计原则确保衬砌必须具有与其使用目的相适应的安全性是设计计算的基本原则，其次还需满足经济合理的原则。当存在有一些不十分明了的问题时，原则上应确保结构的安全性。衬砌设计计算不仅应保证在竣工后，而且应保证在施工过程中结构的安全性。首先，隧道衬砌必须根据工程需要满足其强度和刚度要求，能承受隧道所经过地段的土层压力、水压力及一些特殊荷载。其次，验算是否能满足所提出的安全质量指标要求，如裂缝开展宽度，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等。2、内力计算方法计算内力时，对管片衬砌环的处理方法有，①把管片衬砌环视为抗弯刚度相同的圆环；②把管片衬砌环视为多铰体系；③把管片衬砌环视为具有能抵抗弯矩的旋转弹簧的环形结构。3.考虑土层产生侧向弹性抗力的匀质圆环计算当外荷载作用在隧道衬砌上，一部分衬砌向地层方向变形，使地层产生弹性抗力。弹性抗力的分布规律很难确定，目前常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，以及二次、三次抛物线分布等方法。6.2顶管管道的设计与计算顶管工程设计主要应解决好工作井(坑)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。1．顶管工作井设置2．顶管顶力估算3．顶管承压壁后土体的稳定验算1)沉井支护工作井承压壁后靠土体的稳定验算2)钢板桩支护工作井承压壁后靠土体的稳定验算4．顶进管道的荷载与规格设计7.1沉井通常是用钢筋混凝土材料制成的井筒状结构物。施工时先在场地上整平地面，铺设砂垫层，设置承垫木，再制作第一节沉井，继后在井筒内挖土(或水力吸泥)，边挖边排边下沉。当下沉到设计标高，随即素混凝土封底，最后浇筑钢筋混凝土底板，构成地下结构物，或在井筒内用素混凝土或砂砾石填充，构成深基础。7.2沉井设计的内容与要求沉井设计计算的基本内容是，确定井筒的尺寸(平面尺寸、高度)和构件(用材的尺寸、型号)。设计结果必须符合下列要求。(1)必须符合力学稳定性的要求。(2)所有构件的应力均应小于允许值。(3)全部设计计算的结果必须符合稳定计算、构件设计要求。(4)沉井既是深基础的一种类型，又是基础的一种特殊施工方法。因此，在沉井设计时必须分别考虑在不同施工阶段和使用阶段的各种受力特性。7.3沉井的设计（1）沉井尺寸确定（2）确定下沉系数，下沉稳定系数和抗浮安全系数k1——下沉系数，一般为1.05～1.25。对位于淤泥质土层中的沉井宜取小值；位于其它土层的沉井可取较大值。K1’——下沉稳定系数，一般取0.8～0.9。K2——抗浮安全系数，一般取1.05～1.1。在不计井壁摩阻力时，可取1.05井壁摩阻力的分布形式可有多种假定，通常假定在5m深度范围内按三角形分布，5m以下为常数（3）刃脚计算沉井的刃脚一般可按下列两种受力情况(图7-4)，取单位长度作悬臂梁计算，并据此进行刃脚内侧和外侧的竖向钢筋和水平钢筋的配筋计算。（4）沉井井壁竖向应力计算(沉井抽承垫木时计算)(1)矩形沉井1)当不排水下沉时，分别按两种情况计算：支承于两短边上，将井壁长边作为简支梁，计算其弯矩与剪力(图7-5a)；及支承于长边的中点，将井壁作为悬臂梁计算其弯矩与剪力(图7-5b)。（5）沉井井壁竖向拉力计算(井壁竖直钢筋验算)沉井偏斜后，使井壁受到竖向拉力，由于明确的分析较为困难，因此在设计时一般假定沉井下沉接近设计标高，上部有可能被四周土体嵌固，而刃脚下的土已被挖除，井壁阻力呈倒三角形分布，此时最危险的截面在沉井入土深度的一半处。（6）沉井井壁水平应力计算(井壁水平钢筋计算)对横隔墙受力分析时，视隔墙与井壁的相对抗弯刚度大小，其节点可作为铰接考虑。当隔墙刚度与井壁相差不多时，可按隔墙与井壁联成固结的空腹框架分析。对作用于圆形沉井井壁任一标高上的水平侧压力，在理论上圆环应当只承受轴向压力，而井壁内弯矩等于零，但实际上井壁外侧土压力是不均匀分布的。为简化计算，假定井圈上互成90˚的两点处，土的内摩擦角中的差值为5˚～10˚(如图7-8所示)。（7）封底混凝土的厚度计算如果排水下沉的沉井，其基底处于不透水的粘土层中，或虽有涌水和翻砂但数量不大时，应力争采用干封底，以保证封底混凝土的质量，并减小封底混凝土的厚度。根据以往经验一般可取0.6～1.2m。8.1隧道衬砌结构类型1.整体式混凝土衬砌：是指就地灌注混凝土衬砌，也称模筑混凝土衬砌。2.装配式衬砌：是指在工厂或现场预先制备成若干构件，运入坑道内，用机械将其拼装成一环接一环的衬砌。3.锚喷衬砌：锚喷衬砌是指以锚喷支护作永久衬砌的通称。4.复合式衬砌：复合式衬砌是指外层用锚喷作初期支护，内层用模筑混凝土或喷射混凝土作二次衬砌的永久结构。5.连拱衬砌：连拱隧道是洞室衬砌结构相连的一种特殊双洞结构形式，两隧道之间的岩体用混凝土替代，中间的连接部分通常称为中墙。8.2隧道基本尺寸与限界隧道基本尺寸包括隧道衬砌内轮廓线、隧道衬砌外轮廓线。隧道限界包括建筑限界和行车限界。建筑限界：是指建筑物不得侵入的一种限界。隧道行车限界：是指为了保证道路隧道中行车安全，在一定宽度、高度的空间范围内任何物件不得侵入的限界。8.3隧道结构的力学模型按支护结构与围岩相互作用考虑方式的不同，隧道支护结构计算的力学模型主要有两类：一类是以支护结构作为承载主体的荷载—结构模型。第二类是考虑围岩与支护结构相互作用的围岩—支护结构相互作用模型。围岩—支护结构相互作用模型主要适用于由于围岩变形而引起的压力，压力值必须通过支护结构与围岩共同作用而求得，这是反映现代支护设计理念的计算方法。1.荷载—结构模型的三种基本形式按照对于荷载处理方法的不同，荷载—结构模型大致有以下三种：(1)主动荷载模型(2)主动荷载加围岩弹性约束的模型(3)实地量测荷载模式2.作用在隧道衬砌上的荷载作用在隧道衬砌上的荷载按其性质可分为主动荷载和被动荷载。主动荷载包括围岩压力、支护结构自重、回填土荷载、地下静水压力及车辆荷载，也包括一些偶然的、非经常作用的荷载，如温差压力、灌浆压力、冻胀压力、混凝土收缩压力以及地震作用等。8.5隧道洞门的类型：1.环框式洞门2.端墙式洞门3.翼墙式洞门4.柱式洞门5.台阶式洞门6.斜交洞门2.洞门计算部位的选取及计算要点作用在隧道洞门上的力主要是土石压力，因此可将洞门视作挡土墙，按挡土墙的计算方法进行分析计算。3．洞门计算内容洞门具体计算内容包括：墙身偏心及强度、墙体的抗倾覆稳定性、沿基底抗滑动稳定性以及基底应力检算。此外，对于高洞门墙（包括洞口路堑高挡土墙），为避免拉应力过大，设计时还应验算截面拉应力。12.1矿山法也称钻爆法，是指主要用钻孔爆破方法开挖断面而修筑隧道及地下工程的施工方法。矿山法的基本工序：钻孔、装药、爆破、出渣、支护、衬砌。12．2浅埋暗挖法适用于不宜明挖施工的、含水量较小的各种地层，尤其在城区地面建筑密集、交通运输繁忙、地下管线密布，且对地面沉陷要求严格的情况下，修建埋置较浅的地下建筑工程更为适用。对于含水量较大的松散地层，采用堵水或降水等措施后，仍然可以应用浅埋暗挖法施工。根据地下建筑工程的结构特征及覆盖层的地质条件，具体又可分为管棚法、矿山（导洞）法、盾构法等。管棚法(PipeRoof)也称平拱法，是采用浅埋暗挖施工时的超期支护技术。管棚法的实质是在拟开挖的地下建筑衬砌拱圈外弧线上，预先钻孔并安设惯性力矩较大的厚壁钢管，起临时超前支护作用，以防止掘进及后续支护过程中的土层坍塌和地表下沉。主要施工工序包括：开挖工作室、钻孔、安装管棚、管棚钢管注浆以及掘砌施工。