关宝树-地下工程PPT-第二章

刘俊新(西南科技大学土木工程与建筑学院)第二篇明挖法修建的地下工程第一章明挖法的基本概念及其应用第一节概述1.1概述明挖法施工简单、方便，修建于地层表面附近（浅埋）的地下工程多属于明挖法修建的地下工程，这些工程包括地下商场、地下街、地下停车场、城市地铁、人防工程及地下工业建筑等，如图2-1-1和图2-1-2所示。这类工程主体结构的建造，实际上采用的是一种“开敞”式的施工方法，与地面结构的建造方法类似，在主体结构完成后，然后掩土覆盖，恢复地面。与这种“开敞”式施工修建地下工程相应的是基坑开挖的围护结构工程。除了明挖法需要修建开挖基坑外，城市高层建筑及其他一些工程的兴建，也需要开挖基坑。第二节明挖法的施工方法2.1明挖法是指地下结构工程施工时，从地面向下分层、分段依次开挖，直至达到结构要求的尺寸和高程，然后在基坑中进行主体结构施工和防水作业，最后回填恢复地面。实际工程施工中，根据工程地质条件、开挖工程规模、地面环境条件、交通状况等确定。1.顺筑法顺筑法的基坑可采用放坡开挖，也可采用支挡下的垂直开挖。主要取决于开挖地层的稳定性和周边环境条件。为了防止坍塌保证施工安全，在基坑开挖深度超过一定限度（自稳垂直深度）时，将基坑边壁开挖成斜坡，以保证土坡的稳定，工程上称为放坡开挖。无支护的放坡开挖，是一种普遍采用的基坑开挖法，开挖深度可深可浅。在开挖地层不能自稳或周边环境特殊的情况下，如城市中的基坑工程，由于场地邻近周边已有建筑或街道，场地受限，就不能采用放坡开挖，这时基坑侧壁为垂直陡坡，为保证基坑边壁的稳定，必须进行支护，这就是所谓的基坑支挡式开挖。支挡结构的布置和结构形式有许多类型可选择，在下面章节将进一步阐述。图2-1-5为支挡式基坑开挖示意图。2.逆筑法逆筑法多用于地层软弱、变形大，修建地区地面建筑物密集，地下工程埋置较深的场合。其做法是先沿建筑物外围施设地下连续墙作为基坑的围护结构。从地面开始开挖，在开挖过程中，根据围护结构的支撑强度和变形大小，在适当高程上设置横撑，开挖至结构物顶板高程时，先行浇筑顶板，而后继续进行开挖，直至底板高程，再浇筑建筑物底板和侧墙，完成地下结构工程的整体工程。此工法在顶板浇筑后即可对顶板以上进行覆土回填恢复地面，同时开挖顶板以下土方和修筑结构物其余部分施工的步骤为：先沿建筑红线施设地下连续墙，作为开挖基坑的围护结构并作为地下室边墙的一部分，同时在基坑内修筑中间支承柱，开挖基坑内土方至第一层地下室底面标高，修筑该层面的梁及部分的板，使修筑的梁和板与地下连续墙连接，形成刚度较大的支撑系统，保证施工的安全；然后在梁间没有浇板的空档内继续开挖，依次向下逐层施工各层地下结构，同时在已完成底面梁板结构的基础上，进行上部结构的施工。逆筑法适用于以下场合：①接近开挖地点有重要建筑物时。②有强大土压力和其他水平压力作用，用一般挡土支撑不稳定，而需要强度和刚度都很大的支撑时。③开挖深度大，开挖或修筑主体结构需较长时间，特别需要保证施工安全时。④因进度上的理由，对于填埋结构，在其顶板完工后即可覆土回填恢复地面，而不需要在主体结构整体完建后再回填。对于高层建筑地下室，可在地面梁板完工后，同时向下继续开挖和修建上部楼层，这样可节省工期，加快速度。3.分部开挖法在修建平面面积较大的地下工程，如地下商城、地下大型停车场、大跨度地下隧道等工程时，按常规全面积开挖施工，会因基坑宽度大而支撑结构要求复杂，有时甚至难于保证基坑边壁支撑的稳定，这时可采用分部开挖法进行基坑施工。分部开挖的施工顺序：将基面划分成若干部分（小面积），部分开挖到建基面，这时开挖面积相对较小，因而基坑支护结构相对要求简单。然后修建部分主体建筑，而后再开挖其他部分，依次进行施工，直到整个地下结构完成。明挖式分部开挖法施工示意图第三节明挖法的工程应用3.1明挖法用于浅埋地下工程施工常见的浅埋式地下工程有地铁车站、地铁行车通道、城市地下人行通道、地下综合管网工程等，这些浅埋式工程，覆土厚度（埋入土中深度）在5-10m。一般都采用明挖法施工。在某些情况下，有的埋置深度达十几米甚至二十几米的地下工程，也可以采用明挖法施工。采用明挖法施工的地下工程，一般有三个施工阶段，即开挖基坑，在基坑底建造结构物，然后覆土回填。3.2明挖法用于平面尺寸较大的地下工程某些地下工程，埋深不大，但平面尺寸很大，如一些城市的地下广场、大规模地铁车站、地下商场、地下医院（旅店、指挥所）等，其内部结构也多采用一般的梁板结构，这类工程适宜于采用明挖法施工。对于这类大平面尺寸的地下工程明挖法施工时，常可以采用分部开挖或沟槽开挖法，先在周边开挖到设计标高，建造好外围结构，然后开挖中间部分，再进行内部结构施工及顶板施工和覆土填埋。3.3明挖法用于基坑工程基坑工程是许多工程建设的辅助工程，并且基坑工程也只能采用这种明挖施工方法。如城市高层建筑的基坑工程，由于高层建筑对地基条件的要求，高层建筑的稳定及抗震要求等，通常需要开挖深基坑。按照我国人防规定，城市高层建筑必须有地下室作为人防工程，因此，目前城市高层建筑都有地下若干层，与地面部分构成整体。3.4明挖法应用于其他工程与高层建筑深基坑工程类似，有些工程在施工中需要深基坑作为施工辅助工程，如桥梁工程锚锭基坑工程，需要将锚锭板埋置于很深的地层中，这就需要开挖深基坑。扬州长江大桥锚锭坑采用深井结构，坑深超过４０m。另外，盾构法施工和顶管法施工的施工井，也是采用从地面垂直向下开挖的明挖法修建的第二章明挖法修建的浅埋式地下工程第一节概述一般浅埋地下工程的结构形式通常可归纳为直墙拱形结构、梁板结构和矩形框架结构等三大类型。1.1直墙拱形结构这种形式的浅埋地下结构一般根据其跨度大小，可采用砖石或混凝土预制块砌筑拱顶，当跨度较大时，有时也采用预制或现浇钢筋混凝土拱。如果地下工程要求跨度很大时，也可采用连拱结构。拱形地下结构的侧墙，常用砖石或混凝土预制块砌筑。2.梁板式结构这种地下工程在地下水位较低的地层中，或者要求防护等级不高的工程中，顶、底板为现浇钢筋混凝土梁板结构，而围墙和内墙则为砖石砌筑；在地下水位较高或防护等级要求较高的工程中，一般除内墙可用砖石砌筑外，其他则均用钢筋混凝土现浇构筑成箱形闭合框架结构。3.矩形闭合框架结构因为明挖法施工浅埋式地下结构如果结构断面为矩形，挖掘断面利用率高，相对比较经济合理，且易于施工，尤其在地铁线路中结构内部空间与车辆形状相似，可以充分利用其内部空间。矩形闭合框架的顶、底板因系水平构件，其中弯矩、剪力均较大，因此一般都用钢筋混凝土浇筑建成。按照使用要求，地下框架可为单跨或多跨结构，单跨矩形闭合框架小于6m，当跨度大于6m时，常根据使用和工艺的要求设计成双跨或多跨。一般城市过街隧道通常为单跨闭合框架，而地铁工程中，根据使用要求及荷载和跨度的要求，常采用双跨或多跨闭合框架。有时为了改善通风条件和节约材料，把中间隔墙上开设小孔或中间隔墙用梁柱代替。矩形闭合框架示意图第二节矩形闭合框架结构形式和尺寸浅埋式地下结构特别是浅埋地铁隧道，一般都是采用钢筋混凝土衬砌，因此这里进行矩形闭合框架的设计与一般地下钢筋混凝土结构设计的原理和方法基本相同。其主要设计内容：①结构的断面形式和尺寸的确定。②荷载计算。③结构内力计算。④结构配筋计算。隧道衬砌为箱形框架结构，计算时沿隧道延伸方向取１m宽度为计算单元，做平面应变问题处理。设计时首先应按照使用要求，计算出结构的内部净空尺寸，然后根据结构构件的高宽比、荷载条件并参照已建类似工程结构尺寸，假定断面上各构件的厚度，确定供计算用的结构形状和尺寸。2.1矩形闭合框架的设计1.结构横断面的净空尺寸。建筑接近限界是确定结构净断面尺寸的主要依据。由于接近限界规定了隧道净空间的最小尺寸和形状，在此基础上，考虑线路的曲率半径、超高要求、道床、允许施工误差等影响，最后确定净空断面。具体地说，隧道直线地段，其净空尺寸应能满足各种类型的隧道建筑限界与设备限界之间的距离及设备安装的要求，而曲线地段，应在直线地段限界上进行加宽和加高的修正。在决定隧道净空尺寸时，还应考虑建筑接近限界和结构内表面的富余空间，隧道内部空间尺寸由下列方法计算得出：上式中有关计算参见图2-2-6及表2-2-1。2.框架各构件的厚度的估算进行结构计算，是以假定框架结构截面尺寸为基础的。框架构件截面尺寸的拟定（假定），应考虑钢筋混凝土的强度，承受的荷载，结构的高宽比及钢筋保护层厚度等因素，在拟定框架截面尺寸时，首先将框架结构分解为基本构件，然后根据各构件的荷载、内力估算出它的厚度，并参照工程经验予以拟定构件的厚度。①顶板截面厚度一般假定顶板截面厚度为其跨度的1/8~1/10，然后概略计算顶板荷载及其弯矩，根据估算进一步修订所假定的顶板截面厚度。②底板截面尺寸底板厚度可比顶板厚度增加５cm，或者取与顶板相同的厚度。③侧墙截面尺寸可参照顶板尺寸假定的基本方法来拟定，考虑施工及防水要求，其厚度最小尺寸应在４０cm左右。在确定了隧道净空间尺寸及拟定构件截面尺寸后，隧道框架结构的横断面就可确定。第三节作用在隧道框架结构上的荷载3.1浅埋式地下结构荷载的确定方法1.地面荷载一般浅埋地下工程通常要考虑地面荷载。这类荷载由地面建筑物、行驶车辆及其他公共设施产生，它与地下结构距地面距离（即埋深）相关，当覆盖厚度超过8m时，其影响就不大了。地面荷载通过覆土层传递到地下结构。2.垂直土压力作用在地下框架结构顶面的垂直土压力包括三个部分，地面铺砌体重量，地下水位以上土体和地下水位以下土体重量，如图2-2-8所示。3.作用在框架结构上的侧向水土压力在框架结构侧墙上，作用有侧向土压力和水压力，计算时，一般根据土的性质可采用土压力和水压力合算或分算的计算方法。根据朗肯土压力理论，侧向土压力可按下式计算：4.框架结构底板上的荷载框架结构底板上的荷载是指承托框架结构的地基对结构底板作用的反力，这种反力是由作用在框架上的所有垂直荷载及结构自重，通过底板传给结构底面上的地基，而地基由此产生向上的反力，反作用于底板上形成的竖直向上的荷载。一般情况下地下结构刚度较大而地基土层相对较松软，地基压力或地基反力的分布并不是均匀的，如图2-2-9所示，为了计算方便，假定地基反力为均匀直线分布，即作为于底板上分布的荷载为。5.隧道框架结构荷载图根据以上的荷载计算，可以得到如图2-2-10所示的荷载分布一般示意图。第四节矩形框架的内力计算4.1按矩形闭合框架计算地铁通道等地下结构，一般纵向很长，横向相对较短。结构所受的荷载沿纵向的大小近似不变。因此，结构可假定属于平面应变问题。计算时沿纵向截取单位长度作为框架来计算。如图2-2-11所示。双跨矩形闭合框架是一种对称结构，在对称荷载作用下弯矩图、轴力图是对称的，而剪力图是反对称的；在反对称荷载作用下，弯矩图和轴力图是反对称的，而剪力图是对称的。利用此原理，取结构的一半进行计算。其计算简图如图2-2-12所示。2.杆端弯矩计算矩形闭合框架内力计算，在不考虑线位移的情况下，可采用力矩分配法进行计算。这是一个近似计算方法，这种方法比较简捷，具体计算步骤可归纳如下：对于两个及两个以上结点的结构，应逐一结点反复计算，直到各结点弯矩平衡。3.杆端剪力计算求出各杆端弯矩以后，取出各杆件，利用杆件上的力系平衡，求出各杆端的剪力，如图2-2-13所示，求A端剪力QAB，可对B点取力矩，并令∑MB＝０，即4.截面弯矩和剪力计算各构件杆端弯矩、剪力求出后，可计算各杆截面上的弯矩和剪力，其计算方法如图2-2-14所示。4.2按弹性地基上的框架计算第五节框架结构构件截面设计5.1设计弯矩和设计剪力1.设计弯矩用力法或力矩分配法解框架结构时，直接求得的是结点处的内力（即构件轴线相交处的内力），然后利用平衡条件可以求得各杆任意截面处的内力。由图2-2-19a可见，结点弯矩（即计算弯矩）虽然比附近截面的弯矩为大，但其对应的截面高度是侧墙的高度，所以实际不利的截面则是侧墙边缘处的截面，对应这个截面上的弯矩取为设计弯矩。根据隔离体平衡条件，（图2-2-19b），可以按下面公式计算设计弯矩：2.设计剪