地下建筑结构设计

隧道结构 1 半衬砌结构 在坚硬岩层中 若侧壁无坍塌危险 仅顶部岩石可能有局部滑落时 可仅 施作顶部衬砌 不作边墙 只喷一层不小于 20mm 厚的水泥砂浆护面 即半衬砌结构 厚拱薄墙衬砌结构 在中硬岩层中 拱顶所受的力可通过拱脚大部分传给岩体 充分利 用岩石的强度 使边墙所受的力大为减少 从而减少边墙的厚度 形成厚拱薄墙结构 直墙拱形衬砌结构 在一般或较差岩层中的隧道结构 通常是拱顶与边墙浇在一起 形 成一个整体结构 即直墙拱形衬砌结构 广泛应用的隧道结构形式 曲墙衬砌结构 在很差的岩层中 岩体松散破碎且易于坍塌 衬砌结构一般由拱圈 曲 线形侧墙和仰拱底板组成 形成曲墙衬砌结构 复合衬砌结构 复合支护结构一般认为围岩具有自支承能力 支护的作用首先是加固和稳 定围岩 使围岩的自承能力可充分发挥 从而可允许围岩发生一定的变形和由此减薄支护 结构的厚度 2 根据半衬砌结构的特点和受力特征 其内力计算的基本假定如下 1 半衬砌结构的墙与拱脚基本上互不联系 故拱圈对薄墙影响很小 2 拱脚处的约束既非铰结 亦非完全刚性固定 而是介于两者之间的 弹性固定 即 只能产生转动和沿拱轴切线方向的位移 且岩层将随拱脚一起变形 并服从 E Winkler 假 设 3 半衬砌结构在各种垂直荷载作用下 拱圈的绝大部分位于脱离区 因此 可不计弹性 抗力的影响 4 半衬砌结构 实际上是一个空间结构 但由于其纵向较之其跨度方向大的多 受力特 征符合平截面假设 计算时按平面应变问题处理 3 直墙拱结构计算时基本假定 1 直墙拱结构是一个空间结构 但其纵向长度远大于其跨度 可按平面应变问题处理 2 拱圈与边墙整体连接 地层压力 结构自重等以梯形分布 拱圈抗力区假定为二次抛 物线规律或不考虑 回填不密实时 3 边墙视为弹性地基梁 弹性抗力按局部变形理论确定 4 墙底与基岩间的摩擦力足够大 克服剪力作用 不产生水平位移 因此 边墙可视为 绝对刚性的地基梁 5 实际工程中边墙与底板通常分别浇筑 计算中不予考虑 4 连拱隧道 是洞体衬砌结构相连的一种特殊双洞结构形式 即连拱隧道的侧墙相连 5 衬砌结构类型和尺寸 应根据使用要求 围岩级别 围岩地质条件和水文地质条件 隧 道埋置位置 结构受力特点 并结合工程施工条件 环境条件 通过工程类比和结构计算 综合分析确定 6 复合衬砌结构洞周承载环形成的两种方法 1 通过锚杆支护所及的范围内形成了承载力较强的承载环 2 施作衬砌结构 或施作由喷层 必要时同时设置锚杆和网筋 和衬砌结构共同组成的复 合结构 使衬砌结构或复合结构成为洞周承载环 7 连拱隧道优点和缺点 1 优点 双洞轴线间距很小 减小占地 便于洞外接线 2 缺点 设计 施工复杂 工程造价高 工期长 8 隧道内轮廓线是决定衬砌断面大小最基本的要素 要考虑如下因素 结构受力和行车界限 从经济上 美学上加以比较 以求得合理的断面形式 行车道宽 两侧路缘带宽 中隔墙宽 建筑界限高度因素 洞内排水 通风 照明 消防 营运管理等附属设施所需空间 围岩压力影响 施工方法等必要的富余量 9 连拱隧道结构中 中墙和二次衬砌的连接形式主要可分为以下四种形式 上部支撑形式 将中墙作为双洞结构的共同部分 二次衬砌的拱脚支撑在中墙的上部 中墙设计得相对较厚 贴壁式支撑形式 将双洞按两个独立的洞来考虑 中墙相对独立于左右洞的结构 成为 双洞间的充填结构 在中墙先行施工结束后 二次衬砌的施筑和单洞的方法相同 下部支撑形式 介于上部支撑和贴壁式支撑之间 二次衬砌的支撑点转移到中墙的基础 上 混合式支撑形式 将中墙设计成非对称形式 是 和 形式的混合使用 6 浅埋结构 1 埋设在土层中的建筑物 按其埋置深浅可分为深埋式结构和浅埋式结构两大类 2 浅埋式结构 是指其覆盖土层较薄 不能满足压力拱成拱条件 H 土 2 2 5 h1 h1 为压力拱高 或软土地层中覆盖层厚度小于结构尺寸的地下结构 3 浅埋式结构形式可分为以下三种 1 直墙拱形结构 2 矩形框架结构 3 梁 板式结构 4 一般浅埋式结构 常采用明挖法施工 比较经济 但在地面环境条件要求苛刻的地段 也可采用管幕法 箱涵顶进法等暗挖法施工 5 直墙拱形结构拱顶部分按照其轴线形状又可分为 半圆拱 割圆拱和抛物线拱 6 浅埋式结构截面设计 在特殊荷载与其他荷载共同作用下 按弯矩及轴力对构件进行强 度验算时 要考虑材料在动载作用下的强度提高 而剪力和扭力对构件进行强度验算时 则材料强度不提高 7 变形缝分为两种 一种是防止由于温度变化或混凝土收缩而引起结构破坏所设置的缝 称为伸缩缝 另一种是防止由于不同的结构类型 或结构相邻部分具有不同荷载 或不同 地基承载力而引起结构不均匀沉陷所设置的缝 称为沉降缝 8 浅埋结构变形缝的构造方式主要分三类 嵌缝式 贴附式 埋入式 7 附建式地下结构 1 附建式地下结构是指根据一定的防护要求修建的附属于较坚固的建筑物的地下室 又称 防空地下室 或 附建式人防工事 2 结合基本建设修建防空地下室与修建单建式工事相比 有以下优越性 1 节省建设用地和投资 2 便于平战结合 人员和设备容易在战时迅速转入地下 3 增强上层建筑的抗地震能力 4 上部建筑对战时核爆炸冲击波 光辐射 早期核辐射以及炮 炸 弹有一定的防护作用 附建式防空地下室的造价比单建式防空地下室低 5 结合基本建设同时施工 便于施工管理 同时也便于使用过程中的维护 3 如遇到下列的情况 则更应优先考虑修建防空地下室 1 低洼地带需要进行大量填土的建筑 2 需要做深基础的建筑 3 新建的高层建筑 4 人口密集 空地缺少的平原地区建筑 4 附建式地下室结构选形的主要依据 1 上部地面建筑的类型 2 战时防护能力的要求 3 工程地质与水文地质条件 4 战时与平时使用的要求 5 建筑材料的供应情况 6 施工条件 5 我国防空地下室所选用的结构形式主要有以下几种 1 梁板结构 2 板柱结构 3 箱形结构 4 其他结构 如钢筋混凝土壳体结构 单跨或跨结构 折板结构 6 附建式地下结构必须恰当的处理战时防护要求与平时利用的矛盾 在不过多增加工程造 价的情况下 尽量为平时利用创必要的条件 其主矛盾如下 1 平时要求在外墙上开设通风采光洞 战时又要限制开洞的面积 并且还要采取加强 密封等措施 2 平时允许防空地下室顶板底面高出室外地面 战时又限制高出的高度 并且在临战前要 进行覆土 3 平时要求没有内墙的大房间 可采用板柱结构 战时承受较大荷载 对柱距加以限制 4 平时内墙可不砌筑 而在临战前再行衬砌 7 遇到以下几种情况时 一般采用箱形结构的防空地下室 1 工事的防护等级较高 结构需要考虑某种常规武器直接命中引起的效应 土质条件差 在地面上部是高层建筑物 框架结构或剪力墙结构 需要设置箱形基础 2 地下水位高 地下室处于饱和状态的土层中 结构要有较高的防水要求 根据平时使用 的要求 需要密封的房间 如冷藏库 3 采用诸如沉井法 地下连续墙法等特殊的施工方法等 8 附建式地下结构变形缝的设置应考虑下列几点情况 因设有防空地下室的地面建筑物与不设防空地下室的地面建筑物的抗震性能不同 一般 前者比后者的震害要轻 因此 在地震区设有局部地下室的建筑物 应设置沉降缝 把有 地下室与不设地下室的建筑物断开 以避免二者相互干扰 当地面建筑设置防震缝时 其防空地下室可不设置防震缝 在地下室的室外出入口与主体结构的连接处 应设置沉降缝 以防止产生不均匀沉降时 断裂 当防空地下室设置沉降缝时 其上部地面建筑也要在其对应的位置设置沉降缝 关于附建式地下结构伸缩缝的设置 目前各地的做法尚不统一 多数是在施工中采取措 施控制混凝土的收缩 以便适当放大地下室伸缩缝的间距 使它能设在与地面建筑伸缩缝 的相应位置上 在防空地下室的一个防护单元内 不允许设置沉降缝 伸缩缝等 以满足防护要求 钢砼及砼结构伸缩缝的最大间距 以及沉降缝 收缩缝和防震缝的宽度等 可参照有关 规范 9 附建式地下结构通风采光洞设计的一般原则 1 防护等级较高时 结构承受荷载较大 窗洞的加强措施比较复杂 因而 仅大型防空地 下室才开设通风采光洞 等级稍高的防空地下室不宜开设通风采光洞 而以采用机械通风 为好 2 洞口过多 过大将给防护处理增加困难 因此 防空地下室外墙开设的洞口宽度 不应 大于地下室开间尺寸的 1 3 且不应大于 1 0m 3 临战前必须用黏性土将通风采光井填土 因为黏性土密实可靠 能满足防早期核辐射的 要求 4 在通风采光洞上 应设防护挡板一道 考虑上述回填条件 可以认为挡板及窗井内墙身 的荷载与侧墙的荷载相同 挡板的计算和防护门基本一致 5 洞口的周边 应采用钢筋混凝土柱和梁予以加强 使侧墙的承强力不因开洞而降低 柱 和梁的计算 可按两端铰支的受弯构件考虑 6 凡是开设通风采光洞的侧墙 在洞口上缘的圈梁应按过梁进行验算 10 附建式地下结构洞口周边加强钢筋配置的依据条件是 1 防空地下室侧墙的等效静载应按规定选取 2 通风采光井内回填土按粘土考虑 3 洞口宽度取为 1 0m 4 钢筋混凝土柱的计算高度取为 2 6m 5 钢筋混凝土梁和柱均按两端铰支的受弯构件计算 8 盾构隧道和顶管隧道 1 盾构法隧道的设计内容基本上可以分为三个阶段进行 1 第一阶段为隧道的方案设计 以确定隧道的线路 线形 埋置深度以及隧道的横截面形 状与尺寸等 2 第二阶段为衬砌结构与构造设计 其中包括管片的分类 厚度 分块 接头形式 管片 孔洞 螺孔等 3 第三阶段为管片内力的计算及断面设计 2 盾构由盾壳 推进机构 取土机构 拼装或现浇衬砌机构以及盾尾等部分组成 3 盾构按开挖方式分类 手掘式盾构 开挖和出土可用人工进行 半机械式盾构 大部分的开挖工作和出土由机械进行 机械式盾构 从开挖到出土均采用机械 4 盾构按开挖面的支护方式分类 无固定支护式的盾构 固定机械支护式盾构 工作面近旁带有气压室的盾构 泥水加压式盾构 土压式盾构 5 盾构法的施工过程 在隧道某段的一端建造竖井或基坑 以供盾构安装就位 盾构从竖井或基坑的墙壁开 孔出发 在地层中沿着设计轴线 和向另一竖井或基坑的设计孔洞推进 盾构掘进相当于装配式衬砌的一环长度 千斤顶顶在已拼装好的管片上 使盾构前进 缩回千斤顶 用举重设备拼装管片衬砌 同时在开挖面进行开挖 6 盾构隧道横截面一般有圆形 矩形 半圆形 马蹄形等形式 衬砌最常用的横截面形式 为圆形与矩形 7 挤压混凝土衬砌 即在盾尾刚浇捣而未硬化的混凝土处在高压作用下 作为盾尾推进的 后座 盾尾在推进的过程中 不产生建筑空隙 空隙由注入的混凝土直接填充 8 挤压混凝土衬砌施工方法的特点 1 自动化程度高 施工速度快 2 整体式衬砌结构可以达到理想的受力 防水要求 建成的隧道有满意的使用效果 3 采用钢纤维混凝土能提高薄形衬砌的抗裂性能 4 在渗透性较大的砂砾层中要达到防水要求尚有困难 9 隧道衬砌结构的设计必须满足的两个基本要求 1 满足施工阶段及使用阶段结构 刚度的要求 以及承受诸如水 土压力以及一些特殊使 用要求的外荷载 2 能提供一个满足使用功能要求的环境条件 保证隧道内部的干燥和洁净 10 对接缝防水材料的基本要求为 1 保持永久的弹性状态和具有足够的承压能力 使之适应隧道长期处于 蠕动 状态而产 生的接缝张开和错动 2 具有令人满意的弹性期龄和工作效能 3 与混凝土构件具有一定的粘结力 4 能适应地下水的侵蚀 11 圆形盾构隧道衬砌断面有以下优点 1 可以等同地承受各方向外部压力 尤其是在饱和含水软土层中修建地下隧道 由于顶压 侧压较为接近 更可显示出圆形隧道断面的优越性 2 施工中易于盾构推进 3 便于管片的制作 拼装 4 盾构即使发生转动 对断面的利用也无大碍 12 与整体式现浇衬砌相比 装配式衬砌的特点在于 1 安装后能立即承受荷载 2 管片生产工厂化 质量易于保证 管片安装机械化 方便快捷 3 在其接缝处防水需要采取特别有效的措施 13 盾构封顶块的拼装形式有两种 一为径向楔入 另一为纵向插入 14 盾构按多铰圆环计算圆环内力时的几个假定 1 适用于圆形结构 2 衬砌环在转动时 管片或砌块视作刚体处理 3 衬砌环外围土抗力按均变形式分布 土抗力的计算要满足衬砌环稳定性的要求 土抗 力作用方向全部朝向圆心 4 计算中不计及圆环与土介质间的摩擦力 这对于满足结构稳定性是偏于安全的 5 土抗力和变位间关系按文克尔公式计算 15 衬砌本身的抗掺能力在以下几个方面得到满足后才能具有相应的保证 1 合理提出衬砌本身的抗渗指标 2 经过抗掺试验的混凝土的合适配合比 严格控制水灰比 一般不大于 0 4 另加塑化剂 以增加混凝土的和易性 3 衬砌构件的最小混凝土厚度和钢筋保护层 4 管片生产工艺 振捣方式和养护条件的选择 5 严格的产品质量检验制度 6 减少管片在堆放 运输和拼装过程中的损坏率 16 顶管技术可用于特殊地质条件下的管道工程 主要有 穿越江河 湖泊 港湾水体下的供水 输气 输油管道工程 穿越城市建筑群 繁华街道地下的上下水 煤气管道工程 穿越重要公路 铁路路基下的通信 电力电缆管道工程 水库 坝体 涵管重建工程等 17 顶管的顶进阻力主要由迎面阻力和管壁外周摩阻力两部分组成 18 按顶管一次顶进距离长短可分为中短距离 长距离 超长距离三种 19 按顶管管道内径大小可分为小口径 中口径和大口径三种 小口径一般指内径小于 800mm 的顶管 中口径一般指介于 800 1800mm 口径范围的顶管 大口径一般指内径大于 1800mm 的顶管 20 顶进力的影响因素 顶进过程中的摩擦阻力 管端的贯入阻力 21 目前常用的顶管工具管有手掘式 挤压式 泥水平衡式 三段两铰型水力挖土式和多 刀盘土压平衡式等 22 顶管技术中的中继接力原理 在长距离的顶管工程中 当顶进阻力 即顶管掘进迎面阻力和管壁外围摩阻力之和 超过主千斤顶的容许总顶力 管节容许的极限压力或工作井承受壁后背土体极限反推力三 者中之一 无法一次达到顶进距离要求时 应采用中继接力顶进技术 实施分段顶进 使 顶入每段管道的顶力降低到允许顶力范围内 采用中继环接力技术时 将管道分为数段 在段与段之间设置中继环 中继环将管道分成前 后两个部分 中继油缸工作时 后面的 管段成为受压后座 前面管段被推向前方 23 顶进中的方向控制可采用一下几种措施 1 严格控制挖土 两侧均匀挖土 左右侧切土钢刀角要保持吃土 10cm 正常情况下不 允许超挖 2 发生偏差 对采用调整纠偏千斤顶的编组操作进行纠正 要逐渐纠正 不可急于求成 否则会造成忽左忽右 3 利用挖土纠偏 多挖土一侧阻力小 少挖土一侧阻力大 利用土本身的阻力纠偏 4 利用承压壁顶铁调整 加换承压壁顶铁时 可根据偏差的大小和方向 将一侧顶铁楔 紧 另一侧顶铁楔松或留 1 3cm 的间隙 顶进开始后 则楔紧一侧先走 楔松一侧不动 这种方法很有效 但要严格掌握顶进时楔的松紧程度 掌握不好容易使管道由于受力不均 匀出现裂缝 9 沉井结构与沉管结构 1 沉井 是一个上无盖下无底的井筒状结构物 现常用钢筋混凝土制成 2 沉井 沉箱 结构通常有以下几个特点 1 躯体结构刚性大 断面大 承载力高 抗渗能力强 耐久性能好 内部空间可有效 利用 2 施工场地占地面积较小 可靠性良好 3 适用土质范围广 淤泥土 砂土 粘土 砂砾等土层均可施工 4 施工深度大 5 施工时周围土体变形较小 因此对临近建筑 构筑 物的影响小 适合近接施工 尤 其是压气沉箱工法对周围地层沉降造成的影响较小 6 具有良好的抗震性能 3 沉井按其构造形式分为连续沉井 多用于隧道工程井 和单独沉井 多用于工业 民防 地下建筑 按平面形状可分为圆形沉井 矩形沉井 方形沉井或多边形沉井等 4 沉井一般由下列各部分组成 井壁 侧壁 刃脚 内隔墙 封底和顶盖 底梁和框架 5 沉井结构设计的主要环节可大致归纳如下 1 沉井建筑平面布置的确定 2 沉井主要尺寸的确定和下沉系数的验算 1 参考已建类似的沉井结构 初定沉井的几个主要尺寸 如沉井孔平面尺寸 沉 井高度 井孔尺寸及井壁厚度等 并估算下沉系数以控制沉速 2 估算沉井的抗浮系数 以控制底板的厚度等 3 施工阶段强度计算 1 井壁板的内力计算 2 刃脚的挠曲计算 3 底横梁 顶横梁的内力计算 4 其它 4 使用阶段的强度计算 包括承受动载 1 按封闭框架 水平方向的或垂直方向的 或圆池结构来计算井壁并配筋 2 顶板及底板的内力计算及配筋 6 沉井水下封底混凝土的厚度 应根据抗浮和强度两个条件确定 7 沉管法的主要优点 1 隧道可紧贴河床最低点位置