第三讲地下结构设计原理及计算方法

1、一， 地下结构体系的组成及结构形式在保留上部地层(山体或土层)的前提下在开挖出能提供某种用途的地下空间内修筑的建筑结构物，通称为地下结构。 1地下结构体系的组成地下结构和地面结构物，如房屋、桥梁、水坝等一样，都是一种结构体系，但两者之间在赋存环境、力学作用机理等方面都存在着明显的差异。地面结构体系一般都是由上部结构和地基组成。地基只在上部结构底部起约束或支承作用，除了自重外，荷载都是来自结构外部，如人群、设备、列车、水力等。而地下结构是埋入地层中的，四周都与地层紧密接触。结构上承受的荷载来自于洞室开挖后引起周围地层的变形和坍塌而产生的力，同时结构在荷载作用下发生的变形又受到地层给予的约束。在地

2、层稳固的情况下，开挖出的洞室中甚至可以不设支护结构而只留下地层、如我国陕北的黄土窑洞，证实了在无支护结构的洞室中，围岩本身就是承载结构。由于地下结构周围的地层是干差万别的，洞室是否稳定不仅取决于岩石强度，而且取决于地层构造的完整程度。相比之下，周围地层构造的完整性对洞室稳定更有影响。各类岩土地层在洞室开挖之后，都具有一定程度的白稳能力。地层自稳能力较时地下结构将不受或少受地层压力的荷载作用，否则地下结构将承受较大的荷载直至必须独立承受全部荷载作用。因此周围地层能与地下结构一起承受荷裁共同组成地下结构体系。地下结构的安全度百先取决于地下结构周围的地层能否保持持续稳定，并且应充分利用和更好地发挥围

3、岩的承载能力。地下建筑结构都需要修建支护结构，即村砌，或称为被覆。它是在坑道内部修建的永久件支护结构。因此，支护结构有2个最基本的使用要求：一是满足结构强度、刚度要求，以承受诸如水、土压力以及一些特殊使用要求的外荷载；二是提供一个能满足使用要求的工作环境，以便保持隧道内部的干燥和清洁。这两个要求是彼此密切相关的。2地下结构的形式 因为地下结构周围的介质是干差万别的，所以不同地质条件需要的支护结构形式会有很大的不同、它直接影响到地下结构上的荷载。因此，结构形式首先由受力条件来控制。通常按其使用目的有如下基本类型： (1)防护型支护 如顶部防护，这是开挖支护中最轻型者，它既小能阻止因岩变形，又不能

4、承受岩体压力，而是仅用以封闭岩面，防止坑道周围岩体质量的进一步恶化。它通常是采用喷桨、喷混凝土或局部锚杆来完成的。 (2)构造性支护在基本稳定的岩体中，加大块状岩体，坑道开挖后的围岩可能出现局部掉块；但在较长时间内不会造成整个坑道的失稳或破坏。支护结构的构造参数应满足施工及构造要求。构造型支护通常采用喷混凝土、锚杆和金属网、模筑混凝土等支护类型。（3）承载型支护承载型支护是坑道支护的主要类型。视坑道围岩的力学动态，它可分为轻型、中型及重型等。衬砌综合地质、使用、施工因素衬砌的制造方式可归纳为下列几种结构形式（1）就地灌注整体式混凝土衬砌 适用于矿山法施工，日围岩可以在短时间内稳定，也通用于采用

5、明挖法施工的衬砌形式。衬砌的表面整齐美观，进度快质量容易控制。 采用矿山法施工时常用拱形结构形式这种结构大多数由上部拱圈、两侧边墙和底部仰拱(或铺底)组成。其上部拱圈的轴线采用多心圆或半圆形，边墙可做成直边墙或曲边墙；当底部压力较大或有地下水时应做成带仰拱的封闭式结构，如图所示。根据地质条件在岩层较坚硬、整体性较好的稳定或基本稳定的园岩中，可采用半衬砌，边墙只设防护，施工时应保证拱脚岩层的稳定性，当使用要求较大跨度时、可以做成落地拱采用明挖法施工常用的结构形式是矩形框架，其内部根据使用目的设有梁、柱或中墙.沉埋法施工(亦称水下明挖法)的衬砌结构形式，是在专门的制造场地顶制的，其结构形式与制造方

6、式有关。用明挖法施工修建的地下构筑物，需要有和地团连接的通道，它是由浅入深的结构，称为引道，在无法修筑顶盖的情况下通常都做成开敞式的。(2)锚喷支护常用于矿山法施工，它可以在坑道开挖后及时施设因此能有效地限制洞周位移保护作业人员的安全，避免局部产生过大的变形。(3)复合式衬砌 分2次修筑，中间加设薄膜防水层的衬砌称为复合式村砌，复合式衬砌的外层常为锚喷支护，以利于及时架设，尽快位围岩和初期支护达到基本稳定。内层常为现浇整体式混凝土衬砌、喷混凝土或喷钢纤维混凝土衬砌、装配式衬砌等不同的形式。(4)装配式村砌由工厂预制、在洞内拼装而成的衬砌称为装配式衬砌，每一个村砌单元称为管片。由数块标淮块,邻接

7、块,l块封顶块拼装成一衬砌环再用纵向螺桂连接。用于盾构法施工的装配式衬砌，由于在盾尾内拼成圆环材砌，在盾构向前推进时要承受千斤顶推进的反力。同时，由于盾构的前进而便装配好的衬砌环一旦暴露在盾尾外时，立即承受地层给予的压力。故要求衬砌：能立即承受施工荷载和永久荷载，如围岩压力、机具压力，后者包括盾构推进时的千斤顶压力；有足够的刚度和强度，不远水、耐腐蚀，具有足够的耐久性能；装配安全、简便、构件能互换，且在管片刚被推出盾尾后即刻要承受向衬砌背后注浆的压力。支护结构计算理论支护结构计算理论的发展大概可分为3个阶段1刚性结构阶段运用压力线理论。其认为地下结构是由一些刚性块组成的拱形结构，所受的主动荷载

8、是地层压力，当地下结构处于极限平衡状态时、它是由绝对刚体组成的三铰拱静定体系铰的位置分别假设在墙底和拱顶其内力可按静力学原理进行计算。 这种计算理论认为，作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重力。可以作为代表的有海姆理论、朗肯理论和金尼克理论。但是压力线假设的计算方法缺乏理论依据，一般倩况偏于保守所设计的衬砌厚度将偏大很多。2弹性结构阶段作用在结构上的荷载是主动的地层压力，并考虑了地层对结构产生的弹性反力的约束作用。由于有了比较可靠的力学原理为依据，故至今在设计地下结构时仍时有采用。这类计算理论认为、当地下结构埋置深度较大时作用在结构上的压力不是上覆岩层的重力而只是团岩坍落体积内松动岩体的重力

9、松动压力。代表的有太沙基理论和普氏理论，他们的共同观点是：认为坍落体积的高度与地下工程跨度和围岩性质有关。不同之处是前者认为坍落体为矩形，后者认为是抛物线形。其对于围岩自身承载能力的认识又分为以下2个阶段；(1)假定弹性反力阶段地下结构衬砌受到地层对其变形的约束作用。地层对衬砌的约束作用力就称之为弹性反力。这样计算理论便进入了假定弹性反力阶段.(2)弹性地基梁阶段由于假定弹性反力法对其分布图形的假定有较大的任意性。人们开始研究将边墙视为弹性地基粱的结构计算理论 3连续介质阶段这种计算方法以岩体力学原理为基础，认为坑道开挖后向洞室内变形而释放的围岩压力将由支护结构与围岩组成的地下结构体系共同承受

10、。一方面围岩本身由于支护结构提供了一定的支护阻力，从而引起它的应力调整达到新的平衡；另一方面、由于支护结构阻止围岩变形、它必然要受到围岩给予的反作用力而发生变形。现代支护理论信传统支护理论之间的区别主要表现在以下几方面：1)对围岩和围岩压力的认识方面 传统支护理论认为围岩压力由洞室塌落的围岩“松动压力”造成，而现代支护理论认为围岩具有白承能力，围岩作用于支护上的压力不是松动压力而是阻止围岩变形的形变压力。(2)在围岩和支护间的相互关系上传统支护理论把围岩和支护分开考虑围岩当作荷裁。支护作为承裁结构，属于荷载结构”体系，现代支护理论则将固岩和支护作为个统一二者组成“围岩支护”结构体系共同参与工作

11、：(3)在支护功能和作用原理上传统支护只是为了承受荷载，现代支护则是为了及时稳定和加固围岩c(4)在设计计算方法上传统支护主要是确定作用在支护上的荷载现代支护设计的作用荷载是岩体地应力由围岩和支护共同承载， (5)在支护形式和工艺上由于锚喷支护结构的大量使用，它可在围岩松动之前及时加固团岩，其应用实践给人们积累了丰富的经验新奥法是典型的代表。地下结构的计算特性 (1)必须充分认识地质环境对地下结构设计的影响地下工程周围的地质体是工程材料、承载结构，同时又是产生荷载的来源 (2)地下结构施工因素和时间因素会极大地影响结构体系的安全性与地面结构不同，地下工程支护结构安全与否，既要考虑到支护结构能否

12、承载，又妥考虑困岩会不舍失稳，这2种原因都能最终导致支护结构破坏 (3)地下工程支护结构设计的关键问题在于充分发挥围岩自承力地下结构计算的力学模型1结构力学的计算模型(1)主动荷载模型它不考虑因岩与支护结构的相互作用因此、支护结构在主动荷载作用下可以自由变形，和地面结构的作用没有什么不同。(2)主动荷载加固岩弹性约束的模型 它认为围岩不仅对支护结构施加主动荷载而且由于围岩与支护结构的相互作用还有支护结构施加被动的弹性反力。(3)实地量测荷载模式这是当前正在发展的一种模式，它是主动荷载模型的亚型，以实地量测荷载代替主动荷载。2连续介质力学的计算模型也称围岩-结构模型。按连续介质力学原理及变形协调

13、条件分别计算衬砌与围岩中的内力，并据以验算地层的稳定性和进行结构截面设计。 (1)现代支护结构原理 归纳起来现代支护结构原理包含的主要内容有以下几方面； 现代支护结构原理是建立在围岩与支护共同作用的基础上，即把围岩与支护看成是由2种材料组成的复合体且把围岩通过岩体支承环作用成为结构体系的重要部分。显然这完全不同与传统支护结构的观点：认为围岩只产生荷载而不能承载，支护只是被动地承受已知荷载而起不到稳定围岩和改变围岩压力的作用。充分发挥围岩自承能力是现代支护结构原理的一个基本观点以改善支护的受力性能。发挥固岩的自承能力，一方面不能让围岩进入松动状态，以保持围岩的自承力；另一方面允许围岩进入一定程度

14、的塑性状态，以使围岩自承力得以最大限度的发挥。当围岩洞壁位移接近允许变形值，围岩压力就达到最小值。围岩刚进入塑性状态时能发挥最大自承力这一点已从第2章围岩的工程性质中岩石、软弱结构面和岩体的应力应变曲线予以说明。现代支护结构原理的另一个支护原则是尽量发挥支护材料本身的承载力。采用柔性薄型支护分次支护或封闭支护以及深入到围岩内部进行加固的锚杆支护，都具有充分发挥围岩材料承载力的效用。根据地下工程的特点和当前技术水平，现代支护结构原理主张凭借现场监控测试手段指导设计和施工，并由此确定最佳的支护结构形式、支护参数、施工方法与施工时机。因此现场监控量测和监控设计是现代支护结构原理中的一项重要内容。 现

15、代支护原理结构要求按岩体的不同地质和力学特征选用不同的支护方式、力学模型、相应N1L算方法以及不同的施工方法。如稳定地层、松散软弱地层、塑性流变地层、膨胀地层都应当采用不同的设计原则和施工方法。而对于作用在支护结构上的变形压力、松动压力及不稳定块体的荷载等都应当采用不同的计算方法。 (2)理想支护结构的基本要求必须能与周围岩体大面积地牢固接触，即保证支护碉岩体系作为一个统一的整体工作。要允许支护围岩体系产生有限制的变形，以充分发挥围岩的承载能力，从而减少支护结构的作用，协调地发挥两者的共同作用。这就要求对支护结构的刚度、构造给予充分的注意即要求支护结构宵一定的柔性或可缩性c重视早期支护的作用，

16、并使早期支护与后期支护相互配合，协调一致地工作，主动控制围岩的变形。前面已经指出围岩的变形是随时间的推移而逐渐发展的因此在开挖的早期要适别地进行初期支护其刚度不宜过大应能让围岩产生一定的变形。必须保证支护结构架设及时。前面已指出支护过晚会使围岩暴露、产生过度的位移而濒临破坏(极限平衡)。因此，支护应在坑道围岩达到极限平衡之前开始发挥作用。作为支护结构要根据围岩的动态(位移、应力等)及时进行调整和修改，以适应不断变化的同岩状态。2支护结构的类型支护结构的基本作用就是保持坑道断面的使用净空，防止岩体质量的进一步恶化，和围岩一起组成个有足够安全度的隧道结构体系承受可能出现的各种荷载，诸如水、土压力以

17、及一些待殊使用要求的外荷载，此外、支护结构必须能够提供一个能满足使用要求的工作环境，保持隧道内的干燥与清洁。按支护作用机理，目前采用的支护大致可以归纳为以下3类。(1)刚性支护结构这类文护结构通常具有足够大的刚性和断面尺寸，一般用来承受强大的松动地乐。但只要可能，就应避免松动压力的发生。刚性支护只有很小的柔性而且几乎总是完全文护，这类支护通常采用现浇混凝土，有的采用石砌块或混凝土砌块。从构造上看，它仑贴壁式结构和离壁式结构2种。2)柔性支护结构柔性支护结构是根据现代支护原理而提出来的，它既能及时地进行支护，限制图岩过大变形而出现松动，又允许围岩出现定的变形，同时还能根据围岩的变化情况及时调整参

18、数。所以，它是适应现代支护原理的文护形式。钳喷支护是一种主要的柔性支护类型.(3)复合式支护结构复合式文护结构是柔性支护与刚性支护的组合支护结构，最终支护是刚性支护。复合式支护结构是根据支护结构原理中需要先柔后刚的思想通常初期支护一般采用钳喷支护，让围岩释放掉大部分变形和应力，然后再施加二次衬砌，一般采用现挠混凝土支护或高强钢架承受余下的围岩变形和地压以维持围岩稳定。 根据复合式衬砌层与墙之间的传力性能又可以分为单层衬砌和双层衬砌。 双层衬砌是由初期支护、二次衬砌以及2层村砌之间的防水层组成。设置二次衬砌的有2种情况，一种是待初期支护的变形基本稳定之后再设置二次衬砌。此时，二次衬砌承受后续荷载

19、，包括水压力、围岩和衬砌的流变荷载由于钳杆等支护的失效而产生的围岩压力等。另种是根据需要较早地设置二次村砌特别是超浅埋陡道，对地表沉降有严格控制的情况下此时二次衬砌和初期支护共同承受围岩压力。3锚喷支护的组成及力学作用锚喷支护属柔性薄型支护容易调节围岩变形，发挥围岩白承能力。虽然喷混凝土自身属于脆性材料，但由于工艺上的原因，它可以做到喷得很薄，而且还可通过分次喷层的方法进步发挥喷层的柔性。锚杆支护也是柔性支护。试验表明由钳杆加固的岩体可以允许有较大变形而不破坏。因此锚喷支护具有比传统支护更好的调控围岩变形的作用。锚喷支护的另一个优点是能充分发挥支护材料的承载能力。由于喷层柔性大且与围岩紧密粘结

20、因此喷层破坏主要是受压或受剪破坏，它比受弯破坏的传统支护结构更能发挥混凝土承载能力：同时，采用分次喷层施工方法，也能起到提高承载力的作用。综上所述，锚喷支护的工艺特点使它具有支护及时性、梁性、围岩与支护的密贴性封,闭性、施工的灵活性等，从而充分发挥围岩的自承作用和材料的承载作用。(1)喷混凝上支护喷混凝土为永久性的支护结构的一部分是现代隧道建造中支护结构的主要形式。喷混凝土支护主要用作早期支护，对通风阻力要求不高的隧道也可用作后期支护。喷射混凝土的材料通常有以下几种类型：1, 普通喷射混凝十；普通喷射混凝土出水泥、砂、石和水按一定比例混合而成。2, 水泥裹砂石造壳喷射混凝土c3, 钢纤维喷射混凝土。(2)锚杆锚杆是种特殊的支护类型它主要是起加固岩体的作用，只有预应力锚杆才能形成主动的支护阻力。(3)金属网金属网有以下3种形式：金属网板。金属网板使用薄钢板经冷冲压或热冲压制成，网眼呈菱形或方形。焊接金属网：焊接金底网是由直径68mm的钢筋焊接而成的。编织金属网。编织金属网