地下结构设计原理与方法（共72页）

1、地下结构设计原理与方法授课：崔光耀E-mail:下结构设计原理与方法地下工程环境的特殊性与地下结构物的周围环境息息相关，决定了它的工作特征。地上结构地下结构概述：1.地下结构物的工作特征 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不确定；在地层稳固的情况下围岩本身就是承载结构。地层自稳能力较强时，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。2、地下结构体系及其组成（1）周围地层（围岩）+地下结构地下结构体系。（2）形成地下结构体系与此相关的

2、力学过程：原始围岩毛 洞支护体系稳定的洞室 开挖 支护 时间初始应力坑道开挖后的应力支护体系的应力 终级应力一次应力 二次应力场 三次应力场 四次应力场（3）在此过程中，有许多不确定因素，决定了它的设计和计算方法与地面结构的不同。3、经验、实践、设计（1）设计方法广泛采用结构计算、经验判断和实地量测相结合的所谓“信息化设计”方法。（2）计算模型要考虑围岩与支护结构的相互作用。（3）要明确：经验性极强，可以上升到理论上来认识和理解；施工过程（施工方法和支护方法）对坑道稳定有一定、甚至是重要影响；在隧道设计中支护技术的研究也是很重要的。本门课程的性质地下结构的工作特征：荷载与结构的相互作用；地下结

3、构的计算特征：荷载结构 围岩结构地下工程的实践经验；因此，地下结构的稳定性与围岩的工程性质密切相关。本课程的主要内容（1）围岩的工程性质：开挖前围岩的初始应力场、围岩的力学性质、围岩分级；开挖后围岩应力场的变化及与支护结构的相互作用（2）现代支护原理与设计方法：体现围岩与支护相互作用的锚喷支护设计方法；（3）结构力学的计算方法（4）连续介质力学的计算方法（5）信息反馈设计方法第一章 概 论1.1 地下结构体系及计算特点掌握：地下结构体系的概念； 地下结构的计算特点 衬砌的概念及其使用要求； 支护结构的类型地下结构体系的组成（地下结构体系的概念）（1）周围地层与地下结构共同组成。（2）地层（围岩

4、）的作用：地层既是承载结构的基本组成部分，是形成荷载的主要来源洞室周围的地层在很大程度上是地下结构体系中承载的主体。地下结构的安全度首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岩的承载能力。 （3）支护的作用在需要设置支护结构时，支护结构能够阻止围岩的变形，使其达到稳定的作用，这种合二为一的作用机理与地面结构是完全不同的。 衬砌的概念：或称为被覆 除在坚固、完整而又不易风化的稳定岩层中可以只开成毛洞外，其他在所有地层中的坑道都需要修建支护结构，即衬砌。它是在坑道内部修建的永久性支护结构。 衬砌（支护结构）基本的使用要求： （1）满足结构强度、刚度要求，以承受诸如水

5、、土压力以及一些特殊使用要求的外荷载；（2）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。 地下工程的特点隐蔽性、力学的不确定性、地质环境影响的严重性、可维修性差、受施工条件、环境条件约束、对结构的可靠性、耐久性和维修性提出更高的要求。 2. 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 ；地层的原始应力很难预先决定；围岩的工程性质复杂；地质力学参数很难准确获得；因此，很难事先准确估计地质环境对地下结构设计的影响 （2）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 ；原岩应力由地质体和支护结构共同承载；支护上承受的荷载除与原岩应力有关

6、，还和地质体强度、施工方法、施工流程（时间因素）、支护形式、结构形状等有关。（3）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。如岩体的流变特性，施工方法不当，支护过晚。（4）地下工程支护结构安全与否，既要考虑到支护结构能否承载，又要考虑围岩会不会失稳，这2种原因都能最终导致支护结构破坏 ；（5）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。3. 地下结构的形式 主要由使用、地质和施工因素综合决定 。使用要求：交通隧道、地下铁道、地下空间等，重点考虑的因素是断面的利用率； 地质条件：决定了衬砌上承受的荷载，当荷载较大时，要求结构的形状有较好的抵抗荷载的性能，且有足够的强度；施

7、工方法是确定断面形状的决定性因素：矿山法拱形明挖法一般是矩形，盾构法一般是圆形；结构形式首先由受力条件来控制。 （1）按其使用目的（或由围岩的稳定性） ：防护型支护 ：封闭岩面，防止围岩质量的进一步恶化 ；构造型支护 ：防止局部掉块或崩塌 承载型支护：轻型、中型及重型等 （2）按制造方式（指承重型） 综合地质、使用、施工因素，衬砌的制造方式可归纳为就地灌注整体式混凝土衬砌用模板浇注混凝土衬砌，刚度较大；锚喷支护：柔性，能吸收围岩变形；复合式衬砌：先柔后刚，先锚喷后模筑； 装配式衬砌：工厂预制，施工现场拼装。注意结构形式、施工方式和适用条件。1.2 地下结构计算理论的发展与现状 刚性结构阶段(压

8、力线理论-三铰拱静定体系) 偏于保守,衬砌厚度偏大弹性结构阶段 (1) 假定弹性反力阶段 (2) 弹性地基梁阶段连续介质阶段不密实 -松散支撑顶替-扰动传统的隧道修建方法现代支护理论与传统支护理论之间的区别传统方法NATM被动支护主动支护现代支护理论与传统支护理论之间的区别 （1）对围岩和围岩压力的认识方面 ：“松动压力” ；“形变压力”；（2）在围岩和支护间的相互关系上：“围岩-支护”结构体系共同参与工作； （3）在支护功能和作用原理上 ：及时稳定和加固围岩 ；（4）在设计计算方法上 ：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 ：在围岩松动之前及时加固围岩 4.信息化

9、设计方法 原理上属于连续介质力学方法，只是和现场监测结合起来的一种设计方法。 现场监控量测与理论分析结合起来，发展成为一种适应地下工程特点和当前施工技术水平的新设计方法现场监控设计方法（也称信息化设计方法）。 目前，工程中主要使用的工程类比设计法，也正在向着定量化、精确化和科学化方向发展。 5.可靠性理论 从发展趋势看，新奥法开创的理论-经验-量测相结合的“信息化设计”体现了地下工程支护结构设计理论的发展方向。 地下结构计算理论的上述几个发展阶段在时间上并没有截然的先后之分，后期提出的计算方法一般也并不否定前期的研究成果，各有其比较适用的一面，但又各自带有一定的局限性。 1.3 地下结构计算的

10、力学模型 和设计方法地下结构的力学模型必须符合下述条件： 与实际工作状态一致， 荷载假定应与在修建洞室过程中荷载发生的情况一致。 计算出的应力状态要与经过长时间使用的结构所发生的应力变化和破坏现象一致。 材料性质和数学表达要等价。 计算模型有2类：1. 结构力学的计算模型：是以支护结构作为承载主体，围岩作为荷载的来源，同时考虑其对支护结构的变形约束作用的模型，称为结构力学模型；(荷载-结构)2. 连续介质力学的计算模型：视围岩为承载主体，支护结构则约束围岩向隧道内变形的模型，称为岩体力学或连续介质力学模型。 (地层-结构)1. 结构力学的计算模型 基本概念、适用条件、在计算模型中如何反映围岩与

11、结构的相互作用？ 荷载： 主动荷载围岩松动变形的作用力 弹性反力地层对结构变形的约束力弹性反力的计算局部变形理论或共同变形理论计算。目前常用的是以温克尔（Winkler）假定为基础的局部变形理论来确定。局部变形理论 温氏假定相当于把围岩简化成一系列彼此独立的弹簧，某一弹簧受到压缩时所产生的反作用力只与该弹簧有关，而与其他弹簧不相干。 共同变形理论（1）主动荷载模型只考虑主动荷载即围岩压力（2）主动荷载加围岩弹性约束的模型围岩压力：主动荷载弹性反力：被动荷载 计算弹性反力 假定弹性反力（3）实地量测荷载模式综合主动荷载和弹性反力围岩应力的现场量测 实测围岩压力的方法很多，可归纳为两类： 直接量测

12、 间接量测直接量测：主要采用压力盒、压力传感器等，压力盒按工作原理分为机械作用式、电测式和液压式等，目前使用较多的是钢弦式压力盒。 间接量测：利用量测隧道衬砌的应变、变形来推算作用在其上的围岩压力的方法，即间接量测法。如电阻应变片、钢筋应变计、遥测应变计、混凝土应变砖等2. 连续介质力学的计算模型 也称围岩-结构模型又称为现代的岩体力学模型。按连续介质力学原理及变形协调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。围岩-结构模型基本概念将支护结构与围岩视为一个整体，作为共同承载的地下结构体系，故也称复合整体模型。围岩是直接的承载单元支护结构是镶嵌在围岩孔洞上的承载环

13、，只是用来约束和限制围岩的变形，两者共同作用的结果是使支护结构体系达到平衡状态。天府广场地下综合体三维实体模型 近接上下交叉隧道整体三维模型 上部管线隧道 下部贯穿隧道 侧开窗洞门 基坑开挖后初始模型 计算5000步 计算25000步 计算5000步计算25000盾构开挖初始模型 基坑开挖后初始模型 破坏 收敛-约束法： 计算结果需要用经验类比判断和补充。以测试为主的实用设计方法为现场人员所欢迎，通过直观的材料，更确切地估计地层和地下结构的稳定性和安全程度。理论计算方法可用于进行无经验可循的新型工程设计。3.地下结构的设计方法地质条件的复杂性围岩与支护结构相互作用的复杂性地质参数选择的不确定性

14、人为因素的影响。往往要同时进行多种设计方法的比较，以做出较为经济合理的设计。考虑:经验类比设计、信息化设计两者是相互联系的 ：集经验设计、理论分析和施工现场实地量测相结合的设计方法。目前在进行地下结构设计时，广泛采用结构计算、经验判断和实地量测相结合的所谓“信息化设计”方法。同时还要研究更完善的用于地下结构计算的力学模型，以便能更好地考虑结构与围岩的共同作用，逐步减少信息化设计中的反馈修改工作量。 信息化设计流程信息化设计流程根据工程地质与水文地质的结果采用理论或经验方法进行预设计经验设计继之，即可根据预设计进行施工；并在施工中对所建结构进行监控量测，对信息加以综合和处理，或进行必要的理论分析

15、。根据规范中所规定的安全条件进行对比，以判断预设计的安全性和经济性，对预设计进行修改或改变施工方法。这种以施工监测、理论分析和经验判断相结合，调查、设计与施工相交叉的设计、施工流程是非常符合地下工程特点的。其中重要的是对围岩在施工过程中的观察和量测，用一定的标准判断其稳定性。现场量测内容： 隧道内目测观察 隧道收敛量测 地表下沉量测 位移反分析，指导施工 隧道内目测观察 隧道目测观察的目的 预测开挖面前方的地质条件 为判断围岩稳定性提供地质依据 根据喷层表面状态及锚杆工作状态分析支护结构可靠度 隧道目测观察的主要内容 了解开挖工作面的工程地质，包括地质种类及分布状态，岩石颜色、成分、结构等，节

16、理状况，断层特征等 水文地质条件：地下水类型，涌水量大小，涌水位置，涌水压力，水的化学成分等 绘制开挖工作面的素描剖面图 开挖支护后的观察：初期支护的裂缝状况，锚杆端头情况，钢拱架是否被压曲，是否有底鼓现象 隧道目测观察中围岩破坏形态分析 危险性不大的破坏：构筑仰拱后在拱肩部出现的剪切破坏一般进展缓慢，危险性不大 危险性较大的破坏：在未构筑仰拱前拱顶混凝土因受弯曲压缩而产生的裂隙常常进展急剧，伴随有碎片飞散，危险性较大 塌方征兆的破坏：拱顶喷层出现对称的向下滑落的剪切破坏现象，或侧墙发生向内侧滑动的剪切破坏并伴随有底鼓现象，都会引起塌方事故的破坏形态 隧道收敛量测 净空相对位移测量（收敛测量）：洞壁上两点两次测量的位移差 拱顶下沉量测：测量方法，可采用水平仪计、挠度计、全站仪等 围岩内部位移量测：通常采用钻孔伸长计或位移计，它由锚固、传递、孔口装置、测试仪器等组成 1.4 地下结构设计的内容 1. 设计流程 (1) 初步拟定截面尺寸 (2) 确定荷载 (3) 结构稳定性检算 (4) 结构内力计算 (5) 内力组合 (6) 配筋设计 (7) 安全性评价 (8) 绘制施工设计图1.4 地下结构设计的内