地下建筑结构设计方法

1、二 地下建筑结构设计方法地下结构设计内容、流程地下结构计算理论的发展常用的地下建筑结构设计方法目前地下结构计算方法1、地下结构设计的内容设计内容和设计流程衬砌截面尺寸的初步拟定交通隧道设计的主要内容内容初步设计的内容主要包括：（一) 工程等级和要求，以及静、动荷载标准的确定；（二) 确定埋置深度与施工方法；（三) 初步设计荷载值；（四）选择建筑材料；（五）选定结构型式和布置；（六）估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等尺寸（七） 绘制初步设计结构图；（八）估算工程材料数量及财务概算。 技术细节的主要内容是：（一）计算荷载：按地层介质类别、建筑用途、防护等级、地震级别、埋置深度等求出作用在结构上

2、的各种荷载值；（二）计算简图：根据实际结构和计算工具情况，拟出恰当的计算图式；（三）内力分析：选择结构内力计算方法，得出结构各控制设计截面的内力；（四）内力组合：在各种荷载内力分别计算的基础上，对最不利的可能情况进行内力组合，求出各控制界面的最大设计内力值；（五）配筋设计：通过截面强度和裂缝计算得出受力钢筋，并确定分布钢筋与架立钢筋；（六）绘制结构施工详图：如结构平面图、构件配筋图、节点详图，风、水、电和其他内部设备的预埋件图；（七）材料、工程数量和工程财务预算。流程 (1)初步拟定截面尺寸 根据施工方法选定结构形式和布置，根据荷载和使用要求估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等主要尺寸。 (

3、2)确定其上作用的荷载 要根据荷载作用组合的要求进行，需要时要考虑工程的防护等级、三防要求与动载标准的确定。 (3)结构的稳定性验算 地下结构埋深较浅又位于地下水位线以下时，要进行抗浮验算；对于敞开式结构(墙式支挡结构)要进行抗倾覆、抗滑动检算。 (4)结构内力计算 选择与工作条件相适宜的计算模式和计算方法，得出结构各控制截面的内力。 (5)内力组合 在各种荷载作用下分别计算结构内力的基础上，对最不利的可能情况进行内力组合，求出各控制截面的最大设计内力值，并进行截面强度检算。 (6)配筋设计 通过截面强度和裂缝宽度的核算得出受力钢筋量，并确定必要的构造钢筋。 (7)安全性评价 若结构的稳定性或

4、截面强度不符合安全度的要求时，需要重新拟定截面尺寸，并重复以上各个步骤，直至各截面均符合稳定性和强度要求为止。 (8)绘制施工设计图 当然，并不是所有的地下结构设计计算都包括上述的全部，要根据具体情况加以取舍。 运营管理设施设计：1、隧道通风系统设计2、隧道照明系统设计3、隧道消防及给水、排水系统设计4、隧道供配电系统设计5、隧道监控系统设计6、隧道防灾与救援设计7、隧道安全设施设计8、隧道绿化与景观设计土建工程设计：1、总体设计（平纵横设计）2、洞口段设计(洞门、明洞)3、隧道衬砌设计4、竖井斜井等通风构造物设计5、隧道防排水系统设计6、辅助施工方法设计7、横洞及沟管等附属工程设计8、施工开

5、挖方法设计9、路基路面设计10、监控量测方案设计11、超前地质预报方案设计12、施工组织方案设计四、 交通隧道设计的主要内容各类隧道断面尺寸 各类隧道毛洞尺寸（宽*高） 铁路单线隧道：7*6.5m铁路双线隧道：10*7m铁路三线隧道：14*10m公路双车道隧道：12*9m公路三车道隧道：17*11m公路四车道隧道：21*14m四车道连拱隧道：24*7m六车道连拱隧道：33*12m八车道连拱隧道：37*14m地下建筑结构的设计必须通过适当的计算，以得到科学合理方案 2 地下结构计算理论的发展结构计算内容 (1)横断面的设计 在地下结构物中，一般结构的纵向较长，横断面沿纵向通常都是相同的。沿纵向在

6、一定区段上作用的荷载也可认为是均匀不变的。同时认为高度和宽度也不大，变形总是沿短方向传递。可认为荷载主要由横断面承受，即通常沿纵向截取1m的长度作为计算单元，如下图所示，从而将个空间结构简化成单位延米长的平面结构按平面应变进行分析。 结构横断面计算简化 (2)隧道纵向的设计 工程实践表明，由于隧道纵向很长，为避免由于温度变化、混凝土固结的不均匀收缩、地基的不均匀沉降等原因引起的隧道开裂。须设置伸缩缝或沉降缝，统称变形缝。 隧道纵向需配钢筋(3)洞口或交叉隧洞的设计 考虑洞口类型、交叉段应力集中及防水要求。 地下建筑结构计算理论的发展历史至今已有百余年，它与岩土力学的发展有着密切的关系，十九世纪

7、初才逐渐形成自己的计算理论。早期的地下支护结构多为砌石或木结构，一般未经力学分析和设计。直到近代结构力学原理逐步阐明后，地下支护结构才被看作是一种力学结构，通过一定的力学分析进行设计，以求达到合理使用建筑材料并保证建筑物的稳定与安全的目的。随着新奥法理论的出现以及岩土力学、测试技术、计算机技术和数值分析方法的发展，地下建筑结构计算理论逐渐完善。 地下结构计算理论的发展分以下4个阶段： 地下结构计算理论的发展（1）刚性结构阶段 以砖石材料砌筑的拱形结构-压力线计算理论（静力学的三铰拱静定体系，偏于保守）。（2）弹性结构阶段 十九世纪后期，混凝土与钢筋混凝土应用于地下结构，以超静定弹性结构计算内力

8、：荷载是主动的地层压力，考虑地层对结构产生的弹性抗力的约束作用。（目前软弱土层中还用） 又分为：假定弹性反力阶段、弹性地基梁阶段一、假定弹性反力阶段 地下结构衬砌在承受主动荷载作用产生弹性变形的同时，将受到地层对其变形产生的约束作用。地层对衬砌变形的约束作用力就称之为弹性反力。将地层对衬砌的约束按假设形式进行考虑。缺点：设计偏于不安全。二、弹性地基梁阶段 由于假定抗力法对抗力图形的假定带有较大的任意性，人们开始将边墙视为弹性地基梁。将隧道边墙视为支承在侧面和基底地层上的双向弹性地基梁，即可计算在主动荷载作用下拱圈和边墙的内力。（图中K1、K2分别为地层压力和底部反力产生的弹性抗力） （3）连续

9、介质阶段 人们认识到地下结构与地层是一个受力整体，20世纪起，逐渐开始按连续介质力学理论(弹塑性力学)计算地下结构内力。主要使用弹性、弹塑性、粘弹塑性理论对圆形隧道进行分析。解析计算很困难。 r rr0 （4）数值分析与信息反馈设计阶段 数值分析方法： 用有限元法、有限差分法、边界元法、离散元法、数值流形法等数值方法及计算机手段分析结构内力与变形特征。Y=2xY=x5+x3以新奥法理论为基础，采用锚杆与喷射混凝土支护工艺、控制爆破和监控量测技术，将支护与围岩共同作用、信息反馈原理应用在地下工程中，形成现代信息化支护理论与技术。信息反馈设计从发展趋势看，新奥法开创的理论经验量测相结合的“信息化设

10、计”体现了地下建筑结构设计理论的发展方向。 现代地下结构设计理念与传统理论的区别（1）对围岩压力的认识方面传统支护理念认为围岩压力由洞室塌落的围岩“松动压力”造成，而现代支护理论则认为围岩具有自承能力，围岩作用于支护上的压力不是松动压力，而是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，围岩当作荷载，支护作为承载结构，属于“荷载结构”体系。现代支护理论则将围岩支护作为一个统一体，二者组成“围岩支护”结构体系共同工作。（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。（4）在设计计算方法上 传统支护主要是确定作用在支

11、护上的荷载，现代支护设计主要是确定岩体地应力，由围岩和支护共同承载。（5）在支护形式和工艺上 现代支护理论的形成与发展，首先是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围岩，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，尤其是现场监控量测的应用。到20世纪80年代又将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。与对比文件1相比3 常用的地下建筑结构设计方法 提纲：一力学分析法二工程类比法三新奥法思想与信息化设计法

12、四解析计算设计方法五不连续面分析方法六有限单元方法一 力学分析方法A力学分析过程：结构分析（部件单独分析部件组合分析建立分析模型）求解，计算应力值确定允许极限与安全系数确定结构尺寸。隧道力学法设计模型 B模型形式：结构模型有几种型式，数学模型或计算机模型一般要比光弹模型或三维物理模型节省费用和时间。一旦确定一种模型，就可建立方程式，其解应是独立的、存在的、充分的和合适的。 C地下建筑结构形式：工程地质方面，地质结构（围岩）可被看作是连续结构或不连续结构，而混凝土结构一般看做连续结构体。 D荷载特征：作用在结构体上的荷载可能是不变的，也可能是变化的或呈与时间有规律性变化。其次，荷载的大小、方向、

13、作用点可能与时间有关，也可能与时间无关。结构材料可能是脆性的、韧性的、弹塑的或粘弹塑性的，并表现为线性或非线性特征。二、工程类比法在现代地下建筑结构设计方法中，工程类比法仍是首要选择的方法，对于满足设计的可靠性起着十分重要的作用。工程类比法设计的关键是正确合理地确定围岩类别。在国外比较有影响的方法是Q质量指标法、RMR法，在国内常用国标，我国交通、水电部门也提出了围岩分类方法。若按新奥法施工，工程类比法设计所提出的参数，还必须根据量测反馈信息作适当修正，才能应用于实际。目前工程类比法还是国内外应用最广的设计方法。三、新奥法与信息化设计新奥法（New Austria Tunneling Meth

14、od,简称NATM）思想是一种设计与施工理念，其思想以工程类比法为主，并通过现场监控量测确认和修正，必要时可辅以理论验算。新奥法设计分施工前预设计和信息反馈设计两个阶段。目前新奥法的设计方法以工程类比法应用最广，并以现场监控量测进行工程检验。 工程建设中，信息化设计与施工是一个新颖的发展方向，也是未来工程建设将采取的主要方法之一。信息化设计与施工基本原理：利用初步勘察得到地质资料，采取数值模拟技术、理论计算和经验类比方法确定初步的设计方案，通过施工现场监测获得地质资料、围岩力学动态、支护工作状态的有关数据以及施工技术状态（信息），再采取多种手段对这些数据进行整理与分析，来判断围岩及支护结构体系

15、的稳定性和工作状态，反馈于设计与施工，从而选择和修正开挖、支护参数，使隧道的建设达到优化。信息化设计与施工的核心：信息的采集、整理和反馈。 四、 解析计算设计方法 解析计算设计方法是以弹、塑性理论为基础，视围岩介质为连续介质，通过应力应变的概念达到设计目的。 解析法内容包括原位应力的分析和因开挖使围岩应力重新分布（只考虑自重应力场，隧道为圆形，埋于相当深度，为无限平面中的孔洞问题），造成岩体强度的损失。 在开挖前的地质条件下，岩体处三轴应力状态。开挖后原三轴应力状态减为二轴应力或单轴应力状态，这使得岩体的承载能力大大减小。 地下结构设计方法8.解析设计计算方法图8岩体力学方法分析流程图8-弹塑

16、性区交面的应力平衡图8-计算微元受力平衡图衬砌层五 不连续面分析方法 岩体中存在不连续体，如层理面、节理、断层、褶皱、剪切区、矿层、矿脉和裂缝等结构。这些不连续体与洞室开挖面可能形成一个不稳定并会滑落的块体，若使用锚杆或其它外部支护或注水泥浆将该块体稳固在它的初始位置，就能增加该块体与其它块体接触面间的自锁能力和剪切力。 Goodman(1988)指出，使围岩稳定，需要确定对稳定起关键作用的块体“Key block”，他认为，关键块体是一个单个块体，去掉它，会使得受它控制的几个其它块体产生无法控制的滑动。因此，必须用锚杆或其它支护系统控制有滑动趋势的块体，在应力作用下，软岩块体会产生新的裂缝，

17、因而就产生新的关键块体。 不连续面分析方法应用于地下工程分析的主要特点有：（1）三维分析，这更能反映地下工程的实际特点；（2）可以直接指出洞室中最危险的关键块体位置，并估算支护力。因此可直接用于施工过程的及时分析：（3）无需划分精确的网格和单元：（4）只考虑节理面的剪切强度，而不考虑岩体的本身强度和变形：（5）分析方法以矢量运算和赤平投影为主，使用简单而方便，易于编程。 关键块体理论把存在于裂隙岩体中的块体分为以下五种可能的类型：分析过程和步骤如下：（1）通过结构面的产状、间距，岩芯长度等几何因素的分析，采用有限性定理和可动性定理排除第V类和第IV类块体;（2）进行运动学分析，确定块体在重力和

18、外力作用下的运动形式排除第III类块体;（3）根据滑动面的物理力学特性进行力学分析，求出各可移动块体的净滑动力。若净滑动力小于零，则说明是第II类块体；大于或等于零，则说明该块体是关键块体（I类）。这种分析可采用空间矢量运算法和赤平投影法作图求解；（4）设计支护方案，使支护力大于净滑力。六、有限元法有限元法的基本思想是将连续体用网络划分成若干个有限数目的单元体 ，计算荷载作用下每个单元上的应力应变等力学参数。 有限单元法是自上世纪50年代发展至今，其以弹塑性力学作为理论基础，通过求解弹塑性力学方程（物理方程、几何方程、平衡方程），计算隧道围岩体在一定的环境条件（自重、荷载等）下的应力场和位移场

19、，然后根据相应的岩土体破坏准则，判断隧道围岩体各相应部位在该应力作用下所处的状态，并指出可能发生破坏（拉张破坏、剪切破坏、塑性破坏等）的部位和区域，以此对整个隧道的稳定性进行评价。由于这种方法是基于小变形和连续介质的假设，因此只适用于分析模拟隧道变形发展演化的早期阶段在应力场作用下发生的拉张或压缩变形，而不能模拟分析隧道围岩体的大变形问题。 4 目前地下结构计算方法前述设计方法发展阶段4.1 概述4.2 结构内力的计算方法 4.3 设计模型与计算方法 4.4 地下结构计算原理和设计方法中的新进展 4.1 概述 4.1.1地下结构的分类按照结构形式的不同，地下结构可分为五大类： (1) 拱形结构

20、按其适用范围和构造形式又可分为喷锚衬砌、半衬砌、厚拱薄墙衬砌、直墙拱衬砌、曲墙拱衬砌、落地拱衬砌和双连拱衬砌等拱形结构。（2）圆形和矩形管状结构软土中的地下铁道或穿越江、河底的越江隧道常采用圆形和矩形管状结构，一般做成装配式的管片或管节，在施工时利用盾构、顶管或沉管法掘进或沉放施工。（3）框架结构软土中浅埋明挖施工的地下铁道车站常采用箱形结构，计算这种结构常采用框架的计算理论并称之为框架结构。软土中的地下厂房、地下医院或地下指挥所也常采用框架结构。（4）薄壳结构岩石中地下油库罐室的顶盖多采用穹顶，软土中的地下厂房有的采用圆形沉井结构，其顶盖也可用穹顶。（5）异形结构异形结构指非圆形和非矩形管状

21、结构，在软土地层中采用盾构法施工时有双圆形衬砌结构、三圆形衬砌结构、椭圆形衬砌结构等。图 3-7 拱形结构2006-10-11圆形和矩形管状结构可分为整体式和装配式两种： 图 3-8 衬砌结构形式图 3-9 装配式衬砌结构图 3-10 装配式圆管结构的构造框架结构异形结构a 双圆盾构b 三圆盾构图 3-11 异形盾构图4 北京天外天地下商场暗挖五跨连拱隧道54.2 结构内力的计算方法按衬砌与地层相互作用方式的不同，地下结构计算方法大致可分为两类：1）荷载结构法；2）地层结构法。 4.2.1荷载结构法 认为地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载（包括主动的地层压力和被动的地层抗力）以计算

22、衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的方法称为荷载结构法，该方法有时又称为结构力学法。 荷载结构法又有以下三种模式：主动荷载模式 不考虑地层与支护结构的相互作用。该计算模式主要适用于采用浅埋暗挖或明挖法施工的城市地铁及明洞工程。主动荷载加被动荷载模式 认为地层不仅对结构施加主动荷载，而且通过支护抗力来约束支护结构的变形。适用于任何形式的地层条件。实际荷载模式 采用量测仪器实地量测作用在衬砌上的荷载大小，该数值综合反映了地层与衬砌支护结构的相互作用。某一种实地量测的荷载，只能适用于与其类似的情况（包括地层、衬砌及回填）。 实际工程中，主动荷载加被动荷载模式应用较多。 主动荷载又可分为主要荷载、附加荷

23、载、偶然荷载以及特殊荷载等。(a)主要荷载 即长期的、经常作用的荷载，如地层压力、支护结构的自重、地下水压力及活载等。 应当指出，在围岩分类及确定围岩压力的研究中，工程类比法起着不容忽视的作用。 静水压力可按低水位考虑。 对于没有仰拱的衬砌结构，车辆活载直接传给地层。对于设有仰拱的衬砌结构，车辆活载对拱、墙结构的受力影响根据具体情况而定，一般可略去不计。(b)附加荷载 即偶然的、非经常作用的荷载，如温差应力，灌浆压力，冻胀力及地震力等。 其中主要的是地震力，其计算按照相关的抗震规范取值设计。民防地下工程则考虑武器的冲击、侵彻、爆炸作用引起的动力荷载。 计算荷载应根据以上两类荷载同时存在的情况进

24、行组合。 一般主要考虑主要荷载，只有在某些特殊情况，如7级以上地震区，或严寒地区冻胀性土壤的洞口段衬砌，按主要荷载加附加荷载来验算结构，但此时可采用较低的安全系数。民防工程则应依设防等级确定附加动载及等效静载。 隧道衬砌结构计算的主要内容有：按工程类比法初步拟定衬砌断面的几何尺寸，确定作用在衬砌结构上的荷载；进行力学计算，求出衬砌截面的内力（弯矩和轴力）；对截面进行配筋设计，检验衬砌截面的承载安全系数K值。 早年有弹性连续框架（含拱形构件）法、假定抗力法和弹性地基梁（含曲梁）法等 按采用的地层变形理论的不同分为局部变形理论计算法和共同变形理论计算法。 由于采用荷载结构法进行内力计算是一个非线性

25、问题，可以采用简化假定或迭代求解。4.2.2 地层结构法 认为衬砌与地层一起构成受力变形的整体，并可按连续介质力学原理来计算衬砌和周边地层的计算方法，称这种方法为地层结构法。地层结构法认为地下结构周围的地层不仅能对衬砌结构产生荷载，而且其自身也能承受荷载，地下结构是否安全可靠，首先取决于周围地层的稳定状态。地层结构法进行内力计算的特点是，不仅计算衬砌结构的内力，而且计算洞室周围地层的应力。 只是对圆形洞室的解析解发展比较完善。 由于材料非线性、几何非线性、节理和其它不连续特征以及开挖效应等许多复杂的工程因素，一般只能借助有限单元法等数值方法进行计算。 4.3 设计模型与计算方法4.3.1设计模型1.世界各国隧道设计模型 国际隧道协会(ITA)在1978年成立了隧道结构设计模型研究组，收集和汇总了各会员国目前采用的设计地下结构的方法，结果列于表1-1。经过总结，国际隧协认为可将其归纳为以下四种模型： (1) 以参照已往隧道工程的实践经验进行工程类比为主的经验设计法；(2) 以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法，例如以洞周位移量测值为根据的