《地下结构设计》课程教学大纲

1、地下结构设计教学大纲一、课程基本情况英文名称：Design of Underground Structures课程编号：F091710016048总 学 时：48 讲课学时：48 实践学时：0总 学 分：3课程性质：必修考核方式：考试适用对象：土木工程专业（地下工程方向）先修课程：土力学、岩体力学、混凝土结构设计原理参考文献：地下结构设计，赵延喜、戚承志、周宪伟，人民交通出版社，2017地下建筑结构设计(第3版)，王树理，清华大学出版社，2015地下结构设计理论与方法及工程实践，孙钧，同济大学出版社，2016二、课程目标本课程是土木工程（地下工程）专业核心课程，涉及土力学与地基基础、岩体力学、

2、基础工程、结构设计原理、结构力学等知识。通过本课程的学习，使学生达到如下课程目标：1.能复述地下结构的概念，明确地下结构分类、特点和地下结构的形式，说明地下结构设计程序。 支撑毕业要求1-42.能计算土层和岩石地下衬砌结构的荷载，能复述地层与地下结构共同作用的概念、能计算土压力、围岩压力和弹性抗力；能采用局部变形理论和共同变形理论计算地下结构，阐述结构弹性抗力的概念和计算理论；能阐明地下连续墙和基坑等围护结构的设计计算方法，能进行地下连续墙施工方法、特点及设计、结构计算，围护结构计算模型及计算原则、桩墙内力计算分析方法、支撑体系平面框架计算，能进行围护结构内力计算和设计。支撑毕业要求2-43.

3、能阐明各种地下结构的适用环境和构造；能设计地铁车站、区间隧道、沉管、沉井、地下连续墙等各种地下结构的结构形式，能利用明挖法、暗挖法进行地铁车站结构设计；能设计区间隧道衬砌断面形式、抗裂及裂缝限制计算、强度计算等。能阐述隧道防水及其综合处理方法及技术措施；能阐明地下工程抗震设计中震害现象及地下结构抗震设计的原则及结构措施；能利用BIM技术进行地下结构设计及优化。 支撑毕业要求3-1，3-2表1 本课程对毕业要求及其指标点的支撑课程目标课程目标支撑的毕业要求指标点支撑强度课程目标对应的知识单元课程目标11-4：能够针对一个复杂土木工程问题提出若干解决方案（或计算模型），并进行对比分析，以期获得最佳

4、的解决方案或最合理的计算模型。强支撑知识单元一课程目标22-4：能够运用土木工程基本原理，借助文献研究，分析复杂工程问题的影响因素，获得有效结论。强支撑知识单元二、六、七课程目标33-1：掌握土木工程设计的知识、方法和技术,能够设计满足土木工程特定需求的构件、节点、构造。强支撑知识单元三、四、五、八综合训练3-2：能够针对复杂的土木工程问题，利用设计原则进行结构体系的设计，并能够完成施工工艺流程及方案的设计。强支撑三、教学内容、教学方法和手段、学时分配知识单元一：地下结构的概念、分类 支撑课程目标1（建议2学时）教与学要求：本知识单元要求学生能解释地下结构概念，明确地下结构的分类方法， 能按使

5、用功能、周围围岩介质、设计施工方法和建筑材料和结构形式等对地下结构进行分类；能理解地下结构的特点，能掌握地下结构的形式和断面选择；能掌握地下结构的设计程序，能了解地下结构初步设计和施工图设计。教师通过多媒体讲解，使学生能够基于科学原理对地下结构概念、分类、特点和地下结构设计程序进行设计。教与学方法：讲授、案例知识点1：地下结构的概念和分类主要内容和要求：地下结构的概念（重点）、地下结构的分类方法（重点）、地下结构的特点知识点2：地下结构的形式主要内容和要求：地下结构的形式（重点）、地下结构断面形式选择。知识点3：地下结构的设计程序主要内容和要求：初步设计和施工图设计。知识单元二：地下结构荷载效

6、应组合及设计方法 支撑课程目标2、3（建议6学时）教与学要求：本知识单元要求学生能明确荷载组合及确定方法。能计算土压力、围岩压力概念；能推导深埋、浅埋地下结构围压压力计算过程；能采用弹性地基梁理论，计算地层弹性抗力。明确地下结构自重和其他荷载计算方法。教师通过多媒体展示地下结构荷载效应组合及设计方法，使学生了解地下结构设计的基本原理和设计计算方法，掌握地下结构荷载效应组合及设计方法。学生在课后通过复习，能计算地下结构土压力、围岩压力、地层弹性抗力、地下结构自重及其他荷载，明确地下结构的设计方法。教与学方法：讲授、案例知识点1：地下结构荷载效应组合主要内容和要求：了解荷载种类；掌握荷载组合及确定

7、方法。知识点2：地层压力计算 主要内容和要求：理解土压力、围岩压力概念；能推导深埋、浅埋地下结构围压压力计算过程；掌握初始朗肯土压力、围岩应力确定及地层弹性抗力计算方法。 知识点3：地层弹性抗力计算主要内容和要求：理解局部弹性地基模型、半无限体弹性地基模型优缺点，掌握弹性地基梁挠度曲线微分方程推导，初参数解，方程的通解与特解知识点4：地下结构自重及其他荷载计算主要内容和要求：掌握地下结构自重、了解地下结构遭遇的其他荷载。知识点5：地下结构设计方法主要内容和要求：理解荷载-结构模型，地层-结构模型知识单元三：地铁车站结构设计 支撑课程目标3（建议8学时）教与学要求：本知识单元要求学生能复述地铁车

8、站结构组成，能明确阐述、区分地铁车站的结构形式，掌握明挖法、盖挖法、矿山法和盾构法施工的车站结构形式，能设计换乘站隧道衬砌结构形式。能明确阐明地铁车站结构设计内容及流程，能进行车站维护结构设计，主体结构设计，掌握维护结构和主体结构计算理论与方法。能进行暗挖车站结构设计，明确暗挖车站结构设计原则，计算暗挖车站荷载组合和结构计算。能进行地下车站结构防水设计，能设计常用防水措施。教师通过多媒体和板书相结合的方法，使学生能够基于科学原理并采用科学方法对地下工程中特殊地质条件下的安全与稳定性复杂问题进行研究，能进行明挖、暗挖车站地下结构设计和防水设计。教与学方法：讲授、案例知识点1：地铁车站结构形式主要

9、内容和要求：地铁车站的结构形式，了解围护结构设计和主体结构设计知识点2：明挖车站结构设计主要内容和要求：明挖法施工的车站结构形式、明挖法施工的车站结构特点、盖挖法、矿山法施工和盾构法施工的车站结构形式。知识点3：暗挖车站结构设计主要内容和要求：地铁车站围护结构设计流程及内容，地铁车站结构的荷载内力计算与设计（重点），车站围护结构设计，围护结构与主体结构的组合方式。知识点4：地铁车站结构防水设计主要内容和要求：地铁车站结构防水设计一般规定，混凝土结构自防水、附加防水层以及常用防水措施知识单元四：隧道结构设计 支撑课程目标3（建议8学时）教与学要求：本知识单元要求学生能进行地铁区间隧道选型、设计地

10、铁区间隧道结构形式，能对地铁区间隧道截面设计与构造、地铁区间隧道结构设计原则进行阐述；能阐述明挖法隧道工艺原理，明挖隧道结构形式，进行明挖隧道结构设计；能进行盾构法隧道衬砌结构设计，设计隧道衬砌形式和作用，计算圆环衬砌内力。能进行管片纵缝计算和环缝设计。教师通过多媒体和板书进行讲解，使学生能够基于科学原理并采用科学方法对地下工程中特殊地质条件下的安全与稳定性复杂问题进行研究，能进行明挖、暗挖车站地下结构设计和防水设计。能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具。教与学方法：讲授、案例知识点1：地铁区间隧道结构设计主要内容和要求：了解结构形式、受力特点和适

11、用条件、一般技术要求，掌握计算简图、内力计算方法、设计步骤。知识点2：明挖隧道结构设计 主要内容和要求：理解钢筋混凝土管片设计要求；掌握计算方法选择、荷载确定掌握抗裂及裂缝限制计算、强度计算、直径变形计算、纵向接缝计算、环缝计算。知识点3：盾构法隧道衬砌结构设计主要内容和要求：了解衬砌断面形式与选型、分类、混凝土管片、管片接头构造，理解钢筋混凝土管片设计要求；掌握计算方法选择、荷载确定，掌握抗裂及裂缝限制计算、强度计算、直径变形计算、纵向接缝计算、环缝计算。知识点4：隧道防水及其综合处理主要内容和要求：了解衬砌抗渗、管片制作精度、接缝防水基本技术要求、二次衬砌及新型管片介绍知识单元五:其他地下

12、结构设计 支撑课程目标3（建议8学时）教与学要求：本知识单元要求学生能进行沉管、沉井、顶管等地下结构设计。能明确阐述沉管法施工过程和工程特点；能了解沉管法隧道技术需求与发展；能计算沉管结构荷载，进行沉管结构受力计算与设计，能进行管段接头设计。阐明沉井的类型与构造以及沉井结构设计流程，计算沉井下沉系数、抗浮稳定性和刃脚计算，能进行沉井井壁、底板和封底计算。能阐明顶管结构设计概念，设计顶管工作井，计算顶管推力，顶管承压壁后靠土体的稳定性验算，叙述顶管挖掘方法、设备和管材。教师通过多媒体和板书进行讲解，使学生能够基于科学原理并采用科学方法对地下工程中特殊地质条件下的安全与稳定性复杂问题进行研究。能够

13、针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具。教与学方法：讲授、案例知识点1：沉管结构设计主要内容和要求：掌握水底隧道主要施工方法、沉管隧道施工、设计及防水措施，了解变形缝布置、构造、止水缝带、管段接头、基础处理知识点2：沉井结构设计主要内容和要求：了解沉井结构类型；掌握沉井构造、结构计算内容，了解沉箱结构组成、设计注意事项。知识点3：顶管结构设计主要内容和要求：了解顶管结构类型；掌握顶管构造、结构计算内容，了解顶管结构组成、设计注意事项。知识单元六：地下连续墙结构 支撑课程目标2 （建议6学时）教与学要求：本知识单元要求学生能阐明地下连续墙结构的概念，能举例

14、说明地下连续墙施工方法、特点和适用条件，明确地下连续墙的技术要点；能分析地下连续墙受力特点及破坏形式；能对地下连续墙设计计算的主要内容和荷载计算、槽幅设计、导墙设计、连续墙厚度深度进行选择；能阐述地下连续墙计算理论及方法；能进行地下连续墙施工接头和结构接头设计。教师通过多媒体和板书进行讲解，使学生能够基于科学原理并采用科学方法对地下工程中特殊地质条件下的安全与稳定性复杂问题进行研究。教与学方法：讲授知识点1：地下连续墙挡土墙设计主要内容和要求：理解地下连续墙施工方法、特点及设计、结构计算知识点2：地下连续墙兼做外墙时设计主要内容和要求：了解单一墙设计、重合墙设计、复合墙设计、分离墙设计、地下连

15、续墙承重墙设计知识点3：地下连续墙接头设计主要内容和要求：理解施工接头、结构接头重点和难点：重点地下连续墙施工方法、特点及设计、结构计算知识单元七：基坑围护结构 支撑课程目标2（建议6学时）教与学要求：本知识单元要求学生能阐明基坑围护结构的类型的概念，能举例说明基坑围护结构的类型及适用条件，明确基坑安全等级、支护板桩的受力性状等基坑工程的设计内容；能对基坑支护结构的受力进行分析，对基坑支护结构破坏形式进行归纳总结；能分别采用经典方法、弹性地基梁法、有限元法进行基坑支护结构内力计算。能进行基坑稳定性验算。能设计常见围护结构构造形式。教师通过多媒体和板书进行讲解，使学生能够基于科学原理并采用科学方

16、法对地下工程中特殊地质条件下的安全与稳定性复杂问题进行研究。教与学方法：讲授知识点1：基坑工程设计内容主要内容和要求：了解设计与施工工序，基坑安全等级，掌握围护结构选择、稳定性验算知识点2：基坑围护结构内力计算 主要内容和要求：了解围护结构计算模型及计算原则、桩墙内力计算分析方法、支撑体系平面框架计算知识点3：基坑稳定性验算主要内容和要求：理解边坡稳定、基坑抗隆起稳定、整体稳定性验算、抗渗验算知识点4：常见围护结构主要内容和要求：掌握桩墙围护结构、重力式围护墙设计与施工重点和难点：重点围护结构选择、稳定性验算知识单元八：地下结构抗震设计 支撑课程目标3（建议4学时）教与学要求：本知识单元要求学

17、生能进行震害现象调研与分析，明确阐述地下结构地震反应特点；能明确阐述地下结构抗震分析方法和抗震设计准则；能应用等效静力荷载法、反应位移法和动力分析法进行地下结构横断面抗震设计；能简单应用反应位移法、BART隧道设计法进行地下结构在纵向地震作用下的响应分析；能了解地下结构沿轴向横波作用下的响应分析；能阐述地下结构抗震设计的基本原则及相应的结构措施。教师通过多媒体进行讲解，使学生能够基于科学原理并采用科学方法对地下工程中特殊地质条件下的安全与稳定性复杂问题进行研究，能进行明挖、暗挖车站地下结构设计和防水设计。能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具。教与学

18、方法：讲授知识点1:地下结构抗震设计原则和构造措施主要内容和要求：了解现浇整体钢筋混凝土结构的抗震设计原则、装配式钢筋混凝土结构的设计原则、地下结构的纵向抗震缝和不同结构的结合部设计原则知识点2:地下结构抗震设计计算方法主要内容和要求：理解横断面抗震计算方法、 纵向抗震计算方法、三维有限元整体动力计算法重点和难点：重点横断面抗震计算方法、 纵向抗震计算方法、三维有限元整体动力计算法综合训练项目一：浅埋式结构设计 支撑课程目标3目的：加强学生对浅埋式结构构造理解，能应用土力学和结构力学知识解决浅埋结构设计问题。设计主要内容包括：矩形闭合框架的计算和截面设计、构造要求问题，提升对浅埋式结构类型、荷

19、载压力计算、内力计算和抗浮验算的理解，以及实际工程初步设计能力，掌握地下构选型、计算原理与设计方法，具备地下结构设计的能力。要求：要求设计者接收设计任务书后，运用所学知识，经详细、全面考虑，确定设计方案，选用设计方案，认真收集查取相关的参考资料。设计主要内容包括地下结构荷载计算以及荷载效应组合计算、矩形闭合框架设计计算、截面设计和构造等内容，要求用精练的语言、简洁的文字、清晰的图表来表达自己的设计思想和计算结果，做到设计内容完整，设计合理，计算正确，叙述层次分明，条理清楚。提交的成果全部使用A4打印纸打印并装订成册，基本格式参照学院课程设计相关要求。成果形式：综合训练项目报告、计算书和设计图纸。综合训练项目二：沉井结构设计 支撑课程目标3目的：使学生能进行沉井结构设计，能应用土力学和结构力学知识解决沉井结构设计问题。主要设计内容包括：沉井建筑平面布置、沉井主要尺寸和下沉系数的验算、施工阶段井壁板