地下结构设计

地下下结结构构设设计计原原理理与与方方法法授课课：：崔崔光光耀耀E-mail:cyao456@163.co下下结结构构设设计计原原理理与与方方法法地下下工工程程环环境境的的特特殊殊性性———与地地下下结结构构物物的的周周围围环环境境息息息息相相关关，，决决定定了了它它的的工工作作特特征征。。地上上结结构构地下下结结构构概述述：：1.地下下结结构构物物的的工工作作特特征征结构上承承受的荷荷载来自自于洞室室开挖后后引起周周围地层层的变形形和坍塌塌而产生生的力，，同时结结构在荷荷载作用用下发生生的变形形又受到到地层给给予的约约束——不确定；；在地层稳稳固的情情况下—围岩本身身就是承承载结构构。地层自稳稳能力较较强时，，地下结结构将不不受或少少受地层层压力的的荷载作作用，否否则地下下结构将将承受较较大的荷荷载直至至必须独独立承受受全部荷荷载作用用。2、地下结结构体系系及其组组成（1）周围地地层（围围岩）+地下结构构＝地下下结构体体系。（2）形成地地下结构构体系与与此相关关的力学学过程：：原始围岩岩→毛洞洞→支支护体系系→稳定定的洞室室↑↑↑↑↑开挖支支护护时时间间初始应力力→坑道道开挖后后的应力力→支护护体系的的应力→→终级级应力一次应力力→二二次应力力场→→三三次应力力场→四四次应力力场（3）在此过过程中，，有许多多不确定定因素，，决定了了它的设设计和计计算方法法与地面面结构的的不同。。3、经验、、实践、、设计（1）设计方方法广泛采用用结构计计算、经经验判断断和实地地量测相相结合的的所谓““信息化化设计””方法。。（2）计算模模型要考考虑围岩岩与支护护结构的的相互作作用。（3）要明确确：经验性极极强，可可以上升升到理论论上来认认识和理理解；施工过程程（施工工方法和和支护方方法）对对坑道稳稳定有一一定、甚甚至是重重要影响响；在隧道设设计中支支护技术术的研究究也是很很重要的的。本门课程程的性质质地下结构构的工作特征征：荷载与与结构的的相互作作用；地下结构构的计算特征征：荷载－－结构围岩－结结构地下工程程的实践践经验；；因此，地地下结构构的稳定定性与围围岩的工工程性质质密切相相关。本课程的的主要内内容（1）围岩的工工程性质质：开挖前围围岩的初初始应力力场、围围岩的力力学性质质、围岩岩分级；；开挖后围围岩应力力场的变变化及与与支护结结构的相相互作用用（2）现代支支护原理理与设计计方法：：体现围围岩与支支护相互互作用的的锚喷支支护设计计方法；；（3）结构力学学的计算算方法（4）连续介介质力学学的计算算方法（5）信息反反馈设计计方法第一章概概论1.1地下结构构体系及及计算特特点掌握：地下结构构体系的的概念；；地下结构构的计算算特点衬砌的概概念及其其使用要要求；支护结构构的类型型地下结构构体系的的组成（（地下结构构体系的的概念）（1）周围地地层与地地下结构构共同组组成。（2）地层（（围岩））的作用用：①地层既既是承载载结构的的基本组组成部分分，②是形成成荷载的的主要来来源③洞室周周围的地地层在很很大程度度上是地地下结构构体系中中承载的的主体。④地下结结构的安安全度首首先取决决于地下下结构周周围的地地层能否否保持持持续稳定定，并且且应充分分利用和和更好地地发挥围围岩的承承载能力力。（3）支护的的作用在需要设设置支护护结构时时，支护护结构能能够阻止止围岩的的变形，，使其达达到稳定定的作用用，这种合二二为一的的作用机机理与地地面结构构是完全全不同的的。衬砌的概概念：或或称为被覆除在坚固固、完整整而又不不易风化化的稳定定岩层中中可以只只开成毛毛洞外，，其他在在所有地地层中的的坑道都都需要修修建支护护结构，，即衬砌砌。它是是在坑道道内部修修建的永永久性支支护结构构。衬砌（支支护结构构）基本本的使用用要求：：（1）满足结结构强度度、刚度度要求，，以承受受诸如水水、土压压力以及及一些特特殊使用用要求的的外荷载载；（2）提供一一个能满满足使用用要求的的工作环环境，以以便保持持隧道内内部的干干燥和清清洁。地下工程程的特点点隐蔽性、、力学的不不确定性性、地质环境境影响的的严重性性、可维修性性差、受施工条条件、环环境条件件约束、、对结构的的可靠性性、耐久久性和维维修性提提出更高高的要求求。2.地下结构构的计算算特性（1）必须充充分认识识地质环环境对地地下结构构设计的的影响；地层的原始应应力很难预先先决定；围岩的工程性性质复杂；地质力学参数数很难准确获获得；因此，很难事事先准确估计计地质环境对地地下结构设计计的影响（2）地下工程周周围的地质体体是工程材料、承承载结构，同时又是产产生荷载的来源；原岩应力由地地质体和支护护结构共同承承载；支护上承受的的荷载除与原原岩应力有关关，还和地质质体强度、施施工方法、施施工流程（时时间因素）、、支护形式、、结构形状等等有关。（3）地下结构施工因素和时间因素会极大地影响响结构体系的的安全性。如岩体的流变变特性，施工工方法不当，，支护过晚。。（4）地下工程支支护结构安全全与否，既要要考虑到支护结构能否否承载，又要考虑围岩会不会失失稳，这2种原因都能最最终导致支护护结构破坏；（5）地下工程支支护结构设计计的关键问题在于充分发挥挥围岩自承力。3.地下结构的形形式主要由使用、、地质和施工工因素综合决决定。使用要求：交交通隧道、地地下铁道、地地下空间等，，重点考虑的的因素是断面的利用率率；地质条件：决决定了衬砌上上承受的荷载载，当荷载较较大时，要求求结构的形状状有较好的抵抵抗荷载的性性能，且有足足够的强度；；施工方法是确确定断面形状状的决定性因因素：矿山法——拱形明挖法——一般是矩形，，盾构法——一般是圆形；；结构形式首先先由受力条件件来控制。（1）按其使用目目的（或由围围岩的稳定性性）：①防护型支护：封闭岩面，防防止围岩质量量的进一步恶恶化；②构造型支护：防止局部掉块或崩崩塌③承载型支护：轻型、中型及及重型等（2）按制造方式式（指承重型型）综合地质、使使用、施工因因素，衬砌的的制造方式可可归纳为①就地灌注整整体式混凝土土衬砌用模板浇注混混凝土衬砌，，刚度较大；；②锚喷支护：：柔性，能吸吸收围岩变形形；③复合式衬砌砌：先柔后刚刚，先锚喷后后模筑；④装配式衬衬砌：工厂预预制，施工现现场拼装。注意结构形式式、施工方式式和适用条件件。1.2地下结构计算算理论的发展展与现状刚性结构阶段段(压力线理论-三铰拱静定体体系)偏于保守,衬砌厚度偏大大弹性结构阶段段(1)假定弹性反力力阶段(2)弹性地基梁阶阶段连续介质阶段段不密实-松散支撑顶替-扰动传统的隧道修修建方法现代支护理论论与传统支护护理论之间的的区别传统方法NATM被动支护主动支护现代支护理论论与传统支护护理论之间的的区别（1）对围岩和围围岩压力的认认识方面：“松动压力””；“形变压力”；；（2）在围岩和支支护间的相互互关系上：“围岩-支护”结构体体系共同参与与工作；（3）在支护功能能和作用原理理上：及时稳定和和加固围岩；；（4）在设计计算算方法上：荷载是岩体体地应力，由由围岩和支护护共同承载。。（5）在支护形式式和工艺上：在围岩松动动之前及时加加固围岩4.信息化设计方方法原理上属于连连续介质力学学方法，只是是和现场监测测结合起来的的一种设计方方法。现场监控量测测与理论分析析结合起来，，发展成为一一种适应地下下工程特点和和当前施工技技术水平的新新设计方法——现场监控设计计方法（也称称信息化设计计方法）。目前，工程中中主要使用的的工程类比设计计法，也正在向着着定量化、精精确化和科学学化方向发展展。5.可靠性理论从发展趋势看看，新奥法开开创的理论-经验-量测相结合的“信信息化设计””体现了地下下工程支护结结构设计理论论的发展方向向。地下结构计算算理论的上述述几个发展阶阶段在时间上上并没有截然然的先后之分分，后期提出出的计算方法法一般也并不不否定前期的的研究成果，，各有其比较较适用的一面面，但又各自自带有一定的的局限性。1.3地下结构计算算的力学模型型和设计方法地下结构的力学模型必须符合下述述条件：①与实际工工作状态一致致，②荷载假定定应与在修建建洞室过程中中荷载发生的的情况一致。。③计算出的的应力状态要要与经过长时时间使用的结结构所发生的的应力变化和和破坏现象一一致。④材料性质质和数学表达达要等价。计算模型有2类：1.结构力学的计计算模型：是以支护结构构作为承载主主体，围岩作作为荷载的来来源，同时考考虑其对支护护结构的变形形约束作用的的模型，称为为结构力学模模型；(荷载-结构)2.连续介质力学学的计算模型型：视围岩为承载载主体，支护护结构则约束束围岩向隧道道内变形的模模型，称为岩岩体力学或连连续介质力学学模型。(地层-结构)1.结构力学的计计算模型基本概念、适适用条件、在在计算模型中中如何反映围围岩与结构的的相互作用？？荷载：主动荷载－围岩松动变变形的作用力力弹性反力－地层对结构构变形的约束束力弹性反力的计计算局部变形理论论或共同变形形理论计算。。目前常用的的是以温克尔（Winkler）假定为基础的局部部变形理论来来确定。局部变形理论论温氏假定相当当于把围岩简简化成一系列列彼此独立的的弹簧，某一一弹簧受到压压缩时所产生生的反作用力力只与该弹簧簧有关，而与与其他弹簧不不相干。共同变形理论论（1）主动荷载模模型只考虑主动荷荷载即围岩压力力（2）主动荷载载加围岩弹弹性约束的的模型围岩压力：：主动荷载载弹性反力：：被动荷载载计算弹性反反力假定弹性反力（3）实地量测测荷载模式式综合主动荷荷载和弹性性反力围岩应力的的现场量测测实测围岩压压力的方法法很多，可可归纳为两两类：直接量测间接量测●直接量测测：主要采用压压力盒、压压力传感器器等，压力力盒按工作作原理分为为机械作用用式、电测测式和液压压式等，目目前使用较较多的是钢钢弦式压力力盒。●间接量量测：利用量测隧隧道衬砌的的应变、变形形来推算作用用在其上的的围岩压力力的方法，，即间接量量测法。如如电阻应变变片、钢筋筋应变计、、遥测应变变计、混凝凝土应变砖砖等2.连续介质力力学的计算算模型也称围岩-结构模型又又称为现代代的岩体力力学模型。。按连续介质质力学原理理及变形协调条条件分别计算衬衬砌与围岩岩中的内力力，并据以以验算地层层的稳定性性和进行结结构截面设设计。围岩-结构模型基基本概念将支护结构构与围岩视视为一个整整体，作为为共同承载载的地下结结构体系，，故也称复复合整体模模型。围岩是直接接的承载单单元支护结构是是镶嵌在围围岩孔洞上上的承载环，只是用来来约束和限限制围岩的的变形，两者共同作作用的结果果是使支护护结构体系系达到平衡衡状态。天府广场地地下综合体体三维实体体模型近接上下交交叉隧道整整体三维模模型上部管线隧隧道下部贯穿隧隧道侧开窗洞门门基坑开挖后后初始模型型计算5000步计算25000步计算5000步计算25000盾构开挖初初始模型基坑开挖后后初始模型型破坏收敛-约束法：计算结果需需要用经验类比判断和补充充。以测试为主主的实用设设计方法为为现场人员员所欢迎，，通过直观观的材料，，更确切地地估计地层层和地下结结构的稳定定性和安全全程度。理论计算方方法可用于于进行无经经验可循的的新型工程程设计。3.地下结构的的设计方法法地质条件的的复杂性围岩与支护护结构相互互作用的复复杂性地质参数选选择的不确确定性人为因素的的影响。往往要同时时进行多种种设计方法法的比较，，以做出较较为经济合合理的设计计。考虑:经验类比设设计、信息息化设计两者是相互互联系的：：集经验验设计、理理论分析和和施工现场场实地量测测相结合的的设计方法法。目前在进行行地下结构构设计时，，广泛采用用结构计算、、经验判断断和实地量量测相结合合的所谓“信息化设计计”方法。同时还要研研究更完善善的用于地地下结构计计算的力学学模型，以以便能更好好地考虑结结构与围岩岩的共同作作用，逐步步减少信息息化设计中中的反馈修改工作量。信息化设计计流程信息化设计计流程根据工程地质与水文地质的结果采用用理论或经经验方法进进行预设计——经验设计继之，即可可根据预设设计进行施施工；并在施工中中对所建结结构进行监监控量测，，对信息加加以综合和和处理，或或进行必要要的理论分分析。根据规范中中所规定的的安全条件件进行对比比，以判断断预设计的的安全性和和经济性，，对预设计计进行修改改或改变施施工方法。。这种以施工监测、、理论分析析和经验判断相结合，调调查、设计计与施工相相交叉的设设计、施工工流程是非非常符合地地下工程特特点的。其中重要的的是对围岩岩在施工过过程中的观观察和量测测，用一定定的标准判判断其稳定定性。现场量测内内容：⑴隧道内目测测观察⑵隧道收敛量量测⑶地表下沉量量测⑷位移反分析析，指导施施工⑴隧道内目测测观察①隧道目测观观察的目的的●预测开挖面面前方的地地质条件●为判断围岩岩稳定性提提供地质依依据●根据喷层表表面状态及及锚杆工作作状态分析析支护结构构可靠度②隧道目测观观察的主要要内容●了解开挖工工作面的工工程地质，包括地质质种类及分分布状态，，岩石颜色色、成分、、结构等，，节理状况况，断层特特征等●水文地质条条件：地下水类类型，涌水水量大小，，涌水位置置，涌水压压力，水的的化学成分分等●绘制开挖工工作面的素素描剖面图图●开挖支护后后的观察：：初期支护护的裂缝状状况，锚杆杆端头情况况，钢拱架架是否被压压曲，是否否有底鼓现现象③隧道目测观观察中围岩岩破坏形态态分析●危险性不大大的破坏：构筑仰拱拱后在拱肩肩部出现的的剪切破坏坏一般进展展缓慢，危危险性不大大●危险性较大大的破坏：在未构筑筑仰拱前拱拱顶混凝土土因受弯曲曲压