地下结构设计

地下结构设计原理与方法授课：崔光耀地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）的作用：①地层既是承载结构的基本组成部分，②是形成荷载的主要来源③洞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。④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、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，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）：①防护型支护：封闭岩面，防止围岩质量的进一步恶化；②构造型支护：防止局部掉块或崩塌

③承载型支护：轻型、中型及重型等

（2搅）按天制造朝方式煌（指插承重赴型）综合脂地质孝、使腊用、瓶施工玩因素塌，衬蔑砌的共制造茂方式螺可归失纳为①就地迫灌注整战体式混反凝土衬塌砌用模板份浇注混粒凝土衬辱砌，刚徐度较大园；②锚斤喷支篇护：琴柔性演，能偏吸收津围岩录变形抹；③复米合式本衬砌厕：先挥柔后束刚，穿先锚阶喷后染模筑创；④锄装配痛式衬蒸砌：聋工厂奖预制烂，施废工现美场拼土装。注意结辽构形式迫、施工盯方式和哗适用条淡件。1.2齿地震下结构组计算理验论的发虏展与现壶状刚性奋结构霜阶段(压力线幕理论-三铰拱代静定体模系)偏于殿保守,衬砌厚谊度偏大弹性累结构刺阶段(1)假定弹缝性反力签阶段(2)弹性地预基梁阶暗段连续介昏质阶段不密饺实详-松象散支撑狱顶替消-扰控动传统恳的隧央道修址建方谣法现代融支护栋理论取与传唇统支牙护理饺论之灶间的恰区别传统蕉方法NA芦TM被动垫支护主动惧支护现代让支护总理论求与传犹统支械护理侦论之弓间的洁区别（1）颤对围岩诸和围岩庸压力的笨认识方左面：“松绵动压觉力”；“形变压棒力”；（2务）在浅围岩亡和支跪护间拦的相程互关快系上垫：“围理岩-纪支护庄”结筑构体糕系共列同参四与工斗作；（3）取在支护贱功能和云作用原慌理上：及时窄稳定和期加固围惨岩；（4久）在斑设计润计算制方法伞上：荷毫载是耗岩体右地应暴力，幻玉由围己岩和锤支护器共同女承载赌。（5）揉在支护惨形式和吴工艺上：在经围岩完松动郊之前并及时烂加固幻玉围岩4.信蔬息化设膀计方法原理上赔属于连备续介质捡力学方乓法，只狸是和现咳场监测型结合起药来的一气种设计忘方法。现场鼓监控墓量测渗与理葵论分胶析结馒合起溉来，睡发展杂成为现一种础适应袄地下改工程做特点明和当孔前施宇工技跪术水昨平的蛋新设辫计方蜡法—肿—现唉场监宗控设骨计方练法（例也称框信息较化设快计方信法）肥。目前，幕工程中杠主要使梨用的工程类包比设计语法，也封正在脾向着岛定量猛化、每精确瞧化和狭科学虎化方夜向发罚展。5.慎可靠菠性理胖论从发夕展趋掘势看使，新但奥法魔开创圈的理论-户经验-览量测相结合筹的“信螺息化设营计”体辣现了地锁下工程盏支护结绝构设计奴理论的音发展方届向。地下细结构回计算敞理论纯的上纽奉述几珍个发振展阶内段在袭时间伟上并卡没有徐截然承的先荒后之睡分，钢后期险提出娘的计冤算方教法一喇般也东并不卫否定裹前期谈的研慢究成佳果，台各有厌其比箱较适脚用的发一面搞，但涉又各弃自带誓有一置定的渣局限兆性。1.瓜3绑地算下结许构计炕算的睡力学击模型和设计这方法地下炸结构格的力学模佣型必须符阔合下述洲条件：①乡丰与实是际工坐作状哲态一唯致，②荷鹊载假定敏应与在忍修建洞弟室过程嗽中荷载丹发生的编情况一建致。③芹计算焰出的溪应力峰状态悟要与熄经过质长时廉间使醉用的忠结构凳所发庭生的故应力广变化迫和破艺坏现手象一食致。④覆材料瓶性质泡和数香学表单达要秀等价科。计算模竖型有2途类：1.结构销力学鸟的计晓算模陷型：是以抵支护步结构伸作为贫承载红主体垒，围叮岩作汤为荷醒载的湖来源翼，同帜时考间虑其泛对支宝护结购构的抗变形紧约束绘作用侨的模汉型，春称为夺结构拘力学惕模型便；(荷冶载-悟结构蜡)2.连续介笑质力学忆的计算盲模型：视围仗岩为激承载态主体国，支含护结陷构则灶约束申围岩谎向隧忍道内踩变形魔的模涝型，君称为验岩体我力学书或连畏续介遗质力都学模走型。(地层辟-结构肿)1.护结构力驱学的计珍算模型基本概学念、适吵用条件肚、在计寸算模型级中如何魄反映围左岩与结冈构的相区互作用驾？荷载宜：主动类荷载－围此岩松曾动变沃形的慢作用酷力弹性反称力－地层兴对结构陡变形的户约束力弹性反阅力的计铺算局部变寄形理论乖或共同燃变形理喷论计算含。目前始常用的倚是以温克尔乎（Wi勿nkl趁er）壁假定为基贵础的遗局部载变形吩理论傲来确君定。局部变看形理论温氏蜜假定趁相当达于把裹围岩肾简化闷成一有系列寺彼此巾独立势的弹功簧，恐某一牌弹簧肢受到锁压缩墓时所斑产生洒的反保作用跳力只母与该梨弹簧竞有关疲，而絮与其惨他弹博簧不韵相干国。共同慰变形销理论（1）今主动荷婶载模型只考澡虑主矛动荷窑载即围狸岩压痒力（2检）主填动荷文载加聋围岩领弹性米约束棉的模止型围岩白压力够：主植动荷建载弹性反著力：被贼动荷载计算誓弹性绍反力假定弹刺性反力（3其）实慕地量退测荷玩载模胆式综合主杀动荷载轰和弹性丑反力围岩应艘力的现参场量测实测围蒜岩压力争的方法骗很多，祖可归纳辣为两类古：直接量弦测间接量习测●直过接量周测：主要吨采用狸压力毙盒、禾压力伏传感付器等祸，压聋力盒帝按工箱作原挖理分低为机蚕械作敲用式无、电觉测式陕和液肃压式冈等，椒目前末使用丝式较多毫的是剖钢弦嚼式压影力盒答。●欢间接画量测屋：利用量黄测隧道栏衬砌的应变、堵变形来推可算作详用在勇其上芝的围爱岩压呼力的肤方法榴，即价间接病量测集法。眠如电摘阻应皮变片冰、钢奥筋应醒变计见、遥炎测应药变计俘、混邀凝土倒应变禁砖等2.脊连夸续介创质力逢学的类计算键模型也称围盼岩-结正构模型脑又称为味现代的抵岩体力盈学模型花。按连话续介笋质力厌学原竹理及变形盼协调银条件分别计恢算衬砌墓与围岩桃中的内篮力，并葬据以验丹算地层代的稳定钱性和进蒸行结构泡截面设追计。围岩-化结构模必型基本乖概念将支垫护结价构与婚围岩驻视为盼一个葵整体概，作掀为共碍同承但载的养地下跨结构迫体系盗，故蜜也称售复合叶整体枪模型台。围岩是刚直接的侍承载单漂元支护卧结构城是镶屡嵌在挥围岩菊孔洞浩上的承载环，只是房诚用来约俘束和限永制围岩睬的变形父，两者尖共同涝作用碑的结续果是谋使支既护结建构体溉系达洪到平鄙衡状尖态。天府挥广场示地下此综合择体三推维实愁体模途型近接拾上下匪交叉盆隧道野整体收三维鸡模型上部管玩线隧道下部贯俯穿隧道侧开肃窗洞型门基坑类开挖谜后初惹始模璃型计算5蜡000居步计算2墓500魄0步计算曲50互00辅步计算乌25滨00康0盾构开偷挖初始谊模型基坑开跟挖后初羡始模型破坏收敛衡-约秤束法尘：计算性结果碧需要叔用经验类匙比判断您和补苹充。以测可试为向主的膏实用缺设计脑方法很为现魔场人伪员所脆欢迎隆，通材过直批观的务材料茫，更吗确切山地估慎计地应层和姓地下高结构兽的稳县定性非和安矿全程偶度。理论计汗算方法宾可用于躲进行无关经验可丘循的新躁型工程传设计。3.地兆下结构聪的设计奥方法地质条渐件的复舅杂性围岩凑与支贩护结凝构相矛互作雀用的与复杂挺性地质参援数选择含的不确洁定性人为因妻素的影惨响。往往要其同时进气行多种总设计方薄法的比帝较，以吸做出较差为经济听合理的枪设计。考虑:经验值类比狐设计料、信筋息化哑设计两者躁是相鸟互联见系的弯：间集经荡验设赤计、福理论坟分析经和施氧工现跑场实消地量障测相撞结合愤的设滩计方泉法。目前驻在进继行地逃下结凉构设践计时桶，广体泛采镜用结构绳计算准、经生验判咱断和绵实地魂量测摧相结抱合的所谓摸“信息化针设计”方法国。同时还油要研究拔更完善鼻的用于忙地下结祝构计算丸的力学换模型，益以便能馆更好地爬考虑结乳构与围滨岩的共兰同作用创，逐步耕减少信壮息化设幅计中的反馈修贵改工作量霜。信息化乔设计流渣程信息化催设计流忧程根据工程因地质与水文地宅质的结果工采用理吧论或经瞒验方法怒进行预设小计——扑经验逮设计继之，厌即可根皂据预设壮计进行秘施工；并在怀施工艰中对页所建失结构畏进行晕监控鼠量测塑，对同信息液加以昏综合反和处密理，昂或进淘行必蛾要的掠理论阴分析金。根据蚀规范箩中所逃规定智的安屿全条趴件进阿行对杰比，坚以判没断预西设计修的安重全性能和经芒济性脸，对桨预设吸计进蠢行修张改或染改变旗施工拜方法械。这种篇以施工胀监测宝、理气论分久析和经验鲁判断相结佳合，常调查例、设取计与爪施工挣相交建叉的愉设计士、施处工流召程是孔非常蹈符合呼地下邻工程肠特点前的。其中慈重要眨的是女对围录岩在篮施工杨过程蛋中的蹦观察浙和量径测，赢用一殖定的滤标准扒判断误其稳责定性踩。现场量插测内容见：⑴隧裤道内目保测观察⑵厨隧道疏收敛池量测⑶地通表下沉炎量测⑷位继移反分蜻析，指登导施工⑴隧艇道内目对测观察①兆隧道目伴测观察艳的目的●预恶测开挖续面前方直的地质仁条件●抱为判暑断围冠岩稳盼定性溉提供既地质传依据●根嫂据喷层胜表面状衡态及锚慎杆工作颂状态分回析支护鸦结构可恳靠度②隧旦道目测伏观察的灿主要内梅容●了解夸开挖伐工作候面的忆工程亩地质，包括差地质种氧类及分蕉布状态兆，岩石蹈颜色、盾成分、验结构等鼻，节理本状况，扶断层特南征等●水文哀地质号条件：地下融水类型隶，涌水钟量大小赔，涌水闪位置，胸涌水压杰力，水加的化学孙成分等●绘碗制开挖律工作面滋的素描凤剖面图●崭开挖胁支护桂后的胁观察邻：初睬期支呀护的眠裂缝阳状况忽，锚芹杆端汉头情榴况，烧钢拱寇架是姥否被恨压曲唯，是呆否有缠底鼓竭现象③隧张道目测候观察中胁围岩破田坏形态培分析●危险郑性不核大的漆破坏：构悬筑仰督拱后驰在拱萝肩部犯出现错的剪吃切破怠坏一歉般进炒展缓弱慢，拾危险联性不只大●危险孩性较墙大的毫破坏：在未宅构筑仰芽拱前拱俘顶混凝穷土因受呼弯曲压都缩而产红生的裂耍隙常常止进展急俯剧，伴切随有碎艇片飞散垄，危险款性较大●塌方斑征兆掀的破绑坏：拱顶睁喷层副出现对称的向下谦滑落的剪切破泼坏现象疫，或匪侧墙跑发生向内侧神滑动的剪切殃破坏并伴映随有牺底鼓蜜现象量，都否会引移起塌毙方事栗故的盘破坏国形态⑵隧置道收敛负量测●厚净空专相对触位移端测量单（收纪敛测朝量）径：洞粗壁上薯两点狠两次朗测量锐的位塌移差●