地下结构工程课件

地下結構工程第01章1.緒論地下結構的定義：保留上部地層（山體或土層）的前提下，在開挖出能提供某種用途的地下空間內修建的結構物，統稱為地下結構。地下工程分類：交通隧道，水工隧洞、礦山巷道、地下倉庫、地下工廠、地下民用與公共建築、地下市政工程、人防工程、國防地下工程。玄武湖隧道.ppt1.1地下結構型式地下結構：水準，傾斜（斜井）豎直（豎井）；水準坑道埋置深度的不同，又分成淺埋和深埋兩種。結構型式首先由受力條件來控制，即在一定地質條件的土水壓力下和一定的爆炸與地震等動載下求出最合理和經濟的結構型式。圖結構型式也受使用要求的制約；施工方案是決定地下結構型式的重要因素之一。返回圖1-1地下結構型式北京地鐵王府井車站廣州地鐵東（山口）~楊（箕）區間隧道綜合地質、使用、施工三因素，地下結構常見的型式有以下幾種：go地下結構常見的型式有以下幾種（1）附建式結構圖（2）淺埋式結構圖（3）地道式結構圖（4）沉井法結構（5）盾構法結構圖（6）連續牆結構圖（7）頂管結構圖（8）沉管法結構圖圖1-2附建結構exit

圖1-3淺埋式結構exit圖1-4地道式結構圖1-5沉井

exit圖1-6盾構exit圖1-7地下連續牆結構exit圖1-8頂管exit圖1-9沉管exit1.2設計內容設計分工藝設計、規劃設計、建築設計、防護設計、結構設計、設備設計等。結構設計工作一般分初步設計和施工圖設計兩個階段。

初步設計的內容

（1）工程防護等級，三防要求與動載標準的確定；（2）確定埋置深度與施工方法；（3）草算荷載值；（4）選擇建築材料；（5）選定結構型式和佈置；（6）估算結構跨度、高度、頂底板及邊牆厚度等主要尺寸；（7）繪製初步設計結構圖；（8）估算工程材料數量及財務概算。技術設計主要是解決結構的強度、剛度和穩定、抗裂性等問題，並提供施工時結構各部件的具體細節尺寸及連接大樣。（1）計算荷載：（2）計算簡圖：（3）內力分析：（4）內力組合：（5）配筋設計：

(6）繪製結構施工詳圖：（7）材料、工程數量和工程財務預算。1.3計算原則1）使用規範2）設計標準：確定地下建築物的荷載、建築材料的選用、允許考慮由塑性變形引起的內力重分佈、截面計算原則、材料強度指標3）計算理論（1）計算原理：較多地應用以文克爾假定的基礎局部變形理論以及以彈性理論為基礎的共同變形理論。說明（2）計算方法：一般結構力學法，彈性地基梁法，矩陣分析法。彈性抗力限制了結構的變形，故改善了結構的受力情況，如圖1-10所示。exit1.4本課程的內容和任務本課程是土木工程的一門專業課。獲得地下結構工程的基礎知識，掌握地下結構工程的技術性能，應用方法及其施工工藝；本書將對各種常見的地下結構工程進行授課：大開挖基坑、深基坑工程、淺埋式結構、沉井結構、新奧法隧道、盾構襯砌結構、沉管結構、頂管結構數值計算方法、環境保護學習方法和考試先前的基礎學科需良好掌握；以理解為主，勤於觀察，理論聯繫實際；考試成績組成：平時成績15％，卷面成績85％。本節要點常見地下結構型式及使用範圍;計算原則和計算方法；2.大開挖基坑工程定義:大開挖基坑工程是指不採用支撐而採用直立或放坡施工進行開挖的基坑工程；由於其費用低，工期短，是首先要考慮的開挖方式。前提2．1豎直開挖適用於開挖深度不大、無地下水、基坑土質條件較好的場地。豎直開挖時坑壁自然穩定的最大臨界深度可按下式估算：Ka——主動土壓力係數；當基坑側壁的頂部地表面與水平面夾角β=0時，Ka=tg2（45º-）；當>0時，採用朗肯主動土壓力係數，為坑壁土的內摩擦角標準值。宜採用1.2~1.5的安全係數；當基坑附近有超載時，應重新驗算；當坑壁因吸水或失水等原因，一旦形成裂縫時，公式不成立；對黃土及具有裂隙的脹縮性土，該式不適用。

無地下水時直立開槽的允許高度表2-1土層類別坡高允許值（m）密實、中密的砂土和碎石類石（充填物為砂土）1.00硬塑、可塑的粘質粉土及粉質粘土1.25硬塑、可塑的粘性土和碎石類石（充填物為粘性土）1.50堅硬的粘性土2.002．2放坡開挖

2．2．1散坡開挖分類（1）無地下水的一般放坡開挖適用於地下水在開挖深度以下。（2）明溝排水放坡開挖適用於地下水為潛水型、湧水量較小、坑壁土及坑底土不會產生流砂、管湧、基坑突湧的場地條件。（3）井點降水放坡開挖地下水埋深較淺、基坑開挖較深可能產生流砂、管湧、基坑突湧等不良現象時，可採用井點降水放坡開挖。特別注意降水對附近建築設施產生的不良影響。2．2．2放坡開挖坡度確定con（1）查表法表（2）Taylor法圖（3）條分法圖（1）查表法exit坑壁土類型狀態邊坡高度6米以內10米以內軟質岩石微風化1﹕0.01﹕0.10中等風化1﹕0.101﹕0.20強風化1﹕0.201﹕0.25碎石類土密實1﹕0.201﹕0.25中密1﹕0.251﹕0.30稍密1﹕0.301﹕0.40粘性土堅硬1﹕0.351﹕0.50硬塑1﹕0.451﹕0.55可塑1﹕0.551﹕0.65粉土Sr<0.51﹕0.451﹕0.55(2).Taylor法exit邊坡的臨界高度由下式確定：例題.doc採用陳惠發（美，肯塔基州大學，1980

(3)．條分法exit2.3基坑邊坡失穩的防止措施（1）邊坡修坡圖2-3（2）設置邊坡護面圖2－4（3）邊坡坡腳抗滑加固圖2－5(設置抗滑樁，旋噴樁，分層注漿法，深層攪拌樁)。con

圖2-3邊坡修坡（a）坡頂卸土；（b）坡度減小；(c)臺階放坡exit

圖2-4設置邊坡護面exit

圖2-5基坑邊坡坡腳抗滑加固exit2．4地下水的處理2．4．1地下水流的基本性質水力坡度:以I表示，I=（H1-H2）/L，

I=1時的滲透速度稱為土的滲透係數K，常用m/d、m/s等表示.動水壓力:（kN/m3）動水壓力F等於或大於土的有效重度時，土顆粒處於懸浮狀態，土的抗剪強度等於零，土顆粒將隨著滲流的水一起流動，即所謂“流砂”。2．4．2地下水處理方法歸結成兩種：一種是降水；第二種是止水——防水帷幕。降水的方法有集水井降水和井點降水兩類。井點降水法有輕型井點、噴射井點和電滲井點、管井井點和深井泵等。當土的滲透係數K＜5m/d時，宜用輕型井點和噴射井點；當K＝5~20m/d時,除上述方法外,還可選用管井井點；當K<0.1m/d時，因土的滲透性很差，可在輕型井點管的內圈增設由鋼管或鋼筋做成的電極，通以直流電，促使地下水加速向井點滲透（這種方法稱為電滲井點法）。井點降水方法優先用參考表表2-3基坑開挖深度m土類粉質粘土、粉砂細砂、中砂粗砂砾砂≤5單層井點、真空法、電滲法單層普遍井點表面排水6~12多層井點、噴射井點多層井點管井12~20噴射進點、真空法、電滲法噴射井點深井泵>20深井泵、噴射井點深井泵

電滲井點佈置示意圖

噴射井點工作示意圖管井井點就是沿開挖的基坑，每隔20~50m設置一個管井，每個管井單獨用一臺水泵抽水，適用於K=20~200m/d，即地下水量大的土層中，此法可降低地下水位5~10m。在城市中由於深基坑降水，總會引起地面沉陷，影響鄰近建築物和管線。回灌井點方法可以使地表沉陷減少2/3；因此，採用特定的支護結構，既擋土，又止水，形成防水帷幕為較好選擇，但造價較高。

防水帷幕常用鑽孔壓漿成樁法、地下連續牆、板樁、深層攪拌樁牆。本講要點重點掌握豎直開挖、放坡開挖的計算方法；瞭解邊坡失穩的防止措施；地下結構工程第03章3．深基坑工程概述：大量的深基坑工程伴隨著城市高層建築的發展大量出現。國外，圓形基坑的深度已達74m(日本)，直徑最大的達98m(日本)，而非圓形基坑的深度已達到地下９層（法國）。國內，上海88層的金茂大廈，基坑平面尺寸為170m×150m，基坑開挖深度達19.5m。上海的匯京廣場，圍護結構與相鄰建築最近的距離僅40cm。而無支撐基坑的開挖深度也已達到了9m。兩個功能：一是擋土；二是止水。基坑支護分兩類：支護型——將支護牆（排樁）作為主要受力構件；支護型基坑支護包括板樁牆、排樁、地下連續牆等。在基坑較淺時可不設支撐，成懸臂式結構；當基坑較深或對周圍地面變形嚴格限制時，應設水準或斜向支撐，或錨定系統；形成空間力系是發展方向。加固型——充分利用加固土體的強度。加固型包括水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、注漿和樹根樁等。基坑側壁安全等級及重要性係數

安全等級破壞後果

一級支護結構破壞、土體失穩或過大變形對基坑周邊環境及地下結構施工影響很嚴重1.10二級支護結構破壞、土體失穩或過大變形對基坑周邊環境及地下結構施工影響一般1.00三級支護結構破壞、土體失穩或過大變形對基坑周邊環境及地下結構施工影響不嚴重0.903.1結構方案及選擇3.1.1結構類型支護結構類型及其適用範圍表3-1結構形式適用范围排樁結構稀疏排樁土質較好，地下水位低或降水效果好連續排樁土質差，地下水位高或降水效果差框架式排樁單排樁剛度不能滿足變形要求組合排樁結構排樁加擋板排樁樁距較大，利用擋板傳遞土壓並有一定防滲作用排樁加水泥攪拌樁以水泥攪拌樁互搭組成平面拱代替擋板傳遞土壓力，具有較好防湧效果排樁加水泥防滲牆地下水位較高的軟土地區排樁或組合排樁加錨杆結構開挖深度較大，排樁或組合排樁結構強度無法滿足要求地下連續牆結構與地下室牆體合一，防滲性強，施工場地較小，開挖深度大沉井結構軟土地區重力式擋土牆結構具有一定施工空間，軟土地區圖3－1板樁

圖3-2組合擋土壁圖3-3單排與雙排樁支護結構圖3-4接頭管接頭的施工程式a)開挖槽段；b)吊放接頭管和鋼筋籠；c)澆築砼；d)拔出接頭管；e)形成接頭3.1.2支撐體系支撐體系是用來支擋圍護牆體，承受牆背側土層及地面超載在圍護牆上的側壓力。支撐體系是由支撐、圍檁、立柱三部分組成。特點平面尺寸不大，且長短邊長相差不多的基坑宜佈置角撐。它的開挖土方空間較大，但變形控制要求不能很高鋼支撐和鋼筋混凝土支撐均可佈置；支撐受力明確，安全穩定，有利於牆體的變形控制，但開挖土方較為困難多採用鋼筋混凝土支撐；中部形成大空間，有利於開挖土方和主體結構施工多採用鋼筋混凝土支撐；支撐體系受力條件好；開挖空間大，便於施工開挖面積大、深度小的基坑宜採用；在軟弱土層中，不易控制基坑的穩定和變形便於土方開挖和主體結構施工，但僅適用於周邊場地具有拉設錨杆的環境和地質條件3.2支護結構上的作用

3.2.1土壓力主動土壓力和被動土壓力的產生，前提條件是支護結構存在位移；當支護結構沒有位移時，則土對支護結構的壓力為靜止土壓力。土壓力的分佈與支點的設置及其數量都有關系；懸臂支護樁土壓力的實測值與按朗肯公式計算值的對比，非挖土側實測土壓力小於朗肯主動土壓力，即計算結果偏大。圖3-5懸臂支護樁土壓力分佈圖3-6芝加哥深基坑土壓力實測圖圖3-7柏林地道工程土壓力實測圖土的內聚力C、內摩擦角φ值可根據下列規定適當調整：在井點降低地下水範圍內，當地面有排水和防滲措施時，φ值可提高20%；在井點降水土體固結的條件下，可考慮土與支護結構間側摩阻力影響，將土的內聚力c提高20%。土壓力計算公式exit主動土壓力：被動土壓力：3.2.2地面附加荷載傳至n層土底面的豎向荷載qn（1）地面滿布均布荷載q0時，任何土層底面處：（2）離開擋土結構距離為a時(3)作用在面積為與擋土結構平行）的地面荷載，離開擋土結構距離時。3.2.3水壓力水壓力，主要根據土質情況確定如何考慮水壓力的問題。對於粘性土，土壤的透水性較差，此粘性土產生的側向壓力可採用水土合算的方法，即側壓力為相應深度處豎向土壓力與水壓力之和乘以側壓力係數。對於砂性土，採用水土分算，即側壓力為相應深度處豎向土壓力乘以側壓力係數與該深度處水壓力之和。對比砂土簡化計算，將水壓力與土壓力分別計算，並把水看作是：主動壓力=靜止壓力=被動壓力=h3.3排樁、地下連續牆計算主動土壓力和被動土壓力並確定計算簡圖，確定嵌固深度、內力計算；支護樁或牆的截面設計以及壓頂梁的設計等。3.3.1懸臂式支護結構圖根據朗肯-庫倫土壓力理論分層計算主動土壓力和被動土壓力；在此基礎上確定圖3-10所示的計算簡圖。圖據此簡圖求出嵌固深度hd;最大彎矩截面位置及最大彎矩值；進行配筋設計或承載力計算；計算支護結構頂端位移。懸臂exit計算簡圖據此求出嵌固深度hd配筋和撓度計算地質條件或其他影響因素較為複雜時，也可按最大彎矩斷面的配筋貫通全長。配筋應滿足下式條件：支護結構頂端的水準位移值

y——剪力為零處即D點至基坑底的距離；——懸臂梁上段結構柔性變形值——下段結構在彎矩Mmax作用下產生的轉角——下段結構在彎矩Mmax作用下在D點產生的水準位移

上段結構柔性變形

下段結構在作用下3.3.2單層支撐支護結構

設計圖計算方法是“等值梁法”。等值梁法的關鍵是如何確定反彎點的位置。對單錨或單撐支護結構，地面以下土壓力為零的位置，即主動土壓力等於被動土壓力的位置，與反彎點位置較接近。圖exit用等值梁法計算

單錨、單支支護結構：

圖3-15單層支點支護結構深度計算簡圖（3）支點力TC1可按下式計算：等值梁法，對反彎點：（1）計算土壓力（2）基坑底面以下支護結構設定彎矩零點位置（4）嵌固深度Hd

設計值可按下式確定:（5）計算內力和配筋單層支撐支護結構的最大彎矩:發生在剪力0處，應根據土壓力平衡，求得處的位置y,可得Mmax。彎矩圖可按靜力平衡條件求得可以分段配筋，也可以按最大彎矩斷面通長配筋.3.3.3多層錨拉式支護結構

設計1)應根據分層挖土深度與每層錨杆設置的實際施工情況分階段分層計算，這時假定下層挖土不影響上層錨杆計算的水準力；2)多層佈置時，有等彎矩佈置和等反力佈置兩種模式；3）懸臂式及單支點支護結構嵌固深度設計不宜小於；多支點支護結構嵌固深度設計值小於0.2h時，宜取。抗滲透穩定條件:當基坑底為碎石土及砂土、基坑內排水且作用有滲透水壓力時，側向截水的排樁、地下連續牆除應滿足上述規定外，嵌固深度設計值尚應滿足式抗滲透穩定條件:注意事項：1）排樁、地下連續牆水準荷載計算單位；中心距和單位長度；2）有支撐變形計算按彈性支點法計算，支點剛度係數及地基土水準抗力係數m應按地區經驗取值；

3）支撐體系（含具有一定剛度的冠梁）或其與錨杆混合的支撐體系應按支撐體系與排樁、地下連續牆的空間作用協同分析方法，計算內力和變形。3.4土層錨杆土層錨杆是一種埋入土層深部的受拉杆件，它一端與構築物相連，另一端錨固在土層中。

3.4.2錨杆設計1）錨杆承載力計算2）錨杆杆體的截面面積3）錨杆軸向受拉承載力設計值（1）安全等級為一級及缺乏地區經驗的二級基坑側壁，應進行錨杆的基本試驗，受拉抗力分項係數可取1.3。（2）基坑側壁安全等級為二級且有鄰近工程經驗時：（3）.對於塑性指數大於17的粘性土層中的錨杆應進行蠕變試驗。（4）錨杆預加力值（鎖定值）應根據地層條件及支護結構變形要求確定，宜取為錨杆軸向受拉承載力設計值的0.50~0.65倍。（5）自由段計算長度本講要點重點掌握懸臂式支護結構計算方法和計算要點；重點掌握單錨、單支支護結構計算方法和計算要點。掌握錨杆計算方法；理解多層支撐的計算原則；3.6水泥土牆設計又稱攪拌樁擋牆，利用一種特殊的攪拌頭或鑽頭，鑽進地基至一定深度後，噴出固化劑，與地基土強行拌和而形成的加固土樁體。Mixed-In-PlaceMethodMIP(美國)DeepMixingMethod(日本)固化劑採用水泥或石灰；適用於加固淤泥質土、粘土；國外最大深度60m，國內12－18m；特點：施工無震動、噪音、無廢水泥漿；坑內無需支撐拉錨，優良的抗滲特性。支擋高度，國內最深9m;水泥牆的結構形式擋牆寬度為0.6～0.8開挖深度，樁長為開挖深度的1.8-2.2倍。3.6.1土壓力計算計算主動土壓力和被動土壓力3.6.2抗傾覆計算3.6.3抗滑移計算3.6.4牆身應力驗算3.6.5整體穩定計算一般情況下，使牆體強度不成為設計的控制條件，而以結構和邊坡的整體穩定控制設計。1.土壓力計算牆後主動土壓力

牆前被動土壓力

2抗傾覆計算圖按重力式擋牆計算牆體繞前趾A的抗傾覆安全係數，不小於(1.0～1.1).3抗滑移計算按重力式擋牆計算牆體沿底面滑動的安全係數：4.牆身應力驗算

牆體所驗算截面處的法向應力剪應力按下式進行：5整體穩定計算k>=1.25整體穩定計算時，將滑動土體與攪拌樁擋牆視為一個整體考慮(常選在牆底下0.5－1.0米處)，採用圓弧滑動法計算圖：構造要求格柵佈置時，水泥土的置換率對於淤泥不宜小於0.8，淤泥質土不宜小於0.7，一般粘性土及砂土不宜小於0.6；格柵長寬比不宜大於2；樁與樁之間的搭接寬度：考慮截水作用時，樁的有效搭接寬度不宜小於150mm；當不考慮截水作用時，搭接寬度不宜小於100mm。不能滿足要求時，宜採用基坑內側土體加固或水泥土牆插筋、加混凝土面板及加大嵌固深度等措施。攪拌樁擋牆設計計算實例（詳見教材)3.7土釘牆土釘牆由被加固土體、放置在土中的土釘體和噴射砼面板組成，形成一個以土擋土的重力式擋土牆。土釘牆自上而下施工，步步為營，土釘牆是靠土釘的相互作用形成複合整體作用。土層錨杆的失效影響較大，不應用於沒有臨時自穩能力的淤泥、飽和軟弱土層。

圖3-32土釘牆應用領域a)托換基礎;b)豎井的擋牆;c)斜面的擋土牆d)斜面穩定;e)和錨杆並用的斜面防護1土釘受拉承載力計算受拉承載力受拉荷載標準值

荷載折減係數

2土釘牆承載力計算採用簡化圓弧滑動條分法3構造土釘牆牆面坡度不宜大於1：0.1；

噴射混凝土面層宜配置鋼筋網，鋼筋直徑宜為6～10mm，間距宜為150～300mm；噴射混凝土強度等級不宜低於C20，面層厚度不宜小於80mm；

土釘鋼筋宜採用Ⅱ、Ⅲ級鋼筋，鋼筋直徑宜為16～32mm，鑽孔直徑宜為70～120mm；

本講要點重點掌握水泥土擋牆的設計要點：荷載、強度、穩定（傾覆、滑動、整穩）土釘牆的設計要點：土釘承載力和整穩3.8SMWSMW擋土牆是先施工水泥土擋牆，最後按一定的形式在其中插入型鋼（如H鋼），即形成一種勁性複合圍護結構。：止水好，剛度大，構造簡單，型鋼插入深度一般小於攪拌深度，型鋼可回收重複使用，成本較低。SMW適宜的基坑深度為6～10m，國外開挖深度已達20m。要求型鋼間距不能過大，保證水泥土的強度由受剪，受壓控制。（a）全位“滿堂”；（b）全位“1隔1”（c）全位“1隔2”；（d）半位“滿堂”；（e）半位“1隔1”1型鋼淨間距的確定保證型鋼間的水泥土在側向水土壓力作用下不產生彎曲應力2.水泥土強度校核“連續”截面剪力型鋼“間隔”佈置驗算拱的軸力強度3.9逆作拱牆在基坑四周場地都允許起拱的條件下（基坑各邊長L的起拱矢高），可以採用閉合的水準拱圈來支擋土壓力以圍護基坑的穩定，採用閉合的水準拱圈來支擋土壓力以圍護基坑的穩定；拱結構是以受壓力為主，能更好地發揮混凝土抗壓強度高的材料特性，而且拱圈支擋高度只需在坑底以上這個閉合拱圈可以由幾條二次曲線圍成的組合拱圈（曲率不連續），也可以是一個完整的橢圓或蛋形拱圈（曲率連續）。安全可靠，每道拱圈分別承受該道拱圈高度內的壓力，不相互影響；節省工期，施工方便；節省擋土費用，用拱圈支護的費用僅為用擋土樁的40%~60%。而且，基坑越深，經濟效益越顯著。1.截面形狀2.拱牆計算逆作拱牆結構型式根據基坑平面形狀可採用全封閉拱牆，也可採用局部拱牆，拱牆軸線的矢跨比不宜小於1/8，基坑開挖深度h不宜大於12m。當基坑開挖深度範圍或基坑底土層為砂土時，應按抗滲透條件驗算土層穩定性；當基底土層為粘性土時，基坑開挖深度滿足下列抗隆起驗算條件：均布荷載作用下，圓形閉合拱牆結構軸向壓力設計值應按下式計算：

圓拱的外圈半徑；拱牆分道計算高度

在分道高度範圍內的基坑外側水準荷載標準值的平均值。3構造混凝土強度等級不宜低於C25；拱牆截面宜為Z字型，拱壁的上、下端宜加肋梁；當基坑較深且一道Z字型拱牆的支護高度不夠時，可由數道拱牆疊合組成；肋梁，其豎向間距不宜大於2.5m。圓形拱牆壁厚不應小於400mm，其他拱牆壁厚不應小於500mm。3.10逆作法施工

深地下室的常規施工是通過臨時支護基坑坑壁，開挖至預定深度後，澆底板並由下而上施工各層地下室結構，待地下室完工後，再逐層進行地上結構的施工。利用地下連續牆採用逆作法施工較深的多層地下室，成為發展的方向，這已在國內外到得了顯著的效果。逆作法施工工藝是先沿建築物週邊施工地下連續牆，作為地下室的邊牆或基坑的圍護結構。在建築物內部的澆築中間支承柱，開挖土方至第一層地下室底面標高，澆注梁及部分的板，該層樓蓋即可作為地下連續牆剛度很大的支撐系統。然後在梁間沒有澆板的空檔內，向下逐層施工各層地下室結構。與此同時，在已完成底面梁板結構的基礎上，做上部結構。地下室封底前，地面上允許施工的層數要通過計算確定。日本讀賣新聞社大樓

逆作法施工地上９層，地下６層，總工期只用了２２個月，比常規方法縮短了６個月。該工程用2.0m大直徑鑽孔灌注樁作為中間支承柱，Ｌ＝３０m,共用３５根。逆作法的優點：地下主體結構的梁、板、柱作為擋土牆的橫向支撐；大幅度縮短工期；逆作法只開挖有效範圍內的土方量，減少了大量的土方量；安全性好，且基本上不受氣候所左右。不足：封閉狀態下的環境進行施工，作業環境較差；大型機械設備難於進場；地下結構中牆柱的混凝土接搭品質較難控制；控制導柱的垂直度和承載力較難；逆作法側向剛度較封閉式的小，施工中應採取措施，防止一側連續牆的過大變形。立柱立柱在逆作施工中具有無法取代的重要性，立柱設計和計算，為逆作法設計的主要內容：1)立柱位置的設置

2）立柱負擔荷載的計算3）允許應力的決定４）立柱樁的設計按灌注樁進行。５）上部結構體加固設計６）立柱的設計７）柱腳根部插入部分的設計。

逆作法施工，以地面層的梁板結構是封閉還是敞開分為“封閉式逆作法”和“開敞式逆作法”。我國第一個按“封閉式逆作法”施工的試點工程是上海基礎工程科研樓，地上５層，地下２層。另一個為上海電信大樓地下室工程採用了“開敝式逆作法”旋工（該工程地下３層，地上17層），在南京夫子廟地下商場也採用過該方法施工。

本講要點掌握SMW方法的設計要點；瞭解逆作拱牆的設計過程；瞭解逆作法施工。地下結構工程第04章上一章要點懸臂支護、單撐單錨支護、土層錨杆、水泥擋土牆、土釘牆、SMW方法、逆作拱牆的設計過程；瞭解逆作法施工。第4章新奧法與錨噴支護4.1概述4.1.1新奧法簡介奧地利學者L.V.Rabcewicz二十世紀60年代出提出了“新奧地利隧道施工法”。NewAustrianTunnellingMethod簡稱為“新奧法”（NATM）。“歐洲隧道掘進法”或“收斂約束法”（ConvergenceConfinementMethod）。新奧法：圍岩本身具有“自承”能力，若採用正確的設計施工方法，最大限度地發揮這種自承能力，即可以使得經濟效果達到最佳。要點盡可能不擾動周邊圍岩，開挖之後及時進行一次支護，然後視需要進行二次支護。支護都是柔性的，以適應圍岩的變形。目前採用經驗統計類比的方法做預設計，再在施工過程中不斷監測圍岩的應力、應變狀況，按其發展規律來調整支護措施。適用條件及要求深埋、淺埋、中等埋深均可；勘測、設計、施工、控制各環節密切配合；盡可能地發揮圍岩的自承作用，採用控制爆破（光面爆破、預裂爆破）。新奧法的優點（1）經濟、快速。若以面積A為100，設計襯砌量B和超挖量的面積C。可以看出，由於採用控制爆破、柔性薄襯砌，新奧法的開挖量為老方法的73％（110/151），襯砌量為老方法的20％。此外，還可省去全部木模和40％以上的混凝土，降低支護成本30％以上2）安全、適應性強表4-1老方法與新奧法

工程量對比老方法新奧法有效使用面積A100100混凝土襯砌面積B367超挖面積C153B+C5110新奧法的主要原則（1）圍岩是洞室的主要承載結構，而不是單純的荷載，它具有一定的自承能力。（2）儘量保持圍岩原有的結構和強度；（3）盡可能作到適時支護。（4）支護本身應具有薄、柔、與圍岩密貼和早強等特性，支護施工應及時快速，使圍岩儘快封閉而處於三向受力狀態。（5）洞室盡可能為圓形斷面，或由光滑曲線連接而形成的斷面，以避免應力集中。（6）良好的施工組織和施工人員的良好素質對洞室結構施工的安全、經濟非常重要。4.1.2錨噴支護簡介錨噴支護（ShotcreteandBolting）是採用噴射混凝土、鋼筋網噴射混凝土、錨杆噴射混凝土或錨杆鋼筋網噴射混凝土等在毛洞開挖後及時地對地層進行加固的結構。1）錨噴支護的優點節省、加快施工進度；符合岩體力學原理的積極支護方法；柔性好，它能與圍岩變形一致，從而與之構成一個共同工作的承載體系；錨噴支護技術不再把圍岩僅僅視作荷載（鬆散壓力），同時還把它視為承載結構的組成部分。錨噴支護結構承受荷載的性質為圍岩的形變壓力。2）錨噴支護的適用條件及要求配合光面爆破等控制爆破技術，使開挖斷面輪廓平整、準確，便於錨噴成型，並減少回彈量；減輕爆破對圍岩的鬆動破壞，維持圍岩強度和自承能力。4.1.3新奧法與錨噴支護不能將新奧法等同於錨噴支護；

既有密切聯繫又有原則區別；錨噴支護的快速有效的支護施工手段，才有可能使新奧法的基本原則得以實現。不把圍岩看成自承結構，不充分發揮圍岩本身的作用，即使大量採用錨噴支護，也不能認為是應用了新奧法。4.2隧道圍岩壓力的確定4.2.1圍岩壓力開挖隧道使圍岩原有的平衡狀態破壞了，對隧道周圍一定範圍內的圍岩產生了不同程度的擾動。支護結構要阻止圍岩的移動、變形，支護結構就必然要受到圍岩所施加的力，即圍岩壓力。初始應力平衡狀態下的三向應力：隧道開挖前後的變化硬岩及軟岩在隧道開挖後應力重新分佈範圍的大小與地質條件有關，一般為隧道開挖跨度的0.5~2.5倍。在堅硬、完整岩體中，由於岩體強度高，影響範圍小，岩體能承受周邊急劇增大的應力，可使隧道保持穩定，一般只有彈性變形而不會破壞；而在鬆軟、破碎岩體中，由於岩體不能承受增大的應力，在一定範圍內的岩石就要鬆動、破壞並向隧道內坍塌。圍岩壓力類型有垂直壓力、側壓力和底壓力，4.2.2隧道圍岩壓力的確定1）深埋隧道圍岩壓力的確定i——為每增減1m時的圍岩壓力增減率。以B＝5.0m的圍岩垂直均布壓力為准，當B<5.0m時，取i＝0.2；當B＝5.0—15.0m時，取i＝0.1。圍岩類別sVI:呈巨塊狀整體結構硬質岩石,Rb>60MPaV:呈大塊狀砌體結構硬質岩石,Rb>30MPaIV:呈塊（石）碎（石）狀鑲嵌結構III:略具壓密或成岩作用的粘性土、砂性土II:濕的一般碎、卵石土，圓礫、角礫土及黃土I：軟塑狀粘性土及潮濕的粉細砂等表4-3各類圍岩的重度圍岩類別ⅥⅤⅣⅢⅡⅠ(kN/m3)25.5~27.424.5~26.522.5~24.518.6~21.616.7~19.614.7~16.7注：對Ⅲ類圍岩的老黃土採用16.7~17.6kN/m3；對Ⅱ類圍岩的新黃土採用14.7kN/m3。表4-4圍岩水準均布壓力e圍岩類別Ⅵ、ⅤⅣⅢⅡⅠe0<0.15q(0.15~0.3)q(0.3~0.5)q(0.5~1.0)q必須同時具備下列條件：（1）H/B<1.7，H為隧道開挖高度，B為隧道開挖寬度。（2）不產生膨脹力的圍岩及偏壓不顯著的隧道；（3）採用鑽爆法施工的隧道。2）淺埋隧道圍岩壓力的確定按荷載等效高度的判定式為：在新奧法施工的條件下，Ⅰ~Ⅲ類圍岩取，Ⅳ~Ⅵ類圍岩。（1）埋深H小於或等於荷載等效高度hq圍岩壓力完全由上覆岩（土）柱的重力產生，視為均布時，垂直壓力和水準壓力為：（2）埋深H大於hq、小於Hp在這種情況下，隧道上覆土體下滑時要考慮滑面阻力的影響，否則計算出的壓力值過大。本講要點理解新奧法和噴錨支護的實質與聯繫；掌握深埋和淺埋隧道圍岩壓力的計算。（2）埋深H大於hq、小於HpEFHG岩（土）體下沉，帶動兩側三棱土體（如圖中FDB及ECA）下沉受到阻力T，整個土體ABDC下沉時，又要受到未擾動岩（土）體的阻力F；AC或BD表示假定的破裂面與水準成角；T未知三棱體ECA中，受到三個力：TFW運用正弦定理：極限狀態下可以求得

破裂面的夾角總垂直壓力：簡化為：

豎向均布荷載和水準側壓力4.3錨噴支護結構4.3.1錨噴支護的設計步驟5個步驟進行：（1）調查地質和水文地質情況，分析圍岩的穩定條件；（2）用工程類比方法選擇支護類型及設計參數，對錨噴支護進行受力分析和結構計算，並提出施工注意事項；（3）支護施工中，嚴密監測地質情況的變化，及時修改設計參數，變更施工工序；（4）支護完成後，分析隧道的穩定狀況，對其長期穩定性作出評價。必要時，可對支護變形和應力進行量測，包括施工階段的監測；（5）總結經驗，改進設計與施工。掌握岩體變形、坍塌的規律之後，在恰當的時間，採用適當的辦法進行支護。4.3.2錨噴支護的受力分析和結構計算影響因素比較複雜,多種計算方法,尚處於半經驗半理論階段.錨杆支護結構；噴射混凝土支護；1）錨杆支護結構①全長粘結型錨杆：普通水泥砂漿錨杆、早強水泥砂漿錨杆、樹脂卷錨杆和水泥卷錨杆；②端頭錨固型錨杆；機械錨固錨杆、樹脂錨固錨杆、快硬水泥卷錨固錨杆；

③摩擦型錨杆；縫管錨杆、楔管錨杆、水脹錨杆；④預應力錨杆；⑤自鑽式錨杆。（1）錨杆的設計計算①錨杆的軸向拉力標準值、設計值②錨杆鋼筋截面面積錨杆抗拉工作條件係數，永久性錨杆取0.69，臨時性錨杆取0.92；③錨杆錨固體與地層的錨固長度④錨杆鋼筋與錨固砂漿之間的錨固長度

——鋼筋與錨固砂漿之間的粘結強度設計值（kPa），應由試驗確定，當缺乏試驗資料時可按表4-9取值；

——鋼筋與砂漿粘結強度工作條件係數，對永久性錨杆取0.60，對臨時性錨杆取0.72。錨杆支護可以根據不同圍岩的岩層產狀和穩定狀況靈活進行。其作用原理主要有聯結作用、組合作用和整體加固作用。

（2）錨杆的聯結作用用錨杆將它們聯合起來，並將錨杆盡可能深入到穩定的岩層中，考慮錨杆承擔全部不穩定岩塊的重量。①錨杆承載力計算《建築邊坡工程技術規範》（GB50330—2002）規定：用錨杆加固局部不穩定塊體時，錨杆抗力應滿足下列要求：a.加固受拉破壞的不穩定危岩塊體，錨杆抗拉承載力應滿足：b.加固受剪破壞的不穩定危岩塊體，錨杆抗剪承載力應滿足：②錨杆長度錨杆總長度應為錨固段、自由段和外錨段的長度之和，並應滿足下列要求：a.錨杆自由段長度按外錨頭到潛在滑裂面的長度計算；預應力錨杆自由段長度應不小於5m，且應超過潛在滑裂面；b.錨杆錨固段長度應按式（4-22）、（4-23）進行計算，並取其中大值。構造土層錨杆的錨固段長度不應小於4m，且不宜大於10m；岩石錨杆的錨固段長度不應小於3m，且不宜大於45D（D為錨固體直徑）和6.5m，或55D和8m（對預應力錨索）；（3）錨杆的組合作用錨杆的組合作用是依靠錨杆將數層薄層的岩層組合在一起，形成組合拱或組合梁，以提高岩層整體的抗剪、抗彎的能力。錨杆提供的抗剪力、抗拉力，以及錨杆的錨固力使將要滑動的岩塊得以穩定，阻止層面的互相錯動。錨杆應按與岩層層面垂直的方向設置。如對錨杆施加預應力，可提高其支護效果。（4）錨杆的整體加固作用通過有規律佈置的一系列錨杆，將鄰近的岩體聯結在一起，能阻止不穩定岩石的滑移，促使岩石之間的間隙面壓緊，同時使隧道四周一定範圍內的圍岩組成一個承載環。由於錨杆支護力的作用，壓縮帶獲得徑向支護力，使壓縮帶中的岩體處在三向受壓狀態。

砂漿錨杆的加固作用砂漿錨杆的承載力可用下式表示當圍岩產生位移時，錨杆單位長度上的承載力Ps/L1與的合力阻止圍岩位移的發展，產生支護力，並使在錨杆間的圍岩產生壓縮和成拱作用，提高了圍岩強度並縮小了圍岩的承載跨度（等於錨杆間距），從而達到穩定和加固圍岩的目的。本講要點掌握圍岩壓力的計算方法；理解噴錨支護的概念；掌握錨杆支護的作用與計算方法；2）噴射混凝土支護結構兩個方面起支護作用：（1）局部穩定原理（2）整體穩定原理噴射混凝土的設計強度等級不應低於C20；噴射混凝土1d齡期的抗壓強度不應低於5MPa。（1）局部穩定原理噴射混凝土支護結構及時封閉岩層表面的節理、裂隙，填平或緩和表面的凹凸不平，使隧道內的輪廓較為平順，從而提高圍岩節理、裂隙間的粘結力、摩阻力和抗剪強度，並減少應力集中現象。噴射混凝土關鍵是控制冠石，此時，噴射混凝土需能承受冠石的重量。噴層對局部不穩定危岩塊體的抗拉承載力應按下式驗算（沖切）

——噴層工作條件係數，取0.6；

ft——噴射混凝土抗拉強度設計值（kPa）；h——噴層厚度ur——不穩定危岩塊體出露面的周邊長度a）按沖切破壞計算；b）按撕開破壞計算整體穩定原理噴射混凝土與圍岩表面緊密貼合，形成組合結構共同工作。一方面在與圍岩共同承載和變形過程中對圍岩提供支護力，使圍岩變形得到控制，應力得以調整；另一方面承受來自圍岩變形引起的形變壓力，從而使圍岩保持穩定。3）新奧法中錨噴聯合支護的應用

（1）新奧法與錨噴支護

較好的圍岩（如Ⅳ類以上圍岩），可以噴射混凝土為主，錨杆加固以輔；較差的圍岩，則以錨杆，尤其是預應力錨杆作為主要的岩體加固手段，並與噴射混凝土、鋼筋網噴射混凝土或加鋼拱的鋼筋網噴射混凝土配合使用。施工步驟新奧法以及時的錨噴作為臨時支護，稱為第一次襯砌。第一次襯砌可以起到穩定圍岩，控制圍岩應力和變形，防止圍岩鬆馳、坍塌等作用。待其基本穩定後，再加做模注混凝土二次襯砌。原來的臨時支護（錨噴支護）成為永久襯砌的一個組成部分。二次襯砌基本上不承受荷載或承受很小的荷載，主要是為了滿足隧道結構物的安全、耐久、防水和飾面等的需要。（2）新奧法中支護與圍岩共同作用的力學原理支護結構的設計原理是圍岩和柔性支護共同變形、破壞的彈塑性理論。①圍岩為均質、各向同性的連續彈塑性體，岩體在塑性變形、剪切破壞後仍有殘餘強度；②隧道初始應力場為自重應力場，側壓力係數1；③隧道斷面形狀為圓形；④在一定的埋深條件下，將隧道看作無限體中的孔洞問題。“莫爾-庫倫”準則作為“塑性判據”

圍岩的彈塑性狀態1—彈塑性狀態應力分佈曲線；2—彈性狀態應力分佈曲線彈性區中任一點的應力為

——彈性區中任一點的徑向應力；

——彈性區中任一點的切向應力；

r——彈性區中任一點到隧道中心的徑向距離。P0－－原岩應力塑性區中任一點的應力公式為

塑性區中靠近隧道內緣的應力，因滿足塑性條件而相對減小，成為“應力降低區”，而最大的應力發生在圍岩中塑性區與彈性區的交界面上。在彈性區與塑性區的交界面上（r=R處）令兩式分別相等，整理後可得：支護力pi越小，則圍岩中出現的塑性區半徑R越大；圍岩中出現的塑性區半徑R越大，則圍岩對支護的形變壓力pa（與支護力pi相平衡）越小。

岩體的原岩應力p0越大，則塑性半徑R就越大。p0反映圍岩強度性質的兩個指標，即粘聚力c和內摩擦角越小，岩體強度越低，則塑性半徑R就越大。新奧法柔性支護理論的出發點，是設計、施工中採取支護措施時要積極利用的，以便使支護受到盡可能小的形變壓力。隧道周邊的徑向位移u

隧道周邊徑向位移u的大小，主要取決於支護力pi。當pi減小時，u增大；反之，u減小。圍岩位移曲線

圍岩位移、支護特性曲線①隧道開挖後，若支護非常快，且支護剛度又很大，隧道周邊圍岩沒有變形或變形很小，圖中A點取得平衡，支護需提供很大支護力pmax；圍岩僅負擔產生彈性變形u0的壓力；假如平衡位置由A點移至C點、E點，則形變壓力由pmax減至、。②若隧道開挖後不加支護，或支護很不及時，即允許圍岩自由變形。表現為曲線DB。這時，隧道周邊位移達到最大值umax，形變壓力pa很小或接近於零。圍岩已經出現鬆馳、坍塌，圍岩對支護的壓力就是鬆散壓力，只能按傳統施工方法施作模注混凝土襯砌。③較佳的支護工作點應當在D點以左附近，如圖中E點。在該點上，圍岩既可產生較大的變形，以較多地分擔岩體壓力（），而由支護分擔的形變壓力較小（）；最重要的便是如何掌握好施作時間（以圍岩的變形來判斷）和支護剛度k（支護特性曲線的斜率）。兩次支護：首先在隧道開挖後，及時地進行初期支護和封閉；通過對圍岩變形的監測，掌握隧道周邊圍岩和支護的變形情況，待變形基本趨於穩定時，即達到圖中i點附近時，再進行第二次支護。如作內層二次襯砌，所承受的形變壓力就更小，或為零。通過上述兩次支護的手段，便可以達到支護襯砌結構的合理、經濟、安全的目的。本講要點理解噴射混凝土的兩種作用；掌握新奧法與錨噴支護結合的原理：難點是理解位移支護曲線。（3）新奧法錨噴支護的結構計算和支護監控新奧法支護設計的主要方法有：a.以工程類比為基礎的經驗法；b.以現場測量為基礎的監控法；c.以理論分析為基礎的計算法；d.以上3種方法相結合的綜合法。新奧法錨噴柔性支護中，支護和圍岩緊密貼合，共同工作，支護和圍岩發生的破壞主要為剪切破壞。其穩定的喪失常常是由圍岩中產生塑性剪切滑移楔體開始的。而錨噴支護則和其加固的岩體承載環三者的聯合作用所提供的支護力pi來阻止圍岩中剪切楔體沿滑動面向隧道位移。剪切滑動面曲線方程新奧法中錨噴支護的結構計算是按錨噴支護對隧道圍岩的加固作用和支護作用進行計算。隧道側壁岩體的滑移面,以極座標表示，該曲線的方程為莫爾應力圓與莫爾滑動包絡線

錨杆、噴層和岩體的聯合作用支護力的構成①沿噴層A處剪切面的抗剪阻力，即噴層給剪切體的水準推力②噴層內如設有鋼筋網（或鋼拱支撐），噴層將增加抗剪支護力③錨杆所提供的支護力計算④支護結構所提供的支護力⑤岩體沿滑面S上提供的支護阻力噴層A水準推力

——噴層破壞剪切角(與豎向夾角)；d——噴層厚度；——噴層的抗剪強度；b——剪切體總高度。錨杆按錨杆體抗拉強度計算，錨杆的徑向平均支護力：砂漿錨杆，可能沿孔壁粘結面破壞，宜用下式計算

a剪切滑面在隧道壁面上的投影將的作用面轉換成垂直面上的投影，並同取得平衡，則支護結構所提供的支護力根據力的平衡，認為等於支護結構所提供的支護力。岩體沿滑面S上提供的支護阻力

尚有剪切體滑面S長度上的抗剪應力和正應力的水準分力，其和為圖形:——岩體剪切滑面與水平面之平均傾角剪應力和正應力總的支護力實際工作中，支護設計標準的確定，包括支護時間和支護類型的確定，支護後變形數值的判定標準，是否進行二次支護，以及何時進行二次支護等往往要依靠經驗確定。新奧法支護變形監控1-噴射混凝土；2-設錨杆；3-設模注內層二次襯砌；4-測線圖4-17新奧法支護變形監控標準採用兩次支護的地下工程，後期支護的施作，應在同時達到下列3項標準時進行：①隧道周邊水準收斂速度小於0.2mm/d；拱頂或底板垂直位移速度小於0.1mm/d；②隧道周邊水準收斂速度，以及拱頂或底板垂直位移速度明顯下降；③隧道位移相對值已達到總相對位移量的90%以上。隧道穩定的判據是後期支護施作後位移速度趨近於零，支護結構的外力和內力的變化速度也應趨近於零。本講要點理解支護內力的計算內容和過程；掌握二次支護判定標準。地下結構工程第05章5淺埋的地下結構

當垂直土壓力和水準土壓力均隨著深度增加而增加時，則為淺埋式結構.淺埋的地下結構包括附建式的地下室結構（防空地下室）、隧道的引道結構和一般的淺埋結構.本章著重討論矩形淺埋式結構的設計與計算原理.5.1.1防空地下室大量的住宅和公共建築物在修建時，按照國家的規定，按比例修建的具有一定防護要求的建築物地下室。承受上部地面建築傳來的靜荷載,承受核爆炸衝擊波的動力荷載;平戰結合；一般採用梁板結構、板柱結構、箱形結構、殼體結構等結構形式。地道5.1.2引道結構城市道路系統中立交地道、水底隧道的峒門與地面間的連接段，是一種縱向變高度的塹壕。（1）.牆型支擋結構應用廣泛的是薄壁型擋牆，又可分為懸臂式和扶壁式擋牆。（2）.槽形支擋結構(a)懸臂式擋牆（b）扶壁式擋牆圖5－1薄壁型擋牆其他：重力型、半重力型（塊石、素混凝土製成）、鋼筋混凝土薄壁擋牆、加筋土型支擋結構、拉錨型支擋結構、地下連續牆型支擋結構。槽形支擋結構（整體式引道結構）靜定結構，其形狀與船塢類似，其設計需要先進行抗浮穩定計算，然後進行結構的強度計算。5.1.3一般淺埋結構淺埋的地鐵車站、地鐵通道、地下工廠、地下醫院、指揮所等，應用廣泛。一般採用明挖法施工。為直牆拱、矩形框架和梁板式結構。5.2一般淺埋結構結構形式

5.2.1直牆拱半圓拱、割圓拱和拋物線拱5.2.2矩形閉合框架(a)單跨(b)雙跨(c)隔牆開設孔洞(d)梁柱體系(e)多層多跨地下廠房5.2.3梁板式結構5.3矩形閉合框架的計算矩形閉合框架的結構計算通常包括荷載、內力及截面計算，必要時尚應進行抗浮計算。5.3.1荷載計算靜荷載:自重土壓力和地下水頭壓力；活荷載:施工活荷載、車輛設備等荷載；特定荷載:常規武器甚至核武器作用下的衝擊荷載。頂板荷載：(1).上部覆土重力(2).水壓力：(3).頂板自重：(4).特載頂板總荷載為三者與特載之和：底板荷載直線分佈，底板上的荷載為結構整體自重、頂板傳下的荷載與特載之和，即:側牆荷載側牆上的荷載包括有水準向土壓力，水壓力和特載。——折減係數，依土體透水性而定；對於砂土對於粘土圖5－5荷載示意圖5.3.2內力計算可將地基視作彈性半無限平面，作為彈性地基上的框架進行分析。簡化，本節將彈性地基上的反力作為荷載作用在閉合框架底部，按照一般平面框架計算。1）計算簡圖視為平面應變問題，

圖5－7計算簡圖及簡化框架的頂底板厚度都比內隔牆大得多，中隔牆的剛度相對較小，將中隔牆一般視為只承受軸力的二力杆，圖5－8縱梁和柱計算簡圖本講要點瞭解淺埋結構的結構形式；掌握矩形閉合框架的計算簡圖。2）截面選擇計算超靜定結構內力時需要知道截面尺寸，這在設計前是不知道的。所以只有根據經驗假定各個截面的尺寸，進行內力計算，然後驗算截面是否合適。若不合格，重複上述過程，直至所設截面合適為止3)計算方法採用位移法計算，當不考慮線位移的影響時，則以力矩分配法為簡便。(1).當豎向荷載不平衡時，可以在底板的結點上加設集中力.(2).線位移的確定，一般情況下，框架有幾孔就有幾個獨立的線位移。淺埋式結構上特載的值遠大於其他荷載，，而且，特載的值的計算是非常粗略的，因此並非非常精確。集中力的施加5.3.3截面計算以現行鋼筋混凝土結構設計規範為准。特載與其他荷載組合：按照彎矩和軸力對構件承載力進行驗算時，需要考慮動力荷載作用下材料強度的提高；按剪力和扭力對構件進行承載力驗算時，則不考慮材料強度的提高。設有支托的框架結構地下矩形閉合框架結構中的頂板、側牆和底板均按照偏壓構件進行截面驗算。5.3.4抗浮計算

為結構自重、設備重量及上部覆土重之和，但對箱體施工完畢後工況，僅考慮結構自重；為浮力。5.4構造要求5.4.1配筋形式5.4.2混凝土保護層厚度保護層最小厚度常比地面結構增加5-10mm。通常可按照“混凝土結構設計規範”（GB50010-2002）規定採用，其環境類別應屬b類。5.4.3橫向受力鋼筋鋼筋直徑選取32mm以下，鋼筋的間距一般不大於200mm，不小於70mm，以方便施工。表5－1最小鋼筋配筋率(%)項次分類混凝土強度等級<C20C25-C40C50-C601軸心受壓構件的全部受壓鋼筋0.40.40.42偏心受壓及偏心受拉構件的受壓鋼筋0.20.20.23受彎構件偏心受壓及偏心受拉構件的受拉鋼筋0.10.150.25.4.4縱向分佈鋼筋.4縱向分佈鋼筋在縱向截面，一般配置分佈鋼筋，以減少混凝土的收縮、溫差和不均勻沉降的影響。縱向分佈鋼筋的截面面積，一般不應小於受力鋼筋截面積的10％，同時，縱向分佈鋼筋的配筋率對頂底板不宜小於0.15%；側牆不宜小於0.20％。5.4.5箍筋一般可不配置箍筋項次板和牆厚（mm）12341502002503002003003505005.4.6剛性節點構造增加斜托，斜托的斜度控制在1：3左右比較合適。轉角部分的鋼筋佈置如圖。5.4.7變形縫的設置伸縮縫和沉降縫，變形縫的間距在30m左右。嵌縫式：結構內部槽中填以瀝青膠或由環氧樹脂和煤焦油合成的環煤塗料等，也可以在外部貼防水層。貼附式將厚度為6～8mm的橡膠平板用鋼板條及螺栓固定在結構上即可。其優點是橡膠平板年久老化後可以拆換，缺點是不易使橡膠平板和鋼板密貼。埋入式大型工程中普遍採用埋入式變形縫，在澆搗混凝土時，把橡膠或塑膠止水帶埋入結構中，防水效果可靠，但橡膠老化問題需要改進。如果防水要求很高，承受較大水壓時，可以採用上述三種方法的組合，稱為混合式，效果良好，但施工程式多，造價高。本講要點瞭解構造要求；理解變形縫的設置方法。地下結構工程第06章6盾構襯砌結構

本章介紹盾構構造和分類，盾構推進及襯砌拼裝;圓形襯砌構造、內力計算與管片結構設計，要求瞭解盾構隧道的功能和適用環境。掌握圓形襯砌結構設計方法和構造要求。6.1概述盾構（shield）是一種鋼制的活動防護裝置或活動支撐，是通過軟弱含水層，特別是河底、海底，以及城市居民區修建隧道的一種機械。頭部可以安全地開挖地層,尾部可以裝配預製管片或砌塊，迅速地拼裝成隧道永久襯砌。盾構推進主要依靠盾構內部設置的千斤頂。適用條件在鬆軟含水地層中修建隧道、水底隧道及地下鐵道時採用各種不同形式的盾構施工最有意義，特別是該施工方法屬地表以下暗挖施工，不受地面交通、河道、航運、潮汐、季節等條件的影響，盾構隧道的歷史用盾構法修建隧道開始於1818年，法國工程師布魯諾爾；1825年在英國泰晤士河下首次用矩形盾構建造隧道；近代，日本盾構法得到了迅速發展，用途越來越廣，並研製了大量新型盾構；我國於1957年北京下水道工程中首次出現2.6m小盾構；上海市延安東路過江道路隧道使用11.0m直徑的大盾構；隧道剖面圖1-進風道；2-進風口；3-排風口；4-排風道；5-路面（下拉杆）6-天棚（上拉杆）；7-吊杆；8-照明燈；9-滅火器；10-消防栓；11-電纜；12-排水管；13-給水管；14-縱向螺栓；15-環向螺栓按形狀分類大致有圓形（又稱半盾構）、矩形、馬蹄形等幾種。圓形因其抵抗水土壓力較理想，襯砌拼裝簡便，構件可以互換，較為通用，數量最多。圓形盾構中，敞胸盾構和閉胸盾構兩大類。6.2盾構構造和分類

6.2.1盾構的基本構造1-1(切口環)；2-2(支承環)；3-3(縱剖面)通常由盾構殼體、推進系統、拼裝系統、出土系統等四大部分組成。1）盾構殼體盾構殼體由切口環、支承環、盾尾與豎直隔板、水準隔板組成，並由外殼鋼板連成整體。切口環：開挖；上下寬度可以等值、也可以不等值，甚至是活動的。容納各種專門的挖土設備。支承環：承受荷重的核心部分，剛性較好的圓環結構。水準隔板和豎直隔板：增加盾構剛度，水準承受拉力，豎直承受壓力。盾尾：掩護工人在其內部安裝襯砌。2）推進系統由盾構千斤頂和液壓設備組成，上下左右活塞杆伸出長度不同達到糾偏目的。盾構千斤頂一般是沿支承環圓周均勻分佈的；3）拼裝系統襯砌拼裝器又稱舉重臂，是拼裝系統的主要設備，以油壓系統為動力，一般舉重臂均安裝在支承環上。舉重臂能作旋轉、徑向運動，還能沿隧道中軸線作往復運動。完成這些運動的精度應該保證待裝配的管片上的螺栓孔能和已裝配好的螺栓孔對齊，以便螺栓固定。4）出土系統出土方式一般有三種：（1）有軌運輸：皮帶運輸機－礦車－洞口－垂直起吊至地面。（2）無軌運輸：自卸卡車（3）管道運輸：混合泥漿，壓力輸出，出土連續化6.2.2盾構分類及其適用範圍表6-1。1）人工開掘式、半機械式敞胸盾構全部敞開，隨時觀察地層變化情況，並配備簡便的液壓、風動挖掘，機具、人工挖掘，當開挖面難以保持穩定時可以採用氣壓等人工措施及正面支撐、支撐千斤頂等隨挖隨撐。2擠壓式閉胸盾構在塑性粘土及淤泥中採用,盾構正面用胸板密閉起來。厚蘭隧道、林肯隧道和打浦路隧道都採用過半擠壓及全擠壓推進的閉胸盾構施工.襯砌結構常發生橢圓率的現象，先襯砌水準直徑縮小，豎向直徑增大，繼之，盾構離遠時，豎向直徑減小，水準直徑增大。主要是隧道上方土壤結構破壞、隆起，形成一個卸載拱，而水準壓力仍然保持著初始數值之故。3）機械式閉胸盾構（1）局部氣壓盾構（2）泥水加壓式盾構

(3)土壓平衡式盾構表6-1挖掘方式構造類型盾構名稱開挖面穩定措施適用地層附注人工開挖（手掘式）敞胸普通盾構臨時擋板、支撐千斤頂地質穩定或鬆軟均可輔以氣壓、人工井點降水及其它地層加固措施棚式盾構將開挖面分成幾層，利用砂的安息角和棚的磨擦砂性土網格式盾構利用土和鋼制網狀硌柵的磨擦粘土淤泥閉胸半擠壓盾構胸板局部開孔依賴盾構千斤頂推力土砂自然流入軟可塑的粘性土全擠壓盾構胸板無孔、不進土淤泥半機械式敞胸反鏟式盾構手掘式盾構裝上反鏟挖土機土質堅硬穩定開挖面能自立輔助措施旋轉式盾構同上，裝上軟岩掘進機軟岩機械式敞胸旋轉刀盤式盾構單刀盤加面板多刀盤加面板軟岩輔助措施閉胸局中氣壓盾構面板和隔板間加氣壓多水鬆軟地層不再另設輔助措施泥水加壓盾構面板和隔板間加壓力泥水含水地層、沖積層、洪積層輔助措施土壓平衡盾構（加水式、加泥式）面板和隔板間充滿土砂容積產生的壓力與開挖面處的地層壓力保持平衡淤泥、淤泥混砂輔助措施6.2.3盾構幾何尺寸的選定及盾構千斤頂推力計算主要指盾構外徑D和盾構長度L、盾構靈敏度L/D。最小建築空隙值xx=mα=mD=d+2(x+δ)δ=0.02+0.01（D-4）2）盾構長度LL=L0+L1+L2+L3L0—盾尾長度；L1—支承環長度；L2—切口環長度；L3—前簷長度。3）盾構靈敏度L/D經驗數值:小型盾構D=2~3m，L/D=1.5中型盾構D=3~6m,L/D=1.00大型盾構D=6~9m,L/D=0.75特大型盾構D＞12m,L/D=0.45~0.754）盾構千斤頂推力計算阻力包括：盾構外表面與四周地層的摩阻力；盾尾內殼與襯砌結構之間的摩阻力；盾構切口部分刃口切入土層的阻力；盾構切口環切入土層時的正面阻力；開挖面正面支撐阻力；以及盾構自重引起的阻力，糾偏時的阻力，局部氣壓或泥水壓力，阻力板阻力等。日本盾構總推力經驗公式表6-2盾構總推力隧道名稱直徑D(m)長度L(m)靈敏度L/D重量W(t)盾構千斤頂（只數）(104N)盾殼厚度(mm)附注荷蘭Vehicular9.175.730.6340030600070美國林肯隧道9.634.710.4930428644063=12.7美Brooklyn-battery9.634.710.4931528644063=12.7美Queen-Midtown9.655.700.59285600比Antwerpen9.505.500.57627532640070Rotherhite9.355.490.586406700原蘇聯莫斯科地鐵9.504.730.5340363500中國上海打浦路隧道10.206.630.65400408000中國上海延安東路隧道11.267.800.69480448800本講要點盾構的組成；盾構的分類；盾構外形尺寸的確定和推力的確定。6.3盾構推進及襯砌拼裝6.3.1盾構推進已建隧道所採用過的大直徑盾構，大部分都屬於手掘式敞胸盾構或閉胸擠壓盾構，或者是兩者兼有的盾構。技術先進的泥水盾構或土壓平衡盾構很少採用。本節將主要介紹在鬆軟含水地層中採用手掘式敞胸盾構施工，輔以氣壓，人工井點降水及其它地層加固措施，盾構開挖掘進時的幾種施工方法。1）人工井點降水加

手工掘式敞胸盾構施工人工井點降水，經濟，適用於漏氣量大的砂性土。地下水位降低、疏幹地層，增加土體強度，以保證開挖面穩定，盾構在地下水位以上通過，施工場地較乾燥。一般都採用噴射井點，深度曾用到27m，使埋深為25m的隧道能順利開挖。具體過程：（1）先借助盾構千斤頂使盾構推進，將切口環部分切入地層，然後在切口環保護下進行土體開挖與運輸，這樣對周圍地層擾動較小。（2）分層開挖，施工工具為普通手工工具或掌上型風動工具。（3）每環管片可分數次開挖和推進，盾構糾偏時可以利用超挖解決。（4）可借助支撐千斤頂加撐板對開挖面進行臨時支撐；（5）當用網格式盾構時，防止盾構後退。2）氣壓加手掘式敞胸盾構施工盾構施工在含水鬆軟不穩定地層中採用氣壓來疏幹和支護開挖面，以防止湧水、開挖面崩坍，增強地層強度，是一種極古老，且行之有效的施工方法。（1）氣壓大小及耗氣量的確定理論上，每10m水頭必須用0.1Mpa的氣壓力來平衡。實際上，僅為理論壓力的50%~60%，空氣量僅為理論空氣量的10%~50%。。中小型盾構，壓力等於離盾構上端約D/2處的地下水壓力;大直徑盾為2/3D處的地下水壓力;頂部均超壓，需有足夠的覆蓋層施工時為了防止空氣泄出，盾構頂部必須有足夠厚的覆蓋層t即t值過大則直接影響到隧道埋置深度，過小則覆蓋不足，往往容易發生噴發事故。國外隧道規範規定；水底隧道的最小覆蓋層必須大於盾構直徑（日本）或等於盾構直徑，覆蓋層寬度應大於或等於盾構直徑的6倍。採用經驗公式計算耗氣量：

—土質係數，當壓力大於0.1MPa時，粘性土=3.65；砂性土=7.30。（2）氣壓盾構施工氣壓盾構施工中閘牆和氣閘作用是將作業區與常壓作業區隔開。閘牆必須有足夠的強度與氣密性.氣閘是鋼板鉚接或焊接而成的圓筒形結構，分人行閘和外閘兩部分。人行閘的管理是氣壓施工的重要環節，要嚴格遵守氣壓作業的工作時間及進出氣閘的變壓時間，以防減壓病。3）泥水加壓盾構施工用泥水加壓盾構代替上述氣壓盾構施工，克服了氣壓施工的弊病。地面沉降，減壓病，覆土深時，氣壓太高無法施工，覆土淺時，漏氣等。泥水加壓盾構是將壓力為的泥水，（式中H取2m）,壓入盾構前部密封艙內，使其壓力始終高於地下水壓力，這樣就保持了開挖面穩定的基本條件。6.3.2襯砌拼裝隧道襯砌是在盾構尾部殼保護下的空間內進行拼裝。組成：鑄鐵、鋼、鋼筋混凝土或鋼與鋼筋混凝土的複合材料等製成的管片或砌塊。結構受力及使用要求決定盾構及襯砌結構形式並決定其拼裝方法。拼裝方法重臂拼裝或拱托架拼裝；通縫拼裝（管片的縱縫環對齊）或錯縫拼裝；螺栓聯結的管片或無螺栓聯結的砌塊等。按其程式可分為“先縱後環”和“先環後縱”。採用舉重臂拼裝管片的原則應是自下而上，左右交叉，最後封頂成環。6.4裝配式圓形襯砌構造“管片”是建成隧道後的永久性支撐結構，應滿足強度要求、使用要求；施工階段須裝配簡便、容易替換、承受盾構千斤頂頂力及其它施工荷載。箱形管片平板形管片帶肋管片的材料長期以來多為鑄鐵（見圖6-6c）和鋼。環寬與厚度國內外常用的環寬是750~1000m；曲線段推進時設有楔形管片，按隧道曲率半徑計算；管片厚度一般為250~600mm。分塊大斷面隧道可分成6~8~10塊，小斷面可分為4~6塊。管片的最大弧長一般不超過4m，管片愈薄其長度應越短。拼裝型式一般有通縫、錯縫拼裝兩種。縱縫環環對齊的稱通縫，適用於需要拆除管片修建旁側通道或結構需要比較柔的情況下，以便於進行結構處理。縱縫互相錯開，對稱錯縫，其優點在於能加強圓環接縫剛度，使圓形結構可近似地按均質圓環等剛度考慮，因此使用較普遍的，缺點是錯縫拼裝容易