地下建筑结构绪论

绪论共七十七页本讲内容（1）本课程(kèchéng)教学改革方案（2）地下建筑结构的发展现状（3）地下建筑结构的概念、作用和形式（4）地下建筑结构的设计程序和内容（5）地下建筑结构面临的挑战共七十七页§1本课程教学改革方案《地下建筑(dìxiàjiànzhù)结构设计》课程教学改革总体方案共七十七页铁路隧道：2500km(解放后修建)，其中：大遥山隧道（1987）为14.295km，居世界第10位；秦岭隧道(1999)由两座基本平行的单线隧道组成，间距30米，各全长18.46公里，居亚洲第2位，世界第6位。最大埋深1600米，为目前世界之最。

公路隧道（水下）：打浦路隧道（第一条，2761m）甬江、珠江、上海外环江底沉管隧道、上海长江隧道、琼州海峡隧道、台湾海峡隧道（未来(wèilái)可能的）铁路(tiělù)和公路隧道§2地下建筑结构的发展现状共七十七页2024/12/8绥芬河北京乌海临汾洛阳荣成丹东锡林浩特乌兰浩特满洲里珲春青岛连云港宁波厦门汕头河池瑞丽霍尔果斯石家庄太原济南长春哈尔滨郑州上海杭州福州武汉长沙南昌合肥南京广州南宁贵阳昆明成都重庆西安银川乌鲁木齐天津9纵

18横国家高速公路网布局(bùjú)方案沈阳海口(hǎikǒu)兰州共七十七页在山岭，全国各省，特别是西部地区，将建设众多隧道工程。在沿江，宁波、广州、上海、南京(nánjīnɡ)、武汉、重庆等越江通道工程。

在沿海，有渤海湾跨海工程、大连湾跨海工程、青-黄海底隧道工程、上海崇明越江通道、港-珠-澳跨海工程、琼洲通道工程、台湾连线工程、厦门东通道工程等。共七十七页2024/12/8东、西部高速公路隧道(suìdào)工程共七十七页2024/12/8同三国道主干线沈阳至海口国家(guójiā)高速琼州海峡(qiónɡzhōuhǎixiá)共七十七页1、厦门公路越海隧道由于隧道穿越地层为质地良好的花岗岩，决定采用(cǎiyòng)双向六车道钻爆法施工，中间设管廊式服务通道；

蓬勃发展的江、河、海底隧道共七十七页共七十七页2、武汉长江隧道由于隧道穿越粉细沙不稳定(wěndìng)地层，决定采用双向四车道、泥水加压式盾构，盾构直径

11.4m，采用复合式刀具，以实现长距离不换刀掘进。共七十七页2024/12/8共七十七页共七十七页3、南京-浦口长江第二隧道南京-浦口长江第二隧道是铁路高速(ɡāosù)跨越点，原定沉管法，后因冲刷深度变化较大，流速大而改为盾构法。目前，南京市政府采用双向六车道，工程造价约44亿元。采用大直径15m泥水盾构，造价高，风险大，埋深也要加大。共七十七页

15m的隧道(suìdào)断面图南京长江(chánɡjiānɡ)隧道平面位置图共七十七页4、杭州市庆春路钱塘江市区水底隧道通道采用双向四车道盾构方案，理念正确，已进行了安全(ānquán)、风险评估，对环境影响很小。杭州庆春路隧道(suìdào)断面图建成后杭州庆春路隧道共七十七页5、联结青岛－黄岛胶州湾湾口海底隧道由于穿越优质花岗岩地层，采用双通道六车道钻爆法施工方案，设计合理(hélǐ)，但青岛侧的交通联结方式采用高架穿越城区，产生影响环境。共七十七页青岛(qīnɡdǎo)海底隧道平面位置共七十七页6、港、珠、澳海上(hǎishànɡ)大通道全长36km，分别由6km沉埋管段和大桥相联后，用3.6km盾构或浅埋暗挖法修建隧道，在珠海拱北上岸，再用桥和6km长的山岭隧道相联，并和太澳公路相联，工程规模为双向六车道。共七十七页

平面(píngmiàn)位置图

隧道(suìdào)埋位置图共七十七页

隧道(suìdào)埋深位置图共七十七页7、上海地区多条水底隧道穿越黄浦江均采用双向四通道，盾构法施工，效果很好，两端接线容易，方便市民(shìmín)。8、大连市区海湾海底隧道经过桥、隧对比，决定采用双向六车道，钻爆法方案，因该地区的岩体为花岗岩，水文地质很好，不破坏环境，少占地，少拆迁。共七十七页共七十七页9、上海浦东至长兴岛水底隧道双向六通道，采用盾构法施工，盾构直15.18m，长距离4km掘进，风险很大，需认真(rènzhēn)研究，尤其不易在江中设置横通道，应充分利用主洞行车道下面的很大空间进行疏散救援，取消横通道对两个主体隧道的结构沉降减少制约，防止结构开裂非常有利。盾构

15.18m共七十七页10、广州市区地铁(dìtiě)和城市交通多条穿越珠海水底隧道正在设计、施工的有五条，采用双向六通道方案沉埋管段法。共七十七页

沉管隧道(suìdào)断面图

隧道(suìdào)单元预制图共七十七页11、琼州海峡34km跨海隧道(suìdào)，采用盾构法修建铁路海底隧道(suìdào)，正在论证中，目前轮渡过渡。共七十七页有公铁合建桥梁中线、西线方案(fāngàn)和中线铁路隧道与西线公路桥梁分建方案(fāngàn)用于比选。共七十七页12、台湾海峡海底铁路隧道修建的愿望在日趋增高，正在论证中。13、渤海湾大连至烟台110km跨海(kuàhǎi)铁路隧道，目前轮渡正在修建，可能采用TBM法和盾构法。共七十七页

方案1

方案2

台湾海峡海底地形图

共七十七页31

2030年前后发展(fāzhǎn)展望烟大跨海通道跨海长100余公里，将烟台至大连通道缩短了1600余公里，是沿海(yánhǎi)通道的重要组成部分。共七十七页世界主要跨海(kuàhǎi)工程国外：日本发展最快，修建达2000km。其中：圣哥达隧道16.5km；水下隧道发展较快，港九海底隧道、青函隧道（53.85km),为世界之最；英法海峡(hǎixiá)隧道（49.6km），直布罗陀海峡隧道（拟建，连接欧非大陆）；对马海峡隧道（拟建，连接日本与南朝鲜，230km）共七十七页瑞士圣哥达大隧道(suìdào)全长16.5Km，是穿越海拔2Km多的阿尔卑斯山、连接瑞士南部和意大利北部的主要公路干道，为世界第二长公路隧道。图片为2001年10月24日因车辆相撞发生大火，死亡14人。在英吉利海峡底开凿隧道的规划是19世纪初拿破轮战争期间首次提出的。英吉利海峡隧道耗资100亿英镑，接通英国肯特郡的福克斯通和法国的加来，建造工程于1987年12月开始，到1990年12月结束。1994年5月6日由英国女王伊丽莎白二世和法国总统密特朗正式剪彩(jiǎncǎi)通车。这条双轨隧道长49.94公里，直径7.6米。共七十七页水中隧道(suìdào)（悬浮隧道技术）共七十七页山岭(shānlǐng)隧道（新奥法）共七十七页2024/12/8越江公路(gōnglù)隧道（沉管法）共七十七页城市地下工程在地铁方面，法国巴黎高速地铁横贯东西，全长50km余；日本东京地铁更有若干层好几条线；我国的上海、北京、广州、郑州等20多个地方地铁建设正如火如荼。

多层次综合开发利用地下空间，是城市地下工程建设的一个特点。如日本东京的上层地下工程，便多作为地下街、商场等；瑞典(ruìdiǎn)、挪威、美国等更把地下工程用于民用住宅、图书馆等。我国有利用人防工程改造的商场、地下人行街、车库等。共七十七页上海徐家汇地铁站广州越秀公园(gōngyuán)站明珠二期上体馆车站(chēzhàn)（冰冻法）共同沟共七十七页黄浦江行人隧道(suìdào)

（我国第一条观光隧道，盾构法）山区城市(chéngshì)隧道（新奥法）打浦路隧道（盾构法）共七十七页2024/12/8地下(dìxià)广场（明挖法）共七十七页地下车站(chēzhàn)（盖挖、逆作法）共七十七页最新盾构技术(jìshù)盾构隧道(suìdào)共七十七页排水隧道(suìdào)（顶管法）共七十七页2024/12/8地下通道（管棚法）共七十七页地下通道（管幕—箱涵顶进技术(jìshù)）共七十七页共七十七页水利水电及航运地下工程

水电站包括：引水隧道、泄水隧洞及大跨度、高边墙的地下厂房等地下工程。据统计，我国建国后建成的大中小型水电站引、泄水隧洞约140座，全长120km；最长的为四川渔子溪一级电站(diànzhàn)有压发电隧道，长8429m。天生桥水电站，有压发电隧道三座，内径9.0m，各长11.34km。航运地下工程:世界最大的航运隧道为法国马赛至罗那航运线上的罗佛隧道，全长7km，断面宽24.5m,高17.5m。天生桥水电站龙滩水电站共七十七页水电(shuǐdiàn)地下厂房坝高277m表孔6-12.5×18.5深孔7-5×8泄洪洞4-14×11.3厂房(chǎngfáng)

2-8×750共七十七页2024/12/8主副厂房(chǎngfáng)洞主变洞尾调洞母线(mǔxiàn)洞尾水主洞交通洞出线洞引水发电系统设计白鹤滩水电站装机容量13050MW，多年平均发电量564.9亿kW

h。是西电东输骨干电源点之一共七十七页广西龙滩水电(shuǐdiàn)地下厂房共七十七页其他

各类物资的储库，如瑞典佛斯马克海底核废料储库系统；我国柳州大型(dàxíng)天然洞室作冷藏库；以及地下油库、大型(dàxíng)跨江海桥梁的基础、地下物流系统、地下防卫设施等。新日本石油公司(ɡōnɡsī)的海上油库串木野基地的地下油库共七十七页地下石窟洞室(dònɡshì)（小隧道棚大跨洞室开挖法）共七十七页2024/12/8桥梁锚碇工程(gōngchéng)（基坑法）典型桥梁(qiáoliáng)锚碇施工共七十七页开挖中的低温气体储藏隧洞（新奥法）地下防卫设施（新奥法）共七十七页（一）地下建筑结构的概念

地下建筑是修建在地层中的建筑物。它可以分为两大类：修建在土层中和修建在岩层中的。广义上讲，任何结构物都是修建在相应的介质(jièzhì)中的，如上部结构是修建在空气介质(jièzhì)中，地下建筑结构一般修建在土层中、岩层中或水中。

本学科所要研究的所有问题都可归为“结构与介质的相互作用问题”。

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示意图§3地下建筑结构的概念、作用和形式共七十七页（二）地下建筑结构的作用地下建筑结构，即埋置于地层内部的结构。按照使用要求(yāoqiú)在地层中挖掘洞室沿洞室周边修建永久性支护结构——即衬砌结构。内部结构与地面建筑的设计基本相同作用：衬砌结构主要是起承重和围护作用。承重，即承受岩土体压力、结构自重以及其它荷载作用；围护，即防止岩土体风化、坍塌、防水、防潮等。共七十七页地下建筑与地面建筑结构的区别（1）计算理论、设计和施工方法（2）地下建筑结构所承受的荷载比地面结构复杂。（3）地下建筑结构埋置于地下，其周围的岩土体不仅作为荷载作用于地下建筑结构上，而且约束着结构的移动和变形。

计算理论上最主要差别：在地下建筑结构设计中除了要计算因素多变的岩土体压力(yālì)之外，还要考虑地下结构与周围岩土体的共同作用。共七十七页（三）地下建筑结构的型式首先由受力条件控制，即在一定地质的围岩压力、水土压力和一定的爆炸与地震等动载下求出最合理和经济的结构型式；其次由地下建筑的功能要求和施工技术要求等确定(quèdìng)。主要有：

地下建筑结构的几种(jǐzhǒnɡ)形式共七十七页土层地下建筑(dìxiàjiànzhù)结构型式（一）浅埋式结构：平面成方形或长方形，当顶板做成平顶时，常用梁板式结构。地下指挥所可以(kěyǐ)采用平面呈条形的单跨或多跨结构。为节省材料，顶部可做成拱形。（二）附建式结构：是房屋下面的地下室，一般有承重的外墙、内墙（地下室作为大厅用时则为内柱）和板式或梁板式顶底板结构。（三）沉井结构：沉井施工时需要在沉井底部挖土，顶部出土，故施工时沉井为一开口的井筒结构，水平断面一般做成方形，也有圆形，可以单孔也可以多孔，沉毕后再做底顶板。（四）地下连续墙结构：先建造两条连续墙，然后在中间挖土，修建底板、顶板和中间楼层。共七十七页土层地下建筑(dìxiàjiànzhù)结构型式（五）盾构结构：盾构推进(tuījìn)时，以圆形为最宜，故常采用装配式圆形衬砌，也有做成方形和半圆形的。（六）沉管结构：一般做成箱形结构，两端加以临时封墙，托运至预定水面处，沉放至设计位置。（七）桥梁基础结构：桥梁基础结构可分为浅基础、深基础及深水基础三大类，目前常用的基础形式是桩基础和沉井基础。（八）其它结构：还包括顶管结构和箱涵结构等。在城市管道埋深较大、交通干线附近和周围环境对位移、地下水有严格限制的地段常采用顶管结构施工更为安全和经济。而在铁路和公路交叉口，为了不影响交通，需建立交桥和立交地道，一般采用箱涵结构。共七十七页岩石地下建筑结构(jiégòu)形式

型式主要包括直墙拱形、圆形、曲墙拱形等。此外，还有一些其它类型的结构，如喷锚结构、穹顶结构、复合结构等。最常用的是拱形结构，这是因为它具有以下优点：

（一）地下结构的荷载比地面结构大，且主要承受垂直荷载。因此，拱形结构就受力性能而言比平顶(pínɡdǐnɡ)结构好（例如在垂直荷载作用下弯矩小）。

（二）拱形结构的内轮廓比较平滑，只要适当调整拱曲率，一般都能满足地下建筑的使用要求，并且建筑布置比圆形结构方便，净空浪费也比圆形结构少。

（三）拱主要是承压结构。适用于采用抗拉性能较差，抗压性能较好的砖、石、混凝土等材料构筑。材料造价低，耐久性良好，易维护。共七十七页岩石地下建筑(dìxiàjiànzhù)结构形式常用的几种(jǐzhǒnɡ)拱形结构、喷锚结构以及穹顶结构等。（一）、拱形结构1．贴壁式拱形结构（1）半衬砌结构（2）厚拱薄墙衬砌结构（3）直墙拱形衬砌（4）曲墙拱形衬砌结构2．离壁式拱形衬砌结构（二）喷锚结构（三）穹顶结构（四）连拱隧道结构（五）复合衬砌结构共七十七页补充(bǔchōng)：地下建筑工程分类

地下建筑工程（亦简称地下工程）有许多分类方法：按使用功能分类按周围围岩介质分类按设计施工方法分类按施工材料和断面构造型式分类按重要程度、防护(fánghù)等级、抗震等级等分类最常用的是按使用功能分类共七十七页1、按使用(shǐyòng)功能分类

可分为：地下交通工程、地下市政管道工程、地下工业建筑、地下民用建筑、地下军事工程、地下仓储工程、地下娱乐体育设施等。（1）地下交通工程：地下铁道、公路隧道、过街人行道、海（河、湖）底隧道……（2）地下市政管道工程：输水隧道、地下给（排）水管道、通讯、电缆(diànlǎn)、供热与供气道、共同沟。（3）地下工业建筑：地下核电站、水电站厂房、地下车间、地下厂房……地下垃圾焚烧厂。共七十七页（4）地下民用建筑：地下商业街、地下商场、地下商业（购物中心）、地下医院、地下旅馆、地下学校……（5）地下军事工程(gōngchéng)：人防掩蔽部、地下军用品仓库、地下战斗工事、地下导弹发射井、地下飞机（舰艇）库、防空指挥中心（6）地下仓储工程：地下粮、油、水药品等物资仓库、地下车库、地下垃圾堆场、地下核废料仓库、危险品仓库、金库……（7）地下文娱文化设施：图书馆、博物馆、展览馆、影剧院、歌舞厅……（8）地下体育设施：篮球、乒乓球、网球、羽毛球场，田径场，游泳池，滑冰场等共七十七页2、按周围地层介质分类

软土地下工程

岩石（硬土）地下工程

海（河、湖）底或悬浮(xuánfú)工程

按照地下工程所处围岩介质的覆盖层厚度，又分为深埋、中埋、浅埋不同埋深工程共七十七页3、按照(ànzhào)施工方法分类明挖法（放坡、支护、降水）盖挖法、逆作法浅埋暗挖法沉箱(chénxiāng)、沉井、沉管法盾构法（SM,TBM）顶管法(大口径与微型顶管)新奥法（NATM）、钻爆法共七十七页4、按结构型式(xínɡshì)分类地下建筑和地面建筑结合在一起的常称为附建式，独立修建的地下建筑称为单建式。地下结构型式可以隧道式，横断面尺寸远远小于纵向长度尺寸，即廊道式。平面布局上也可以构成棋盘式或者如地面房间布置(bùzhì)，可以为单跨、多跨，也可以单层或多层，常用浅埋地下结构为多跨多层框架结构。地下结构横断面可根据所处部位地质条件和使用要求，选用不同的形状，最常见的有圆形，口形（人张开嘴），马蹄形，直墙拱形，曲墙拱形，落地拱，连拱（塔拱），穹顶直墙等等。共七十七页5、按衬砌材料和构造(gòuzào)分类衬砌又称被覆或支护，它是在地下工程周围构筑的永久性的支护结构。其主要作用：承重：即承受围岩压力，地下水压力，结构自重以及其它荷载作用；围护：除用来防止围岩风化与崩塌外，必须做到防水和防潮；足够的刚度，耐腐蚀性，稳定性：衬砌结构材料主要有砖、石、砌块混凝土、钢筋混凝土、钢轨（型钢、格栅拱）、锚杆、喷射混凝土，铸铁、钢纤维混凝土，聚合物钢纤维混凝土等。共七十七页6、按现场浇筑施工方法分类(fēnlèi)衬砌构造型式分为：1）模筑式衬砌2）离壁式衬砌3）装配式衬砌4）喷锚支护衬砌三峡、南水、新咏春部分、龙滩共七十七页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(biānqiánɡ)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。

§4地下建筑结构的设计程序和内容共七十七页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(gāngjīn)，并确定分布钢筋(gāngjīn)与架立钢筋(gāngjīn)；（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。共七十七页地下建筑结构的特点荷载的不确定性

水、土压力，岩体压力，地下结构与地层(dìcéng)共同作用问题等计算方法的不成熟

经验类比法、荷载结构法、数值分析法、动态反馈分析法指导思想理论计算导向、监测数据定量、经验总结判断§5隧道及地下工程的特点及面临的挑战共七十七页城市(chéngshì)地下工程面临的挑战（1）理论研究集中在地下结构和地层的相互作用上；集中在地层损失上及其损伤机理上；（2）岩土力学本构理论与地层适用性研究；（3）开发观测方法，自动报警系统的研究；（4）加固地层的各种类型注浆法、冻结法和地下水位降低法等；（5）开发能够主动控制掌子面功能的