地下结构设计1绪论课件

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1、第一章第一章 绪绪 论论第一节第一节 概述概述 第二节第二节 地下结构的分类地下结构的分类第三节第三节 地下结构的设计程序地下结构的设计程序第四节第四节 课程内容与学习方法课程内容与学习方法第一节第一节 概述概述1.1 1.1 地下结构的概念地下结构的概念 在保留上部地层（山体或土层）的前提在保留上部地层（山体或土层）的前提下，在开挖出能提供下，在开挖出能提供某种用途某种用途的的地下空间地下空间内内修筑的修筑的建筑结构建筑结构。1.1.2地下结构的特点地下结构的特点l地下建筑与地面建筑结构相比在计算理论和施地下建筑与地面建筑结构相比在计算理论和施工方法上等都有工方法上等都有很多不同点很多不同点

2、。如两者之间在赋。如两者之间在赋存环境（存环境（初始地应力场，渗流场和温度场以及初始地应力场，渗流场和温度场以及其生态场其生态场，如图，如图1.11.1所示）不同，其所示）不同，其力学作用力学作用机理机理以及所采用的以及所采用的理论和方法理论和方法均有所差异。均有所差异。地面结构体系地面结构体系 一般都是由一般都是由上部结构上部结构和和地基地基组成。地基只在上组成。地基只在上部结构底部起约束或支部结构底部起约束或支承作用，除了自重外，承作用，除了自重外，荷载都是来自结构外部，荷载都是来自结构外部，如人群、设备、列车、如人群、设备、列车、水力等。水力等。是埋入地层中的，是埋入地层中的，四周四周都

3、与地层紧密接触都与地层紧密接触。结构上承受的荷载来结构上承受的荷载来自于洞室开挖后引起自于洞室开挖后引起周围地层的变形和坍周围地层的变形和坍塌而产生的力塌而产生的力，同时，同时结构在荷载作用下发结构在荷载作用下发生的变形又受到地层生的变形又受到地层给予的给予的约束约束。地下结构体系地下结构体系 在稳固地层的情况下在稳固地层的情况下，开开挖出的洞室中甚至可以不挖出的洞室中甚至可以不设支护结构而只留下地层，设支护结构而只留下地层，如我国陕北的黄土窑洞。如我国陕北的黄土窑洞。 因此，周围地层能与因此，周围地层能与地下结构一起承受荷载，地下结构一起承受荷载，共同组成地下结构体系。共同组成地下结构体系。

4、地层既是承载结构的基本地层既是承载结构的基本组成部分，又是形成荷载组成部分，又是形成荷载的主要来源的主要来源。l在非稳固地层中在非稳固地层中，需要，需要修建支护结构，即修建支护结构，即衬砌衬砌。它是在坑道内部修建的它是在坑道内部修建的永久性支护结构。永久性支护结构。l支护结构有支护结构有2 2个最基本的个最基本的使用要求：使用要求： 一是满足结构一是满足结构强度、强度、刚度刚度要求，以承受诸如要求，以承受诸如水、土压力以及一些特水、土压力以及一些特殊使用要求的外荷载；殊使用要求的外荷载； 二是提供一个能二是提供一个能满满足使用要求足使用要求的工作环境，的工作环境，以便保持隧道内部的干以便保持隧

5、道内部的干燥和清洁。燥和清洁。l支护结构即是我们所支护结构即是我们所要研究的地下结构物。要研究的地下结构物。有时，在衬砌内部还有时，在衬砌内部还设有为分割不同使用设有为分割不同使用空间的梁、板、柱等空间的梁、板、柱等内部结构。所以内部结构。所以地下地下结构结构包括包括衬砌结构衬砌结构和和内部结构内部结构两部分，内两部分，内部结构的设计和计算部结构的设计和计算与地面结构相同。与地面结构相同。初期支护桩顶纵梁导洞二次衬砌钻孔桩站台板拱背回填地下结构的工程特点地下结构的工程特点l地下空间内建筑结构替代了原来的地层，结构地下空间内建筑结构替代了原来的地层，结构承受了原本由地层承受的承受了原本由地层承受

6、的荷载荷载。在设计和施工。在设计和施工中要最大限度发挥地层自承能力，以便控制地中要最大限度发挥地层自承能力，以便控制地下结构的下结构的变形变形，降低工程造价。，降低工程造价。l在受载状态下构建地下空间结构物，地层荷载在受载状态下构建地下空间结构物，地层荷载随着施工进程发生随着施工进程发生变化变化。因此，设计时要考虑。因此，设计时要考虑最不利的荷载工况最不利的荷载工况。l作用在地下结构上的地层荷载，应视地层介质的地质情况合理概化确定。对于土体一般可按松散连续体计算，而对于岩体，首先查清岩体的结构、构造等发育情况，然后确定按连续或非连续介质处理。l地下水状态对地下结构的设计和施工影响较大，设计前必

7、须弄清地下水的分布和变化情况。l地下结构设计要考虑结构物从开始构建到正常使用以及长期运营过程的受力状况，注意合理利用结构反力作用，节省造价。l在设计阶段获得的地质资料，有可能与实际施工揭露的地质情况不一样。因此，地下结构施工中应根据工程的实时工况动态修改设计。l地下结构的围岩既是荷载的来源，在某些情况下又与地下结构共同构成承载体系。l当地下结构的埋置深度足够大时，由于地层的成拱效应，结构所承受的围岩垂直压力总是小于其上覆地层的自重压力。1.1.3 1.1.3 地下结构的作用地下结构的作用l可供给城市地区的工业和生活用水、污水排放，可供给城市地区的工业和生活用水、污水排放，并利用地下空间修建地下

8、污水处理设施等，对并利用地下空间修建地下污水处理设施等，对环境保护起重要作用。如修建地下污水处理厂环境保护起重要作用。如修建地下污水处理厂（2）可提供食料、能源（瓦斯和石油）等物质的储藏空间，使土地利用面积倍增和增强国防防御能力。（3）可作为城市重要的“生命线工程”，提高城市抗御自然灾害和战争的能力。（4）可提供放射性废弃物或其他有害废弃物唯一安全的场所。可提供安全的、环境健全、高速而经济的可提供安全的、环境健全、高速而经济的交通通道交通通道，如，如城市地铁、地下快速路、地下人行通道等。城市地铁、地下快速路、地下人行通道等。波士顿拆除穿过市中心的六车道高架路，建设波士顿拆除穿过市中心的六车道高

9、架路，建设8 81010车道车道的地下高速路，原有的地面变成林荫路和街心公园。这样的地下高速路，原有的地面变成林荫路和街心公园。这样的结果是市区空气的一氧化碳浓度降低了的结果是市区空气的一氧化碳浓度降低了1212；市中栽植；市中栽植了了24002400棵乔木树，棵乔木树，70007000多棵灌木树；在海湾的景观岛上栽多棵灌木树；在海湾的景观岛上栽植了另外的植了另外的24002400棵乔木和棵乔木和2600026000棵灌木；增加了棵灌木；增加了260260英亩新英亩新的公园和开敞空间。的公园和开敞空间。l可提供地下生产设施、办公场所、休闲娱乐以可提供地下生产设施、办公场所、休闲娱乐以及居住等所

10、需的及居住等所需的空间空间。l地下空间的利用可极大地地下空间的利用可极大地缓和城市的混杂缓和城市的混杂。1.1.4 1.1.4 地下结构及其计算理论的发展地下结构及其计算理论的发展1.地下结构的发展概况 2.地下结构计算理论的发展阶段 3.地下结构计算理论的发展趋势 地下结构的发展概况地下结构的发展概况l1）铁路和公路隧道）铁路和公路隧道l中国已成为世界上中国已成为世界上隧道最多隧道最多，建设，建设发展最快发展最快的的国家。截至国家。截至2011年年3月，我国已投入使用各类月，我国已投入使用各类隧道隧道1.2万座以上，延长总计万座以上，延长总计7000km。其中。其中铁路隧道铁路隧道7000多

11、座，总长度超过多座，总长度超过4000km；公路隧道公路隧道4000多座，总长度超过多座，总长度超过2000km。秦岭隧道实景一秦岭隧道实景二秦岭隧道简介秦岭隧道简介l 西康铁路秦岭隧道是我国目前最长铁路隧道之一，位于陕西省长安县和柞水县交界处，在青岔车站与营盘车站之间，设计由两座基本平行的单线隧道组成，两线间距为30m。其中I I线隧道全长线隧道全长18452m18452m，里程为DK64+361.6DK82+813.6：线隧道全长18456m，里程为DK64+370DK82+826。隧道两端高差155m。I、线隧道纵坡基本相同，由西安端进洞后约14.7公里范围为11上坡，然后约3.2公里范

12、围以3的下坡出洞。I线隧道较线隧道高0.240.56m。隧道两端均位于半径500m的曲线地段。l 秦岭隧道地处北秦岭的中低山区，属亚湿润温暖山地气候区。穿越我国两大水系，即黄河水系与长江水系的分水岭，北坡地形陡峻，谷深流急，南坡地形较缓，水系发育。隧道最大埋深隧道最大埋深1600m1600m，由于穿过地段为我国扬子陆台和华北陆台的交界处，构造运动频繁，地质构造复杂，断裂构造发育，隧道通过的岩石为混合片麻岩和混合花隧道通过的岩石为混合片麻岩和混合花岗岩，地质灾害严重。其中主要的地质灾害有：断层、涌水、高地岗岩，地质灾害严重。其中主要的地质灾害有：断层、涌水、高地应力岩爆、高地热、高辐射、特硬岩等

13、多种地质灾害。加之长隧独应力岩爆、高地热、高辐射、特硬岩等多种地质灾害。加之长隧独头通风和出口反坡排水等困难，使该隧道成为全线重点、难点、控头通风和出口反坡排水等困难，使该隧道成为全线重点、难点、控制工期工程。制工期工程。秦岭隧道简介续秦岭隧道简介续l根据施工组织设计的总体安排， I线隧道采用TBM掘进机施工，29个月贯通，平均单口月掘进350m。6个月衬砌完，平均单口月衬砌1940m，1999年建成；线隧道先期用钻爆法进行平导施工，先于I线隧道两年开工，为今后I线隧道通风、扫冰、探明地质和处理不良地质地段创造条件，要求42个月贯通。平均单口月掘进220m，待I线隧道建成后，再进行扩挖和衬砌。

14、扩挖平均单口月完成280m，衬砌平均单口月完成894m，要求2004年建成，总工期113个月。l 安全顺利地通过2727条断层带和条断层带和3200m3200m长的强烈岩爆区长的强烈岩爆区，成功解决了9公里的隧道独头通风和特硬岩爆破等施工难题。I线TBM掘进施工科技含量高，技术性要求强，在全路隧道机械化施工中尚属首次。秦岭隧道I线被建设部评为鲁班奖。打浦路隧道宁波常洪沉管隧道过江隧道过江隧道瑞士圣哥达大隧道全长16.5公里，是穿越海拔2千多米的阿尔卑斯山、连接瑞士南部和意大利北部的主要公路干道，为世界第二长车辆隧道 图片为2001年10月24日因车辆相撞发生大火，死亡14人。英吉利海峡隧道耗资

15、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通车。这条双轨隧道长49.94公里，直径7.6米。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。厦门翔安海底隧道厦门翔安海底隧道水电站、航运和引水工程水电站、航运和引水工程l水电站地下工程包括：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小中型水电站引、泄水隧洞约140座，全长120 km；最长的为四川渔子溪一级电站有压发电隧道，长8.429km。 天生桥二级水电站引

16、水系统工程天生桥二级水电站引水系统工程l由于隧洞深埋于狮子岭脚下800米的地层深处，要穿过古老的石灰岩和砂页岩地带，有破碎的围岩、堆积淤泥的古暗河、危岩交错的溶洞群，每掘进100米，就要遇到大小不等的溶洞、暗河100余个。施工条件异常恶劣。仅三号主洞的第三不良地质洞段就是一个长38.47米，宽16.3米的古溶洞，并且位于地表龙须(岩溶)洼地下方，下部为粘土夹块石及孤石的溶洞填充物，底部还与二号隧洞2100的大溶洞相连，施工非常艰难。武警水电在第三不良地质洞段修建了一座长76米，桥面宽10.5米，跨度60米的地下拱桥，然后在拱桥上安装直径8.2米长89米的钢管连通隧洞。三号主洞第三和第七不良地质洞段的处理共用去直径8.2米钢管170米，总重达1000余吨，仅制作时焊缝总长就有18000米，工程量非常浩大。三号主洞不良地质洞段是天生桥二级水电站引水隧洞主体工程，是我国水电建设史上最长、洞径最大的隧洞。 天生桥二级水电站引水系统工程由天生桥二级水电站引水系统工程由3 3条条相距相距40 m40 m并并排开挖的直径排开挖的直径9.79.710.8 m10.8 m，每条平均长度为，每条平均长度为