关宝树地下工程课件

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1、刘俊新刘俊新( 西南科技大学土木工程与建筑学院西南科技大学土木工程与建筑学院 )1关宝树地下工程第二篇明挖法修建的地下工程2关宝树地下工程第一章第一章 明挖法的基本概念及其应用明挖法的基本概念及其应用第一节第一节 概述概述1.1 1.1 概述概述 明挖法施工简单、方便，修建于地层表面附近（浅埋）的地下工程多属于明挖法修建的地下工程，这些工程包括地下商场、地下街、地下停车场、城市地铁、人防工程及地下工业建筑等，如图2-1-1和图2-1-2所示。这类工程主体结构的建造，实际上采用的是一种“开敞”式的施工方法，与地面结构的建造方法类似，在主体结构完成后，然后掩土覆盖，恢复地面。3关宝树地下工程4关宝

2、树地下工程 与这种“开敞”式施工修建地下工程相应的是基坑开挖的围护结构工程。除了明挖法需要修建开挖基坑外，城市高层建筑及其他一些工程的兴建，也需要开挖基坑。5关宝树地下工程第二节第二节 明挖法的施工方法明挖法的施工方法2.1 明挖法明挖法 是指地下结构工程施工时，从地面向下分层、分段依次开挖，直至达到结构要求的尺寸和高程，然后在基坑中进行主体结构施工和防水作业，最后回填恢复地面。实际工程施工中，根据工程地质条件、开挖工程规模、地面环境条件、交通状况等确定。6关宝树地下工程 1.顺筑法顺筑法 顺筑法的基坑可采用放坡开挖，也可采用支挡下的垂直开挖。主要取决于开挖地层的稳定性和周边环境条件。为了防止

3、坍塌保证施工安全，在基坑开挖深度超过一定限度（自稳垂直深度）时，将基坑边壁开挖成斜坡，以保证土坡的稳定，工程上称为放坡开挖。无支护的放坡开挖，是一种普遍采用的基坑开挖法，开挖深度可深可浅。7关宝树地下工程 在开挖地层不能自稳或周边环境特殊的情况下，如城市中的基坑工程，由于场地邻近周边已有建筑或街道，场地受限，就不能采用放坡开挖，这时基坑侧壁为垂直陡坡，为保证基坑边壁的稳定，必须进行支护，这就是所谓的基坑支挡式开挖。支挡结构的布置和结构形式有许多类型可选择，在下面章节将进一步阐述。图2-1-5为支挡式基坑开挖示意图。8关宝树地下工程 2. 逆筑法逆筑法逆筑法多用于地层软弱、变形大，修建地区地面建

4、筑物密集，地下工程埋置较深的场合。其做法是先沿建筑物外围施设地下连续墙作为基坑的围护结构。从地面开始开挖，在开挖过程中，根据围护结构的支撑强度和变形大小，在适当高程上设置横撑，开挖至结构物顶板高程时，先行浇筑顶板，而后继续进行开挖，直至底板高程，再浇筑建筑物底板和侧墙，完成地下结构工程的整体工程。此工法在顶板浇筑后即可对顶板以上进行覆土回填恢复地面，同时开挖顶板以下土方和修筑结构物其余部分9关宝树地下工程 施工的步骤为：先沿建筑红线施设地下连续墙，作为开挖基坑的围护结构并作为地下室边墙的一部分，同时在基坑内修筑中间支承柱，开挖基坑内土方至第一层地下室底面标高，修筑该层面的梁及部分的板，使修筑的

5、梁和板与地下连续墙连接，形成刚度较大的支撑系统，保证施工的安全；然后在梁间没有浇板的空档内继续开挖，依次向下逐层施工各层地下结构，同时在已完成底面梁板结构的基础上，进行上部结构的施工。10关宝树地下工程逆筑法适用于以下场合：逆筑法适用于以下场合： 接近开挖地点有重要建筑物时。 有强大土压力和其他水平压力作用，用一般挡土支撑不稳定，而需要强度和刚度都很大的支撑时。 开挖深度大，开挖或修筑主体结构需较长时间，特别需要保证施工安全时。 因进度上的理由，对于填埋结构，在其顶板完工后即可覆土回填恢复地面，而不需要在主体结构整体完建后再回填。对于高层建筑地下室，可在地面梁板完工后，同时向下继续开挖和修建上

6、部楼层，这样可节省工期，加快速度。11关宝树地下工程3. 分部开挖法分部开挖法 在修建平面面积较大的地下工程，如地下商城、地下大型停车场、大跨度地下隧道等工程时，按常规全面积开挖施工，会因基坑宽度大而支撑结构要求复杂，有时甚至难于保证基坑边壁支撑的稳定，这时可采用分部开挖法进行基坑施工。分部开挖的施工顺序：将基面划分成若干部分（小面积） ，部分开挖到建基面，这时开挖面积相对较小，因而基坑支护结构相对要求简单。然后修建部分主体建筑，而后再开挖其他部分，依次进行施工，直到整个地下结构完成。12关宝树地下工程明挖式分部开挖法施工示意图明挖式分部开挖法施工示意图13关宝树地下工程第三节明挖法的工程应用

7、第三节明挖法的工程应用3.1 明挖法用于浅埋地下工程施工明挖法用于浅埋地下工程施工 常见的浅埋式地下工程有地铁车站、地铁行车通道、城市地下人行通道、地下综合管网工程等，这些浅埋式工程，覆土厚度（埋入土中深度）在5-10 m。一般都采用明挖法施工。 在某些情况下，有的埋置深度达十几米甚至二十几米的地下工程，也可以采用明挖法施工。采用明挖法施工的地下工程，一般有三个施工阶段，即开挖基坑，在基坑底建造结构物，然后覆土回填。14关宝树地下工程3.2 明挖法用于平面尺寸较大的地下工程明挖法用于平面尺寸较大的地下工程 某些地下工程，埋深不大，但平面尺寸很大，如一些城市的地下广场、大规模地铁车站、地下商场、

8、地下医院（旅店、指挥所）等，其内部结构也多采用一般的梁板结构，这类工程适宜于采用明挖法施工。对于这类大平面尺寸的地下工程明挖法施工时，常可以采用分部开挖或沟槽开挖法，先在周边开挖到设计标高，建造好外围结构，然后开挖中间部分，再进行内部结构施工及顶板施工和覆土填埋。15关宝树地下工程3.3 明挖法用于基坑工程明挖法用于基坑工程 基坑工程是许多工程建设的辅助工程，并且基坑工程也只能采用这种明挖施工方法。如城市高层建筑的基坑工程，由于高层建筑对地基条件的要求，高层建筑的稳定及抗震要求等，通常需要开挖深基坑。按照我国人防规定，城市高层建筑必须有地下室作为人防工程，因此，目前城市高层建筑都有地下若干层，

9、与地面部分构成整体。16关宝树地下工程3.4 明挖法应用于其他工程明挖法应用于其他工程 与高层建筑深基坑工程类似，有些工程在施工中需要深基坑作为施工辅助工程，如桥梁工程锚锭基坑工程，需要将锚锭板埋置于很深的地层中，这就需要开挖深基坑。扬州长江大桥锚锭坑采用深井结构，坑深超过m。另外，盾构法施工和顶管法施工的施工井，也是采用从地面垂直向下开挖的明挖法修建的17关宝树地下工程第二章第二章 明挖法修建的浅埋式地下工程明挖法修建的浅埋式地下工程第一节第一节 概述概述 一般浅埋地下工程的结构形式通常可归纳为直墙拱形结构、梁板结构和矩形框架结构等三大类型。1.1 直墙拱形结构直墙拱形结构 这种形式的浅埋地

10、下结构一般根据其跨度大小，可采用砖石或混凝土预制块砌筑拱顶，当跨度较大时，有时也采用预制或现浇钢筋混凝土拱。如果地下工程要求跨度很大时，也可采用连拱结构。拱形地下结构的侧墙，常用砖石或混凝土预制块砌筑。18关宝树地下工程2. 梁板式结构梁板式结构 这种地下工程在地下水位较低的地层中，或者要求防护等级不高的工程中，顶、底板为现浇钢筋混凝土梁板结构，而围墙和内墙则为砖石砌筑；在地下水位较高或防护等级要求较高的工程中，一般除内墙可用砖石砌筑外，其他则均用钢筋混凝土现浇构筑成箱形闭合框架结构。19关宝树地下工程3. 矩形闭合框架结构矩形闭合框架结构 因为明挖法施工浅埋式地下结构如果结构断面为矩形，挖掘

11、断面利用率高，相对比较经济合理，且易于施工，尤其在地铁线路中结构内部空间与车辆形状相似，可以充分利用其内部空间。矩形闭合框架的顶、底板因系水平构件，其中弯矩、剪力均较大，因此一般都用钢筋混凝土浇筑建成。按照使用要求，地下框架可为单跨或多跨结构，单跨矩形闭合框架小于6m，当跨度大于6m时，常根据使用和工艺的要求设计成双跨或多跨。一般城市过街隧道通常为单跨闭合框架，而地铁工程中，根据使用要求及荷载和跨度的要求，常采用双跨或多跨闭合框架。有时为了改善通风条件和节约材料，把中间隔墙上开设小孔或中间隔墙用梁柱代替。20关宝树地下工程矩形闭合框架示意图矩形闭合框架示意图21关宝树地下工程第二节矩形闭合框架

12、结构形式和尺寸第二节矩形闭合框架结构形式和尺寸 浅埋式地下结构特别是浅埋地铁隧道，一般都是采用钢筋混凝土衬砌，因此这里进行矩形闭合框架的设计与一般地下钢筋混凝土结构设计的原理和方法基本相同。其主要设计内容：其主要设计内容： 结构的断面形式和尺寸的确定。 荷载计算。 结构内力计算。 结构配筋计算。 隧道衬砌为箱形框架结构，计算时沿隧道延伸方向取 m宽度为计算单元，做平面应变问题处理。 设计时首先应按照使用要求，计算出结构的内部净空尺寸，然后根据结构构件的高宽比、荷载条件并参照已建类似工程结构尺寸，假定断面上各构件的厚度，确定供计算用的结构形状和尺寸。2.1 矩形闭合框架的设计矩形闭合框架的设计2

13、2关宝树地下工程1. 结构横断面的净空尺寸。结构横断面的净空尺寸。 建筑接近限界是确定结构净断面尺寸的主要依据。由于接近限界规定了隧道净空间的最小尺寸和形状，在此基础上，考虑线路的曲率半径、超高要求、道床、允许施工误差等影响，最后确定净空断面。具体地说，隧道直线地段，其净空尺寸应能满足各种类型的隧道建筑限界与设备限界之间的距离及设备安装的要求，而曲线地段，应在直线地段限界上进行加宽和加高的修正。23关宝树地下工程 在决定隧道净空尺寸时，还应考虑建筑接近限界和结构内表面的富余空间，隧道内部空间尺寸由下列方法计算得出：上式中有关计算参见图2-2-6及表2-2-1。24关宝树地下工程25关宝树地下工

14、程2. 框架各构件的厚度的估算框架各构件的厚度的估算 进行结构计算，是以假定框架结构截面尺寸为基础的。框架构件截面尺寸的拟定（假定） ，应考虑钢筋混凝土的强度，承受的荷载，结构的高宽比及钢筋保护层厚度等因素，在拟定框架截面尺寸时，首先将框架结构分解为基本构件，然后根据各构件的荷载、内力估算出它的厚度，并参照工程经验予以拟定构件的厚度。 顶板截面厚度顶板截面厚度一般假定顶板截面厚度为其跨度的1/81/10，然后概略计算顶板荷载及其弯矩，根据估算进一步修订所假定的顶板截面厚度。 底板截面尺寸底板截面尺寸底板厚度可比顶板厚度增加cm，或者取与顶板相同的厚度。 侧墙截面尺寸侧墙截面尺寸可参照顶板尺寸假

15、定的基本方法来拟定，考虑施工及防水要求，其厚度最小尺寸应在cm左右。在确定了隧道净空间尺寸及拟定构件截面尺寸后，隧道框架结构的横断面就可确定。26关宝树地下工程第三节作用在隧道框架结构上的荷载第三节作用在隧道框架结构上的荷载3.1 浅埋式地下结构荷载的确定方法浅埋式地下结构荷载的确定方法1. 地面荷载地面荷载 一般浅埋地下工程通常要考虑地面荷载。这类荷载由地面建筑物、行驶车辆及其他公共设施产生，它与地下结构距地面距离（即埋深）相关，当覆盖厚度超过8m时，其影响就不大了。地面荷载通过覆土层传递到地下结构。27关宝树地下工程28关宝树地下工程2. 垂直土压力垂直土压力 作用在地下框架结构顶面的垂直

16、土压力包括三个部分，地面铺砌体重量，地下水位以上土体和地下水位以下土体重量，如图2-2-8所示。29关宝树地下工程3. 作用在框架结构上的侧向水土压力作用在框架结构上的侧向水土压力 在框架结构侧墙上，作用有侧向土压力和水压力，计算时，一般根据土的性质可采用土压力和水压力合算或分算的计算方法。根据朗肯土压力理论，侧向土压力可按下式计算：30关宝树地下工程31关宝树地下工程4. 框架结构底板上的荷载框架结构底板上的荷载 框架结构底板上的荷载是指承托框架结构的地基对结构底板作用的反力，这种反力是由作用在框架上的所有垂直荷载及结构自重，通过底板传给结构底面上的地基，而地基由此产生向上的反力，反作用于底

17、板上形成的竖直向上的荷载。一般情况下地下结构刚度较大而地基土层相对较松软，地基压力或地基反力的分布并不是均匀的，如图2-2-9所示，为了计算方便，假定地基反力为均匀直线分布，即作为于底板上分布的荷载为。32关宝树地下工程5. 隧道框架结构荷载图隧道框架结构荷载图 根据以上的荷载计算，可以得到如图2-2-10所示的荷载分布一般示意图。33关宝树地下工程第四节矩形框架的内力计算第四节矩形框架的内力计算4.1 按矩形闭合框架计算按矩形闭合框架计算 地铁通道等地下结构，一般纵向很长，横向相对较短。结构所受的荷载沿纵向的大小近似不变。因此，结构可假定属于平面应变问题。计算时沿纵向截取单位长度作为框架来计

18、算。如图2-2-11所示。双跨矩形闭合框架是一种对称结构，在对称荷载作用下弯矩图、轴力图是对称的，而剪力图是反对称的；在反对称荷载作用下，弯矩图和轴力图是反对称的，而剪力图是对称的。利用此原理，取结构的一半进行计算。其计算简图如图2-2-12所示。34关宝树地下工程35关宝树地下工程2. 杆端弯矩计算杆端弯矩计算 矩形闭合框架内力计算，在不考虑线位移的情况下，可采用力矩分配法进行计算。这是一个近似计算方法，这种方法比较简捷，具体计算步骤可归纳如下：36关宝树地下工程37关宝树地下工程 对于两个及两个以上结点的结构，应逐一结点反复计算，直到各结点弯矩平衡。38关宝树地下工程3. 杆端剪力计算杆端

19、剪力计算 求出各杆端弯矩以后，取出各杆件，利用杆件上的力系平衡，求出各杆端的剪力，如图2-2-13所示，求A端剪力QAB ，可对B点取力矩，并令 MB ，即39关宝树地下工程4. 截面弯矩和剪力计算截面弯矩和剪力计算 各构件杆端弯矩、剪力求出后，可计算各杆截面上的弯矩和剪力，其计算方法如图2-2-14所示。40关宝树地下工程41关宝树地下工程4.2 按弹性地基上的框架计算按弹性地基上的框架计算42关宝树地下工程43关宝树地下工程44关宝树地下工程第五节框架结构构件截面设计第五节框架结构构件截面设计5.1 设计弯矩和设计剪力设计弯矩和设计剪力1. 设计弯矩设计弯矩 用力法或力矩分配法解框架结构时

20、，直接求得的是结点处的内力（即构件轴线相交处的内力） ，然后利用平衡条件可以求得各杆任意截面处的内力。由图2-2-19a可见，结点弯矩（即计算弯矩）虽然比附近截面的弯矩为大，但其对应的截面高度是侧墙的高度，所以实际不利的截面则是侧墙边缘处的截面，对应这个截面上的弯矩取为设计弯矩。根据隔离体平衡条件，（图2-2-19b） ，可以按下面公式计算设计弯矩：45关宝树地下工程46关宝树地下工程2. 设计剪力设计剪力 同上述理由一样，对于剪力，不利截面仍然是位于支座（侧墙）边缘处的截面，如图2-2-20所示，根据隔离体平衡条件，设计剪力按下式计算：3. 设计轴力设计轴力由静载引起的设计轴力按下式计算：4

21、7关宝树地下工程5.2 截面设计截面设计 地下矩形闭合框架结构的构件（顶板、底板和侧墙）均为偏心受压构件，应按偏心受压状态进行截面设计，取其沿隧道长方向1m考虑，在前述内力（弯矩、剪力、轴力等）设计值已求得后，即可根据钢筋混凝土设计规范的有关规定，进行截面设计。根据设计内力，计算偏心受压构件的偏心距：48关宝树地下工程 根据构件偏心受压的情况，采用相应的构件配筋计算公式求得截面配筋率。在进行截面强度验算时，杆件两端的截面设计高度采用hs/，h为构件截面高度（即顶底板或侧墙厚度） ，s为平行于构件轴线方向的支托长度。同时hs/的值不得超过杆端截面高度h1 ，即hs/ h1 ，如图2-2-21所示

22、。图2-2-22所示为闭合框架的横截面的配筋示图，它由横向受力钢筋和纵向分布钢筋组成，为了便利施工，也可将钢筋焊制成钢筋网。为改善闭合框架的受力条件，一般在角部设置支托，并设置支托钢筋。49关宝树地下工程50关宝树地下工程第三章第三章 深基坑工程深基坑工程第一节第一节 概述概述1.1 基坑工程的特点：基坑工程的特点： 建筑趋向高层化，基坑向大深度方向发展。 基坑开挖面积大，长度和宽度超过百米甚至数百米，给支撑布置带来较大难度。 在软弱地层中，基坑开挖会产生较大的位移和沉降，对周围建筑物、市政设施和地下管线造成影响。 深基坑施工期长，场地狭窄，降雨、重物堆放等对基坑稳定不利。 在相邻场地施工中，

23、打桩、降水、挖土及基础浇筑混凝土等工序会相互制约与影响，增加协调工作的难度。51关宝树地下工程1.2 目前经常采用的主要基坑支护类型及其特点：目前经常采用的主要基坑支护类型及其特点： 水泥土搅拌桩围护结构水泥土搅拌桩围护结构其优点是形成重力式挡土墙，不需要支撑，基坑内挖土方便，搅拌桩施工时无环境污染（无噪声、无振动、无排污） 、造价较低、防渗性好，但这种围护结构往往要求基坑周围有一定空间可布置搅拌机，且只宜用于开挖深度不大的基坑工程。 排桩围护加内支撑（或土锚）排桩围护加内支撑（或土锚） 外侧加一排水泥土桩，形成抗渗帷幕，这种排桩支护适用于较深的基坑，但造价较高。52关宝树地下工程 地下连续墙

24、围护加内支撑（或土锚）地下连续墙围护加内支撑（或土锚） 这种支护结构施工时对周围环境影响小，对土层条件适应性强，墙体抗弯刚度、防渗性能和整体性均较好，可作主体结构一部分，但其造价更高，施工技术要求更高。 土钉墙支护土钉墙支护基坑周围不具备放坡条件，地下水位较低，邻近无重要建筑或地下管线，基坑外地下空间允许土钉占用时可采用土钉墙支护。随着基坑工程规模的不断加大，基坑支护工程的风险性也增加，而基坑工程涉及岩土力学、水力学、结构力学、钢筋混凝土、钢结构等许多学科的知识，而且实践性很强，基坑工程的设计与施工两者密切相关，因此，只有正确进行基坑工程的设计和施工，才能保证基坑支护结构在施工过程中的安全及邻

25、近建筑的安全，也才能保证主体地下结构施工的顺利进行。53关宝树地下工程第二节第二节 基坑工程的设计原则与设计内容基坑工程的设计原则与设计内容2.1 基坑支护结构的设计原则基坑支护结构的设计原则 安全可靠安全可靠满足支护结构强度、稳定及变形的要求，确保周围环境的安全。 经济合理经济合理在安全可靠的前提下，要从工期、材料、设备、人工以及环境保护等方面综合确定具有明显技术经济效果的方案。 施工便利并保证工期施工便利并保证工期在安全可靠、经济合理的原则下，最大限度地满足方便施工（如合理的支撑布置，便于挖土施工） ，缩短工期。基坑支护结构应采用分项系数表示的极限状态设计方法进行设计。54关宝树地下工程2

26、.2 基坑支护结构的极限状态，可以分为下列两类：基坑支护结构的极限状态，可以分为下列两类： 承载能力极限状态承载能力极限状态对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变形导致支护结构或基坑周边环境破坏。 正常使用极限状态正常使用极限状态对应于支护结构的变形已妨碍地下结构施工或影响基坑周边环境的正常使用功能。基坑支护结构均应进行承载能力极限状态的计算，对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行计算。基坑侧壁的安全等级及重要性系数0，列于表2-3-1 。55关宝树地下工程56关宝树地下工程2.3 基坑按重要性分为以下基坑按重要性分为以下3级

27、：级：（）符合下列情况之一时，属一级基坑工程： 支护结构作为主体结构的一部分时； 基坑开挖深度大于等于10m时； 距基坑边两侧开挖深度范围内有历史文物、近代优秀建筑、重要管线等需要严加保护时。（）开挖深度小于7m，且周围环境无特别要求时，属三级基坑工程。（）除一级和三级基坑工程以外的，均属二级基坑工程。57关宝树地下工程2.4 在进行基坑工程设计之前，应收集下列资料：在进行基坑工程设计之前，应收集下列资料： 岩土工程勘察报告。 邻近建筑物和地下设施的类型及分布图。 用地界线及红线图，邻近地下管线图，建筑总平面图，地下结构平剖面图等。58关宝树地下工程2.5 基坑工程设计内容，一般应包括：基坑工

28、程设计内容，一般应包括： 支护体系的方案比较和选型。 支护结构的强度和变形计算。 基坑稳定性验算。 围护墙的抗渗计算。 降水和挖土方案。 监测方案与环境保护要求。基坑支护结构的设计，一般步骤可归纳如下： 初拟基坑支护结构支撑系统形式。 计算作用在支护结构上的水土压力及其他荷载。 确定支护结构的入土深度。 支护结构内力、配筋计算、强度和变形验算。 施工图设计，编制施工说明。59关宝树地下工程第三节第三节 支护结构上的荷载支护结构上的荷载 荷载的确定是工程结构设计计算的先决条件，作用于荷载的确定是工程结构设计计算的先决条件，作用于基坑支护结构上的荷载：基坑支护结构上的荷载： 土压力和水压力。 施工

29、荷载，包括施工车辆及场地堆载引起的荷载。 基坑影响区范围内建筑物、构筑物引起的荷载。 地震荷载（当支护结构作为主体结构组成部分时考虑） 。 温度影响和混凝土收缩引起的荷载。 按挡土墙土压力理论，根据墙体位移情况，土压力分按挡土墙土压力理论，根据墙体位移情况，土压力分类：类： 静止土压力； 主动土压力； 被动土压力 3.1 基坑支护结构上的荷载基坑支护结构上的荷载60关宝树地下工程 三种土压力中，被动土压力大于静止土压力，而静止土压力又大于主动土压力主动土压最小。由理论分析和实际实验表明，挡土墙后达到被动土压力所需的位移远大于主动土压力时的位移。61关宝树地下工程3.2 土压力土压力1.静止土压

30、力计算静止土压力计算 若刚性挡墙保持原来位置静止不动，挡墙后的土处于弹性平衡状态，这时作用在墙上的土压力为静止压力。静止土压力可按下式计算：62关宝树地下工程3.3 朗肯土压力计算朗肯土压力计算 朗肯土压力理论假定墙背和填土间没有摩擦力，然后按墙身的移动情况根据填土体内任一点处于主动被动极限平衡状态时，最大和最小主应力间的关系，求得主动或被动土压力强度以及主动或被动土压力，由于没有考虑摩擦力，求得的主动土压力值偏大，被动土压力值偏小，用朗肯理论来计算，总体是偏于安全的。63关宝树地下工程（）主动土压力（）主动土压力朗肯主动土压力计算公式如下朗肯主动土压力计算公式如下64关宝树地下工程 由以上计

31、算式（2-3-5）和式（2-3-7）及图2-3-3可见，主动土压力pa沿深度h呈直线分布。作用在墙背上的主动土压力的合力Ea 即为pa分布图形的面积，其作用位置在分布图形的形心处。65关宝树地下工程 对于墙后填土为层状土层的情况，仍可按式（2-3-5）或式（2-3-7）计算主动土压力，但应注意在土层分界面上，由于两层土的抗剪强度指标不同，使土压力分布有突变（见图2-3-4和后文的图2-3-7） ，其计算方法如下：66关宝树地下工程67关宝树地下工程 如果墙后填土表面作用有连续均匀分布荷载q时，如图2-3-5所示，计算时可以对深度h处的竖向应力增加一个q值，将式（2-3-5）和式（2-3-7）中

32、的h代之以（h q） ，就能得到填土表面有连续分布荷载（超载）时的主动土压力计算公式。即68关宝树地下工程（）被动土压力（）被动土压力 如图2-3-6所示为一墙背竖直，地表水平的挡土墙如果在外力作用下推向填土，当墙后土体达到极限平衡状态即朗肯被动状态时，在墙背深度h处的被动土压力计算公式为69关宝树地下工程3.4 库仑土压力计算库仑土压力计算 库仑土压力理论假定： 挡墙是刚性的，墙后填土是无粘性土； 墙身向前或向后移动以产生主动土压力或被动土压力时的滑动楔体是沿着墙背和一个通过墙的平面发生滑动； 滑动楔体可视为刚体，如图2-3-8所示。70关宝树地下工程71关宝树地下工程72关宝树地下工程73

33、关宝树地下工程3.5 水压力水压力 作用在挡土结构上的荷载，除了土压力以外，还有地下水位以下的水压力。计算水压力时，水的重度一般取w 10kN/m3，水压力与地下水的补给情况、季节变化、施工开挖期间挡墙的入土深度、排水处理措施等因素相关。如果不考虑影响水压力的上述因素，作用在支护结构上的侧向水压力应按静水压力确定。水压力强度依照物理学中帕斯卡定理按下式计算：74关宝树地下工程 实际基坑支护结构侧向水压力分布有三种形式：实际基坑支护结构侧向水压力分布有三种形式：75关宝树地下工程 当考虑地下水稳定渗透时，则侧向水压力可采用图2-3-10b或图2-3-10c的分布，图2-3-10b表示由于渗透流的

34、影响，挡土结构底部C点处左右两侧水压力平衡，因此整个水压力分布图形为两部分，以墙背面与基坑内地下水位高程处的B点为界，B点以上，按静水压力三角形分布，B点以下至墙底C点亦为三角形，水压力由大到小按线性减小到零。图2-3-10c表示为考虑地下水位稳定渗流时，水压力分布的另一种形式，与图2-3-10b不同的，一是考虑了挡墙的隔水作用，挡墙底C处仍有水头差；二是考虑了渗流效应，B点高程处的水压力小于静水压力，具体可按下述方法计算：墙背面与基坑内地下水位高程相等处B点的水压力，应由该处的静水压whw减去pw1，76关宝树地下工程77关宝树地下工程 计算地下水位以下水、土压力一般采用“水土分算水土分算”

35、（即水、土压力分别计算，然后再相加）和“水土合水土合算算”两种方法，对砂性土和粉土，可按水土分算原则进行，即分别计算土压力和水压力，这时，土压力计算公式仍用前述土压力公式，但地下水位以下其他参数采用有效应力强度指标，也可以用总应力强度指标。水压力则按静水压力或稳定渗流水压力计算，然后两者相加即为总的侧压力，如图2-3-11所示。78关宝树地下工程 作用在基坑支护结构上的水土压力分布情况，直接影响支护结构的稳定和结构内力，它是基坑支护结构设计计算的根据。 目前水土压力测量主要采用两种方法，一种是直接测量法，即将土压力盒埋设在挡墙与土的接触面上，量测作用在挡墙上的总的水土压力；另一种是间接量测法，

36、即量测支撑上的轴力，然后推导出作用在挡墙上的水土压力。79关宝树地下工程第四节第四节 无支护（放坡）开挖的基坑工程无支护（放坡）开挖的基坑工程 无支护式放坡开挖的基坑工程是指不需要采用支护结构的基坑开挖工程，开挖深度可深可浅，主要取决于工程要求和地质条件及周边场地环境条件。根据地下水条件及排水方式可分为无地下水的一般放坡式开挖、明沟排水放坡式开挖及井点排水放坡式开挖等。放坡基坑工程可以为地下结构主体的施工创造最大限度的工作场地，方便现场工程布置，因此在场地环境条件和地质条件允许的情况下，应优先选择放坡开挖。放坡开挖施工过程中，由于开挖等施工活动导致土体原始应力场的平衡状态遭到破坏，当土体抗剪强

37、度不足或附加应力超过极限值时，便会出现基坑边坡失稳，而影响地下结构的正常施工。4.1 无支护式放坡开挖无支护式放坡开挖80关宝树地下工程 放坡基坑边坡设计必须保证基坑边坡具有足够的稳定安全系数。设计要求确定两个基本参数，即基坑开挖深度和坡度， 基坑深度可作为坡高H，其坡度用坡角或高宽比m表示。这两个因素，前者取决于地下主体结构建基面高程，后者m（或）的确定取决于许多因素，包括土体的抗剪强度、地下水位变化、地面超载大小以及施工工序等。 放坡基坑设计需要综合考虑工程地质、水文地质条件，周边环境，主体地下结构和施工等各方面影响因素，确定适合的坡高（坑深）和坡角，才能达到基坑工程施工安全、可靠、经济合

38、理。81关宝树地下工程4.2 放坡开挖基坑的边坡稳定性验算放坡开挖基坑的边坡稳定性验算1.位于无粘性土层放坡开挖基坑的稳定性分析。一坡角为的无粘性土边坡，假定所分析边坡处于同类型均质无渗流土中，由于无粘性土颗粒间无凝聚力，只有摩擦力，分析它的稳定性时，可在边坡面取任意微元体A，设该微元体重量为W，当微元体处于平衡状态时，有82关宝树地下工程 上式说明无粘性土沿边坡面滑动安全系K等于土的内摩擦角正切与边坡坡角正切之比，当土的坡角等于土的内摩擦角时，土坡处于极限平衡状态。因此，土坡稳定的极限角等于砂土的内摩擦角 ，特称之为自然休止角。从式（2-3-28）还可看出，在无粘性土层中放坡开挖基坑，边坡的

39、稳定性只与坡角有关，而与坡高H无关，只要满足 土坡即处于稳定状态。工程上一般取安全系数K 1.1 1.5。83关宝树地下工程2.位于粘性土层放坡开挖基坑的稳定性验算粘性土层的边坡由于剪切破坏产生滑移，其破坏面大多是弧形曲面。如图2-3-14所示，为理论分析方便起见，通常近似假定为圆弧面、对数螺旋形弧面等，在工程应用上常常采用圆弧滑动面的假定，并且按平面问题进行分析。以下介绍常用的粘性土坡稳定性分析的几种方法。84关宝树地下工程（）瑞典条分法（）瑞典条分法85关宝树地下工程86关宝树地下工程（）简化毕肖普法（）简化毕肖普法87关宝树地下工程88关宝树地下工程（）经验法确定基坑边坡高度和坡度（）经

40、验法确定基坑边坡高度和坡度 对于基坑深度较小的放坡式基坑边坡，可不进行稳定性验算，而根据当地经验参照同类土体的稳定坡度值加以确定。当土体较弱而且坡顶无堆积荷载且坡底无地下水时，放坡坡高和坡度可按表2-3-2所列的值选取。89关宝树地下工程4.3 基坑边坡失稳的防止措施基坑边坡失稳的防止措施1.边坡修坡边坡修坡 改变边坡外形，将边坡修缓或修成台阶形（图2-3-16） ，这种方法的目的是减少基坑的下滑重量，因此，必须结合在坡顶卸载（包括卸土）才更有效果。90关宝树地下工程2.设置边坡护面设置边坡护面 设置边坡混凝土护面，可采用普通混凝土或喷混凝土，控制地表排水渗入边坡内部，从而减少水的因素导致土体

41、软化和孔隙水压力上升的可能性，护面可以作成10cm混凝土层，为增加边坡护面的抗裂强度，内部可配置一定的构造钢筋（如6 300） 。91关宝树地下工程3.边坡坡脚抗滑加固边坡坡脚抗滑加固 当基坑开挖深度大，而边坡又因场地限制不能继续放缓时，可以通过对边坡抗滑范围的土层进行加固（图2-3-18),方法有设置抗滑桩或采用旋喷法、分层注浆法、深层搅拌法等加固。 采用抗滑桩加固方法的时候必须注意加固区应穿过滑动面并在滑动面两侧保持一定的范围。一般情况下，对于混凝土抗滑桩，此范围应大于倍桩径。92关宝树地下工程第五节第五节 排桩式支护结构排桩式支护结构5.1 排桩支护结构的形式排桩支护结构的形式 柱列式

42、连续排桩 组合式排桩93关宝树地下工程排桩式基坑支护结构排桩式基坑支护结构 悬臂式支护结构当基坑开挖深度不大时，即可利用悬臂作用挡住坑壁土体。 单支撑支护结构当基坑开挖深度较大时，不能采用无支撑支护结构，这时可以在支护结构顶部附近设置一支撑（或拉锚） 。 多支撑支护结构当基坑开挖深度较深时，可设置多道支撑，以减少支护结构的内力。94关宝树地下工程1.悬臂排桩支护结构的设计计算悬臂排桩支护结构的设计计算（）（）静力平衡法静力平衡法95关宝树地下工程 求解上述四次方程，即可得板桩嵌入深度d点以下深度t值。为安全起见，实际板桩嵌入基坑底面以下的入土深度为 t u 1.2t0 （2-3-50）96关宝

43、树地下工程 计算板桩最大弯矩根据最大弯矩的作用点，应是结构断面上剪力为零的点，例如对于均质非粘性土，如图2-3-21所示，当剪力为零的点在基坑底面以下深度为b时，即有97关宝树地下工程（）Blum法 Blum建议以图2-3-22d代替图2-3-22c，即原来出现的被动土压力以一个集中力 代替并作用于板桩下端C处，如图2-3-24所示。98关宝树地下工程99关宝树地下工程100关宝树地下工程2.单撑（锚）排桩支护结构计算较浅的基坑，板桩可以不加支撑，靠入土部分的土压力来维持板桩的稳定，如上述的悬臂桩。但基坑开挖较深时，则需要根据开挖深度、板桩的材料和施工要求，设置一道或几道支撑，当基坑特别宽大或

44、者不允许被水平横撑阻挡时，可采用拉锚来代替横撑。101关宝树地下工程（）单撑浅桩计算（）单撑浅桩计算102关宝树地下工程 当板桩入土深度较浅，顶端有拉锚或横撑时，可把板桩上端当作简支，下端作自由支撑，将板桩作为单跨简支梁，这时，作用在墙后的土压力为主动土压力，而墙前为被动土压力。103关宝树地下工程104关宝树地下工程（）单撑深桩计算（）单撑深桩计算105关宝树地下工程 作用在板桩上的不仅有土压力，还有由于板桩变形、在土与桩之间相对位移，因而土墙之间产生摩擦，由于桩前破坏，土棱体向上移动而板桩相对土产生向下的摩擦力，此摩擦力阻止破坏棱体的滑动，于是桩前被动土压力因之有所增大，而桩后填土由于土体

45、的破裂而向下移动，使桩对土产生向下的摩擦力，将桩前及桩后的被动土压力分别乘上修正系数，而为了安全起见对主动土压力不予折减，现以k、k分别代表桩前和桩后被动土压力增减系数，则作用在板桩墙上的被动土压力系数，按下列公式计算：106关宝树地下工程相当梁法计算单撑（描）板桩支护结构的步骤如下： 计算板桩上各点处受的主、被动土压力强度，并给出土压力分布图，计算时墙前及墙后被动土压力分别乘以修正系数k和k ，如图 所示，暂不管t以下深度的土压力情况。 计算板桩墙上土压力强度值等于零点离基坑底面的距离y，在y处墙前被动土压力与墙后主动压力强度相等，即107关宝树地下工程 y的值既已求得，则相当梁的弯矩可按一

46、般简支梁求得，同时也求得作用于深度y处的反力P0 和锚杆拉力（或横撑力）Ra 。 用下式求板桩墙的最小入土深度t0 ，即108关宝树地下工程实际板桩墙下端系位于x深度之下，如图2-3-25c所示，因此，板桩墙的入土深度为 单撑（拉锚）支护结构的最大弯矩发生在剪力Q 处，Q 处近似于深度y处（主动土压力强度相等处） ，由 M0= 可得Mmax ，弯矩图可按静力平衡条件求得。实践证明，用相当梁法计算所得的跨中弯矩比实际的大得多，因此在实际使用时用一个经验弯矩折减系数修正所求得的最大弯矩Mmax ，该系数在0.6-0.8 之间，一般取0.74 ，即M（0.6-0.8Mmax ，但对锚杆而言，计算结果

47、没有富余的安全度，且由于土压力重分布，锚杆松紧程度不一致，使锚杆受力不均匀，因此实际设计时将锚杆拉力（或横撑力）加大35 -40 。109关宝树地下工程3.多撑支护板桩计算多撑支护板桩计算（）腰梁间距的布置 等弯矩布置从发挥板桩的最大强度出发，如果能将腰梁布置成使板桩各跨度的最大弯矩相等，且等于板桩的设计抵抗弯矩，则设计出来的板桩墙显然是最经济的，其设计步骤是：先任选一种类型板桩，可知其横截面是W，然后根据梁的设计可抵抗弯矩，按如下公式求解板桩顶部悬臂的允许最大高度h：110关宝树地下工程 板桩实际上是一个承受三角形分布荷载的连续梁，在支承点上可以近似地假定不转动，这样可以求出各支点最大弯矩都

48、等于Mmax时，其他各跨间距，其值表示于图2-3-26a。如果这样算出的腰梁层次过多或过少，则可另选板桩尺寸，即可近似计算作用于腰梁上的均布水平反力Pn ，一般可用以下两种近似方法计算其反力Pn 。a假定土压力按三角形分布，相邻两跨上的半跨土压力由该支点承担，见图2-3-26b。111关宝树地下工程b按支座系统的土压力呈梯形分布图计算，腰梁上的均布反力也可以用比较精确的方法计算，如图2-3-27所示。即把板桩当作连续梁，腰梁为其支座，该梁的各支座反力即为作用于腰梁上的均布力。求得作用于腰梁上的均布荷载P后，再根据腰梁上各杆件的连续情况，就可计算梁中的最大弯矩与剪应力，进行腰梁的截面设计。112

49、关宝树地下工程 等反力布置等反力布置是使每层腰梁所受的反力全部相等。用连续梁法解得各跨间距如图2-3-27所示113关宝树地下工程 实际设计板桩支护时，常因施工时各种原因不能按上述要求布置支撑，而是根据具体情况考虑到各方面的因素进行合理布置，然后把板桩当作连续梁，用力矩分配法求算弯矩和反力，具体计算可参照“结构力学”教材中的有关连续梁的内力计算进行。114关宝树地下工程（）板桩入土深度计算（）板桩入土深度计算 板桩底端支承情况视其入土深度而定。如果板桩打入坑底的深度大于x，如图2-3-28则可假定板桩入土部分的某一点为固定点，并根据板桩所受的主动土压力和被动土压力求得G点处（即最后一层腰梁的位

50、置）作用在板桩上的弯矩。115关宝树地下工程116关宝树地下工程4.板桩支护的稳定验算板桩支护的稳定验算（）基坑底隆起验算（）基坑底隆起验算 地基稳定验算法图2-3-29b所示为进行地基隆起验算的示意图，假定在坑壁重量为W的土柱作用下，其下的软土地基沿某圆柱面BD弧发生破坏和滑动，失去稳定的地基土绕圆柱面中心轴O转动，则转动力矩为 上述验算公式未考虑土体与板桩间的摩擦力，也未考虑垂直面AB上土的抗剪强度对该面内土体下陷的阻力。117关宝树地下工程 地基强度验算法这种计算方法的示意图如图2-3-30所示，在坑壁土柱作用下，下面的软土地基如果没有板桩式硬层阻碍，其破坏和滑动是沿着圆柱面BD弧及斜面

51、DO弧发生。118关宝树地下工程119关宝树地下工程 如果基坑两侧软土地基的破坏和滑动受到板桩阻碍，则板桩处于受力状态，取坑壁下的扇形土块OBF为自由体，并对O点取矩，测得平衡条件。若作用在板桩侧面的单位面积压力为ph ，则得下式：120关宝树地下工程 如果作为悬臂梁的板桩入土部分在荷载pv 作用下发生挠曲破坏，则坑底以下土体也将破坏而隆起。如果板桩下端打入硬土层，则由于硬层的支承作用将使最大挠曲力矩减小，若考虑坑壁土与板桩间的粘着力则pv 也会减少，但这些都会对土体的安全有利。121关宝树地下工程 式中，由于D减小而c不变，则pv 也减少，即ph 也就减小，ph 及pv 因而也都会减小，这对

52、于坑底土体的稳定安全也是不利的。122关宝树地下工程（）基坑渗透稳定性验算（流沙或管涌验算）（）基坑渗透稳定性验算（流沙或管涌验算） 图2-3-32表示由于在基坑内边沟排水出现水头差h，产生由高处和低处的渗流，经过板桩下端土层渗流向上，到达坑底后汇于边沟进入集水井，而泵抽走，因此坑底下的土处于浸没于水中的状态，其有效重度为浮容重 ，当向上的渗流力或动水压力j 达到能够抵消土粒的有效重度，即时，土粒就处于“浮扬”或“翻腾”状态，要避免这种现象，就应该满足123关宝树地下工程 根据试验结果，流沙现象首先发生在离坑壁大约等于板桩深度一半的范围内，由于板桩是临时结构，为简化计算，可近似地取最短路程，即

53、紧贴板桩位置的线路，来求得最大渗流力124关宝树地下工程 如果坑底以上土层为粗粒硬石层、松散填土或多裂隙土等，在坑壁一侧的水流经此层的水头很少，可忽略不计，则条件式简化为125关宝树地下工程第六节深层搅拌桩支护结构第六节深层搅拌桩支护结构6.1 深层搅拌桩的支护结构的设计深层搅拌桩的支护结构的设计1.功能功能 搅拌桩支挡结构在基坑工程中有两方面的功能，一是维护坑壁土体稳定，二是阻止地下水流入基坑内的防渗作用。126关宝树地下工程2.搅拌桩支挡结构的设计原则搅拌桩支挡结构的设计原则 搅拌桩是由水泥土（或石灰土）经搅拌凝固形成的一种具有一定脆性特性的材料，其抗压强度比抗拉强度高得多，在工程中应充分

54、利用其抗压强度高的优点，因此搅拌桩支挡结构就是这种类似“重力式挡墙”的结构，它利用自身重力，抗压而不抗拉，在进行结构设计时，应综合考虑以下几点： 基坑的形状和尺寸，开挖深度。 工程所在处的工程地质和水文地质条件：土层分布及其物理力学性质，地下水情况。 基坑周围的环境条件及建筑，道路交通和地下管线情况。 施工中地面堆载，施工车辆机械的影响。127关宝树地下工程3.搅拌桩支挡结构设计计算搅拌桩支挡结构设计计算（）搅拌桩的破坏模式（）搅拌桩的破坏模式 倾覆式如图2-3-34a所示 地基整体破坏如图2-3-34b所示 墙趾外移破坏如图2-3-34c所示128关宝树地下工程（）搅拌桩的计算（）搅拌桩的计

55、算根据地质条件和基坑开挖深度，可按经验确定搅拌桩墙的宽度和插入深度为 搅拌桩支护结构的计算内容包括整体稳定、抗倾覆、抗滑移、抗渗及墙体应力验算等，图2-3-35为支挡结构的计算简图。129关宝树地下工程 土压力计算土压力计算计算中考虑粘性土的内摩擦角和凝聚力c 的影响，为简化计算，对成层分布的土体，将墙底以上各土层的物理力学指标 、c、按层厚加权平均计算。130关宝树地下工程131关宝树地下工程 抗倾覆计算抗倾覆计算如图2-3-35所示，按重力式挡土墙计算墙体绕前趾A的抗倾覆安全系数： 计算墙体自重时，可取其平均重度0 18-19kN/m3。对于软弱地基，为安全起见，可不计墙体自重的抗倾覆作用

56、，即取1/2BW=0安全系数一般取Kd 1.0-1.1 ，也可根据同类工程经验选取。132关宝树地下工程 抗滑移计算抗滑移计算按重力式挡土墙计算墙体沿底面滑动的安全系数，即 由于搅拌成桩时，水泥和墙底土层拌和，0 和c0可取该土层试验指标的上限值，Kc可按同类工程选取，或者应取Kc 1.0-1.2 。133关宝树地下工程 墙身应力验算墙体的验算截面处的法向应力墙身应力验算墙体的验算截面处的法向应力和切应和切应力力按下式进行：按下式进行：134关宝树地下工程 对于格栅式布置的水泥土挡墙，进行正应力验算时，对于格栅式布置的水泥土挡墙，进行正应力验算时，取水泥土的净截面作为有效计算截面，不计算桩间土

57、的面取水泥土的净截面作为有效计算截面，不计算桩间土的面积，为简化计算可取积，为简化计算可取B（为墙体截面水泥土置换率）作为墙体截面水泥土置换率）作为墙宽计算截面积与惯性矩。为墙宽计算截面积与惯性矩。 墙体切应力应满足如下要求墙体切应力应满足如下要求 应力验算截面一般为坑底截面或墙体变截面处，如应力验算截面一般为坑底截面或墙体变截面处，如果应力验算不满足要求，可加大围护结构的厚度。果应力验算不满足要求，可加大围护结构的厚度。135关宝树地下工程 整体稳定性验算搅拌桩支挡结构多建在软土地基上，墙整体稳定性验算搅拌桩支挡结构多建在软土地基上，墙前、墙后又有显著的地下水位差，墙体的整体稳定计算是设计前

58、、墙后又有显著的地下水位差，墙体的整体稳定计算是设计的一项主要内容。整体稳定性验算时，将滑动土体与搅拌桩支的一项主要内容。整体稳定性验算时，将滑动土体与搅拌桩支挡结构作为一个整体考虑，采用圆弧滑动法计算，计算简图如挡结构作为一个整体考虑，采用圆弧滑动法计算，计算简图如图图2-3-35所示，稳定安全常数采用总应力法计算，即所示，稳定安全常数采用总应力法计算，即136关宝树地下工程 一般最危险滑弧在墙底以下0.5-1.0 m位置，当墙底土层很差时，危险滑弧的位置还会深一些。 水泥土桩采用格栅布置时，水泥土的置换率对于淤泥不宜小于0.8 ，淤泥质土不宜小于0.7 ，一般粘性土和沙土不宜小于0.6 。

59、 水泥土桩与桩之间的搭接宽度应根据挡土及截水要求确定，考虑截水作用时，桩的有效搭接宽度不宜小于150mm，当不考虑截水作用时，搭接宽度不宜小于100mm137关宝树地下工程二、深层搅拌桩支护结构的施工简介二、深层搅拌桩支护结构的施工简介1.施工机械施工机械138关宝树地下工程2.施工工艺施工工艺 桩架定位 预搅下沉 制备水泥浆 喷浆并搅拌 重复搅拌或重复喷浆 移位139关宝树地下工程3.施工质量控制施工质量控制 成桩施工期的质量检查 施工记录 强度检验 基坑开挖期的检验140关宝树地下工程第七节深基坑的土层锚杆支护结构和土钉墙结构第七节深基坑的土层锚杆支护结构和土钉墙结构7.1 土层锚杆支护结

60、构土层锚杆支护结构1.锚杆的构造及类型锚杆的构造及类型 土层锚杆支护结构通常可分为两部分，即挡土结构与土层锚杆系统两部分。141关宝树地下工程2.土层锚杆的设计土层锚杆的设计进行土层锚杆设计，应满足如下要求：进行土层锚杆设计，应满足如下要求： 锚杆（索）本身具有足够的截面面积以承受拉力。 水泥砂浆对锚杆有足够的握裹力，使之能承受极限拉拔力。 锚固土体在最不利工作条件下应保持整体稳定。142关宝树地下工程一般进行土层锚杆设计的步骤如下：一般进行土层锚杆设计的步骤如下： 确定基坑支护方案，根据基坑开挖深度和土层条件，确定锚杆的层数、间距、倾角等。 计算挡墙单位长度所受各层锚杆的水平力。 根据锚杆倾

61、角、间距计算锚杆轴力。 计算锚杆固段长度。 计算锚杆自由段长度。 桩墙与锚杆支护体积的整体稳定性验算。 计算锚杆（索）的截面面积。 计算锚固腰梁截面尺寸。 绘制锚杆支护结构施工图。143关宝树地下工程（）土层锚杆锚固段长度的计算（）土层锚杆锚固段长度的计算锚固段锚固体为圆柱形水泥压浆的锚固段长度锚固段锚固体为圆柱形水泥压浆的锚固段长度La 按下式计算：按下式计算：144关宝树地下工程（）土层锚杆自由段长度的计算（）土层锚杆自由段长度的计算145关宝树地下工程（）土层锚杆总长度计算（）土层锚杆总长度计算146关宝树地下工程（）锚杆（索）截面面积计算（）锚杆（索）截面面积计算147关宝树地下工程3

62、.土层锚杆布置土层锚杆布置土层锚杆布置应遵循以下规定：土层锚杆布置应遵循以下规定： 为了不使锚杆引起地面隆起，最上层锚杆应有必要的覆土层厚度，即锚杆的竖向分力不得大于其上覆土层重量。一般说来，锚杆锚固体（即锚固段）上方覆土层不应小于4.0m。 锚杆的层数和间距应通过计算确定，上下两层锚杆之间的竖向间距不宜小于2.5m，锚杆的水平间距不宜小于2.0m，否则需降低单个锚杆的设计承载能力。 锚杆倾角应向下倾斜至少13 ，以利于灌浆，但不得大于45 ，一般可根据地层情况，在15 -35范围内选定，以便于使锚固段的位置有利于锚固的稳定土层148关宝树地下工程4.土层锚杆的施工土层锚杆的施工（）施工程序（

63、）施工程序土层锚杆施工程序包括钻孔、安放锚杆（索） 、灌浆养护和张拉锚固149关宝树地下工程（）施工要点（）施工要点 钻孔钻孔 锚杆制作与安锚杆制作与安放放 灌浆灌浆 张拉与锚固张拉与锚固150关宝树地下工程7.2 土钉墙支护结构土钉墙支护结构1.土钉墙支护的特点土钉墙支护的特点 土钉墙支护是通过沿土钉通长与周围土体接触形成复合体，在土体发生变形的条件下，通过土钉与土体接触面上的粘结力或摩擦力，使土钉被动受拉并通过受拉工作面给土体约束加固，提高整体稳定性和承载能力，增强土体变形的延性。 土钉墙是原位土体中的加筋技术，是在从上至下的开挖过程中，将钉置入土中形成以土钉和它周围加固了的土体为一体的类

64、似重力式挡土墙结构。 土钉墙支护是边开挖边支护，流水作业，不占独立工期，施工快捷。 设备简单、操作方便、施工所需场地小，材料用量和工程量小，经济效果好。 土体位移小，采用信息化施工，发现墙体变形过大或土质变化，可及时修改、加固或补救，确保施工安全。151关宝树地下工程2.土钉墙支护设计计算土钉墙支护设计计算（）土钉墙支护设计的主要步骤（）土钉墙支护设计的主要步骤 现场调查及收集资料，设计前查明场地附近环境条件（包括已有建筑物、构筑物、地下管网等） 、有关地质条件及地下水情况。 根据基坑开挖深度、工程地质条件与工程性质选择土钉墙支护形式，确定土钉墙支护的平面、剖面尺寸及分段开挖长度和高度。 根据

65、土钉抗拔试验或工程经验，确定土钉设计参数，如直径、长度、间距、倾角等。 确定浆体材料、配比及注浆方式。 设计喷射混凝土面层及支护顶部防护措施。 土钉墙支护稳定性分析。 进行施工图设计、结构构造设计，编制施工质量控制要求和现场监测要求。152关宝树地下工程（）土钉墙支护设计参数（）土钉墙支护设计参数 土钉设计参数a土钉长度b土钉间距c土钉直径d土钉倾角 喷混凝土面层153关宝树地下工程（）土钉墙支护稳定性验算（）土钉墙支护稳定性验算 土钉墙支护和破坏有三种情况：即滑动、倾覆和基坑隆起，现将抗滑动稳定性验算介绍如下。 土钉墙支护墙体内部稳定性验算154关宝树地下工程155关宝树地下工程 土钉墙外部

66、（整体）稳定性分析土钉墙与土体组成组合土体，其整体稳定工作性能类似于重力式挡土墙，整体稳定性包括抗滑稳定、抗倾覆稳定及抗基坑隆起稳定等三方面，计算简图如图2-3-45所示。156关宝树地下工程第八节基坑工程的监测第八节基坑工程的监测8.1 基坑现场监测的主要内容基坑现场监测的主要内容 基坑支护结构的位移（竖向和水平）及土压力。 基坑周围土体位移。 邻近建（构）筑物、道路及地下管网等的变形。 地下水位和孔隙水压力。 基坑底部隆起。157关宝树地下工程8.2 基坑工程现场监测的主要仪器设备及其测量原理基坑工程现场监测的主要仪器设备及其测量原理1.水准仪和经纬仪水准仪和经纬仪 利用水准仪测量地面、地

67、层内各点及结构施工前的标高及沉降，利用经纬仪测量结构和施工控制点坐标及施工中的水平位移。水准仪测量是可获取如下资料：水准仪测量是可获取如下资料： 基坑支护结构的沉降。 基坑附近地表、地下管线、周围建筑物的沉降。 基坑支护结构的差异沉降。经纬仪测量可获取如下资料： 基坑角点与边线其他控制点放样及施工中的位移。 建筑物轴线和支护结构轴线放样及施工中的位移。 基坑支护结构顶面及各层支撑的水平位移。 基坑支护测斜管顶部的绝对水平位移158关宝树地下工程2.钻孔测斜仪钻孔测斜仪测斜仪在基坑工程中可以测量以下参数：测斜仪在基坑工程中可以测量以下参数： 打桩或基坑开挖所引起的土体水平位移。 支护板桩、挡墙及

68、其他围护结构的水平位移。 地下室垂直墙面的水平位移159关宝树地下工程3.土压力盒土压力盒土压力盒可测量以下参数：土压力盒可测量以下参数： 基坑围护结构与土体触面的土压力。 基坑开挖时土体应力的变化。160关宝树地下工程4.孔隙水压力计和水位计孔隙水压力计和水位计（）孔隙水压力计（）水位计161关宝树地下工程第一节第一节 概述概述 一般地下连续墙可以定义为：利用各种挖槽机械，借助于泥浆的护壁作用，在地下挖出窄而深的沟槽，并在其内浇注适当的材料而形成一道具有防渗（水）、挡土和承重功能的连续的地下墙体。 第四章第四章 地下连续墙地下连续墙 地下连续墙，或称混凝土地下墙，是在泥浆护壁的条件下，在地下

69、开槽，分槽段构筑的钢筋混凝土墙体，它具有整体刚度大、防渗性能好的特点，适用于地下水位较高的软土层和施工条件复杂的环境。它既可作为基坑施工时的挡土围护结构，也可作为拟建地下工程主体结构的侧墙。162关宝树地下工程地下连续墙施工技术地下连续墙施工技术地下连续墙施工技术地下连续墙施工技术163关宝树地下工程164关宝树地下工程165关宝树地下工程 1.墙体刚度大、整体性好,防渗截水性能好； 2.施工时振动小、噪声低，对周边的地基无扰动； 3.不用开挖大量的土方量，降低造价，可昼夜施工，缩短工期； 4.施工期间不需降水，不需挡土护坡，不需立模板与支撑，把施工护坡与永久性工程融为一体； 5.适用于多种地

70、质条件，可用作刚性基础代替桩基础、沉井和沉箱基础； 6.结构变形和地基土变形较小，能够紧邻已有建筑物及地下管线开挖深、大基坑，尤其在城市建(构)筑物密集的地区，为防止对邻近建筑物安全稳定的影响，地下连续墙更显示出它的优越性。地下连续墙的主要优点：166关宝树地下工程地下连续墙的缺点： 1.弃土及废泥浆的处理问题，除增加工程费用外，如处理不当，还会造成新的环境污染； 2.一般用地下连续墙只作围护挡墙时，造价稍高，不够经济； 3.墙面不够光滑，如为“二墙合一”，即同时作为地下结构的外墙时，尚需加工处理或另作衬壁。167关宝树地下工程 地下连续墙在工程中的应用：早在1958 年，地下连续墙已在北京郊

71、区密云大型水库白河主坝中应用，作为大坝地基的防渗墙；密云水库蓄水运行多年，大坝地基不漏水，情况良好。1979 年，上海基础工程公司应用地下连续墙，建造上海港船厂港池试验成功。1980年应用地下连续墙为上海钢铁一厂的一号高炉解决沉碴池工程。虎门大桥是我国第一次设计建造的现代化大跨度悬索桥，其主航道悬索桥跨径880m。此桥西侧锚碇基础采用外径61m、内径59.4m、墙厚80cm 的圆形地下连续墙，1993 年9 月16 日开工，采用了冲击钻成槽，泥浆护壁，仅用3 个月时间就完成了地下连续墙施工。168关宝树地下工程第一阶段：54幅地下连续墙施工（2004年2月18日4月23日）；第二阶段：几个槽段

72、的地下连续墙补强（5月5日6月4日）；第三阶段：基坑开挖（5月18日9月5日）；第四阶段：桩头处理（9月8日11月25日）；第五阶段：深坑开挖（11月25日）。工程施工实践证明：最大变形只有0.03米，仅是同等基坑的3050%，工程整体稳定性良好，对周边环境的影响也在规范规定的限值之内。169关宝树地下工程北京市西单路口西北角。占地面积13158平方米，总建筑面积174869平方米，地下4层，局部6层，地上15层，屋顶高57.5m。工程于2001年4月建成。大厦由著名建筑大师贝幸铭担任设计顾问，美国贝氏建筑师事务所(PPA)主持设计。大厦曾获得中国建筑工程总公司科学技术奖一等奖；美国石材协会2

73、001年度最考究建筑奖。第三届詹天佑土木工程大奖获奖工程。170关宝树地下工程建筑西侧、北侧主楼部分为钢筋混凝土结构，东侧、南侧附楼部分为钢、混凝土结构。因建筑功能要求，四个区段间没有设缝，全部整体连接，整个结构为板柱框架-剪力墙体系。地下室墙为800mm厚地下连续墙结构，地下室四周设置预应力锚杆。采用筏基，底板厚1623m。171关宝树地下工程北京地铁复八线工程是北京地铁一号线的中段，西起复兴门，东至八王坟，全长12.7km。其中地下线10余km，地面线近2km。在大北窑车站、热电厂站施工中采用厚0.6m、深约22m、C30钢筋混凝土地下连续墙，有效阻截了地下水及流砂，给施工创造了较好的条件

74、。172172关宝树地下工程2001年10月28日，润扬大桥北锚碇地下连续墙顺利合龙，在地下形成1.2米厚的钢筋混凝土矩形墙，为北锚碇超深基坑开挖提供了坚固的围护结构。施工过程中地下连续墙要穿过上部16.5米的原流塑态淤泥、疏松的粉细砂层、着床在花岗岩裂隙发育层。173关宝树地下工程1.第一大跨径: 1490米2.第一大锚碇: 6.8万吨, 3.第一特大深基坑: 69米50米50米4.第一高塔: 215.58米（73层楼高) 5.第一长缆: 缠丝总长度近3200公里 6.第一重钢箱梁: 21000余吨7.第一大面积钢桥面铺装: 70800平方米8.第一座刚柔相济的组合型桥梁润扬长江公路大桥创国

75、内八个第一(世界第三)(缠丝相当于3倍北京至上海的距离。完成的两根主缆每根长2600米，为国内第一长缆，分别由184股、每股127丝、每丝直径5.3毫米的镀锌钢丝组成，所用钢丝总数达23368根，总长度6075万6800米，可以绕地球3圈。)造价:57.8亿元174关宝树地下工程地下连续墙的类型地下连续墙的类型 1.按墙的用途可分为临时挡土墙、用作主体结构一部分兼作临时挡土墙的地下连续墙、用作多边形基础兼作墙体的地下连续墙。 2.按成墙方式可分为桩排式、壁板式、组合式。 3.按挖槽方式大致可分为抓斗式、冲击式、回转式。175关宝树地下工程护壁挖槽使用的泥浆护壁挖槽使用的泥浆 泥浆护壁挖槽法就是

76、在充满水和膨润土以及其他外加剂混合液的情况下，在地基中进行钻孔或挖槽的方法，通过泥浆的静水压力防止槽壁坍塌或剥落，并维持挖成的孔形不变。在成槽之后浇筑水下混凝土，把泥浆置换出来，在地下构筑成一段混凝土单元墙段。176关宝树地下工程1. 1. 泥浆的功能泥浆的功能(1)防止槽壁坍塌：泥浆从槽壁表面向土层内渗透到一定范围就粘附在土颗粒上，在槽壁上形成的泥皮(不透水膜)，使得泥浆的静水压力有效地作用在槽壁上，防止槽壁的剥落和坍塌，如右图所示。(2)悬浮土渣：如果不能迅速排在挖槽过程中形成的土渣，会使泥浆的阻力增大，降低挖槽效果，混凝土质量下降，钢筋笼也难以插入。科学地调制泥浆，可使土渣悬浮，通过泥浆

77、循环将其携带出地面。泥皮(不透水膜)示意图177关宝树地下工程2. 2. 泥浆的材料的选用泥浆的材料的选用 1) 泥浆的种类、组成材料和外加剂泥浆一般有膨润土泥浆、聚合物泥浆、CMC(羧甲基纤维素)泥浆、盐水泥浆。其主要组成材料和外加剂见下表。泥浆的种类、组成材料和外加剂泥浆的种类、组成材料和外加剂178关宝树地下工程 膨润土是由原矿石经加热干燥和粉碎而成，其主要成分是蒙脱石，加入清水混合后，水很快进入蒙脱石晶格层中，膨润土会很快地湿胀。 聚合物泥浆是代替膨润土泥浆的长链有机聚合物和无机硅酸盐组成的人造泥浆。 羧甲基纤维素(Carboxymethyl-Cellulose，CMC)泥浆和盐水泥浆

78、是在海岸附近特殊条件工程中使用的泥浆。 2) 泥浆材料的选择 (1) 膨润土的选择：选用可使泥浆成本比较经济的膨润土。预计施工过程中易受阳离子污染时，选用钙膨润土为宜。179关宝树地下工程 (2) 水的选择：饮用水可直接使用。水质要求：钙离子浓度应不超过100ppm，以防膨润土凝结和沉降分离；钠离子浓度不超过500ppm，以防膨润土湿胀性过多下降；pH 值为中性。超出这个范围时，应考虑在泥浆中掺加分散剂和使用耐盐性的材料，或改用盐水泥浆。 (3) CMC 的选择：泥浆中掺入CMC 之后，提高泥皮的形成性十分明显。当溶解性有问题时，应选易溶的CMC。当有海水混入泥浆时，应选耐盐的CMC。CMC

79、的粘度分高、中、低三档，粘度越高CMC 的价格也高，但防漏效果很明显。180关宝树地下工程(4) 分散剂的选择：分散剂的作用是提高泥水分离性，防止和处理盐分或水泥对泥浆的污染。被水泥污染的泥浆选用碳酸钠(Na2CO3)和碳酸氢钠(NaHCO3)分散剂，分离效果较好。易被盐分污染的泥浆选用以腐殖酸钠或纸浆废液为原料的铁硼木质素磺酸钠分散剂效果较好。(5) 加重剂的选择：加重剂的作用是增加泥浆密度，提高泥浆的稳定性。目前一般选用重晶石。在地下水位很高、地基非常软弱或土压力非常大时，槽壁稳定受到威胁，作为一种措施应在泥浆中掺入加重剂，增加泥浆的密度。181关宝树地下工程(6) 防漏剂的选择：防漏剂的

80、作用是堵塞地基土中的孔隙，防止泥浆漏失。一般防漏剂的粒径相当于漏浆层土砂粒径10%15%左右效果最好。182关宝树地下工程第二节地下连续墙的破坏形式和设计计算的主要内容第二节地下连续墙的破坏形式和设计计算的主要内容2.1 地下连续墙挡土结构体系的破坏形式地下连续墙挡土结构体系的破坏形式（）稳定性破坏 整体失稳 坑底隆起破坏 管涌及流砂（）强度破坏 支撑强度不足或压屈 墙体强度不足（）变形过大183关宝树地下工程2.地下连续墙设计计算的主要内容地下连续墙设计计算的主要内容 根据上述可能发生的破坏形式，地下连续墙设计计算的主根据上述可能发生的破坏形式，地下连续墙设计计算的主要内容包括如下几个方面：

81、要内容包括如下几个方面： 确定地下连续墙的荷载，即在地下连续墙各工况条件下所承受的水土压力及其他荷载。 确定地下连续墙的入土深度，以满足基坑工程稳定性要求及满足基坑抗管涌、抗隆起和满足地基承载力的要求。 进行地下连续墙结构体系的内力分析，确定墙体弯矩、剪力和轴力设计值及支撑力设计值。 地下连续墙及支撑系统截面设计，包括墙体和支撑的配筋计算、截面强度验算、接头的连接强度验算和构造处理等。 验算开挖槽段的槽壁稳定性。 估算基坑施工对周围环境的影响程度，包括连续墙的墙顶位移和墙后地面沉降值的大小和范围。184关宝树地下工程第三节地下连续墙荷载结构法设计计算第三节地下连续墙荷载结构法设计计算3.1 荷

82、载结构法荷载结构法1.悬臂梁工况悬臂梁工况 地下连续墙用于深基坑支护结构时，在土方。开挖到基坑底面前，通常应设置多道水平支撑（或拉锚） 。但在开挖第一层土体时，第一道支撑尚未设置，地下连续墙处于悬壁状态（如同悬壁式板桩支护结构） ，其计算简图如图2-4-3所示185关宝树地下工程2.单支点情况单支点情况 地下连续墙单支点的情况如图2-4-4所示，由于地下连续墙的刚度相对于土体刚度大得多，周围土体对地下连续墙墙底的嵌固作用不大，即认为地下墙底端为自由端，故该计算方法称为“自由端法” 。自由端法的关键是确定最小入土深度t，以满足墙身在荷载作用下的静力平衡186关宝树地下工程3.多支点情况多支点情况

83、 多支点的地下连续墙可采用等值梁法（或称相当梁法）进行计算，其计算简图如图2-4-5所示，等值梁的基本原则是在基坑底面以下地下连续墙弯矩为零的某点作为一假想铰，这个假想铰将墙体分为上下两段。假想梁，上段为各支撑和假想铰组成的多跨连续梁，下段为一端固定一端铰支的超静定梁，如图2-4-5b所示。187关宝树地下工程 为求得墙底最小插入深度为求得墙底最小插入深度t，可采用图，可采用图2-4-5b中一端固中一端固定一端铰支的下段梁的计算简图，假定被动土压合力定一端铰支的下段梁的计算简图，假定被动土压合力Ep和和梁端梁端O点剪力点剪力Ed相等，于是可得相等，于是可得188关宝树地下工程3.2 修正的荷载

84、结构法修正的荷载结构法 山肩邦男法考虑逐层开挖和逐层设置支撑的施工过程，假山肩邦男法考虑逐层开挖和逐层设置支撑的施工过程，假定土压力为已知，并引入以下简化假定：定土压力为已知，并引入以下简化假定： 下道横撑设置后，上道横撑的轴力不变。 下道横撑支点以上的挡土结构位移是在下道横撑设置前产生的，下道横撑点以上的墙体仍保持原来的位置，因此下道横撑点以上的地下连续墙的弯矩不变。 在粘土地层中，地下连续墙为无限长弹性体。 地下连续墙墙后侧主动土压力在开挖坑面以上为三角形分布，在坑面以下为矩形分布，这是考虑已抵消墙前的静止土压力的结果。 开挖坑面以下土体横向抵抗反力作用范围可分为两个区域，即高度为l 的被

85、动土压力塑性区及被动抗力与墙体变位值成正比的弹性区189关宝树地下工程山肩邦南提出了近似解法，基本假定与精确法不同处有以下点山肩邦南提出了近似解法，基本假定与精确法不同处有以下点 在粘性土层，地下连续墙作为底端自由的有限长梁。 在开挖面以下土的横向抵抗力采用线形分布的被动土压力。 开挖面以下连续墙弯矩为零的那点假想为一个铰，忽略此铰以下的挡土结构对铰以上挡土结构的剪力传递。190关宝树地下工程 山肩邦男近似解只需应用两个静力平衡方程式 H 和 MA ，即作用于地下连续墙的墙前、墙后所有水平作用力合力为零和所有水平作用力对地下连续墙底自由端合力矩为零。由 H 得191关宝树地下工程192关宝树地

86、下工程第四节地下连续墙设计计算的数值分析法第四节地下连续墙设计计算的数值分析法4.1 弹性杆系有限元法（弹性地基梁法）弹性杆系有限元法（弹性地基梁法） 弹性地基梁的数值解法又称杆系有限元法，该方法实际上是矩阵位移法与弹性地基梁法的结合。该方法沿纵向取单位宽度的地下连续墙挡土结构，将其视为一个竖放的弹性地基梁。地下连续墙墙体根据要求剖分为若干段梁单元，支撑可用二杆桁架单元模拟，地层对地下连续墙的约束作用可用一系列弹簧来模拟，弹簧的作用按通常的弹性地基梁方法假定，既可采用弹性地基梁的局部变形理论即文克尔假定，也可考虑土体弹簧之间的相互影响，即采用所谓的整体变形理论。193关宝树地下工程1.荷载荷载

87、 弹性地基梁的数值解法对荷载的处理方法，与前述的荷载结构法的相比有较大的不同，荷载图式如图2-4-9所示。图2-4-9地下连续墙荷载简图墙背侧的土压力为主动土压力，一般可用朗肯理论计算，考虑了地面超载后，在开挖面以上为梯形分布，开挖面以下为矩形分布。这里将开挖面以下墙背后土压力采用矩形分布是考虑了地下连续墙开挖面被动一侧的静止土压力与墙背主动土压力相抵消后的近似的结果。194关宝树地下工程 图2-4-9中虚线所围的三角形即为相互抵消的部分土压力。被动一侧由墙体位移而产生的抗力，由设置的弹簧支座提供。显然被动土压力的大小和分布情况取决于墙体变位的计算结果。荷载（抗力）与结构变形相联系，这正是弹性

88、地基梁的数值解法对经典的荷载结构法的一大改进。作用于地下连续墙墙背的主动土压力的大小和分布还随开挖面位置变化而变化，随着开挖深度增大，主动土压力也增大，图2-4-8表示了四种不同开挖深度时，作用于连续墙主动土压力值的变化过程。195关宝树地下工程2.计算简图计算简图 弹性地基梁的数值解法可采用多种工况的计算简图，来反映地下连续墙荷载和内力随施工不同阶段的变化过程。在具体应用弹性地基梁的数值法计算时，还有全量法和增量法两种计算模式的选择，图2-4-8所示为设有三道支撑的地下连续墙的全量法计算简图，即对每一工况，将相应的主动土压力全部作用于支护结构（墙体）上，求解得到的内力和位移即为该工况的实际内

89、力和实际位移。图2-4-10所示为增量法的计算简图，增量法是将施工过程分为若干工况，而将前后两工况的荷载改变值称为荷载增量。由荷载增量引起的位移和内力称为位移增量和内力增量，当前支护结构的内力和位移，则是从开始到目前工况各阶段内力增量和位移增量的累计值。在实际应用中，由于全量法在处理不同工序时需进行位移修正，程序处理困难，因而常用“增量法”处理地下连续墙的计算。196关宝树地下工程197关宝树地下工程3.增量计算法增量计算法 对于地下连续墙，取单位长延米进行计算，把其作为一受土压力作用下的弹性地基梁，土对墙的作用按文克尔（Winkler）理论用一系列弹簧表示，而弹簧的刚度系数k N/ ，为由弹

90、性力学的布辛奈斯克（Boussinesq）理论求得的位移，N为相应的力。如图2-4-11所示，对开挖面以上的弹簧产生的集中力为xi ，设弹簧代表受压力的面积为bi d，d为墙单元宽度，通常取d 1.0 m，则作用于该面积上的分布压力为198关宝树地下工程199关宝树地下工程 利用杆系有限单元法，对地下连续墙划分单元（一般沿竖面取0.5-1.0m） ，对地下连续墙结构进行离散化，如图2-4-12所示，每个单元均采用具有三个自由度（u，v，）的梁单元。此外，在各个阶段开挖面处和设置支撑处均布置结点，支撑可采用杆单元，土层对墙体的抗力作用由弹簧模拟，而弹簧布置在结点上，其刚度为弹簧附近土层抗力系数，

91、利用增量形式的弹性地基梁数值解法，基本平衡方程为200关宝树地下工程 求解方程式（2-4-4）得到的是当前工况由本阶段增量荷载引起的位移增量，由位移增量可得到相应的内力增量（如弯矩增量、剪力增量等） 。 要求当前工况实际的位移和内力（全部位移和内力） ，则可累加先前各受力工况的位移增量和内力增量，即201关宝树地下工程4.2 连续介质有限单元法连续介质有限单元法 用连续介质有限元法计算地下连续墙时，将地下连续墙和地层看作是有机联系的整体。一般将地下连续墙当为线弹性体，而岩土介质则可根据不同情况和不同要求选择不同的本构模型。地下连续墙结构受力的大小与周围地层介质的特性、基坑开挖的几何尺寸、开挖的

92、施工程序以及支护结构本身的刚度密切相关，通过计算分析得出地层对地下连续墙的荷载效应，即地下连续墙的内力和位移。 通常情况下用平面二维问题的有限元法分析就能满足工程设计的精度要求，在特殊情况下，如果基坑几何形状很不规则，无法简化为平面应变问题，或基坑开挖分区分层逐步开挖，且必须考虑空间效应时，也可采用空间三维有限单元法。202关宝树地下工程1.力学计算模型的选择力学计算模型的选择 在基坑工程中，地下连续墙一般可按弹性体计算，对于二维平面问题，常选用四结点或八结点等参单元，有时根据需要也可选择杆系梁单元模拟地下连续墙，这样可以直接得到地下连续墙截面上的弯矩和剪力，可避免将二维等参单元的应力折算成地

93、下连续墙内力的转换过程。支撑通常取为二力杆桁架单元。土层介质的力学模型有许多种可供选择。对于土层地质条件好，而计算目的主要是对结构受力状况做定性估算时，可采用线弹性模型或非线性弹性模型；当土层软弱，且要求计算地下连续墙的变形及基坑周围地层的位移情况时，一般采用弹塑性模型；当需要考虑土的流变性能对支护结构影响时，应采用粘弹性或粘弹塑性模型。为了满足精度要求，二维平面问题计算时，土层介质应采用四结点或八结点等参单元203关宝树地下工程2.计算边界的确定计算边界的确定 有限元的网格范围应取多大？理论上计算域取得越大越好，可以避免边界效应对计算结果的影响，计算区域增大了计算工作，也可能使计算机舍入误差

94、增加，有时效果适得其反，一般认为可取倍基坑宽度和倍开挖深度中的较大值作为计算域的宽度，已满足工程的精度要求。图2-4-13所示为某地下连续墙计算范围及有限元网格。204关宝树地下工程205关宝树地下工程第五节地下连续墙的施工第五节地下连续墙的施工5.15.1现浇地下连续墙现浇地下连续墙施工工艺流程施工工艺流程如下图所示。如下图所示。206关宝树地下工程地下连续墙施工工艺流程地下连续墙施工工艺流程207关宝树地下工程5.2 地下连续墙各施工工序技术要点地下连续墙各施工工序技术要点1.施工准备施工准备2.修筑导墙修筑导墙3.护壁泥浆制备护壁泥浆制备 护壁泥浆对槽壁的压力略大于地下水土压力，可平衡地

95、层水土压力，稳定井壁。 洗槽利用泥浆当介质进行循环排渣，钻机钻下的土（岩）屑及时由泥浆携带排出槽外，钻头始终切削新土，提高了机械钻进效率。 冷却钻头泥浆的循环降低了由于钻头与土（岩）层所作机械功而产生的温升。 润滑泥浆又是一种润滑剂，从而降低了钻机的磨损。208关宝树地下工程4.挖槽与清槽挖槽与清槽 槽段划分即确定单元槽段的长度，它既是进行一次性挖掘的长度，也是一次性浇筑混凝土的长度，应综合考虑地质条件，对邻近建筑物的影响、钢筋笼吊装和混凝土供应能力。 槽段开挖常用钻抓机挖槽或多头钻成槽机开挖两种形式。 清槽无论采用何种施工方法，必须对残留在槽底的土渣、杂物进行清除。清防方法一般采用吸力泵、空

96、气压缩机和潜水泵等排渣。5.吊放钢筋笼吊放钢筋笼6.灌注混凝土灌注混凝土7.槽段连接槽段连接209关宝树地下工程210关宝树地下工程211关宝树地下工程 单元槽段指地下连续墙的施工时，沿着墙体长度方向把地下墙分成某种长度的施工单元。 地下连续墙单元槽段长度取决于以下因素：设计所要求的构造、形状(拐角和端头等)、墙的厚度和深度。施工所要求的挖槽壁面的稳定性、对相邻结构物的影响、挖槽机的最小挖槽长度、混凝土拌和站的供应能力、泥浆储备池的容量、钢筋笼的质量和尺寸、作业场地占用面积和可以连续作业的时间限制。一般情况下以58m 居多，但也可取10m或更大一些的情况。5.3 单元槽段划分212关宝树地下工

97、程 以下边的一些图为例，说明按结构物形状划分的单元槽段。图(a)单元槽段为挖槽机的最小挖掘长度，它适用于减少对邻近结构物的影响，或必须特别注意槽壁的稳定性等情况。213关宝树地下工程 图(b)单元槽段为地下连续墙与柱子相连的一段，地下墙的接头设在柱和柱的中间。214关宝树地下工程 图(c)单元槽段为直角形拐角，钢筋笼整体插入为佳，但也可将钢筋笼分割开插入槽内。 图(d)单元槽段为间隔布置的槽段，尽量不影响相邻结构物而缩短单元槽段的长度，避免大面积槽壁承受侧向土压力。215关宝树地下工程 图(e)单元槽段为十字形，不宜采用大的单元槽段，由于在这种情况下导墙不易稳定，所以对导墙要进行加固，必须特别

98、注意槽壁的稳定和挖槽精度。 图(f)单元槽段为间隔布置的圆周形式或曲线形式的槽段，如用冲击钻法挖槽，可按曲线形式施工。216关宝树地下工程 修筑导墙是地下连续墙施工的第一道工序，导墙是重要的临时结构物。导墙混凝土等级一般采用C15。(1) 导墙的作用和要求。 控制地下墙的平面位置、墙体厚度和垂直程度。 导墙位于地下连续墙的墙面线两侧，和地下墙中心线平行，深度一般为12m，顶面高于施工地面510cm，内墙面竖直，二导墙的内壁间净距为地下墙的宽度另加46cm。导墙指示挖槽位置，为挖槽起竖直导向作用。导墙的位置、尺寸、竖向的垂直精度直接影响地下墙的平面位置、墙体厚度和垂直程度。导墙顶部应平整，以利导

99、向钢轨的架设和定位。5.4 导墙217关宝树地下工程 保持地面土体稳定。 由于地基表层比深层土质差，而且经常受到邻近地面荷载的影响，槽壁顶部容易坍塌。导墙相当于挡土墙，且常在导墙之间每隔13m 加添临时木支撑，可有效地支承土压力及施工期间钢筋笼、浇筑混凝土用的导管、钻机等静、动荷载的作用，防止槽壁顶部坍塌，保持地面土体稳定。 维持泥浆液面。 为了保持槽面地基的稳定，需要保持泥浆液面极少变化。在地下水位很高的地段，为了维持稳定液面高出地下水位1m的要求，需使浇筑的导墙顶面高出地面。218关宝树地下工程(2) 导墙的断面形式和适用条件。 钢筋混凝土导墙分为现浇与预制两种，目前使用现场浇筑较多。但预

100、制的导墙比现场浇筑的节省材料用量；在地下水位很高时，预制的导墙比现场浇筑的好。219关宝树地下工程 图(a)、(b)为最简单的断面形状，一般在导墙上的荷载不大，表层地基土良好(如密实的黏土)的工程中采用。 图(c)所示断面形状，一般在地下水位高而又难以用井点排水降低水位的工程中采用；制作顶端高出地面的导墙，确保泥浆液面高于地下水位0.61.0m以上，一般在导墙的周边堆土至导墙的上边缘。220关宝树地下工程 图5.21(d)、5.21(e)所示断面形状，一般在表层地基土强度不够，特别是易坍塌的砂土或回填土地基的工程中采用；需将导墙做成L形或上下两端都向外伸出的“匚”形。 图5.21(f)所示断面

101、形状，一般在防止泥浆溢流的工程中采用，在导墙外侧埋置U形预制块，导墙顶端高出地面510cm，以防地面水流入导沟。221关宝树地下工程 采用蚌式抓斗挖槽时，在地下连续墙的放样轴线位置上，每隔一定距离用冲击钻或回转抓头钻抓成的垂直孔洞，称之为导孔，如图所示。一般孔径与墙厚相同。对坚硬的地基，需钻抓导孔，而软弱地基，可以不钻抓导孔。5.5 导孔222关宝树地下工程 导孔的作用是保证在坚硬的地基上，采用蚌式抓斗挖槽机挖出槽段的垂直精度，使单元槽段的两端头垂直，便于接头施工。 地下连续墙的挖槽方法虽有很多，但各种方法的施工顺序都基本相同，如图所示。5.6 槽段开挖223关宝树地下工程深圳地铁5号线头号工

102、程太安站成功浇注地下连续墙第一槽段 224关宝树地下工程槽段式开挖连续墙施工顺序225关宝树地下工程 挖槽方法大致可归纳为以下三种。 方法一是先以一定间隔挖掘导孔，再用抓斗将导孔间的地段挖掉整修成槽形，如图所示。先钻导孔，再用抓斗挖掘成槽形226关宝树地下工程 方法二是先在施工槽段两端钻导孔到设计深度，两导孔间各圆孔只钻0.50.8m，就是说在钻孔到0.50.8m 时，把钻头提到原来位置，把钻机横向移动，一遍一遍重复钻挖直到设计深度，完成第一个槽段开挖，如图5.25 所示。用同样的方法钻挖下一槽段。此法的缺点是钻挖工作重复，效率较低。先钻导孔，再重复钻圆孔成槽形227关宝树地下工程 方法三是从

103、一开始就将沟槽挖到设计深度，并挖成槽形，把钻头提到地面，横向移动钻机，连续钻挖，完成第一个槽段开挖，如图所示。用同样的方法钻挖下一槽段。此法是一次钻挖成槽形。从地下连续墙施工来说，这种方法是最理想的形式。一次钻挖成槽形228关宝树地下工程 挖槽过程中残留在槽内的土渣以及吊放钢筋笼时从槽壁上刮落的泥皮等都要堆积在槽底。挖槽结束后，悬浮在泥浆中的土颗粒也将逐渐沉淀到槽底。浇筑地下连续墙之前，必须清除以沉渣为主的槽底沉淀物，这项工作称为清底。 清底的基本方法有置换法和沉淀法两种。置换法是在挖槽结束之后，立即对槽底进行认真清扫，在土渣还没有沉淀之前就用新泥浆把槽内泥浆置换出槽外。沉淀法在土渣沉淀到槽底

104、之后进行清底，一般是在插入钢筋笼之前或之后清底，但后者受钢筋笼妨碍，不可能完全清理干净。5.7 清底229关宝树地下工程 清除槽底沉渣的方法有：吸泥泵排泥法；空气升液排泥法；带搅动翼的潜水泥浆泵排泥法；水轮冲射排泥法；抓斗直接排泥法。在这些方法中，前三种是常用的方法，如图所示。清底方法230关宝树地下工程(1) 钢筋笼制作。 根据单元槽段的规格与接头形式等设计钢筋笼的尺寸，按设计图纸要求对钢筋下料加工，并在平台上制作钢筋笼，预留插放混凝土导管的位置，为使水平钢筋不妨碍导管的下入，将纵向钢筋布置在水平筋的内侧。 纵向钢筋采用焊接或用 0.8mm 的退火铁丝绑扎。 在钢筋重叠处要有确保混凝土流动所

105、必需的间隙，并注意不要影响设计要求的保护层。 为保证钢筋保护层的厚度，可采用水泥砂浆滚轮，固定在钢筋笼两面的外侧。5.8 钢筋笼制作与吊装231关宝树地下工程(2) 钢筋笼的吊入与接长。 钢筋笼在堆放、运输、装卸、吊入作业过程中，易发生变形，为此对钢筋笼要采用有一定刚性的纵向钢筋桁架，并用箍筋、主筋平面内加斜拉筋及连接钢筋等措施补强。使钢筋笼在吊运过程中具有足够的刚度，不致使巨大的钢筋笼变形而影响入槽。 钢筋笼起吊前，要仔细检查起吊架的钢索长度，使之能够水平地吊起。在起吊时使用H型钢或工字钢作为起吊扁担，为防止钢筋笼变形，在钢筋笼的头部及中间部两点进行双索或四索同时起吊，吊离地面后再逐渐转换成

106、垂直状态。钢筋笼的下端不得在地面上拖引或碰撞其它物体。并在钢筋笼下端系上拖绳以人力操纵，防止起吊后在空中摆动或吊入时碰撞槽壁。起吊方法如图所示。232关宝树地下工程起吊钢筋笼的方法233关宝树地下工程 采用连接钢板分段接长钢筋笼。上下段连接时，先制作连接钢板，在加工平台上，将钢筋笼上的纵向钢筋准确地焊接到连接钢板上。由于钢筋笼的端部已有了连接钢板，所以分段吊放时只要将上、下段钢筋笼的连接钢板对齐，用夹板和高强度螺栓将上下段连接起来，用扭矩扳手拧紧高强螺栓，如图所示。采用这种方法无需将钢筋笼搭接也可以制成有足够长度的钢筋笼。虽然必须用连接钢板及夹板等，但因施工时间短，又减少了搭接长度，仍可以降低

107、总造价，提高施工质量。234关宝树地下工程用螺栓联结器连接钢筋笼实例(mm)235关宝树地下工程 地下连续墙墙段长度大多是78m，最大不超过10m。为了使各个墙段连成一个整体，施工中必须采用一定形式的接头(缝)措施。5.9 墙段接头(缝)5.10 混凝土浇筑(1) 混凝土配合比要求：水灰比不宜大于0.6；水泥用量不少于370kg/m3；混凝土坍落度宜为1820cm。混凝土的骨料宜选用中砂，粗砂及粒径不大于40mm 的卵石或碎石。海水拌和会损坏含筋混凝土，因此禁用海水配制混凝土。236关宝树地下工程(2) 混凝土浇筑导管。 墙段接头管(构件)就位后，应检查槽底沉渣厚度并在4h 以内浇筑混凝土，浇

108、筑混凝土必须使用导管。一般使用内径为150250mm 的圆形导管，长度有l、1.5、2、3m 不等，根据沟槽深度及浇筑混凝土时的导管提升情况分别选用，依次接长。用起重机吊入槽内，插到槽底。 导管的连接要牢固，并要用橡胶密封圈做到完全水密，防止漏水。在使用前要检查导管是否变形、接头连接情况和防水密封性能等，使用后要及时冲洗干净。237关宝树地下工程(3) 混凝土的浇筑。 导管的底端埋入混凝土的深度。 在槽段中的接头管和钢筋笼就位后，用导管浇灌混凝土，导管的底端埋入混凝土的深度必须在1.5m 以上，否则混凝土流出时会把混凝土上升面附近的浮浆卷入混凝土内。但导管的埋入深度也不宜过大，否则混凝土不易从

109、导管内流出，一般埋深不超过6m。 浇灌混凝土时，导管的运动。 浇灌混凝土时，要使导管作30cm 左右的竖向运动，以利混凝土密实，尤其在混凝土不易流动的墙体接头部分更需如此。但上下运动不要过快，过快的运动会增加混凝土与泥浆的接触机会，使泥浆卷入混凝土内影响墙的质量，同时还会使泥浆的性能变坏。238关宝树地下工程 混凝土面的上升速度。 混凝土搅拌好之后，一般应在1.5h 内浇灌入槽，但在高温天气下，由于混凝土凝结较快，所以必须在搅拌好后1h 以内尽快浇灌完。根据混凝土搅拌能力及各种因素，为了能够高效率地浇灌混凝土，必须准备好运输车辆。要求槽内混凝土面的上升速度不应小于2m/h；一个单元槽段应一次连

110、续浇筑混凝土，直至混凝土顶面高于设计标高300500mm 为止。凿去浮浆层后的墙顶标高应符合设计要求。239关宝树地下工程 上述地下连续墙施工方法是一种机械化的快速施工方法，工效高、成本低、安全可靠，在地面工作，劳动条件得到改善。国际上采用综合指标，即每一日工完成地下连续墙(包括做导墙、挖槽、制作与吊放钢筋笼、浇筑混凝土全过程)的方量来计算工效。如上钢一厂的地下连续墙，该工程长60m，宽18m，深12.5m，墙厚0.6m，总体积8100m3，施工队全队48人，只用4个多月时间，工效达到国际一般标准。据有关资料分析，如将大型沉井改用地下连续墙，可降低造价25%45%，值得推广。5.11 工效24

111、0关宝树地下工程5.12 成槽设备成槽设备成槽机分类成槽机分类241关宝树地下工程抓斗式成槽机开槽抓土过程抓斗式成槽机开槽抓土过程242关宝树地下工程5.13 泥浆系统泥浆系统1.泥浆制备泥浆制备主要设备为泥浆搅拌机，按搅拌方法分为两种，一是以螺主要设备为泥浆搅拌机，按搅拌方法分为两种，一是以螺旋桨高速旋转造成快速涡流进行搅拌的高速旋转式搅拌机，旋桨高速旋转造成快速涡流进行搅拌的高速旋转式搅拌机，另一种是利用高压射流的喷射引力吸入膨润土进行搅拌的另一种是利用高压射流的喷射引力吸入膨润土进行搅拌的喷射式搅拌机，一般以第一种使用较多。喷射式搅拌机，一般以第一种使用较多。2.泥浆处理设备泥浆处理设备

112、一般情况下，泥浆从沟槽里排出地面以后，在流入沉淀池一般情况下，泥浆从沟槽里排出地面以后，在流入沉淀池之前要经过振筛处理，由振筛分离出来的土渣和泥浆，分之前要经过振筛处理，由振筛分离出来的土渣和泥浆，分别自然地落入排渣槽和沉淀池。别自然地落入排渣槽和沉淀池。3.泥浆循环系统泥浆循环系统泥浆循环系统主要由循环泵、循环泥浆池及排渣设备等组泥浆循环系统主要由循环泵、循环泥浆池及排渣设备等组成。成。243关宝树地下工程基基本本流流程程244关宝树地下工程第五章第五章 沉管工程沉管工程第一节第一节 概述概述 沉管工程是指利用沉管法施工修建的隧道工程。沉管法是越江湖、跨海峡等穿越水域隧道的常用施工方法，它是

113、先在隧道址以外的预制场地制作沉放管段，管段两端用临时封墙（板）密封，然后拖运到隧道址位置而下沉就位并连接成隧道的施工方法。沉管法也可用于陆地隧道的建设，这时需开凿出一条临时性运河拖运管段至隧道址处沉放。 1.1 沉管工程沉管工程245关宝树地下工程 沉管隧道按其管段制作方式可分为两类：一类是船台型，即先在造船厂的船台上预制钢壳，制成后沿滑道滑行下水，然后在漂浮状态下进行钢筋混凝土施工；另一类是干坞型，它是在临时干坞中制作钢筋混凝土管段，制成后往坞内灌水使之浮起并拖到隧道址沉没。 沉管法施工隧道的断面形状分为圆形钢壳类和矩形两种，如图2-5-1所示。圆形断面特点是：受力合理，隧道壁内弯矩较小，在

114、水深度较大时，比较经济有利；沉管底部宽度小，基础处理比较容易，但是圆形断面空间不能充分利用，且其制作相对较复杂。矩形断面的特点是：空间利用率高， 一般采用钢筋混凝土建成，较节省钢材，但须修建临时干坞，且浮运中要有相应的控制措施。246关宝树地下工程 沉管隧道的设计涉及面较广，主要内容包括：沉管隧道的设计涉及面较广，主要内容包括：总体几何设计（如沉管的断面形状、几何尺寸等） ，沉管结构计算，浮运和沉埋设计，通风照明系统，给排水系统，安全监控系统，内装修设计及运行管理系统等。247关宝树地下工程第二节第二节 沉管的结构设计沉管的结构设计2.1 沉管的断面形状和尺寸沉管的断面形状和尺寸 隧道截面尺寸

115、首先取决于使用要求，隧道的横断面应该考虑车流量，车辆通过量应和道路相匹配，也应考虑其他的使用要求和辅助设施；同时还取决于施工条件和施工要求，即管段的浮运和沉放要求。一般来说，首先根据使用要求来确定管段内的净空尺寸，而沉管结构的外轮廓尺寸，则应按满足浮运要求，同时还应满足截面的强度要求。在考虑以上综合条件的情况下，才能确定管段横断面的几何尺寸和形状。管段的长度则需要考虑经济条件，航道条件，管段纵、横断面形状，施工及技术条件等。248关宝树地下工程 根据交通隧道的有关规定，对于双向行车隧道，每个方向行车道应有各自的管道，一般来说，车行道宽度为3.5m，车行道边缘距侧墙的间距为0.8-1.0m，车行

116、道净空高度为4.5m。车行道与侧墙的空间能通常做成人行道，空间高度可低于车行道高度，它供隧道管理人员或抛锚的汽车驾驶员使用。根据以上所述，可推算出一条双车行道宽度为B 23.5 m 21.0 m9m。在隧道顶部，按规定应有0.35 m留作照明和信号设备的空间，如果使用纵向通风系统，则附加净空应增加到0.85 m249关宝树地下工程2.2 沉管的浮力计算沉管的浮力计算 通过浮力设计可以确定沉管结构的外廓尺寸，从而确定沉管结构的横断面尺寸。 浮力设计的内容就是确定干舷和抗浮安全系数，这里干舷是指管段在浮运时，为了保持管段稳定必须使管顶露出水面的高度，具有一定干舷的管段，遇到风浪而发生侧倾后，它就自

117、动产生一个倾力矩Mt ，如图2-5-4所示。 沉管结构的外部尺寸经浮力计算以及多次试算，可初步确定并为结构强度验算提供条件。250关宝树地下工程2.3 作用在沉管上的荷载作用在沉管上的荷载 作用在沉管结构上的荷载有结构自重、水压力、土压力、浮力、施工荷载、波浪和水流压力、沉降摩擦力、车辆荷载、地基反力、混凝土收缩影响、变温影响、不均匀沉陷影响及地震影响等。 作用在管段上的水压力是主要荷载之一，在覆土厚度较小的区段中，水压力常是作用在管段上的最大荷载，设计时应按各种荷载组合情况分别计算正常的高低潮水位的水压力，或若干年一遇的特大洪水的水压力。251关宝树地下工程 土压力是作用在管段上的另一主要荷

118、载，且常不是恒载，例如作用在管段顶面上的垂直土压力，一般为河床底面到管段顶面之间的土体重量，在河床不稳定的场合下，要考虑河床变迁所产后的附加荷载。作用在管段上的水平土压力，也不是一个常量，在隧道刚建成时，侧向土压力往往较小，以后逐渐增大，最终可达静止土压力，设计时应按不利组合分别取其最小和最大值。 作用在管段上的浮力，也不是一个常量，一般来说，浮力应等于排水量，但作用于沉没在粘性土层中的管段的上浮力，有时也会由于“滞后现象”的作用而大于排水量。252关宝树地下工程 施工荷载施工荷载主要是端封墙、定位塔、压载等重量，在进行浮力设计时，应考虑施工荷载。如果施工荷载所引起的纵向负弯矩过大，则可调整压

119、载水箱（或水柜）的位置来抵消一部分负弯矩。波浪力一般不大，不致影响配筋。水流压力对结构设计的影响亦不大，但必须进行水工模型试验予以确定，以便据以设计沉埋工艺及设备。沉降摩擦力是覆土回填后，沟槽底部受荷载不均匀，沉降也不均匀的情况下发生的，沉管底下的荷载比较小，沉降也小，而其两侧荷载较大，沉降也大，因而在沉管的侧壁外侧就会受到这种摩擦力的作用，如图2-5-6所示。如果在沉管侧壁防水层外再堆一层软沥青，则可使沉降摩擦减小。253关宝树地下工程 车辆荷载车辆荷载在进行横断面结构分析时，一般是略去不计的，在进行道路隧道纵断面结构分析时有时也可忽略。 沉船荷载沉船荷载是船只失事后恰巧沉在隧道顶上时所产生

120、的特殊荷载，这种荷载的大小应视船只类型、吨位、装载情况，沉没方式，覆土厚度，隧道顶部土面是否突出于两侧河床底面等许多因素而定。因而在设计时只能假定估值，而不作统一规定，在以往的沉管设计中，常假定为50-130kN/m3。但人们对计算这项荷载的看法并不一致。254关宝树地下工程地基反力，其分布规律有以下几点假定地基反力，其分布规律有以下几点假定： 反力按直线分布。 反力强度与各点地基沉降成正比（文克尔假定） 。 设地基为粘弹性体，按弹性理论计算反力。在按文克尔理论计算时，根据具体地基条件来采用不同的地基参数，既有采用单一地基系数的，也有采用不同组合的多地基系数的。混凝土收缩影响是由施工缝两侧不同

121、龄期混凝土的剩余收缩所引起，因此应按初步的施工计划规定龄期并设定收缩差。变温影响主要由沉管外壁的内外侧温差所引起的，设计时可按持续5-7d的最高气温或最低气温计算，计算时可采用日平均气温，不必按昼夜最高或最低气温计算255关宝树地下工程2.4 沉管的结构计算沉管的结构计算1.横截面分析横截面分析（）钢筋混凝土管段横截面设计（）钢筋混凝土管段横截面设计横向截面设计时，可把混凝土管段当作是平面封闭框架，当作用于管段上的荷载和地基反力沿纵向不变化或只是逐渐变化时，该框架可按均布荷载进行分析。沉管的横截面结构形式一般是多孔箱形框架，由于荷载组合的种类较多，而多孔框架的结构分析必须经过“假定构件内力分析

122、修订尺寸复算内力”几次循环，计算工作量很大。但为了避免采用剪力钢筋，并改善结构受力性能，减少裂缝，沉管隧道常采用变截面或折拱形结构，如图2-5-7所示。而且即使同一节管段（一般为100m长）中因隧道纵坡和河床标高变化的关系，各断面所受水、土压力不同，不能只按一个横断面的结构分析结果进行整节管段直至整个水底隧道的横向配筋。图2-5-8所示为德国埃姆斯河隧道的管段在最深点处横截面的弯矩及配筋。256关宝树地下工程257关宝树地下工程（）钢壳管段的横截面设计（）钢壳管段的横截面设计 钢壳在混凝土衬砌施工中作为外模与支撑，外面抵抗水压力，内面承受混凝土的重量，因此，必须有充分的强度和刚度及防水性。其横

123、截面的强度计算，是将每一处的横助作为独立的闭合框架来处理，其强度一般是由混凝土衬砌施工时的应力控制的，在混凝土的浇筑过程中，随着吃水深度的加大，作用于钢壳上的水压力也增加。在施工时的混凝土重量与浮力对钢壳整体来说是平衡的，但对局部来说是不平衡的。在某些横截面上有可能发生浮力大于混凝土重量的情况，其差值即为剪力，一般来说，处于这种状态的钢壳其受力条件为最不利。 在使用阶段，横截面分析应考虑隧道在完全回填后所承受的各种荷载组合，通常这些荷载组合产生的弯矩在中心墙附近的顶部和底部以及外墙的中心部位外侧受拉，在其间的区域为内侧受拉258关宝树地下工程2.纵截面分析纵截面分析 施工阶段的沉管纵向受力分析

124、，主要计算浮运、沉放时施工荷载（定位塔、端封墙等）所引起的内力。使用阶段的纵向分析，一般按弹性地基梁理论进行计算。沉管结构的截面和配筋设计，一般按照交通部枟公路桥涵设计通用规范枠（JTGD60 2004）进行，沉管结构的混凝土通常采用较高的强度指标，主要为了满足抗剪的需要。沉管结构应满足防渗要求，一般应按限裂条件验算，水层保护下最大容许裂纹宽度为0.15-0.2mm。因此，钢筋的设计强度通常在fy 135-160MPa，其纵向配筋率一般不应少于0.25 。259关宝树地下工程第三节第三节 管段的制作及浮运管段的制作及浮运3.1 沉管的制作沉管的制作 管段作为隧道的主体工程，其制作基本要求是：本

125、身不漏水，承受最大水压力时，也不漏水；管段本身是均质的，重量对称，以保证浮运时稳定（不倾） 、结构牢固。 沉管管段制作方式大致分两种情形沉管管段制作方式大致分两种情形：一是船台方式；另一是干坞方式。260关宝树地下工程1.船台方式船台方式 船台方式就是先在船厂船台上制成钢壳，然后将钢壳沿滑道送下水，在水上桡桥固定，在悬浮条件下浇筑内部钢筋混凝土。这种船台型管段的横断面，一般为圆形、八角形或花篮形，隧道内通常只能设两个车道，如图2-5-9所示。 钢壳由外侧钢板、横向桁架、纵向桁架、舱壁、衬垫组成，钢壳的制作就近在造船厂的船台上完成。制造方法大体与船体的制造相同，通常采用分块拼接。261关宝树地下

126、工程 钢壳制作完需进行质量检查，如尺寸、材料、焊缝等，特别是焊接部分的防水性。钢壳制作完成后即可下水，下水方式可与船同样的方法经滑道下水，也可用起重机下吊入水。钢壳的浮运由船拖拉或推进，直到将其浮运到隧道址水面。在随后的混凝土衬砌施工中，通常要在钢壳面上预留两个材料出入口，由此送入衬砌的混凝土材料及钢筋等。一般采用混凝土泵，并严格控制每一次浇筑量和浇筑顺序，做到对称施工，待浇筑完毕，搬出各种临时性材料后，封闭顶面上的预留出入口，这样，管段制作完毕。钢壳管段的制作步骤如图2-5-10所示262关宝树地下工程2.干坞方式干坞方式干坞方式制造管段的方法干坞方式制造管段的方法是在特定的场地（临时船坞）

127、以固定状态的方式把沉管管段制作完，并用临时隔墙封闭管段两端，然后向制作场地（临时船坞）灌注水，使管段浮起并运出制作场地，如图2-5-11所示为甬江隧道干坞平面图。 干坞灌水前必须将管段两端离端面500-100cm处设置临时封墙，临时封墙可用木料、钢材或钢筋混凝制成，封墙设计按静水压力计算。263关宝树地下工程 制造沉管除了从构造方面采取措施外，必须在混凝土选材、温控、模板等方面采取特殊措施，为了保证管段的水密性，在制作中管段混凝土的防密裂问题非常突出，因此对施工缝、变形缝的布置须慎重安排。纵向施工缝（横断面上的施工留缝） ，对于管段下端，靠近底板面一道留缝，应在底板面以上30-50cm；横向施

128、工缝（沿管段长度方向上分段施工时的留缝）需采取防水措施。为防止发生横向通透性裂缝，通常可把横向施工缝做成变形缝，每节管段由变形缝分成若干段，每段长15-20m左右。264关宝树地下工程2.4 管段的浮运管段的浮运 管段制作完成后，开始向船坞内注水，这时，需派检查人员从管段预留出入口进入沉管内部，检查管段是否漏水。一旦发现漏水现象应立即停止向坞内注水，查明管段漏水原因并做修补。当船坞内水位接近干舷量时，应向压载水箱内注水，以防止管段上浮失稳。当管段完全被水淹没后，再排出压载水箱内的水，使管段上浮至浮运时的干舷量（一般为10-15cm） 。在调整好各节管段后，可打开船坞的坞门，用拖船将管段拖（或推

129、）出，浮运到隧道址。265关宝树地下工程第四节第四节 管段的沉没与水下连接管段的沉没与水下连接4.1 管段的沉没作业管段的沉没作业 在沉管隧道施工中，关于管段的沉埋并没有统一套用的方法，大体上可分为吊沉法和拉沉法两种形式，沉埋作业的主要环节可概括如下： 拖运管段到沉没现场（隧址） 。 用缆绳定位管段，以便精确沉放。 施加下沉力（如重物、水底拉沉等） 266关宝树地下工程 吊沉法吊沉法中根据施工方法和起重设备的不同又分为分吊法、扛吊法和骑吊法及托吊法等。1.分吊法分吊法 在管段预制时，预埋3-4个吊点，在沉设作业中用2-4艘起重船或浮箱提着各个吊点，将管段沉放到设计的隧址位置上。267关宝树地下

130、工程2.扛吊法扛吊法 这种方法又称方驳扛吊法，有双驳扛吊和四驳扛吊两种，具体做法是驳分布在管段左右，左右驳之间加设两根“杠棒” ，“杠棒”下吊沉管，然后沉放。268关宝树地下工程3.骑吊法骑吊法 骑吊法是用水上作业平台骑于管段上方，将它慢慢吊下完成沉没作业，这种方法适用于水面宽阔，而不易于用缆索固定管段的水面，其平台部分实际上是个矩形钢浮箱。就位时，可以向浮箱内注水加荷压载，使平台的四条钢腿插入水底；移位时，只需排水让浮箱上浮将四条钢腿从水底河床（湖或海滩）拔出。其优点在于不需抛锚，作业时对航道影响较小，但设备费用大，故较少利用。269关宝树地下工程4.拉沉法拉沉法 这种沉放法的主要特点是既不

131、用浮吊、方驳也不用浮箱、浮筒，管段沉放时，不是向管段内灌注水，即不是采用载水的办法来取得下沉力，而是利用预先设置在水底沟槽底板上的水下桩墩，通过它设在管段顶面的钢橇架上的卷扬机和扣在水下桩墩上的钢索，将管段慢慢拉下水，沉放到桩墩上。使用此法必须设置水底桩墩，因此费用较大而较少使用。270关宝树地下工程4.2 管段的水下连接管段的水下连接 管段的水下连接方法有两种：一种方法是在管段接头处用水下混凝土加以固结，使接头与外部水隔绝，这叫做水下混凝土法；另一种方法是使用橡胶垫，借助水压使其压缩的方法，这种方法叫做水力压接法。271关宝树地下工程1.水下混凝土法水下混凝土法 早期船台型圆形沉管隧道的管段

132、间的接头，都采用水下混凝土进行连接。在进行水下连接时，先在管段的两端安装矩形堰板，在管段沉放就位、接缝对准拼合、安放底部罩板后，在前后两块平堰板的两侧安设圆弧形堰板，然后把封闭模板插入堰板两侧边，这样就形成了一个由堰板、封闭模板、上下罩板所围成的空间，随后在这个空间内灌注水下混凝土从而形成管段间的接头。等到水下混凝土充分硬化后，抽掉隔墙内的水，再进行管段内部接头处混凝土衬砌的施工。272关宝树地下工程2.水力压接法水力压接法 水力压接法就是利用作用在管段上的巨。大水压力使安装在管段端部周边上的橡胶垫圈发生压缩变形，而形成一个水密性良好而又可靠的管段接头。主要工序包括对位、拉合、压接及拆除隔墙。

133、273关宝树地下工程第五节第五节 沉管隧道的地基处理沉管隧道的地基处理 为使管段沉放在具有可靠支承力的基础上，地基必须进行处理，沉管隧道的基础形式很多，按照管段和河床底接触形式可分为两大类，一类是连续支承式，另一类是独立支承式。274关宝树地下工程5.1 连续支承式连续支承式1.先铺法先铺法 这种方法就是在已开挖好的沟槽底面上，按规定均匀铺上粒径为50-80mm以下的砂砾或碎石，沉放管段可直接搁置在它上面。这种方法也称为刮铺法。修建中国香港维多利亚湾的地铁隧道时，即采用先铺法进行基础处理，所用材料为卵砾石。275关宝树地下工程2.后填法后填法 根据三点确定平面的原理，在沟槽底面，按沉放管段的埋

134、置深度，设置临时支座，把管段暂时搁置在它上面，在管段沉放并对接完成后，再用适当的材料在管段底部与沟槽面之间进行充填，从而形成永久性的均匀连续基础。后填法有不同的施工方法可供选择，如灌砂法、喷砂法、灌囊法、压浆法及压砂法等。276关宝树地下工程277关宝树地下工程278关宝树地下工程5.2 独立支承式独立支承式1.桥台方式桥台方式 将沉放管段的两端搁置在预先建造在水底的沉箱基础上，管段相当于水中简支梁，并把沉放管段两侧相连的隧道部分与沉箱基础做成整体，由于管段长度即为简支梁跨度，因此管段不宜做得过长，而且相当于桥台的沉箱部分需要做得相当大，在日本早期的沉管隧道工程中曾使用过这种方法。2.桥墩方式

135、桥墩方式 在沟底纵向设置支承在桩基础上的钢筋混凝土梁，把沉放管段安放在这种梁上，这也是一种水中桥梁的方式。对于这种方法，如果将管段沿纵向与各梁刚性连接，就成为多跨连续支承形式。因此，只要某处发生了不均匀下沉，就会影响到隧道整体。这种方法施工精度要求很高，且成本较高。279关宝树地下工程3.独立桩基础独立桩基础 在较弱土层上的沉管，常采用独立桩基础支承。为了管段沉放完毕后，各支承桩能均匀受力，常采用活动桩顶法顶升桩顶，使各桩达到受力均匀。280关宝树地下工程5.3 地基处理地基处理1.沟槽开挖沟槽开挖 沟槽对沉放管段和其下基础设置有特殊的用途，沟槽底部应相对平坦。沟槽开挖常采用疏浚法施工。在沟槽

136、开挖前进行必要的土质调查，对于设计的沟槽断面，为证实实际路线上它的正确性，应进行多次喷注钻孔和标准贯入度试验，必要时进行试挖281关宝树地下工程2.沟槽回填沟槽回填 一旦沉管管段的沉放和连接作业完毕，需在沉放管段的外围进行砂土的回填工作，将沟槽予以回填，一是防止流水对沉放管段。的冲刷，二是防护过往船只和抛锚等对管段的冲击。在管段的顶部一般设一层15cm左右的混凝土保护层。回填材料通常是砂或碎石，也可部分采用从沟槽中挖出的材料。282关宝树地下工程2 2、沉管隧道技术、沉管隧道技术沉管法也称预制管段沉放法，即先在隧址以外的预制场制作隧道管段，管段两端用临时封墙密封，待达到设计强度后拖运至隧址位置

137、，此时，在设计位置上已预先进行了沟槽开挖，设置了临时支座；然后沉放管段，待沉管段在水下连接，处理管段接头及基础，而后回填，再进行内部装修与设备安装，以完成隧道。这种方法一般用于过江、过海隧道建设，建成后的隧道也称沉管隧道。283关宝树地下工程 根据各国的实践经验，在水底隧道建设中，盾构法与沉管法各有优缺点。一般而言，常采用比较经济、合理的沉管法。沉管隧道的类型（船台型、干坞型）、沉管隧道设计、沉管隧道沉放与连接等内容请大家自己去找资料看，注意每个环节细部处理技术和方法。284关宝树地下工程3 3、长距离顶管技术、长距离顶管技术地下管道的铺设一般采用开槽方法（明挖法），这种方法施工挖方大、占用大

138、量临时场地，管道安装后需进行回填，而且施工时影响交通、影响环境。而采用顶管技术铺设管道，无须挖槽或在水下开挖土方，并可避免为疏干和固结土体而采取的降低地下水位等辅助措施，从而大大加快施工速度，降低造价，并可克服在江河湖海等无法降水的特殊环境下施工的困难。285关宝树地下工程长距离顶管施工程序：长距离顶管施工程序：先在管道的一端挖掘工作坑（井），完成后在其内安装顶进设备，将管道顶入土层，边顶进边挖土，将管段逐节顶入土层内，直到顶至设计长度为止（类似地质钻探施工）。在顶进过程中常采用润滑剂减阻和中继接力技术，以延长顶进长度。所以在这项技术中，改进顶管长度是问题的关键，目前一般在100m左右，在城市

139、建设中，特别需穿越城市中心、大型建筑群或河道时，这样的长度显然不够。当然，采取一些措施可以增加长度。286关宝树地下工程 顶管技术的主要设备工作管与盾构法类似也有三部分，即冲泥仓、操作室和控制室。它的关键技术有三方面：（1）顶力问题；（2）方向控制问题；（3）制止正面塌方问题。287关宝树地下工程主要措施：主要措施：（1）穿墙；（2）纠偏与导向；方向控制问题（3）局部气压；制止正面塌方问题（4）触变泥浆减阻；（5）中继接力顶进等。如顶力问题。解决问题可以从两个方面着手，一正面严防死守；二迂回，即改变问题性质，如拉变压、触变泥浆减阻等。288关宝树地下工程顶管机289关宝树地下工程顶管机械290关宝树地下工程 顶管工作坑、 接收坑和洞口止水装置 291关宝树地下工程顶管施工292关宝树地下工程顶管施工293关宝树地下工程在南京扬子石化公司进行在南京扬子石化公司进行在南京扬子石化公司进行在南京扬子石化公司进行2 2米砼管顶管施工米砼管顶管施工米砼管顶管施工米砼管顶管施工294关宝树地下工程施工工艺图 295关宝树地下工程顶管施工的中继间296关宝树地下工程顶管施工的中继间297关宝树地下工程顶管施工的中继间298关宝树地下工程顶管施工的优点299关宝树地下工程管施工的优点300关宝树地下工程顶管施工的优点301关宝树地下工程顶管施工的优点302关宝树地下工程