《地下结构工程》PPT课件.ppt

,地 下 结 构 工 程,第01章,1. 绪论,地下结构的定义：保留上部地层（山体或土层）的前提下，在开挖出能提供某种用途的地下空间内修建的结构物，统称为地下结构。 地下工程分类 ：交通隧道，水工隧洞、矿山巷道、地下仓库、地下工厂、地下民用与公共建筑、地下市政工程、人防工程、国防地下工程。玄武湖隧道.ppt,1.1 地下结构型式,地下结构：水平，倾斜（斜井）竖直（竖井）； 水平坑道埋置深度的不同，又分成浅埋和深埋两种。 结构型式首先由受力条件来控制，即在一定地质条件的土水压力下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。图 结构型式也受使用要求的制约； 施工方案是决定地下结构型式的重要因素之一。,返回,图1-1 地下结构型式,北京地铁王府井车站,广州地铁东（山口）杨（箕）区间隧道,综合地质、使用、施工三因素，地下结构常见的型式有以下几种：go,地下结构常见的型式有以下几种 （1） 附建式结构 图 （2） 浅埋式结构图 （3） 地道式结构图 （4） 沉井法结构 （5） 盾构法结构图 （6） 连续墙结构 图 （7） 顶管结构图 （8） 沉管法结构图,图1-2 附建结构 exit,图1-3 浅埋式结构exit,图1-4 地道式结构 图1-5 沉井 exit,图1-6 盾构exit,图1-7 地下连续墙结构exit,图1-8 顶管exit,图1-9 沉管exit,1.2 设计内容,设计分工艺设计、规划设计、建筑设计、防护设计、结构设计、设备设计等。 结构设计工作一般分初步设计和施工图设计两个阶段。,初步设计的内容,（1） 工程防护等级，三防要求与动载标准的确定； （2） 确定埋置深度与施工方法； （3） 草算荷载值； （4） 选择建筑材料； （5） 选定结构型式和布置； （6） 估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等主要尺寸； （7） 绘制初步设计结构图； （8） 估算工程材料数量及财务概算。,技术设计,主要是解决结构的强度、刚度和稳定、抗裂性等问题，并提供施工时结构各部件的具体细节尺寸及连接大样。 （1） 计算荷载： （2） 计算简图： （3） 内力分析： （4） 内力组合： （5） 配筋设计： (6） 绘制结构施工详图： （7） 材料、工程数量和工程财务预算。,1.3 计算原则,1） 使用规范 2） 设计标准：确定地下建筑物的荷载、建筑材料的选用、允许考虑由塑性变形引起的内力重分布、截面计算原则、材料强度指标 3） 计算理论 （1）计算原理：较多地应用以文克尔假定的基础局部变形理论以及以弹性理论为基础的共同变形理论。说明 （ 2）计算方法：一般结构力学法，弹性地基梁法，矩阵分析法。,弹性抗力限制了结构的变形，故改善了结构的受力情况， 如图1-10所示。exit,1.4 本课程的内容和任务,本课程是土木工程的一门专业课。 获得地下结构工程的基础知识，掌握地下结构工程的技术性能，应用方法及其施工工艺；,本书将对各种常见的地下结构工程进行授课： 大开挖基坑、深基坑工程、 浅埋式结构、沉井结构、 新奥法隧道、盾构衬砌结构、沉管结构、顶管结构 数值计算方法、环境保护,学习方法和考试,先前的基础学科需良好掌握； 以理解为主，勤于观察，理论联系实际； 考试成绩组成：平时成绩15，卷面成绩85。,本节要点,常见地下结构型式及使用范围;计算原则和计算方法；,2.大开挖基坑工程,定义:大开挖基坑工程是指不采用支撑而 采用直立或放坡施工进行开挖的基坑工程；由于其费用低，工期短，是首先要考虑的开挖方式。,前提,21 竖直开挖,适用于开挖深度不大、无地下水、基坑土质条件较好的场地。 竖直开挖时坑壁自然稳定的最大临界深度可按下式估算：,Ka主动土压力系数； 当基坑侧壁的顶部地表面与水平面夹角=0时， Ka=tg2（45- ）； 当 0时，采用朗肯主动土压力系数， 为坑壁土的内摩擦角标准值。 宜采用1.21.5的安全系数； 当基坑附近有超载时，应重新验算；当坑壁因吸水或失水等原因，一旦形成裂缝时，公式不成立；对黄土及具有裂隙的胀缩性土，该式不适用。,无地下水时直立开槽的允许高度 表2-1,22 放坡开挖 221 散坡开挖分类,（1） 无地下水的一般放坡开挖 适用于地下水在开挖深度以下 。 （2） 明沟排水放坡开挖 适用于地下水为潜水型、涌水量较小、坑壁土及坑底土不会产生流砂、管涌、基坑突涌的场地条件。 （3） 井点降水放坡开挖 地下水埋深较浅、基坑开挖较深可能产生流砂、管涌、基坑突涌等不良现象时，可采用井点降水放坡开挖。 特别注意降水对附近建筑设施产生的不良影响。,222 放坡开挖坡度确定con,（1）查表法表 （2） Taylor法图 （3）条分法图,（1）查表法exit,(2). Taylor法exit,边坡的临界高度由下式确定：例题.doc,采用陈惠发（美，肯塔基州大学，1980 (3)条分法exit,2.3 基坑边坡失稳的防止措施,（1）边坡修坡图2-3 （2）设置边坡护面图24 （3）边坡坡脚抗滑加固图25 (设置抗滑桩，旋喷桩，分层注浆法，深层搅拌桩)。con,图2-3 边坡修坡,（a）坡顶卸土； （b）坡度减小； (c) 台阶放坡exit,图2-4 设置边坡护面exit,图2-5 基坑边坡坡脚抗滑加固 exit,24 地下水的处理,241 地下水流的基本性质 水力坡度:以I表示，I=（H1-H2）/L， I=1时的渗透速度称为土的渗透系数K，常用m/d、m/s等表示. 动水压力: （kN/m3） 动水压力F等于或大于土的有效重度时，土颗粒处于悬浮状态，土的抗剪强度等于零，土颗粒将随着渗流的水一起流动，即所谓“流砂”。,242 地下水处理方法,归结成两种： 一种是降水； 第二种是止水防水帷幕。 降水的方法有集水井降水和井点降水两类 。 井点降水法有轻型井点、喷射井点和电渗井点 、管井井点和深井泵等。,当土的渗透系数K5m/d时，宜用轻型井点和喷射井点； 当K520m/d时,除上述方法外,还可选用管井井点； 当K0.1m/d时，因土的渗透性很差，可在轻型井点管的内圈增设由钢管或钢筋做成的电极，通以直流电，促使地下水加速向井点渗透（这种方法称为电渗井点法）。,井点降水方法优先用参考表 表2-3,电渗井点布置示意图 喷射井点工作示意图,管井井点就是沿开挖的基坑，每隔2050m设 置一个管井，每个管井单独用一台水泵抽水， 适用于K=20200m/d，即地下水量大的土层中， 此法可降低地下水位510m。,在城市中由于深基坑降水，总会引起地面沉陷，影响邻近建筑物和管线。回灌井点方法 可以使地表沉陷减少2/3； 因此，采用特定的支护结构，既挡土，又止水，形成防水帷幕为较好选择，但造价较高。 防水帷幕常用钻孔压浆成桩法、地下连续墙、板桩、深层搅拌桩墙。,本讲要点,重点掌握竖直开挖、放坡开挖的计算方法； 了解边坡失稳的防止措施；,地 下 结 构 工 程,第03章,3深基坑工程,概述：大量的深基坑工程伴随着城市高层建筑的发展大量出现。 国外，圆形基坑的深度已达74m(日本)，直径最大的达98m(日本)，而非圆形基坑的深度已达到地下层（法国）。 国内，上海88层的金茂大厦，基坑平面尺寸为170m150m，基坑开挖深度达19.5m。上海的汇京广场，围护结构与相邻建筑最近的距离仅40cm。而无支撑基坑的开挖深度也已达到了9m。,两个功能：一是挡土；二是止水。 基坑支护分两类： 支护型将支护墙（排桩）作为主要受力构件； 支护型基坑支护包括板桩墙、排桩、地下连续墙等。 在基坑较浅时可不设支撑，成悬臂式结构； 当基坑较深或对周围地面变形严格限制时，应设水平或斜向支撑，或锚定系统；形成空间力系是发展方向。,加固型充分利用加固土体的强度。 加固型包括水泥搅拌桩、高压旋喷桩、注浆和树根桩等。,基坑侧壁安全等级及重要性系数,3.1 结构方案及选择3.1.1 结构类型,支护结构类型及其适用范围 表3-1,图31板桩,图3-2 组合挡土壁,图3-3 单排与双排桩支护结构,图3-4 接头管接头的施工程序 a) 开挖槽段； b) 吊放接头管和钢筋笼； c) 浇筑砼； d) 拔出接头管； e) 形成接头,3.1.2 支撑体系,支撑体系是用来支挡围护墙体，承受墙背侧土层及地面超载在围护墙上的侧压力。 支撑体系是由支撑、围檩、立柱三部分组成。,3.2 支护结构上的作用 3.2.1 土压力,主动土压力和被动土压力的产生，前提条件是支护结构存在位移； 当支护结构没有位移时，则土对支护结构的压力为静止土压力。 土压力的分布与支点的设置及其数量都有关系；悬臂支护桩土压力的实测值与按朗肯公式计算值的对比，非挖土侧实测土压力小于朗肯主动土压力，即计算结果偏大。,图3-5 悬臂支护桩土压力分布,图3-6 芝加哥深基坑土压力实测图 图3-7 柏林地道工程土压力实测图,土的内聚力C、内摩擦角值可根据下列规定适当调整： 在井点降低地下水范围内，当地面有排水和防渗措施时，值可提高20%； 在井点降水土体固结的条件下，可考虑土与支护结构间侧摩阻力影响，将土的内聚力c提高20%。,土压力计算公式exit,主动土压力： 被动土压力：,3.2.2 地面附加荷载传至n层土底面的竖向荷载qn,（1）地面满布均布荷载q0时，任何土层底面处： （2）离开挡土结构距离为a时,(3)作用在面积为 与挡土结构平行）的地面荷载，离开挡土结构距离时。,3.2.3 水压力,水压力，主要根据土质情况确定如何考虑水压力的问题 。 对于粘性土，土壤的透水性较差，此粘性土产生的侧向压力可采用水土合算的方法，即侧压力为相应深度处竖向土压力与水压力之和乘以侧压力系数。 对于砂性土，采用水土分算，即侧压力为相应深度处竖向土压力乘以侧压力系数与该深度处水压力之和。,对比,砂土简化计算，将水压力与土压力分别计算，并把水看作是： 主动压力=静止压力=被动压力= h,3.3 排桩、地下连续墙,计算主动土压力和被动土压力 并确定计算简图，确定嵌固深度、内力计算； 支护桩或墙的截面设计以及压顶梁的设计等。,3.3.1 悬臂式支护结构图,根据朗肯-库伦土压力理论分层计算主动土压力和被动土压力； 在此基础上确定图3-10所示的计算简图。图 据此简图求出嵌固深度hd; 最大弯矩截面位置及最大弯矩值； 进行配筋设计或承载力计算； 计算支护结构顶端位移。,悬臂exit,计算简图,据此求出嵌固深度hd,配筋和挠度计算,地质条件或其它影响因素较为复杂时，也可按最大弯矩断面的配筋贯通全长。 配筋应满足下式条件： 支护结构顶端的水平位移值,y剪力为零处即D点至基坑底的距离； 悬臂梁上段结构柔性变形值,下段结构在弯矩Mmax作用下产生的转角,下段结构在弯矩Mmax作用下在D点产生的水平位移,上段结构柔性变形 下段结构在作用下,3.3.2 单层支撑支护结构 设计图,计算方法是“等值梁法”。 等值梁法的关键是如何确定反弯点的位置。 对单锚或单撑支护结构，地面以下土压力为零的位置，即主动土压力等于被动土压力的位置，与反弯点位置较接近 。,图exit,用等值梁法计算 单锚、单支支护结构：,图3-15 单层支点支护结构 深度计算简图,（3）支点力TC1 可按下式计算： 等值梁法，对反弯点：,（1）计算土压力 （2）基坑底面以下支护结构设定弯矩零点位置,（4）,嵌固深度Hd 设计值可按 下式确定:,（5）计算内力和配筋,单层支撑支护结构的最大弯矩: 发生在剪力0处，应根据土压力平衡，求得处的位置y,可得Mmax。 弯矩图可按静力平衡条件求得 可以分段配筋，也可以按最大弯矩断面通长配筋 .,3.3.3 多层锚拉式支护结构 设计,1)应根据分层挖土深度与每层锚杆设置的实际施工情况分阶段分层计算，这时假定下层挖土不影响上层锚杆计算的水平力； 2)多层布置时，有等弯矩布置和等反力布置两种模式； 3）悬臂式及单支点支护结构嵌固深度设计不宜小于 ；多支点支护结构嵌固深度设计值小于0.2 h时，宜取 。,抗渗透稳定条件:,当基坑底为碎石土及砂土、基坑内排水且作用有渗透水压力时，侧向截水的排桩、地下连续墙除应满足上述规定外，嵌固深度设计值尚应满足式抗渗透稳定条件:,注意事项：,1）排桩、地下连续墙水平荷载计算单位；中心距和单位长度； 2）有支撑变形计算按弹性支点法计算，支点刚度系数 及地基土水平抗力系数m应按地区经验取值； 3）支撑体系（含具有一定刚度的冠梁）或其与锚杆混合的支撑体系应按支撑体系与排桩、地下连续墙的空间作用协同分析方法，计 算内力和变形。,3.4 土层锚杆,土层锚杆是一种埋入土层深部的受拉杆件，它一端与构筑物相连，另一端锚固在土层中。,3.4.2 锚杆设计,1）锚杆承载力计算 2）锚杆杆体的截面面积,3）锚杆轴向受拉承载力设计值,（1）安全等级为一级及缺乏地区经验的二级基坑侧壁，应进行锚杆的基本试验，受拉抗力分项系数可取1.3。 （2）基坑侧壁安全等级为二级且有邻近工程经验时 ：,（3）. 对于塑性指数大于17的粘性土层中的锚杆应进行蠕变试验。 （4）锚杆预加力值（锁定值）应根据地层条件及支护结构变形要求确定，宜取为锚杆轴向受拉承载力设计值的0.500.65倍。 （5） 自由段计算长度,本讲要点,重点掌握悬臂式支护结构计算方法和计算要点； 重点掌握单锚、单支支护结构计算方法和计算要点。 掌握锚杆计算方法； 理解多层支撑的计算原则；,3.6 水泥土墙设计,又称搅拌桩挡墙 ，利用一种特殊的搅拌头或钻头，钻进地基至一定深度后，喷出固化剂，与地基土强行拌和而形成的加固土桩体。 Mixed-In-Place Method MIP(美国) Deep Mixing Method (日本) 固化剂采用水泥或石灰； 适用于加固淤泥质土、粘土； 国外最大深度60m ，国内1218m； 特点：施工无震动、噪音、无废水泥浆； 坑内无需支撑拉锚，优良的抗渗特性。 支挡高度，国内最深9m;,水泥墙的结构形式,挡墙宽度为0.60.8开挖深度，桩长为开挖深度的1.8-2.2倍。,3.6.1 土压力计算 计算主动土压力和被动土压力 3.6.2 抗倾覆计算 3.6.3 抗滑移计算 3.6.4 墙身应力验算 3.6.5 整体稳定计算 一般情况下，使墙体强度不成为设计的控制条件，而以结构和边坡的整体稳定控制设计。,1.土压力计算,墙后主动土压力,墙前被动土压力,2 抗倾覆计算 图,按重力式挡墙计算墙体绕前趾A的抗倾覆安全系数 ，不小于(1.01.1).,3 抗滑移计算,按重力式挡墙计算墙体沿底面滑动的安全系数：,4.墙身应力验算,墙体所验算截面处的法向应力 剪应力按下式进行 ：,5 整体稳定计算k= 1.25,整体稳定计算时，将滑动土体与搅拌桩挡墙视为一个整体考虑(常选在墙底下0.51.0米处)，采用圆弧滑动法计算图 ：,构造要求,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0.7，一般粘性土及砂土不宜小于0.6；格栅长宽比不宜大于2 ； 桩与桩之间的搭接宽度 ：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100mm。 不能满足要求时，宜采用基坑内侧土体加固或水泥土墙插筋、加混凝土面板及加大嵌固深度等措施。 搅拌桩挡墙设计计算实例（详见教材),3.7 土钉墙,土钉墙由被加固土体、放置在土中的土钉体和喷射砼面板组成，形成一个以土挡土的重力式挡土墙。 土钉墙自上而下施工，步步为营，土钉墙是靠土钉的相互作用形成复合整体作用。 土层锚杆的失效影响较大，不应用于没有临时自稳能力的淤泥、饱和软弱土层。,图3-32 土钉墙应用领域 a) 托换基础; b) 竖井的挡墙; c) 斜面的挡土墙 d) 斜面稳定; e) 和锚杆并用的斜面防护,1 土钉受拉承载力计算,受拉承载力,受拉荷载标准值,荷载折减系数,2 土钉墙承载力计算,采用简化圆弧滑动条分法,3 构 造,土钉墙墙面坡度不宜大于1：0.1； 喷射混凝土面层宜配置钢筋网，钢筋直径宜为610mm，间距宜为150300mm； 喷射混凝土强度等级不宜低于C20，面层厚度不宜小于80mm； 土钉钢筋宜采用、级钢筋，钢筋直径宜为1632mm，钻孔直径宜为70120mm；,本讲要点,重点掌握水泥土挡墙的设计要点： 荷载、强度、稳定（倾覆、滑动、整稳） 土钉墙的设计要点：土钉承载力和整稳,3.8 SMW,SMW挡土墙是先施工水泥土挡墙，最后按一定的形式在其中插入型钢（如H钢），即形成一种劲性复合围护结构。： 止水好，刚度大，构造简单，型钢插入深度一般小于搅拌深度，型钢可回收重复使用，成本较低。 SMW适宜的基坑深度为610m，国外开挖深度已达20m。 要求型钢间距不能过大，保证水泥土的强度由受剪，受压控制。,（a）全位“满堂”；（b）全位“1隔1” （c）全位“1隔2”；（d）半位“满堂”；（e）半位“1隔1”,1型钢净间距的确定,保证型钢间的水泥土在侧向水土压力作用下不产生弯曲应力,2.水泥土强度校核,“连续”截面剪力,型钢“间隔”布置,验算拱的轴力强度,3.9 逆作拱墙,在基坑四周场地都允许起拱的条件下（基坑各边长L的起拱矢高 ），可以采用闭合的水平拱圈来支挡土压力以围护基坑的稳定，采用闭合的水平拱圈来支挡土压力以围护基坑的稳定 ； 拱结构是以受压力为主，能更好地发挥混凝土抗压强度高的材料特性，而且拱圈支挡高度只需在坑底以上,这个闭合拱圈可以由几条二次曲线围成的组合拱圈（曲率不连续），也可以是一个完整的椭圆或蛋形拱圈（曲率连续）。 安全可靠，每道拱圈分别承受该道拱圈高度内的压力，不相互影响； 节省工期，施工方便； 节省挡土费用，用拱圈支护的费用仅为用挡土桩的40%60%。而且，基坑越深，经济效益越显著。,1.截面形状,2.拱墙计算,逆作拱墙结构型式根据基坑平面形状可采用全封闭拱墙，也可采用局部拱墙，拱墙轴线的矢跨比不宜小于1/8，基坑开挖深度h不宜大于12m。 当基坑开挖深度范围或基坑底土层为砂土时，应按抗渗透条件验算土层稳定性 ； 当基底土层为粘性土时，基坑开挖深度满足下列抗隆起验算条件：,均布荷载作用下，圆形闭合拱墙结构轴向 压力设计值 应按下式计算：,圆拱的外圈半径； 拱墙分道计算高度 在分道高度范围内的基坑外侧水平荷载标准值的平均值。,3 构造,混凝土强度等级不宜低于C25 ； 拱墙截面宜为Z字型，拱壁的上、下端宜加肋梁； 当基坑较深且一道Z字型拱墙的支护高度不够时，可由数道拱墙叠合组成； 肋梁，其竖向间距不宜大于2.5m。 圆形拱墙壁厚不应小于400mm，其他拱墙壁厚不应小于500mm。,3.10 逆作法施工,深地下室的常规施工是通过临时支护基坑坑壁，开挖至预定深度后，浇底板并由下而上施工各层地下室结构，待地下室完工后，再逐层进行地上结构的施工。 利用地下连续墙采用逆作法施工较深的多层地下室，成为发展的方向，这已在国内外到得了显著的效果。,逆作法施工工艺是先沿建筑物外围施工地下连续墙，作为地下室的边墙或基坑的围护结构。 在建筑物内部的浇筑中间支承柱，开挖土方至第一层地下室底面标高，浇注梁及部分的板，该层楼盖即可作为地下连续墙刚度很大的支撑系统。然后在梁间没有浇板的空档内，向下逐层施工各层地下室结构。与此同时，在已完成底面梁板结构的基础上，做上部结构。 地下室封底前，地面上允许施工的层数要通过计算确定。,日本读卖新闻社大楼 逆作法施工,地上层，地下层，总工期只用了个月， 比常规方法缩短了个月。该工程用2.0m大直 径钻孔灌注桩作为中间支承柱，m,共 用根。,逆作法的优点：,地下主体结构的梁、板、柱作为挡土墙的横向支撑； 大幅度缩短工期； 逆作法只开挖有效范围内的土方量，减少了大量的土方量； 安全性好，且基本上不受气候所左右。,不足：,封闭状态下的环境进行施工，作业环境较差；大型机械设备难于进场； 地下结构中墙柱的混凝土接搭质量较难控制 ； 控制导柱的垂直度和承载力较难； 逆作法侧向刚度较封闭式的小，施工中应采取措施，防止一侧连续墙的过大变形。,立柱,立柱在逆作施工中具有无法取代的重要性，立柱设计和计算，为逆作法设计的主要内容： 1) 立柱位置的设置 2）立柱负担荷载的计算 3）允许应力的决定 ）立柱桩的设计按灌注桩进行。 ）上部结构体加固设计 ）立柱的设计 ）柱脚根部插入部分的设计。,逆作法施工，以地面层的梁板结构是封闭还是敞开分为“封闭式逆作法”和“开敞式逆作法” 。 我国第一个按“封闭式逆作法”施工的试点工程是上海基础工程科研楼，地上层，地下层。 另一个为上海电信大楼地下室工程采用了“开敝式逆作法”旋工（该工程地下层，地上17层），在南京夫子庙地下商场也采用过该方法施工。,本讲要点,掌握SMW方法的设计要点； 了解逆作拱墙的设计过程； 了解逆作法施工。,地 下 结 构 工 程,第04章,上一章要点,悬臂支护、单撑单锚支护、土层锚杆、 水泥挡土墙、土钉墙、SMW方法、逆作拱墙的设计过程； 了解逆作法施工。,第4章 新奥法与锚喷支护,4.1 概述 4.1.1 新奥法简介 奥地利学者L.V.Rabcewicz二十世纪60年代出提出了“新奥地利隧道施工法” 。 New Austrian Tunnelling Method简称为“新奥法”（NATM）。 “欧洲隧道掘进法”或“收敛约束法”（Convergence Confinement Method）。 新奥法 ：围岩本身具有“自承”能力，若采用正确的设计施工方法，最大限度地发挥这种自承能力，即可以使得经济效果达到最佳 。,要点,尽可能不扰动周边围岩，开挖之后及时进行一次支护，然后视需要进行二次支护。 支护都是柔性的，以适应围岩的变形。 目前采用经验统计类比的方法做预设计，再在施工过程中不断监测围岩的应力、应变状况，按其发展规律来调整支护措施。,适用条件及要求,深埋、浅埋、中等埋深 均可； 勘测、设计、施工、控制各环节密切配合； 尽可能地发挥围岩的自承作用 ，采用控制爆破（光面爆破、预裂爆破）。,新奥法的优点,（1）经济、快速。 若以面积A为100，设计衬砌量B和超挖量的面积C。可以看出，由于采用控制爆破、柔性 薄衬砌，新奥法的开挖量为老方法的73（110/151），衬砌量为老方法的20。此外，还可省去全部木模和40以上的混凝土，降低支护成本30以上 2）安全、适应性强,表4-1 老方法与新奥法 工程量对比,新奥法的主要原则,（1）围岩是洞室的主要承载结构，而不是单纯的荷载，它具有一定的自承能力。 （2）尽量保持围岩原有的结构和强度； （3）尽可能作到适时支护。 （4）支护本身应具有薄、柔、与围岩密贴和早强等特性，支护施工应及时快速，使围岩尽快封闭而处于三向受力状态。 （5）洞室尽可能为圆形断面，或由光滑曲线连接而形成的断面，以避免应力集中。 （6）良好的施工组织和施工人员的良好素质对洞室结构施工的安全、经济非常重要。,4.1.2 锚喷支护简介,锚喷支护（Shotcrete and Bolting）是采用喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土、锚杆喷射混凝土或锚杆钢筋网喷射混凝土等在毛洞开挖后及时地对地层进行加固的结构。,1）锚喷支护的优点,节省、加快施工进度； 符合岩体力学原理的积极支护方法 ； 柔性好，它能与围岩变形一致，从而与之构成一个共同工作的承载体系 ； 锚喷支护技术不再把围岩仅仅视作荷载（松散压力），同时还把它视为承载结构的组成部分。锚喷支护结构承受荷载的性质为围岩的形变压力。,2）锚喷支护的适用条件及要求,配合光面爆破等控制爆破技术，使开挖断面轮廓平整、准确，便于锚喷成型，并减少回弹量； 减轻爆破对围岩的松动破坏，维持围岩强度和自承能力。,4.1.3 新奥法与锚喷支护,不能将新奥法等同于锚喷支护； 既有密切联系又有原则区别； 锚喷支护的快速有效的支护施工手段，才有可能使新奥法的基本原则得以实现。 不把围岩看成自承结构，不充分发挥围岩本身的作用，即使大量采用锚喷支护，也不能认为是应用了新奥法。,4.2 隧道围岩压力的确定,4.2.1 围岩压力 开挖隧道使围岩原有的平衡状态破坏了，对隧道周围一定范围内的围岩产生了不同程度的扰动。 支护结构要阻止围岩的移动、变形，支护结构就必然要受到围岩所施加的力，即围岩压力 。,初始应力,平衡状态下的三向应力 ：,隧道开挖前后的变化,硬岩及软岩在隧道开挖后应力重新分布 范围的大小与地质条件有关，一般为隧道开挖跨度的 0.52.5倍。,在坚硬、完整岩体中，由于岩体强度高，影响范围小，岩体能承受周边急剧增大的应力，可使隧道保持稳定，一般只有弹性变形而不会破坏； 而在松软、破碎岩体中，由于岩体不能承受增大的应力，在一定范围内的岩石就要松动、破坏并向隧道内坍塌。 围岩压力类型有垂直压力、侧压力和底压力，,4.2.2 隧道围岩压力的确定,1）深埋隧道围岩压力的确定 i为每增减1m时的围岩压力增减率。以B5.0m的围岩垂直均布压力为准，当B5.0m时，取i0.2；当B5.015.0m时，取i0.1。,围岩类别 s,VI :呈巨块状整体结构硬质岩石, Rb60MPa V :呈大块状砌体结构硬质岩石, Rb30MPa IV :呈块（石）碎（石）状镶嵌结构 III :略具压密或成岩作用的粘性土 、砂性土 II :湿的一般碎、卵石土，圆砾、角砾土及黄土 I：软塑状粘性土及潮湿的粉细砂等,表4-3 各类围岩的重度,注：对类围岩的老黄土采用16.717.6kN/m3； 对类围岩的新黄土采用14.7kN/m3。,表4-4 围岩水平均布压力e,必须同时具备下列条件：,（1）H/B1.7，H为隧道开挖高度，B为隧道开挖宽度。 （2）不产生膨胀力的围岩及偏压不显著的隧道； （3）采用钻爆法施工的隧道。,2）浅埋隧道围岩压力的确定,按荷载等效高度的判定式为： 在新奥法施工的条件下，类围岩取 ，类围岩 。,（1）埋深H小于或等于荷载等效高度hq,围岩压力完全由上覆岩（土）柱的重力产生，视为均布时，垂直压力和水平压力为：,（2）埋深H大于hq、小于Hp,在这种情况下，隧道上覆土体下滑时要考虑滑面阻力的影响，否则计算出的压力值过大。,本讲要点,理解新奥法和喷锚支护的实质与联系； 掌握深埋和浅埋隧道围岩压力的计算。,（2）埋深H大于hq、小于Hp,EFHG岩（土）体下沉，带动两侧三棱土体（如图中FDB及ECA）下沉受到阻力T， 整个土体ABDC下沉时，又要受到未扰动岩（土）体的阻力F； AC或BD表示假定的破裂面 与水平成 角；,T未知 三棱体ECA中，受到三个力：T F W运用正弦定理：,极限状态下可以求得 破裂面的夹角,总垂直压力 ： 简化为：,竖向均布荷载和水平侧压力,4.3 锚喷支护结构,4.3.1 锚喷支护的设计步骤 5个步骤进行： （1）调查地质和水文地质情况，分析围岩的稳定条件； （2）用工程类比方法选择支护类型及设计参数，对锚喷支护进行受力分析和结构计算，并提出施工注意事项； （3）支护施工中，严密监测地质情况的变化，及时修改设计参数，变更施工工序； （4）支护完成后，分析隧道的稳定状况，对其长期稳定性作出评价。必要时，可对支护变形和应力进行量测，包括施工阶段的监测； （5）总结经验，改进设计与施工。掌握岩体变形、坍塌的规律之后，在恰当的时间，采用适当的办法进行支护。,4.3.2 锚喷支护的受力分析和结构计算,影响因素比较复杂,多种计算方法,尚处于半经验半理论阶段 . 锚杆支护结构； 喷射混凝土支护；,1）锚杆支护结构,全长粘结型锚杆：普通水泥砂浆锚杆、早强水泥砂浆锚杆、树脂卷锚杆和水泥卷锚杆； 端头锚固型锚杆；机械锚固锚杆、树脂锚固锚杆、快硬水泥卷锚固锚杆； 摩擦型锚杆 ；缝管锚杆、楔管锚杆、水胀锚杆； 预应力锚杆； 自钻式锚杆。,（1）锚杆的设计计算,锚杆的轴向拉力标准值、设计值,锚杆钢筋截面面积,锚杆抗拉工作条件系数，永久性锚杆取0.69， 临时性锚杆取0.92；,锚杆锚固体与地层的锚固长度,锚杆钢筋与锚固砂浆之间的锚固长度,钢筋与锚固砂浆之间的粘结强度设计值（kPa），应由试验确定，当缺乏试验资料时可按表4-9取值； 钢筋与砂浆粘结强度工作条件系数，对永久性锚杆取0.60，对临时性锚杆取0.72。,锚杆支护可以根据不同围岩的岩层产状和稳定状况灵活进行。 其作用原理主要有联结作用、组合作用和整体加固作用。,（2）锚杆的联结作用,用锚杆将它们联合起来，并将锚杆尽可能深入到稳定的岩层中，考虑锚杆承担全部不稳定岩块的重量。 锚杆承载力计算,建筑边坡工程技术规范（GB 503302002）规定：,用锚杆加固局部不稳定块体时，锚杆抗力应满足下列要求： a.加固受拉破坏的不稳定危岩块体，锚杆抗拉承载力应满足： b.加固受剪破坏的不稳定危岩块体，锚杆抗剪承载力应满足：,锚杆长度,锚杆总长度应为锚固段、自由段和外锚段的长度之和，并应满足下列要求： a.锚杆自由段长度按外锚头到潜在滑裂面的长度计算；预应力锚杆自由段长度应不小于5m，且应超过潜在滑裂面； b.锚杆锚固段长度应按式（4-22）、（4-23）进行计算，并取其中大值 。,构造,土层锚杆的锚固段长度不应小于4m，且不宜大于10m； 岩石锚杆的锚固段长度不应小于3m，且不宜大于45D（D为锚固体直径）和6.5m，或55D和8m（对预应力锚索）；,（3）锚杆的组合作用,锚杆的组合作用是依靠锚杆将数层薄层的岩层组合在一起，形成组合拱或组合梁，以提高岩层整体的抗剪、抗弯的能力 。,锚杆提供的抗剪力、抗拉力，以及锚杆的锚固力使将要滑动的岩块得以稳定，阻止层面的互相错动。 锚杆应按与岩层层面垂直的方向设置。如对锚杆施加预应力，可提高其支护效果。,（4）锚杆的整体加固作用,通过有规律布置的一系列锚杆，将邻近的岩体联结在一起，能阻止不稳定岩石的滑移，促使岩石之间的间隙面压紧，同时使隧道四周一定范围内的围岩组成一个承载环。,由于锚杆支护力的作用，压缩带 获得径向支护力，使压缩带中的 岩体处在三向受压状态。,砂浆锚杆的加固作用,砂浆锚杆的承载力可用下式表示,当围岩产生位移时，锚杆单位长度上的承载力Ps/L1与 的合力阻止围岩位移的发展，产生支护力，并使在锚杆间的围岩产生压缩和成拱作用，提高了围岩强度并缩小了围岩的承载跨度（等于锚杆间距），从而达到稳定和加固围岩的目的。,本讲要点,掌握围岩压力的计算方法； 理解喷锚支护的概念； 掌握锚杆支护的作用与计算方法；,2）喷射混凝土支护结构,两个方面起支护作用 ： （1）局部稳定原理 （2）整体稳定原理 喷射混凝土的设计强度等级不应低于C20；喷射混凝土1d龄期的抗压强度不应低于5MPa。,（1）局部稳定原理,喷射混凝土支护结构及时封闭岩层表面的节理、裂隙，填平或缓和表面的凹凸不平，使隧道内的轮廓较为平顺，从而提高围岩节理、裂隙间的粘结力、摩阻力和抗剪强度，并减少应力集中现象。 喷射混凝土关键是控制冠石，此时，喷射混凝土需能承受冠石的重量。,喷层对局部不稳定危岩块体的抗拉承载力应按下式验算（冲切）,喷层工作条件系数，取0.6； ft喷射混凝土抗拉强度设计值（kPa）； h喷层厚度 ur不稳定危岩块体出露面的周边长度,a）按冲切破坏计算；b）按撕开破坏计算,整体稳定原理,喷射混凝土与围岩表面紧密贴合，形成组合结构共同工作。 一方面在与围岩共同承载和变形过程中对围岩提供支护力，使围岩变形得到控制，应力得以调整； 另一方面承受来自围岩变形引起的形变压力，从而使围岩保持稳定。,3）新奥法中锚喷联合支护的应用 （1）新奥法与锚喷支护,较好的围岩（如类以上围岩），可以喷射混凝土为主，锚杆加固以辅； 较差的围岩，则以锚杆，尤其是预应力锚杆作为主要的岩体加固手段，并与喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土或加钢拱的钢筋网喷射混凝土配合使用。,施工步骤,新奥法以及时的锚喷作为临时支护，称为第一次衬砌。 第一次衬砌可以起到稳定围岩，控制围岩应力和变形，防止围岩松驰、坍塌等作用。 待其基本稳定后，再加做模注混凝土二次衬砌。 原来的临时支护（锚喷支护）成为永久衬砌的一个组成部分。 二次衬砌基本上不承受荷载或承受很小的荷载，主要是为了满足隧道结构物的安全、耐久、防水和饰面等的需要。,（2）新奥法中支护与围岩共同作用的力学原理,支护结构的设计原理是围岩和柔性支护共同变形、破坏的弹塑性理论。 围岩为均质、各向同性的连续弹塑性体，岩体在塑性变形、剪切破坏后仍有残余强度；隧道初始应力场为自重应力场，侧压力系数1；隧道断面形状为圆形；在一定的埋深条件下，将隧道看作无限体中的孔洞问题。,“莫尔-库伦”准则作为“塑性判据”,围岩的弹塑性状态,1弹塑性状态应力分布曲线；2弹性状态应力分布曲线,弹性区中任一点的应力为,弹性区中任一点的径向应力； 弹性区中任一点的切向应力； r弹性区中任一点到隧道中心的径向距离。 P0原岩应力,塑性区中任一点的应力公式为,塑性区中靠近隧道内缘的应力，因满足塑性条件而相对减小，成为“应力降低区”，而最大的应力发生在围岩中塑性区与弹性区的交界面上。,在弹性区与塑性区的交界面上（r=R处）,令两式分别相等，整理后可得： 支护力pi越小，则围岩中出现的塑性区半径 R越大； 围岩中出现的塑性区半径R越大，则围岩对支护的形变压力pa（与支护力pi相平衡）越小。,岩体的原岩应力p0越大，则塑性半径R就越大。 p0反映围岩强度性质的两个指标，即粘聚力c和内摩擦角越小，岩体强度越低，则塑性半径R就越大。 新奥法柔性支护理论的出发点，是设计、施工中采取支护措施时要积极利用的，以便使支护受到尽可能小的形变压力。,隧道周边的径向位移u,隧道周边径向位移u的大小，主要取决于支护力pi。当pi减小时，u增大；反之，u减小。 围岩位移曲线,围岩位移、支护特性曲线,隧道开挖后，若支护非常快，且支护刚度又很大，隧道周边围岩没有变形或变形很小，图中A点取得平衡，支护需提供很大支护力pmax；围岩仅负担产生弹性变形u0的压力 ； 假如平衡位置由A点移至C点、E点，则形变压力由pmax减至 、。,若隧道开挖后不加支护，或支护很不及时，即允许围岩自由变形。表现为曲线DB。这时，隧道周边位移达到最大值umax，形变压力pa很小或接近于零。 围岩已经出现松驰、坍塌 ，围岩对支护的压力就是松散压力 ，只能按传统施工方法施作模注混凝土衬砌。,较佳的支护工作点应当在D点以左附近，如图中E点。在该点上，围岩既可产生较大的变形 ，以较多地分担岩体压力（ ），而由支护分担的形变压力较小（ ）；,最重要的便是如何掌握好施作时间（以围岩的变形来判断）和支护刚度k（支护特性曲线的斜率）。 两次支护： 首先在隧道开挖后，及时地进行初期支护和封闭 ； 通过对围岩变形的监测，掌握隧道周边围岩和支护的变形情况，待变形基本趋于稳定时，即达到图中i点附近时，再进行第二次支护。,如作内层二次衬砌，所承受的形变压力就更小，或为零。 通过上述两次支护的手段，便可以达到支护衬砌结构的合理、经济、安全的目的。,本讲要点,理解喷射混凝土的两种作用； 掌握新奥法与锚喷支护结合的原理：难点是理解位移支护曲线。,（3）新奥法锚喷支护的结构计算和支护监控,新奥法支护设计的主要方法有： a.以工程类比为基础的经验法； b.以现场测量为基础的监控法； c.以理论分析为基础的计算法； d.以上3种方法相结合的综合法。,新奥法锚喷柔性支护中，支护和围岩紧密贴合，共同工作，支护和围岩发生的破坏主要为剪切破坏。 其稳定的丧失常常是由围岩中产生塑性剪切滑移楔体开始的。而锚喷支护则和其加固的岩体承载环三者的联合作用所提供的支护力pi来阻止围岩中剪切楔体沿滑动面向隧道位移。,剪切滑动面 曲线方程,新奥法中锚喷支护的结构计算是按锚喷支护对隧道围岩的加固作用和支护作用进行计算。 隧道侧壁岩体的滑移面,以极坐标表示，该曲线的方程为,莫尔应力圆与莫尔滑动包络线,锚杆、喷层和岩体的联合作用,支护力的构成,沿喷层A处剪切面的抗剪阻力，即喷层给剪切体的水平推力 喷层内如设有钢筋网（或钢拱支撑），喷层将增加抗剪支护力 锚杆所提供的支护力计算 支护结构所提供的支护力 岩体沿滑面S上提供的支护阻力,喷层A水平推力,喷层破坏剪切角(与竖向夹角)；,d喷层厚度；,喷层的抗剪强度；,b剪切体总高度。,锚杆,按锚杆体抗拉强度计算，锚杆的径向平均支护力：,砂浆锚杆，可能沿孔壁粘结面破坏，宜用下式计算,a 剪切滑面在隧道壁面上的投影,将 的作用面转换成垂直面上的投影，并同 取得平衡，则,支护结构所提供的支护力,根据力的平衡，认为 等于支护结构所提供的支护力 。,岩体沿滑面S上提供的支护阻力,尚有剪切体滑面S长度上的抗剪应力和正应力的水平分力，其和为 图形 :,岩体剪切滑面与水平面之平均倾角,剪应力和正应力 总的支护力,实际工作中，支护设计标准的确定，包括支护时间和支护类型的确定，支护后变形数值的判定标准，是否进行二次支护，以及何时进行二次支护等往往要依靠经验确定。,新奥法支护变形监控,1-喷射混凝土；2 -设锚杆；3-设模注内层二次衬砌；4-测线 图4-17 新奥法支护变形监控,标准,采用两次支护的地下工程，后期支护的施作，应在同时达到下列3项标准时进行： 隧道周边水平收敛速度小于0.2mm/d；拱顶或底板垂直位移速度小于0.1mm/d； 隧道周边水平收敛速度，以及拱顶或底板垂直位移速度明显下降； 隧道位移相对值已达到总相对位移量的90%以上。 隧道稳定的判据是后期支护施作后位移速度趋近于零，支护结构的外力和内力的变化速度也应趋近于零。,本讲要点,理解支护内力的计算内容和过程； 掌握二次支护判定标准。,地 下 结 构 工 程,第05章,5 浅埋的地下结构,当垂直土压力和水平土压力均随着深度增加而增加时，则为浅埋式结构. 浅埋的地下结构包括附建式的地下室结构（防空地下室）、隧道的引道结构和一般的浅埋结构. 本章着重讨论矩形浅埋式结构的设计与计算原理 .,5.1.1防空地下室,大量的住宅和公共建筑物在修建时，按照国家的规定，按比例修建的具有一定防护要求的建筑物地下室。 承受上部地面建筑传来的静荷载,承受核爆炸冲击波的动力荷载; 平战结合； 一般采用梁板结构、板柱结构、箱形结构、壳体结构等结构形式。,地道,5.1.2引道结构,城市道路系统中立交地道、水底隧道的峒门与地面间的连接段 ，是一种纵向变高度的堑壕。 （1）.墙型支挡结构 应用广泛的是薄壁型挡墙，又可分为悬臂式和扶壁式挡墙。 （2）.槽形支挡结构,(a)悬臂式挡墙 （b）扶壁式挡墙 图51 薄壁型挡墙,其他：,重力型、半重力型（块石、素混凝土制成）、钢筋混凝土薄壁挡墙、加筋土型支挡结构、拉锚型支挡结构、地下连续墙型支挡结构。,槽形支挡结构 （整体式引道结构）,静定结构，其形状与船坞类似，,其设计需要先进行抗浮稳定计算，然后进行结构的强度计算。,5.1.3一般浅埋结构,浅埋的地铁车站、地铁通道、地下工厂、地下医院、指挥所等，应用广泛。 一般采用明挖法施工。 为直墙拱、矩形框架和梁板式结构 。,5.2一般浅埋结构结构形式 5.2.1直墙拱,半圆拱、割圆拱和抛物线拱,5.2.2矩形闭合框架,(a)单跨(b)双跨(c)隔墙开设孔洞,(d)梁柱体系(e)多层多跨地下厂房,5.2.3梁板式结构,5.3矩形闭合框架的计算,矩形闭合框架的结构计算通常包括荷载、内力及截面计算，必要时尚应进行抗浮计算。 5.3.1荷载计算 静荷载:自重土压力和地下水头压力； 活荷载:施工活荷载、车辆设备等荷载 ； 特定荷载 :常规武器甚至核武器作用下的冲击荷载。,顶板荷载：,(1). 上部覆土重力 (2). 水压力： (3). 顶板自重： (4). 特载 顶板总荷载为三者与特载之和：,底板荷载,直线分布，底板上的荷载为结构整体自重、顶板传下的荷载与特载之和，即:,侧墙荷载,侧墙上的荷载包括有水平向土压力，水压力和特载。,折减系数，依土体透水性而定；对于砂土,对于粘土,图55荷载示意图,5.3.2内力计算,可将地基视作弹性半无限平面，作为弹性地基上的框架进行分析。 简化，本节将弹性地基上的反力作为荷载作用在闭合框架底部，按照一般平面框架计算 。,1）计算简图视为平面应变问题，,图57 计算简图及简化,框架的顶底板厚度都比内隔墙大得多，中隔墙的刚度相对较小，将中隔墙一般视为只承受轴力的二力杆，,图58 纵梁和柱计算简图,本讲要点,了解浅埋结构的结构形式； 掌握矩形闭合框架的计算简图。,2）截面选择,计算超静定结构内力时需要知道截面尺寸，这在设计前是不知道的。所以只有根据经验假定各个截面的尺寸，进行内力计算，然后验算截面是否合适。若不合格，重复上述过程，直至所设截面合适为止,3)计算方法,采用位移法计算，当不考虑线位移的影响时，则以力矩分配法为简便。 (1).当竖向荷载不平衡时，可以在底板的结点上加设集中力. (2).线位移的确定，一般情况下，框架有几孔就有几个独立的线位移。 浅埋式结构上特载的值远大于其他荷载，而且，特载的值的计算是非常粗略的，因此并非非常精确。,集中力的施加,5.3.3截面计算,以现行钢筋混凝土结构设计规范为准。 特载与其他荷载组合： 按照弯矩和轴力对构件承载力进行验算时，需要考虑动力荷载作用下材料强度的提高； 按剪力和扭力对构件进行承载力验算时，则不考虑材料强度的提高。,设有支托的框架结构,地下矩形闭合框架结构中的顶板、侧墙和底板均按照偏压构件进行截面验算。,5.3.4抗浮计算,为结构自重、设备重量及上部覆土重之和，但对箱体施工完毕后工况，仅考虑结构自重； 为浮力。,5.4 构造要求,5.4.1配筋形式,5.4.2混凝土保护层厚度,保护层最小厚度常比地面结构增加5-10mm。通常可按照“混凝土结构设计规范”（GB50010-2002）规定采用，其环境类别应属b类。,5.4.3横向受力钢筋,钢筋直径选取32mm以下，钢筋的间距一般不大于200mm，不小于70mm，以方便施工。,表51 最小钢筋配筋率(%),5.4.4纵向分布钢筋,.4纵向分布钢筋 在纵向截面，一般配置分布钢筋，以减少混凝土的收缩、温差和不均匀沉降的影响。 纵向分布钢筋的截面面积，一般不应小于受力钢筋截面积的10，同时，纵向分布钢筋的配筋率对顶底板不宜小于0.15%；侧墙不宜小于0.20。,5.4.5箍筋,一般可不配置箍筋,5.4.6刚性节点构造,增加斜托，斜托的斜度控制在1：3左右比较