地下建筑结构.doc

地下建筑是修建在地层中的建筑物。两大类：土层中和岩层中的；衬砌结构主要是起承重和围护作用，足够的刚度，耐腐蚀性，稳定性土层地下建筑结构型式：（一）浅埋式结构（二）附建式结构（三）沉井结构（四）地下连续墙结构（五）盾构结构（六）沉管结构（七）桥梁基础结构（八）其它结构：岩石结构型式 直墙拱形、圆形、曲墙拱形等。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。拱形结构优点：（1）主要承受垂直荷载，弯矩小。（2）拱主要是承压结构。适用于抗压性能较好的砖、石、混凝土等材料构筑。（3）内轮廓比较平滑，满足使用要求，且建筑布置比圆形结构方便，净空浪费也比圆形结构少。按使用功能分类：（1）地下交通工程：（2）地下市政管道：（3）地下工业建筑： （4）地下民用建筑（5）地下军事：（6）地下仓储：（7）地下文娱文化设施：（8）地下体育设施衬砌 施工方法分类：1）模筑式衬砌2）离壁式衬砌3）装配式衬砌4）喷锚支护衬砌地下建筑结构的特点 荷载的不确定性 计算方法的不成熟初步设计的内容（一) 工程等级和要求，荷载标准的确定； （二)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技术设计要内容是：（一）计算荷载：（二）计算简图：（三）内力分析：（四）内力组合：（五）配筋设计（六）绘制结构施工详图（七）材料、工程数量和工程财务预算荷载，分为以下三类，永久荷载、可变荷载和偶然荷载。弹性抗力是地下结构所特有的被动荷载支护结构理论 古典岩土压力理论阶段 散体压力理论阶段（荷载结构法） 共同作用理论阶段 泰沙基 普氏 认为当地下工程埋藏深度较大时，支护上的压力只是围岩坍落拱内松动岩体的重量，坍落拱的高度与地下工程的跨度及围岩的性质有关。太沙基认为坍落拱为矩形，而普罗托季亚科诺夫认为是抛物线形。通过假定抗力的形式考虑围岩与结构的相互作用现场实测 理论计算 工程类比法弹性地基梁，是指搁置在具有一定弹性地基上，各点与地基紧密相贴的梁地基反力与地基沉降 的关系：局部弹性地基模型 半无限体弹性地基模型 基本假设：局部弹性地基模型; 地基的沉陷或隆起与梁的挠度处处相等; 地基反力处处与接触面相垂直;符合平截面假设 有限长梁 无限长梁 半无限长梁 刚性梁结构形式五大类： (1) 拱形结构（2）圆形和矩形管状结构（3）框架结构（4）薄壳结构（5）异形结构荷载结构法 认为地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载（包括主动的地层压力和被动的地层抗力）以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的方法；三种模式：1主动荷载模式主动荷载加被动荷载模式实际荷载模式衬砌结构计算的内容：1工程类比法 拟定衬砌断面的几何尺寸，确定荷载；2力学计算，求出衬砌截面的内力（弯矩和轴力）；3对截面进行配筋设计，检验衬砌截面的承载安全系数K值。地层结构法 认为衬砌与地层一起构成受力变形的整体，并可按连续介质力学原理来计算衬砌和周边地层的计算方法。地下结构是否安全可靠，首先取决于周围地层的稳定状态。计算衬砌结构的内力，而且计算洞室周围地层的应力。主要包括：地层的合理化模拟、结构模拟、施工过程模拟（1） 时空效应（2）初始地应力的计算（3）施工过程的有限元模拟（4）注浆模拟）以及施工过程中结构与周围地层的相互作用、地层与结构相互作用的模拟。设计模型：经验设计模型，现场量测和实验室试验为主的实用设计方法，如以洞周位移量测值为根据的收敛限制模型，作用反作用模型，荷载结构模型，地层结构模型，连续介质模型。新奥法（简称NATM）原则是尽量利用地下工程周围围岩的自承载能力。具体做法是先用柔性支护（通常为喷锚，称为次支护）控制围岩的变形及应力重分布，使之达到新的平衡，然后再进行永久性支护（通常为整体模筑钢筋混凝土衬砌）。复合支护是以新奥法为基础进行设计和施工的一种新型支护结构，该衬砌是采用锚喷支护做初期支护，采用模筑混凝土做二次衬砌的一种组合衬砌（二层间有或无防水层）结构。复合衬砌支护的基本原理在于：1）充分利用或发挥围岩的自承能力；2）增强围岩的强度，均衡围岩应力的分布，允许围岩有一定程度的变形，以减小对支护的围岩压力；3）利用现场的监测值进行反馈施工。复合支护的构造 常由初期支护和二次支护组成，防水要求较高时须在初期支护和两次支护间增设防水层。初期支护常为喷射混凝土支护，必要时增设锚杆加固围岩，成为锚喷支护。石质条件较差时，可在喷层中增设网筋或型钢拱架，也可采用钢纤维喷射混凝土支护围岩。施工时常先施作薄层喷射混凝土封闭围岩，然后施作锚杆、挂网和分次逐步加厚喷层至设计厚度值。穿越石质条件极差的断层破碎带时，常需借助设置超前锚杆和注浆工艺预先加固地层。对大断面地下洞室，埋深较大、石质条件中等、成洞条件较差时还常施作预应力锚索改善围岩的受力变形状态，帮助围岩保持稳定。二次支护常为整体式现浇混凝土衬砌，或为喷射混凝土衬砌，必要时均借助设置钢筋增强截面。 复合支护的设计方法 （1）设计荷载的取值 I、II类围岩采用荷载结构法计算，其设计荷载可按地层压力的计算方法确定 V、VI类围岩采用地层结构法计算，二次衬砌不受力，III、IV类围岩采用地层结构法计算建议对类围岩为地层：二次衬砌=3：7，对类围岩为7：3。（2）复合支护结构截面设计 抗剪能力验算 可采用Druker-Prager准则或莫尔库伦准则作验算 抗压能力验算 抗拉能力验算 洞周径向张应变验算（3）截面强度校核 采用荷载结构模型，对最不利断面进行强度校核；采用地层结构模型不仅应包括对衬砌截面的校核，而且应包括对洞周围岩稳定性的校核。 地下结构的优化设计一、形状优化二、施工优化三、结构成本优化动态施工反馈设计：施工前预设计和反馈设计 不确定因素 ：地层介质特性参数的不确定性 岩土体分类的不确定性分析模型的不确定性载荷与抗力的不确定性 地下结构施工中的不确定因素 自然条件的不确定性 结构的功能要求1.安全性2.适用性3.耐久性 结构或结构构件的荷载效应和抗力Z=R-S，有效状态和失效状态两类。其分界，称为极限状态。承载能力极限，正常使用极限。可靠度分析划分 四个层次：（一）“半经验半概率法”建筑规范（岩土规范（二）“近似概率设计法”，中心点法、验算点法中心安全系数法和分项系数法 （三）“全概率法”蒙特卡罗法模拟法、多重降维解法。（四）“广义可靠性分析” 常用：中心点法 验算点法 JC法 结构体系的可靠度分析 蒙特卡罗法矩形闭合框架 具有空间利用率高，挖掘断面经济，且易于施工 计算 荷载荷载列表(一)顶板上 覆土压力、水压力、顶板自重、路面活荷载以及特载。(二)底板上的荷载 (三)侧墙上的荷载 土层侧向压力 侧向水压力 砂土1.0，粘土0.7。 计算简图 平面应变问题 一米长截条（二）截面选择 根据以往的经验或近似计算方法假定各个杆件的截面尺寸，计算后验算（三）计算方法 力矩分配法 弹性地基上的框架进行计算，文克尔地基 弹性半无限平面。抗浮验算 施工期抗浮 分阶段计算，考虑底板自重等，不计设备、覆土、上部结构自重。措施 降水、导滤层、外挑、覆土、抗拔桩等变形缝的构造方式主要分三类 :嵌缝式、贴附式、埋入式。附建式地下结构构的特点：节省设用地和投资；平战结合，人员和设备迅速转入地；增强上层建筑的抗地震能力；上层建筑对战时武器的防护作用；防空地下室的造价比单建式式防空地下室要低；结合基本建设同时施工，便于施工管理，使用过程中的维护。上层建筑遭到破坏时容易造成出入口的堵塞、引起火灾等次生灾害。附建式地下结构选型依据：上部地面建筑的类型；战时防护能力的要求；地质及水文地质条件；战时与平时使用的要求；建筑材料的供应情况；施工条件。附建式地下结构的构造：（一）建筑材料的最低强度度等级（二） 结构的最小厚度（三）最小保护层（四） 变形缝的设置（五）圈梁的设置（六）构件相接处的的锚固 顶板荷载：核爆炸冲击波动载；顶板自重；顶板以上的静荷载，不包括人重、建筑碎块重量，用单双向板。侧墙荷载：战时荷载转变为等效静载，大量性地下室底板的荷载组合（1）底板核爆炸动载，常化为等效效静载；（2）上部建筑自重的一半（3）顶板传来的静载，包括顶板板 自重、覆土重、战时不拆迁的固定设备。（4）墙重。底板自重不应计入。 沉井的类型：1隧道连续沉井 长度 高度 刚度 2平战结合用的人防工事沉井沉井的构造：井壁(侧壁)；刃脚；内隔墙；封底和顶盖板，底梁和框架。井壁厚度主要决定于沉井大小、下沉深度以及土壤的力学性质。纵断面形状有上下等厚的直墙形、阶梯形。内隔墙作用：增加沉井刚度并减小井壁跨径。同时又把整个沉井分区(取土井)，使挖土和下沉可以较均衡地进行，也便于沉井偏斜时的纠偏。底梁的设置还可防止沉井“突沉”和“超沉”，便于纠偏和分格封底沉井结构设计的主要环节：(一) 沉井建筑平面布置；(二) 沉井主要尺寸的确定和下沉系数的验算。1工程类比，初定几个主要尺寸，如平面尺寸、高度、井孔尺寸及井壁厚度等，并估算下沉系数，以控制沉速；2估算沉井的抗浮系数，以控制底板的厚度等。(三) 施工阶段强度计算1井壁板的内力计算；2刃脚的挠曲计算；3底横梁、顶横梁的内力计算，4其它。(四) 使用阶段的强度计算(包括承受动裁)1按封闭框架或圆池结构来计算井壁并配筋；2顶板及底板的内力计算及配筋。沉井抽承垫木计算两点“定位垫木”三支点；抽承垫木的顺序多数是：先抽四角，再抽跨中，并不断扩大抽拆范围，最后抽除定位垫木。水下封底混凝土的厚度，应根据抗浮和强度两个条件确定压气沉箱结构主要采用圆形、长方形等截面形式。一般由侧壁、隔墙、顶板、刃脚、吊桁、工作室顶板、内部充填混凝土、胸墙和止水壁等构成。地下连续墙优点 1.可减少对环境的影响。振动少，噪声低；对沉降及变位较易控制；2墙体刚度大、整体性好，结构和地基变形都较小，可用于超深围护结构，主体结构；3地为整体连续结构，钢筋保护层较大，故耐久性好，抗渗性能亦较好；4.可实行逆作法施工，有利于施工安全，并加快施工进度，降低造价。5、适用于多种地质情况。地下连续墙缺点1.弃土及废泥浆的处理问题。2.地质条件和施工的适应性问题。地层条件复杂时，还会增加施工难度和影响工程造价；3.槽壁坍塌问题。4、墙面通常较粗糙， 5、不可重复使用，不经济。（三）地下连续墙适用条件 经济合理，因地制宜时，才可采用。1.基坑深度大于10m；2.软土地基或砂土地基；3.对周围地面沉降，建筑物的沉降要求需严格限制时，宜用地下连续墙；4.围护结构与主体结构相结合，用作主体结构的一部分，且对抗渗有较严格要求时，宜用地下连续墙；5.采用逆作法施工，内衬与护壁形成复合结构的工程。地下连续墙的设计内容：槽壁稳定及槽幅设计、槽段划分、导墙设计、连续墙内力计算及配筋设计，连续接头设计等内容。计算内容：1、确定荷载，包括土压力、水压力等。2、确定地下连续墙的入土深度。3、槽壁稳定验算根据已选定的地下连续墙入土深度，假定槽段长度，即可进行槽壁稳定的验算。4、地下连续墙静力计算5、配筋计算，构件强度验算，裂缝开展验算，垂直接头计算槽幅设计的内容包括槽壁长度的确定及槽段划分，稳定判别：梅耶霍夫经验公式法非粘性土的经验公式， 连续墙深度的确定 连由入土深度决定。入土比由基坑围护结构的稳定性验算方法确定，一般取为0.71.0；可先由以下两种古典的稳定判别方法直接计算得到一个初值, 然后通过稳定性验算最终确定合理的入土比。结构计算（一）弹性法（2）同济大学曾将上法局部修改。基本假定是：1)墙体作无限长的弹性体2)已知水、土压力，并假定为三角形分布；3)开挖面以下作用在墙体上的土抗力，假定与墙体的变位成正比例；4)横撑(楼扳)设置后，即把横撑支点作为不动支点；5)下道横撑设置以后，认为上道横撑的轴向压力值保持不变，其上部的墙体也保持以前的变位。（三）共同变形理论简介（四）有限单元法接头：施工接头和结构接头。施工接头应满足受力和防渗的要求，并要求施工简便、质量可靠，直接连接构成接头，接头管，接头箱，隔板，预制构件。结构接头：直连接成通过焊接钢筋接驳器连接接头，植筋法接头导墙：指地下墙开槽施工前，沿墙轴线方向全长周边设置的导向槽。深度以墙脚进入原状土不小于300mm为宜，顶面高出地面100200mm，防止周围的散水流入槽段内。宽度要求大于地下墙的设计宽度50mm。盾构隧道横断面一般有圆形、矩形、半圆型、马蹄形、椭圆形等多种型式，最常用的为圆型与矩型。内部使用限界：车辆限界建筑限界圆型隧道断面的优点 可等同地承受各方向外部压力。饱和含水软土地层更显示出圆形隧道断面的优越性；施工中易于盾构推进；便于管片的制作、拼装；盾构即使发生转动，对断面的利用也毫无妨碍。衬砌的分类：材料形式：钢筋混凝土管片 1)箱形管片 2)平板形管片2铸铁管片3钢管片 4复合管片 按结构型式分类：箱形管片、平板形管片（砌块）；按形成方式分类：装配式衬砌和挤压混凝土衬砌。按构造型式分类：单层及双层衬砌。双层衬砌问题：出土量；施工期限长，建设成本的增加。解决单层衬砌的防水、使用效果，取代双层。荷载结构法：三要素（荷载模式，结构模型，结构与地层共同作用） 1：浅埋与深埋、水土合算和分算2:饱和含水地层中，匀质(等刚度)圆环计算方法。3全周模式和局部模式荷载的确定(一)基本使用阶段(环宽按1m考虑)深埋地层竖向土压：泰沙基公式以及苏联的普罗托季雅柯诺夫公式。侧向主动士压大都按朗金公式 计算。含水砂土层采用水土分算原则，含水粘土层中则采用水土合算原则。侧压系数0.30.8之间。(二)施工阶段1管片拼装： 2盾构推进： 3衬砌背后压注： 4衬砌环刚出盾尾。还常采用一个笼统的附加安全系数，以保证衬砌结构的一定安全度。(三)特殊荷载阶段 可合理选择结构的附加安全系数和适当提高建筑材料的物理力学性能指标。荷载结构法模型： 自由变形均质模型，日本修正的惯用法: 等效刚度模型，侧向弹性抗力均质模型，多铰圆环结构模型，直(曲)梁接头连续模型（梁弹簧模型）衬砌断面设计：抗裂及裂缝限制的计算。衬砌断面强度计算。衬砌圆环的直径变形计算。纵向接缝计算。环缝的近似计算衬砌本身的抗渗能力要求：抗渗指标。合适配合比，最小混凝土厚度和钢筋保护层，管片生产工艺，质量检验制度，管片在堆放、运输和拼装过程中的损坏率。沉管隧道的特点： 1隧道的施工质量容易控制。2建筑单价和工程总价均较低。3隧位现场的施工期短。4操作条件好。5对地质条件的适应性强6适用水深范围几乎是无限制的7断面形状选择的自由度较大8水流较急时，沉设困难，须用作业台施工。9施工时须与航道部门密切配合，沉管隧道内容主要有：总体几何设计；结构设计；通风设计；照明设计；内装设计；给排水设计；供电设计；运行管理设施设计等。沉管结构的荷载： 结构自重；水压力；土压力；浮力；施工荷载；预应力；波浪和水流压力；沉降摩擦力；车辆活载；沉船荷载；地基反力；混凝土收缩影响；变温影响；不均匀沉陷影响；地震荷载等。荷载组合，一般考虑以下三种：A基本荷载；B 基本荷载+附加荷载；C 基本荷载+偶然荷载。沉管结构的浮力设计：干舷；抗浮安全系数；沉管结构的外轮廓尺寸变形缝的构造三个主要要求： （1） 能适应一定幅度的线变形与角变形；（2） 施工阶段能传递湾矩，使用阶段能传递剪力；（3）变形前后均能防水。基础处理1垫平 先铺法和后填法2以砂置换软弱土层；打砂桩并加荷预压；减轻沉管重量；采用桩基。水下混凝土传力法 ；砂浆囊袋传力法 ；活动桩顶法 接头要求：水密性；抵抗各种荷载作用和变形的能力；各构件功能明确，造价适度；施工性好 常用接头有GINA止水带、OMEGA止水带以及水平剪切键、竖直剪切键、波形连接件、端钢壳及相应的连接件，其中GINA带和OMEGA带起防水作用，渗漏水的原因：单层直中墙的结构，二次衬砌在中墙顶处施工缝更加明显；隧道中墙顶内容易出现蜂窝在中墙顶处防水板不能起到其应有的作用；中墙顶成V字型，所以中墙顶处容易汇集地下基岩裂隙水整体式中墙连拱隧道 缺点：一、空洞回填不及时及不密实，影响施工安全和进度以及营运安全；二、中墙凹部排防水系统施工难度大，质量难以控制，造成隧道中墙渗漏水，影响结构耐久性和营运安全。三、行车单洞两侧不对称，结构不美观。三层中墙的连拱隧道 优点：防排水设计更加完善；降低了对中间墙的施工精度和施工平整度的要求；中墙顶回填密实度更易保证；解决了隧道在建设过程中由于中墙位移所引起的结构开裂等病害问缺点：三层中墙的总厚度一般要大于单层直中墙的结构型式；抗弯刚度小，承载力若连拱隧道一般规定：连拱隧道施工都应遵循左、右主洞前后错开开挖。对V级围岩，施工过程中应做到“管注浆超前、弱爆破，短进尺，少扰动，早喷锚，勤量测，早成环、二次衬砌紧跟”，III级围岩段应采用“短进尺，弱爆破，少扰动，早喷锚，勤量测，紧封闭，早成环、快衬砌”等技术措施。开挖方法：1、三导洞施工法 2、中导洞施工法3、单洞施工法 4、双洞全断面平行施工法地下建筑结构属专业限定选修课，是从事地下建筑工程设计与施工的专业课程。通过本课程的学习，使学生掌握或了解地下建筑结构设计的基本原理和设计计算方法，能够根据地下结构所处的不同介质环境、使用功能和施工方法设计出安全、经济和合理的结构。 课程基本要求通过学习，学生在掌握地下建筑结构理论和应用知识方面应该达到如下要求：（其中基础理论部分为必须达到；工程应用部分因工程类型繁多，可根据实际需要按课内学时分配表选用）地下建筑结构为地下结构自创立的几十年来的主干课程，具有标志性的教材是1979年同济大学和其他全国兄弟院校合编的岩石地下建筑结构和土层地下建筑结构，该教材一直延续使用至今，目前由朱合华教授主编和张子新教授副主编的地下建筑结构新教材今年面世。随着经济的飞速发展，土木工程迎来了难得的发展机遇。其中地下空间的开发也进入了一个新的高潮。例如公路隧道工程、地铁建设、高楼基础、大型桥梁基础等。这些把地下工程的发展推向了一个更高、更新的舞台。作为支撑地下工程设计和施工主干课程的地下建筑结构的课程建设明显不能适应本学科发展的需要，已制约了地下结构学科方向的纵深发展。地下建筑结构课程是国家级重点学科本科教育的主干课程，长期以来，一直是使用早期教材，其中相当一部分教材内容陈旧，亟待更新，不能满足现在地下工程的发展需求，且与国外著名大学教材差距较大。随着中国加入世贸组织，中国的建筑业与外界的交流日趋增多，并逐步与国际接轨。现在跨国公司在华尤其是上海投资不断增加，对于国际型人才的需求也不断增加，客观上推动了中国高校的教育改革。作为国家级重点学科的地下建筑结构课程率先进行了创新教学实践，以确保国家级重点学科的领先地位，目前该课程的优质课程正在建设中。作为中国地下工程学科的领头羊，目前在该课程的建设上已落后于兄弟院校，我们有责任、有必要迎头赶上，重塑形象。做好该课程的建设既可满足目前本科教学的急需，又可满足其他兄弟院校和工程单位的需求。在优质课程的基础上，力争创新建成精品课程，作为地下结构方向的名牌课程 该课程的历史沿革经历了岩石地下建筑结构和土层地下建筑结构的授课多年平行进行的状况，进入21世纪后土木工程专业改革，将两门课合并为一门“地下建筑结构”，近年地下建筑结构由于地下空间开发的发展，也提出了许多新的课题。因此，地下建筑结构精品课程的建设正逢大好时机，课程建设将采用多媒体等综合手段，首先发挥“多”媒体的特长，利用文字、图形、图象、视频、动画、音乐和语音等多种信息充分刺激学生的各个感觉器官，使教学内容真实化、趣味化和多样化，有利于加深学生对内容的理解与掌握，充分调动学生的学习兴趣，达到最佳的学习效果。其次，教师与学生的关系发生变化，教师不再是知识的灌输者而成为学生学习的指导者和学习成果的评估者，将有更多的精力致力于教学方法和教学软件的研究与开发，而学生则可自控学习，成为学习的主导者，学习效果将更好。可见在地下工程设计、施工的教学中，多媒体与网络的结合，必将使传统的教学方式得到全新的发展，也必将使地下建筑结构这一骨干课程成为真正的精品课程。一、绪论1、地下建筑结构:埋置于地层内部的结构。2、地下建筑结构的作用：1）承重：承受岩土压力、结构自重以及其他荷载的作用。2）围护：防止岩土体风化、坍塌、防水、防潮等。3、地下建筑结构的设计原则：安全适用、技术先进、经济合理。4、地下建筑结构的设计两阶段：初步设计、技术设计（包括施工图）。5、初步设计：在满足使用要求下，解决设计方案技术上的可行性与经济上的合理性，并提出投资、材料、施工等指标。6、技术设计：解决结构的承载力、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。7、地下建筑结构的形式主要由使用功能、地质条件和施工技术等因素确定。8、确定地下建筑结构形式的因素：1）控制因素受力条件：在一定地质条件下的围岩压力、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形式。2）制约因素使用要求：地下建筑物必须考虑使用要求。3）重要因素施工方案：在地质条件和使用条件相同情况下，施工方法不同其采取的结构形式也不同。1. 地下建筑结构：在地下开挖出的空间中修建的建筑物。2.衬砌：与土层接触的永久性支护结构，起承重、维护作用。3.地下建筑结构的初步设计内容：（1）工程等级和要求，以及静、动载标准的确定；（2）确定埋置深度与施工方法；（3）初步设计荷载值；（4）选择建筑材料；（5）选定结构形式和布置；（6）估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度主要尺寸；（7）绘制初步设计结构图；（8）估算工程材料数量及财务概算。技术设计内容：（1）计算荷载：求出作用在结构上的各种荷载值；（2）计算简图：拟定出恰当的计算图式；（3）内力分析：得出控制截面的内力；（4）内力组合：求出各控制截面的最大设计内力值；（5）配筋设计：得出受力钢筋，确定分布钢筋与架立钢筋；（6）绘制结构施工详图：结构平面图，结构构件配筋图，节点详图，内部设备的预埋件图；（7）材料，工程数量和工程财务预算。2、衬砌结构的荷载1、围岩压力：是指位于地下结构周围岩土体发生变形或破坏，作用在衬砌结构或支撑结构上的压力。是作用在地下结构的主要荷载。2、围岩压力的影响因素 围岩的结构；围岩的强度；地下水的作用；洞室的尺寸与形状；支护的类型和刚度；施工方法；洞室的埋置深度；支护时间；其他因素3、地下结构与地面结构区别：（1）地下结构存在地层弹性抗力，其变形受到地层的约束；而地面结构的变形不受介质约束；（2）地下结构存在地层弹性抗力，结构的受力条件得以改善，其承载力有所增加。4、初始地应力由自重应力和构造应力两部分组成。5、局部变形理论：弹性地基某点上施加的外力只会引起该点的沉陷，E.Winkler假设: =k式中：岩土体的弹性抗力强度，kPa； k岩土体的弹性抗力系数，kN/m3； 岩土体计算点的位移值，m。6、共同变形理论：弹性地基上的一点外力，不仅引起该点发生沉陷，而且还会引起附近一定范围的地基沉陷。7、当地下结构产生压向地层的变形，由于结构与岩土体紧密接触，则岩土体将制止结构的变形，从而产生了对结构的反作用力，即弹性抗力。第2章 地下结构的荷载1.主动土压力：当挡土结构在土压力作用下，背后填土处于挤压平衡状态，则作用在结构上的侧向土压力称为静止土压力，并用Pa表示。2.被冻土压力：当挡土结构在土压力作用下，结构发生背离填土的变形和任何位移（移动和转动）时，则作用在结构上的侧向土压力称为静止土压力，并用Pp表示。3.静止土压力：当挡土结构在土压力作用下，结构不发生变形和任何位移（移动和转动）时，背后填土处于弹性平衡状态，则作用在结构上的侧向土压力称为静止土压力，并用P0表示。4.围岩压力：位于地下结构周围变形或破坏的岩层，作用在衬砌结构或支撑结构上的压力。5.普氏压力拱理论：6.地层弹性抗力：结构变形使土体被动受力时，土对结构的产生的反作用力。决定于结构的变形和地层的物理力学性质。7.水土压力计算方法：郎肯土压力计算公式考虑地下水时水土压力计算方法、计算图式10.土层弹性抗力的计算理论：局部变形理论要点：假设土体表面任一点的压力强度与该点的沉降成正比。共同变形理论要点：假设地基为均质、连续、各向同性的半无限空间弹性体3、弹性地基中结构物的计算1、弹性地基梁：是指搁置在具有一定弹性地基上，各点与地基紧密相贴的梁。2、弹性地基梁与普通梁的两大区别：（1）超静定次数是无限还是有限 普通梁只在有限个支座处与基础相连，梁所受的支座反力是有限个未知力，因此，普通梁是静定的或有限次超静定的结构。 弹性地基梁与地基连续接触，梁所受的反力是连续分布的，具有无穷多个支点和无穷多个未知反力，因此，弹性地基梁是无穷多次超静定结构。（2）地基的变形是考虑还是略去 普通梁的支座通常看作刚性支座，即略去地基的变形，只考虑梁的变形。 弹性地基梁则必须同时考虑地基的变形；梁与地基是共同变形的；一方面梁给地基以压力，使地基沉陷，反过来，地基给梁以相反的压力，限制梁的位移。3、温克尔对地基提出了如下假设：地基表面任一点的沉降与该点单位面积上所受的压力成正比。4、半无限体弹性地基模型假设：地基为一均质、连续、弹性的半无限体。5、半无限体弹性地基模型 优点：反映了地基的连续整体性；从几何上、物理上对地基进行了简化，因而可以把弹性力学中有关半无限弹性体的经典问答已知结论作为计算的基础。缺点：弹性假设没有反映土体的非弹性性质；均质假设没有反映土体的不均匀性；半无限体假设有反映地基的分层特点；本模型在数学处理上比较复杂，因而在应用上也受到一定的限制。6、短梁（有限长梁）：当弹性地基梁的换算长度12.75时，属短梁。长梁：可分为无限长梁、半无限长梁。当换算长度2.75时，属于长梁；若荷载作用点距梁端的换算长度均不小于2.75时，可忽略该荷载对梁端的影响，为无限长梁；若荷载作用点仅距梁一端的换算长度不小于2.75时，可忽略该荷载对这一端的影响，而对另一端的影响不能忽略，为半无限长梁，无限长梁可化为两个半无限长梁。刚性梁：当换算长度1时，属于刚性梁。 7、在弹性地基梁的计算理论中，除局部弹性地基模型假设外，还需作如下三个假设：地基梁在外荷载作用下产生变形的过程中，梁底面与地基表面始终紧密相贴，即地基的沉陷或隆起与梁的挠度处处相等；由于梁与地基间的摩擦力对计算结果影响不大，可以略去不计，因而，地基反力处处与接触面相垂直；地基梁的高跨比较小，符合平截面假设，因而可直接应用材料力学中有关梁的变形及内力计算结论。第3章 地下结构的计算方法1. 国内地下结构设计方法类型及基本原理（1）工程类比法（严格说并非计算方法） （2）荷载结构法：先给出地层对结构的荷载（土、水压力），再按结构力学方法计算，如主动荷载、主动荷载+弹性抗力。（3）地层结构法：将地层与结构视为一整体来进行分析，考虑地层-结构的共同作用。（4）收敛限制法：认为地层有一定的自承能力，支护的目的是将地层加强，二者共同作用； 监测反馈、适时支护第4章 浅埋结构1.浅埋式结构：其上覆盖土层较薄，不满足压力拱成拱条件。4. 浅埋结构变形缝构造方式，以及各种构造方式的优缺点（1）嵌缝式：优点是造价低，施工易。但在有压水中防水效能不良，仅适于地下水较少的地区，或防水要求不高的工程。（2）贴附式（可卸式变形缝）：其优点是橡胶平板年久老化后可以拆换，缺点是不易使橡胶平板和钢板密贴。（3）埋入式：优点是防水效果可靠，但橡胶老化问题需待改进，这种方法在大型工程中普遍采用。6、浅埋结构1、埋设在土层中的建筑物，按其埋置深浅可分为深埋式结构和浅埋式结构两大类。2、浅埋式结构：是指其覆盖土层较薄，不能满足压力拱成拱条件H土（22.5）h1，h1为压力拱高或软土地层中覆盖层厚度小于结构尺寸的地下结构。3、浅埋式结构形式可分为以下三种：（1）直墙拱形结构；（2）矩形框架结构；（3）梁板式结构。4、变形缝分为两种：一种是防止由于温度变化或混凝土收缩而引起结构破坏所设置的缝，称为伸缩缝；另一种是防止由于不同的结构类型（或结构相邻部分具有不同荷载）或不同地基承载力而引起结构不均匀沉陷所设置的缝，称为沉降缝。第5章 附建式结构1.附建式结构：根据一定的防护要求修筑于坚固的建筑物下的地下室，又称防空地下室，与独立修建的地下人防工事相对应。2.附建式结构（与单建式结构相比）的优点：（1）节省建设用地；（2）便于平战结合；（3）人员和设备容易在战时迅速转入地下；（4）增强上层建筑的抗地震能力，在地震时防空地下室可作为避震室；（5）上层建筑对战时核爆炸冲击波、光辐射、早期核辐射以及炮（炸）弹有一定的防护作用；（6）防空地下室的造价比单建式的要低；（7）便于施工管理，采用新技术，保证工程质量，同时也便于维护。3.附建式结构的设计要点：（1）按平时和战时两种条件作为设计依据；（2）允许结构出现塑性变形，按弹塑性理论设计；（3）只进行结构的强度验算；（4）不必单独进行地基变形验算；（4）贯彻平战结合的原则，尽量为平时使用创造条件。6.通风采光洞设计的一般原则：（1）仅大量性防空地下室才开设通风采光洞。等级稍高的防空地下室不宜开设通风采光洞， （2）防空地下室外墙开设的洞口宽度，不应大于地下室开间尺寸的1/3，且不应大于1.0m。 （3）临战前必须用粘性土将通风采光井填土。因为粘性土密实可靠，能满足防早期核辐射的要求 。（4）在通风采光洞上，应设防护挡板一道。 （5）洞口的周边，应采用钢筋混凝土柱和梁予以加强。（6）开设通风采光洞侧墙，洞口上缘的圈梁按过梁进行验算。 7、附建式地下结构1、结合基本建设修建防空地下室与修建单建式工事相比，有以下优越性：1）节省建设用地和投资；2）便于平战结合，人员和设备容易在战时迅速转入地下；3）增强上层建筑的抗地震能力；4）上部建筑对战时核爆炸冲击波、光辐射、早期核辐射以及炮（炸）弹有一定的防护作用；附建式防空地下室的造价比单建式防空地下室低；5）结合基本建设同时施工、便于施工管理，同时也便于使用过程中的维护。2、如遇到下列的情况，则更应优先考虑修建防空地下室：1）低洼地带需要进行大量填土的建筑；2）需要做深基础的建筑；3）新建的高层建筑；4）人口密集、空地缺少的平原地区建筑。3、附建式地下室结构选形的主要依据：（1）上部地面建筑的类型；（2）战时防护能力的要求；（3）工程地质与水文地质条件；（4）战时与平时使用的要求；（5）建筑材料的供应情况；（6）施工条件。4、我国防空地下室所选用的结构形式主要有以下几种：（1）梁板结构（2）板柱结构（3）箱形结构（4）其他结构，如钢筋混凝土壳体结构、单跨或跨结构、折板结构。5、附建式地下结构必须恰当的处理战时防护要求与平时利用的矛盾，在不过多增加工程造价的情况下，尽量为平时利用创必要的条件。其主矛盾如下：1） 平时要求在外墙上开设通风采光洞，战时又要限制开洞的面积，并且还要采取加强、密封等措施；2）平时允许防空地下室顶板底面高出室外地面，战时又限制高出的高度，并且在临战前要进行覆土；3）平时要求没有内墙的大房间，可采用板柱结构，战时承受较大荷载，对柱距加以限制；4）平时内墙可不砌筑，而在临战前再行衬砌。第6章 沉井结构1.沉井结构：沉井是一个上无盖下无底的井筒状结构物，利用其结构自重作用而下沉入土，即将地面构筑的“半成品”沉入土中，在沉井的保护下完成结构物施工的结构。2.沉井结构的特点：（1）优点埋置深度大，整体性强、稳定性好，能承受较大荷载；下沉过程中无需设置坑壁支撑或板桩围壁，简化了施工；沉井施工时对邻近建筑物影响较小。（2）缺点施工期较长；施工技术要求高；施工中易发生流砂造成沉井倾斜或下沉困难等。3.沉井结构的组成和功能：（1）井壁，应有足够的厚度和强度，承受在下沉过程中的各种最不利荷载组合（水土压力）所产生的内力，使沉井能在自重作用下顺利下沉到设计标高。（2）刃脚，减小下沉阻力，具有的强度使沉井下沉过程中免遭损坏。（3）内隔墙，增加沉井在下沉过程中的刚度并减少井壁跨径，将井壁分隔成称多个施工井孔（土井），是挖土和下沉可以较均衡地进行，也便于沉井偏斜时的纠偏。（4）封底及顶盖，当沉井下沉到设计标高，经过技术检验并对坑底清理后，即可封底，以防止地下水渗入井内。（5）底梁和框架在比较大型的沉井中，由于使用要求，不能设置内隔墙，则可在沉井底部增设底梁，并构成框架以增加沉井在施工下沉阶段和使用阶段的整体刚度。沉井高度较大，常于井壁不同高度设置若干道由纵横大梁组成的水平框架，减少井壁（于顶、底板之间）的跨度，使整个沉井结构布置合理、经济。在松软地层中沉井，底梁的设置还可以防止沉井“突沉”和“超沉”，便于纠偏和分格封底，以争取采用干封底。纵横底梁不宜过多，以免增加结构造价，施工费时，甚至增大阻力，影响下沉。4.沉井结构设计的主要环节：（1）沉井建筑平面布置的确定；（2）沉井主要尺寸的确定和下沉系数的验算。参考已建类似的沉井结构，初定沉井的几个主要尺寸，估算下沉系数，以控制沉速；估算沉井的抗浮系数，以控制底板的厚度等。. （3）施工阶段强度计算井壁板的内力计算；刃脚的挠曲计算；底横梁、顶横梁的内力计算；（4）使用阶段的强度计算（包括承受动载）按封闭框架（水平方向的或垂直方向的）或圆池结构来计算井壁并配筋；顶板及底板的内力计算及配筋。地基强度和变形验算。6.旱地沉井施工的主要工序：（1）制作第一节沉井（2）挖土下沉：抽垫、挖土（3）接高沉井（4）筑井顶围堰（5）地基检验和处理（6）封底第7章 地下连续墙1.地下连续墙：利用挖槽机械，借助于泥浆的护壁作用，在地下挖出窄而深的沟槽，并在其内浇注混凝土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，称为地下连续墙。2.槽幅是指地下连续墙一次开挖成槽的槽壁长度。3.地下连续墙的优缺点和适用条件：（1）优点施工时对环境影响小。没有噪音，无振动，不必放坡，可紧邻相近的建筑和地下设施施工； 墙体刚度大，整体性好，结构和地基变形都较小，即可用于超深围护结构，也可用作主体结构； 连续墙为整体连续结构，耐久性和抗渗性好； 可实行逆作法施工，有利于施工安全，加快施工进度；适用于多种地质条件。（2）缺点 弃土和废泥浆处理。除增加工程费用外，若处理不当，还会造成新的环境污染。 地质条件和施工的适应性问题。 槽壁坍塌问题。现浇地下连续墙的墙面通常较粗糙，如果对墙面要求较高，虽可使用喷浆或喷砂等方法进行表面处理或另作衬壁来改善，但增加工作量； 地下连续墙如用作施工期间的临时挡土结构，不如采用钢板桩尚可拔出重复使用来得经济。5.地下连续墙设计计算的主要内容：(1)确定在施工过程和使用阶段各工况的荷载，即作用于连续墙的土压力、水压力以及上部传来的垂直荷载。 (2)确定地下连续墙所需的入土深度，以满足抗管涌、抗隆起，防基坑整体失稳破坏以及满足地基承载力的需要。(3)验算开挖槽段的槽壁稳定，必要时重新调整槽段长、宽、深度的尺寸。(4)地下连续墙结构体系(包括墙体和支撑)的内力分析和变形验算。(5)地下连续墙结构的截面设计，包括墙体和支撑的配筋设计、截面强度验算、接头的联结强度验算和构造处理。6.地下连续墙的计算理论及假设条件：（1）较古典的计算方法。假设条件：土压力已知，不考虑墙体和支撑变形。方法：假想梁法、1/2分割法、泰沙基法（2）横撑轴向力、墙体弯矩不变。假设条件：土压力已知，考虑墙体变形，不考虑支撑变形。方法：山肩帮男法（3）横撑轴向力、墙体弯矩可变。假设条件：土压力已知，考虑墙体、支撑变形。方法：日本弹塑性法、有限元法（4）共同变形理论。假设条件：土压力随墙体变位而变化，考虑墙体、支撑变形。方法：森重龙马法、有限元法7.山肩帮男法精确解的基本假定和计算图式：基本假定：（1）在粘土地层中，墙体作为无限长的弹性体；（2）墙背土压力在开挖面以上取为三角形，在开挖面以下取为矩形；（3）开挖面以下土的横向抵抗反力分为两个区域；达到被动土压力的塑性区，高度为l，以及反力与墙体变形成直线关系的弹性区；（4）横撑设置后，即作为不动支点；（5）下道横撑设置后，认为上道横撑的轴向压力值保持不变，而且下道横撑点以上的墙体仍然保持原来的位置。8. 同济大学弹性法基本假定和计算图式：基本假定：（1）墙体做无限长的弹性体；（2）已知水、土压力，并假定为三角形；（3）开挖面以下作用在墙体上的土抗力，假定与墙体的变形成正比例；（4）横撑（楼板）设置后，即把横撑支点作为不动支点；（5）下道横撑设置后，认为上道横撑的轴向压力值保持不变，其上部的墙体也保持也保持以前的变位。第8章 盾构法隧道结构1.盾构法是在盾构保护下修筑软土隧道的一类施工方法。这类方法的特点是地层掘进、出土运输、衬砌拼装、接缝防水和盾尾间隙注浆充填等作业都在盾构保护下进行，并需随时排除地下水和控制地面沉降，因而是工艺技术要求高、综合性强的一类施工方法。2.装配式衬砌的特点：直接承受荷载；工厂生产，质量易保证，安装方便；接缝防水需采取措施。挤压混凝土衬砌的特点：自动化程度高，施工速度快；整体式衬砌结构，满足受力和防水要求；适用于多种地层，但对渗透性的的砂砾层中要达到防水要求困难。3.衬砌基本荷载计算公式基本使用阶段（衬砌环宽按1m考虑） .自重竖向土压拱背土压地面超载：当隧道埋深较浅时必须考虑地面荷载的影响，一般取20kN/m2侧向均匀主动土压侧向三角形主动土压侧向土壤抗力水压 : 按静水压考虑拱底反力4.施工阶段的荷载对衬砌结构的影响：（1）管片拼装：纵向接缝拧紧螺栓，使管片局部出现较大的集中应力，导致管片开裂和存在着局部内应力。（2）盾构推进：当盾构千斤顶施加在环缝面上，特别是千斤顶顶力存在偏心状态情况下，极易使管片开裂和顶碎。（3）衬砌背后压注：过高的注浆压力常引起圆环变形和出现局部的集中应力，封顶楔形块管片也会向内滑移，必须对注浆压力进行一定的控制。（4）衬砌环刚出盾尾的初期：衬砌顶部土压即迅速作用到衬砌上，而侧压却因某种原因未能及时作用，这时衬砌可能处于比基本使用阶段更为不利的工作条件。 （5）其它荷载：管片拼装荷载、车厢静载、管片调整形状时千斤顶推力、切割挖掘机的扭转力。 5.衬砌的计算模型及其假设：（1）均质衬砌圆环：饱和含水地层，错缝拼接等刚度均质圆环：按自由变形的匀质（等刚度）圆环计算，而接缝上的刚度不足采用衬砌环的错缝拼装予以弥补。平均等刚度圆环：接头刚度的降低等效为圆环刚度的降低。圆环的刚度为EI。（2）多铰圆环：经济，但需周围地层好，能提供足够的抗力。接头铰接，属超静定结构，依靠地层提供的附加约束和因变形受到地层抗力，处于稳定状态，适用地层条件较好的情况。（3）梁-弹簧模型:可准确分析管片和接头的内力和变形。管片为梁（直梁或曲梁），管片接头为旋转弹簧，环间接头为剪切弹簧，两环视为一单元，采用有限元法计算截面内力，该模型可计算管片接头的刚度降低和错缝效应。6.考虑土层抗力的日本惯用法计算图式和土抗力表7.了解日本修正惯用法的计算要点：刚度有效系数弯矩调整系数8.山本法的计算原理：按多铰圆环计算圆环内力。基本假定：(1)适用于圆形结构(2)衬砌环在转动时，管片或砌块视作刚体处理。(3)衬砌环外围土抗力按均变形式分布，土抗力的计算要满足衬砌环稳定性的要求，土抗力作用方向全部朝向圆心。(4)计算中不计及圆环与土壤介质间的摩擦力，这对于满足结构稳定性是偏于安全的。(5)土抗力和变位间关系按文克勒公式计算。9.盾构法隧道防水的综合处理措施：(1)衬砌的抗渗要求1) 合理提出衬砌本身的抗渗指标2) 经过抗渗试验的混凝土的合适配合比；严格控制水灰比，一般不大于0.4，另加塑化剂以增加混凝土的和易性。3) 衬砌构件的最小混凝土厚度和钢筋保护层。4) 管片生产工艺：振捣方式和养护条件的选择。5) 严格的产品质量检验制度。6) 减少管片在堆放、运输和拼装过程中的损坏率。(2)管片制作精度要求 管片尺寸偏差和水平拼装偏差满足地下铁道工程施工及验收规范（GB50-2003）要求。(3)接缝防水的基本技术要求1）防水密封材料的要求a) 保持永久的弹性状态和具有足够的承压能力，使之适应隧道长期处于“蠕动”状态而产生的接缝张开和错动。b) 具有令人满意的弹性期龄和工作效能。c) 与混凝土构件具有一定的粘结力。d) 能适应地下水的侵蚀。2）环缝密封垫 需要有足够的承压能力和弹性复原力，能承受和均布盾构千斤顶顶力，防止管片顶碎。并在千斤顶顶力往复作用下，密封垫仍保持良好的弹性变形性能。3）纵缝密封垫具有比环缝密封垫相对较低的承压能力，能对管片的纵缝初始缝隙进行填平衬齐，并对局部的集中应力具有一定的缓冲和抑制作用。(4)二次衬砌在目前隧道接缝防水尚未能完全满足要求情况下，在地铁区间隧道内较多的是用双层衬砌。在外层装配式衬砌已趋基本稳定的情况下，进行二次内衬浇捣，在内衬混凝土浇筑前应对隧道内侧的渗漏点进行修衬堵漏，污泥以高压水部浇、清理。 双层衬砌的做法不一，有在外层衬砌结构内直接浇捣两次内衬混凝土的，也有在外层衬砌的内侧面先喷注20mm厚的找平层，再铺设油毡或合成橡胶类的防水层，在