地下工程课件内容

1、地下工程课件内容中国矿业大学第一章 绪论一、地下工程学科的性质和任务1、地下工程的含义地下工程：地下工程是建造在地层环境中（岩体或土体）的工程结构物；有广义和狭义地下工程。二、地下空间开发利用的历史1、地下空间的含义地下空间：在岩层或土层中天然形成或经人工开发形成的空间称为地下空间。2、地下空间开发利用的历史与人类的文明史相呼应，可分4个时代： 第1时代：从出现人类至公元前3000年的远古时期 第二时代:从公元前3,000年至5世纪的古代时期。埃及金字塔、古代巴比伦引水隧道，均为此时代的建筑典范。我国秦汉时期的陵墓和地下粮仓，已具有相当技术水准和规模。 第三时代从5世纪至14世纪的中世纪时代。

2、世界范围矿石开采技术出现，推进了地下工程的发展。 第四时代从15世纪开始的近代与现代。欧美产业革命，诺贝尔发明黄色炸药，成为开发地下空间的有力武器。日本明治时代，隧道及铁路技术开始引进并得到发展。50多年来，隧道及地下工程在中国得到了很大的发展，共建成：铁路隧道6876座，总长度3670km，居世界第一；公路隧道（包括水底隧道）1972座，总长度835km，是世界上公路隧道最多的国家；各类水工隧洞近1000座；城市地下铁道近300km；以及一大批其它用途的地下工业与民用建筑。三、地下工程分类1、按地下工程的功能分类工业、交通、民用、仓储、市政、军事地下工程等2、按地下工程的存在环境分类岩石地下

3、工程、土体地下工程3、按地下工程的建造方式分类按施工大类分为明挖、暗挖地下工程4、按埋置的深度分类浅埋、深埋地下工程第二章 地下空间资源及开发利用价值第一节 地下空间资源一、基本含义地下空间是一种总量有限的自然资源地下空间资源：包括三个方面的含义：1）天然存在的资源蕴藏总量；2）一定技术条件下可供合理开发的资源总量；3）一定历史时期内可供有效利用的地下空间总量。二、地下空间资源蕴藏总量及可供合理开发利用的地下空间资源总量1、地球上地下空间资源蕴藏总量地球上地下空间资源蕴藏总量为7.5E18m3，理论上讲，为整个岩石圈。2、可供合理开发利用的地下空间资源总量合理开发深度以2000m计。则在当前和

4、今后一段时间内的技术条件下，地球上可供合理开发利用的地下空间资源总量为4.12E17m3；实际可供有效利用的地下空间资源为0.24E17m3。因此，可供有效利用的地下空间资源的绝对数量仍十分巨大，从开拓人类生存空间的意义上看，无疑是一种具有很大潜力的自然资源。三、我国可供有效利用的地下空间资源从上表可以看出，以目前技术水平完全能够达到的开发深度30m计，可提供建筑面积6万亿m2；当2050年我国生活空间用地占国土面积的7.3%时，则这部分土地的面积为70万平方千米；假定在这些土地上的平均建筑密度为30%，平均建筑层数为4层，则可容纳的建筑总量为8400亿m2，与地下空间所能提供的相比仅为14%

5、，可见地下空间在扩大我国生活空间容量上有着巨大的潜力。第二节 城市地下综合体一、地下综合体定义地下综合体是由日本首先提出的，指由城市中不同功能的地下空间建筑共同组合而形成的大型地下空间工程。地下综合体一般包括以下内容：a、地下铁道、公路隧道，以及地面上的公共交通之间的换乘枢纽，由集散厅和各种车站组成。b、地下过街人行横道、地下车站间的连接通道、地下建筑之间的连接通道、出入口的地面建筑、楼梯和自动扶梯等内部垂直交通设施等。c、地下公共停车库d、商业设施和饮食、休息、等服务设施，文娱、体育、展览等设施，办公、银行、邮局等业务设施。e、市政公用设施的主干管、线。f、为综合体本身使用的通风、空调、变配

6、电、供水排水等设备用房和中央控制室、防灾中心、办公室、仓库、卫生间等辅助用房，以及备用的电源、水源、防护设施等。二、地下综合体的类型（1）新建城镇的地下综合体在新建城镇或大型居住区的公共活动中心，与地面公共建筑相配合，将一部分交通、商业等功能放到地下综合体中，可节省土地，使中心区步行化并克服不良气候的影响。这种地下综合体布置紧凑，使用方便，地面和地下空间融为一体，很受居民的欢迎。如图为巴黎德方斯卫星城地下综合体。(2)与高层建筑群结合的地下综合体附建在高层建筑地下室中的综合体，其内容和功能多与该高层建筑的性质和功能有关，可视为地面建筑功能向地下空间的延伸。如图为与纽约市罗切斯特大楼结合的地下综

7、合体。(3)城市广场和街道下的地下综合体在城市的中心广场、文化休息广场、购物中心广场和交通集散广场，以及交通和商业高度集中的街道和街道交叉口，都适合于建设地下综合体。首先，在这些地点，各种城市矛盾，特别是交通矛盾较为突出，因而也是城市再开发的主要位置;其次，广场和街道的地下空间比较容易开发，尤其是广场，建筑物和地下管、线的拆迁问题和对地面交通的影响都较小。如图为巴黎列阿莱广场地下综合体。三、地下综合体的特点可作为有效的防空、防炸设施，形成恒温恒湿防震防振的环境，并能节约地面建筑占地。但地质条件要求较高，施工困难、投资较高。四、地下综合体的结构特点与岩（土）接触处必须有衬砌结构。衬砌结构的作用：

8、承受岩（土）层和爆炸等静力和动力荷载，并防止地下水和潮气的侵入。第三节 地下空间的防灾特性一、地下空间的防灾性能 地下空间的抗爆性能 地下空间的抗震性能 地下空间对城市大火的防护能力 地下空间的防毒性能 地下空间对风灾的减灾作用 地下空间在城市的防洪作用二、地下空间在城市综合防灾中的作用 为在地面空间中难以抗御的灾害作好防灾准备； 在地面上受到严重破坏后保存部分城市功能和灾后恢复的潜力； 与地面防灾空间配合，实现防灾功能的互补。第四节 地下空间的开发利用 开发和利用地下空间是城市建设的迫切需求 波士顿地下空间开发利用 国外城市地下空间的开发利用趋势主要有两个方面： 一是大型建筑物向地下的自然延

9、伸发展到复杂的地下综合体（地下连接通道，地下车库，地下商业，休闲娱乐等），进而发展到地下城（与地下快速轨道交通系统相结合的地下街系统）； 二是地下市政设施的建设从地下供、排水管网发展到地下大型供水系统，地下大型能源供应系统，地下大型排水及污水处理系统，地下生活垃圾的清除、处理和回收系统和地下综合管线廊道（共同沟）。第三章 地下工程地质环境与围岩分级第一节 岩体结构分类与破坏特征一、岩体的概念岩体：在地质历史过程中形成的，由各种岩石块体组合而成的“岩石结构物”，具有不连续性、非均质性和各向异性的特点。岩体=结构面+结构体工程岩体：与工程建筑物应力影响范围内的那部分岩体。二、岩体结构的概念岩体结构

10、：结构体和结构面在岩体内的排列、组合形式。三、岩体结构类型不同结构类型岩体的工程地质性质1）整体、块状结构岩体：成分单一、结构面稀疏延伸较长，层间有一定结合力，力学强度高、抗变形能力强，可视为均质、各向同性体。2）层状结构岩体：软硬岩层相间的互层形式，结构面以层理面为主，有层间错动及泥化软弱夹层发育。3）碎裂结构岩体：岩体节理、裂隙发育，常有泥质充填，结合力不强，有平行层面的软弱结构面，完整性差。4）散体结构岩体：节理、裂隙很发育，岩体十分破碎，可视为土体。四、地下工程围岩破坏特征1、脆性破裂岩爆：岩爆：在高应力地区，洞室开挖后，围岩因弹性应变能突然释放而发生的岩石弹射或抛出的现象。2、块状运

11、动（剪切滑移）：厚层状或块状结构的硬质围岩，当有倾向洞内的大型结构面存在时，在结构面控制下主要以沿结构面向洞内剪切滑移为主。3、弯曲折断破坏：（1）张裂塌落：拱顶张应力超过岩石抗拉强度，引起岩石破裂，导至洞顶塌落的现象。（2）劈裂剥落：切向应力导至洞室周边岩石形成平行洞壁的密集破裂，并产生剥落的现象。（3）弯折内鼓：径向应力挤压薄层围岩，使之向洞内弯折内鼓，甚至坍倒的现象。4、松动解脱（碎裂松动）：在多组结构面发育的岩体中（碎裂结构岩体），当洞室开挖后，如果围岩应力超过围岩的屈服强度，围岩就会沿已有的多组节理发生剪切错动而松弛，在洞室周边的围岩中形成一个松动圈。5、塑性变形：（1）塑性挤出：软

12、弱岩体在洞室开挖后，当围岩应力超过其屈服强度时，向洞内产生的塑性挤出的现象。（2）膨胀内鼓：在膨胀岩地区，洞室开挖后水分向松动圈集中，导致岩石吸水膨胀，并向洞内鼓出的现象。第二节 围岩的初始应力场一、地应力的概念地应力：指存在于地壳岩体中的原始应力，又叫天然应力。天然应力或初始应力（virginalstress）自重应力（gravitationalstress）构造应力（tectonicstress）活动的（activetectonicstress）剩余的（residualtectonicstress）变异及残余应力（alteredandresidualstress）感生应力（induceds

13、tress）二、岩体天然应力场的类型1、“静水压力式”分布的观点2、垂直应力为主的观点3、水平应力为主的观点上述为三种典型情况，大多数地区接近其中某一种，有些地区应力状态属主应力轴倾斜的过渡类型。总之大量实测资料表明，世界上大多数地区岩体内的天然应力状态是以水平应力为主。这就足以证明，构造因素在地壳岩体的天然应力状态的形成中起着主导作用。3、地应力分布规律：三、围岩应力的变化规律围岩：工程开挖后，应力变化范围内的岩体。地下洞室开挖前，岩体内的应力状态称为初始应力状态。开挖后，由于洞室周围岩体失去了原有的支撑，破坏了原来的受力平衡状态，围岩将向洞内产生松胀位移，从而引起洞周围一定范围内岩体的应力

14、重新调整，形成新的应力状态。该应力称重分布应力、二次应力或围岩应力。直接影响围岩稳定的是二次应力状态，它与岩体的初始应力状态、洞室断面形状及岩体特性等因素有关。第三节 地下工程围岩分级一、概述1、围岩分级的目的：2、围岩分级方法发展概况二、影响围岩稳定性的主要因素1、地质因素：(1)岩体结构特征岩体的结构特征可以简单地用岩体的破碎程度或完整性来表示，在某种程度上它反映了岩体受地质构造作用的严重程度。岩体的破碎程度或完整状态是指构成岩体的岩块大小及这些岩块的组合排列形态。(2)结构面性质和空间的组合在块状或层状结构的岩体中，控制岩体破坏的主要因素是软弱结构面的性质及它们在空间的组合状态。从下述的

15、5个方面来研究结构面对地下工程围岩稳定性影响的大小：结构面的成因及其发展史；结构面的平整、光滑程度；结构面的物质组成及其充填物质情况；结构面的规模与方向性；结构面的密度与组数。(3)岩石的力学性质在整体结构的岩体中，控制围岩稳定性的主要因素是岩石的力学性质，尤其是岩石的强度。一般来说，岩石强度越高，洞室越稳定。(4)围岩的初始应力场围岩的初始应力场是地下工程围岩变形、破坏的根本作用力，它直接影响围岩的稳定性。2、工程活动所造成的人为因素：(1)地下洞室尺寸和形状在同一级(类)围岩中，洞室跨度愈大，围岩的稳定性就愈差；(2)施工中采用的开挖方法开挖方法对地下工程围岩稳定性的影响较为明显，在分级(

16、类)中必须予以考虑。三、分级(类)的因素指标及其选择（详见书）1.单一的岩性指标2.单一的综合岩性指标指标是单一的，但反映的因素却是综合的。（1）“岩石质量指标”(RQD)也是反映岩体破碎程度和岩石强度的综合指标。所谓岩石质量指标是指钻探时岩芯复原率，或称岩芯采取率。（2）洞室围岩自稳的时间ts3.复合指标(1)巴顿(N.Barton)等人所提出的“岩体质量Q”Q与6个表明岩体质量的地质参数有关。(2)我国总参工程兵坑道工程围岩分类中所采用的岩体质量指标Rm和应力比S。(3)水工隧洞设计规范)(SL279-2002)围岩工程地质分类和国标锚杆喷射混凝土支护技术规范(GB500862001)所采

17、用的围岩/岩体强度应力比S，S综合考虑了岩石强度、岩体完整性和地应力的因素。(4)国标工程岩体分级标准(GB5021894)中岩体基本质量指标BQ和修正的岩体基本质量指标BQ三、国内围岩分级方法（详见书）1、国标工程岩体分级标准（GB5021894）：2、铁路隧道设计规范（TB100032005）中的围岩分级：3、地铁设计规范（GB50157-2003）中的围岩分类4、公路隧道设计规范（JTGD702004）中的围岩分类5、总参工程兵坑道工程的围岩分类6、水工隧洞设计规范(SL2792002)的围岩分类四、国外主要围岩分类系统简介（详见书）1、挪威Q系统2、南非RMR系统第四章 地下结构的设计

18、方法和计算原理第一节 地下结构的设计方法一、地下结构计算原理的发展 1、第一阶段：古典岩土压力理论阶段兴起于20世纪20年代之前，代表人物为Haim，Rankine，金尼克等。他们认为：（1）作用在支护结构上的压力是其上覆岩层重量，是竖向压力的主要来源；（2）侧向压力系数K：K=1；HaimK=tan2(45-/2);RankineK=/(1-)；金尼克当时地下工程埋深不大，可以适用。2、第二阶段：散体压力理论阶段随着地下工程开挖深度的增加，古典压力理论已不符合实际情况，散体压力理论出现，代表人物为Terzaghi，普氏等。（1）当地下结构埋深较大时，作用在支护结构上的压力不是上覆岩层重量，而

19、是围岩塌落拱内松动岩体的重量，塌落拱的高度与地下工程的跨度及围岩性质有关；（2）塌落拱的形状：矩形Terzaghi；抛物线形普氏；（3）确定塌落荷载后，通过假定抗力的形式考虑围岩与结构的相互作用，采用荷载结构法进行结构内力计算。荷载结构模型方法：（1）特征a）支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支撑，对支护结构的变形起约束作用；b）支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支撑对支护结构施加约束来体现，围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支撑的约束能力时间接地考虑。（2）适用条件：主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和坍塌，支护结构承担围岩松动压力的情况。（3）需解决的关键问题：如何确

20、定作用在支护结构上的主动荷载，即围岩所产生的松动压力，及弹性支撑给支护结构的弹性抗力。（4）模型求解方法：结构力学方法：力法（矩阵力法）、位移法（矩阵位移法一维杆系有限元法）3、第三阶段：共同作用理论阶段散体压力理论是在当时的支护和施工水平下发展起来的，当时掘进与支护需要时间较长，支护与围岩不能及时密贴，围岩往往会出现部分破坏和塌落，从而成为支护结构的荷载。但并不是所有地下空间都存在塌落拱，且其没有很好揭示如何确定塌落拱的高度及其形成过程，更没有认识到稳定围岩和充分发挥围岩自承作用的问题。共同作用理论只对圆形断面才能得到封闭的解析解，其它断面形状必须采用数值方法才能求解和计算。其内力计算为地层

21、-结构模型方法。地层结构模型方法：（1）特征a）将支护结构与围岩视为一体，作为共同承载的结构体系；b）围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形。（2）适用条件：是目前地下结构体系设计中力求采用或正在发展的模型。它符合当前的施工技术水平，采用快速和早强的支护技术可以限制围岩的变形，从而阻止围岩松动压力的产生。（3）需解决的关键问题如何确定围岩的初始应力场，以及表示材料不连续、非线性特性的各种参数、岩体本构模型。（4）模型求解方法：解析法、数值法（主要为FEM）二、地下结构的设计方法1、容许应力设计法以结构构件截面计算应力不大于规定的材料容许应力的原则（图c），进行结构构件设计计

22、算的方法。2、破损阶段设计法考虑结构材料破坏阶段的工作状态（图d）进行结构构件设计计算的方法。规范中规定，铁路双线隧道和公路隧道结构设计计算按破损阶段法验算构件截面的强度。3、概率极限状态设计法以概率理论为基础，以防止结构或构件达到某种功能要求的极限状态作为依据的结构设计计算方法。铁路隧道设计规范规定：一般地区单线隧道整体式衬砌及洞门、单线隧道偏压衬砌及洞门、单线拱形明洞及洞门的结构设计，可采用概率极限状态设计法设计。概率极限状态设计要求，结构的最不利位置的荷载效应不超过结构抗力。4、特征曲线设计法洞室开挖后，围岩会向洞室内部变形，称为围岩收敛；由此洞室围岩中的径向应力减小，环向应力随之增加。

23、围岩特征曲线：亦称为围岩的支护需求曲线。它形象的表明围岩在洞室周边所需提供的支护阻力及与其周边位移的关系支护特征曲线：支护变形与支护所能提供的支护抗力的关系。利用围岩与支护共同作用特性来选择支护参数的方法叫作特征曲线法（又称为收敛约束法）。1)隧道开挖后，如支护特别快，且支护刚度又很大，没有或很少变形，则在图中A点取得平衡；支护需提供很大支护力Pamax，围岩仅负担产生弹性变形u0的压力Pa-Pamax，故刚度大的支护是不合理的(不经济)。2)如隧道开挖后不加支护，或支护很不及时，也就是容许围岩自由变形，在图中是曲线DB：洞室周边位移达到最大值umax，支护压力Pa很小或接近于零；这在实际中是

24、不容许的。因为实际上周边位移达到某一位移值时，围岩就会出现松弛、散落、坍塌的情况。此时，已不适于作喷锚支护，只能按传统施工方法施作模筑混凝土衬砌。3)较佳的支护工作点应当在D点以左、邻近D点处，如图中的E点。在该点附近即能让围岩产生较大的变形(u0+uE)，较多的分担岩体压力(P0-PE)，支护分担的形变压力较小(PE)，又保证围岩不产生松弛、失稳，局部岩石脱落、坍塌的现象。合理的支护与施工，应该掌握在该点附近。实际施工中，一般是分二次进行支护，第一次在洞室开挖后，尽可能及时进行初期支护和封闭，保证周边不产生松弛和坍塌，并让围岩在有控制的条件下变形，通过对围岩变形的监测，待位移和变形基本趋于稳

25、定时，再进行第二次支护(达到图中C点的附近)。随着围岩和支护的徐变、支护和形变压力将发展到PC，支护和围岩在最佳工作点C处共同承受围岩形变压力，围岩承受的压力值为(P0-PC)，支护承受的压力值为PC，支护承载力尚有值为(PK-PC)的安全余量。5、工程类比设计法所谓工程类比设计法，就是以已往地下工程支护结构设计与施工的资料和经验为基础，以围岩分级为前提，以计算分析为必要的辅助，以施工过程的监控量测和信息反馈为指导的方法体系。作好支护结构工程类比设计的基础是充分掌握和占有已往类似工程的资料和成功经验，前提是正确地对地下工程围岩进行分级。对通过工程类比法设计的地下工程，成功建造的关键是作好施工过

26、程的监控量测和信息反馈。第二节 地下结构的受力特点与内力计算模型一、地下结构的受力特点主要特点：地下结构的围岩既是作用于支护结构上的荷载来源，又与支护结构共同构成承载体系。二、地下结构的内力计算模型1、荷载结构模型（1）特征a）支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支撑，对支护结构的变形起约束作用；b）支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支撑对支护结构施加约束来体现，围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支撑的约束能力时间接地考虑。（2）适用条件主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和坍塌，支护结构承担围岩松动压力的情况。（3）需解决的关键问题如何确定作用在支护结构上的主动荷载，即围岩

27、所产生的松动压力，以及弹性支撑给支护结构的弹性抗力。（4）模型求解方法结构力学方法：力法（矩阵力法）、位移法（矩阵位移法一维杆系有限元法）2、地层结构模型（1）特征a）将支护结构与围岩视为一体，作为共同承载的结构体系；b）围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形。（2）适用条件是目前地下结构体系设计中力求采用或正在发展的模型。它符合当前的施工技术水平，采用快速和早强的支护技术可以限制围岩的变形，从而阻止围岩松动压力的产生。（3）需解决的关键问题如何确定围岩的初始应力场，以及表示材料不连续、非线性特性的各种参数、岩体本构模型。（4）模型求解方法解析法、数值法（主要为FEM）第二

28、节 地下结构的受力特点与荷载分类一、地下结构的受力特点主要特点：地下结构的围岩既是作用于支护结构上的荷载来源，又与支护结构共同构成承载体系。（1）除了承受使用荷载之外，地下结构还要承受周围岩土体和地下水的作用，而且后者往往构成地下结构的主要荷载；（2）地下结构的围岩既是荷载的来源，又可以在某些情况下与结构共同作用形成承载体系；（3）地下水对结构的力学作用与岩土组成、地下水流场及结构防水系统等因素相关；（4）地下结构埋深足够大时，由于地层的成拱效应，结构承受的围岩竖向应力总是小于其上覆地层自重压力；（5）地下结构的受力可能受到结构与围岩相互作用及施工过程的显著影响；（6）地下结构的荷载具有时空效

29、应。二、地下结构荷载分类及其组合1、地下结构荷载分类按存在状态可分为：静荷载、动荷载和活荷载等静荷载：又称恒载、永久荷载，是指长期作用在结构上且大小、方向和作用点不变的荷载，如结构自重、围岩压力、弹性抗力、地下水压力等；围岩压力和结构自重是衬砌承受的主要静荷载。动荷载：要求具有一定防护能力的地下建筑物，需考虑原子武器和常规武器（炸弹、火箭）爆炸冲击波压力荷载，这是瞬时作用的动荷载；在抗震区进行地下结构设计时，应计算地震波作用下的动荷载作用活荷载：是指在结构物施工和使用期间可能存在的变动荷载，其大小和作用位置都可能变化，如地下建筑物内部的楼地面荷载（人群物件和设备重量）、吊车荷载、落石荷载等，地

30、面附近的堆积物和车辆对地下结构作用的荷载以及施工安装过程中的临时性荷载等。其它荷载：使结构产生内力和变形的各种因素中，除有以上主要荷载的作用外，通常还有：混凝土材料收缩（包括早期混凝土的凝缩与日后的干缩）受到约束而产生的内力。2、荷载组合各种荷载对结构可能不是同时作用，需进行最不利情况的组合。先计算个别荷载单独作用下的结构各部件截面的内力，再进行最不利的内力组合，得出各设计控制截面的最大内力。最不利的荷载组合一般有以下几种情况：（1）静载；（2）静载+活载；（3）静载+动载（原子爆炸动载、炮（炸）弹动载）依据规范进行确定：当前在地下结构设计中试行的规范、技术措施、条例等有多种。有的仍沿用地面建

31、筑的设计规范，设计时应遵守各有关规范。第三节 地下结构围岩压力的计算 一、基本概念 1、围岩压力的概念围岩压力：是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。它包括由地应力引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。从狭义上来理解，围岩压力是指围岩作用在支护结构上的压力。在工程中一般研究狭义的围岩压力。围岩压力可分为围岩垂直压力、围岩水平压力及围岩底部压力。围岩压力按作用力发生形态分为：松动压力：是指由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构的压力。形变压力：是指由于围岩变形受到与之密贴的支护的抑制，而使围岩与支护结构共同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压

32、力。膨胀压力：是指由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力。冲击压力：是指围岩中积累了大量的弹性变性能之后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，能量突然释放所产生的压力。松动压力：常通过下列三种情况发生：在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧片帮冒落；在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。形变压力：是指由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷支护等的抑制，而使围岩与支护结构共同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。形变压力除与围岩应力状态有关外，还与支护时间和支护刚度有关。膨胀压力：是指由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力。它

33、与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。冲击压力：是指围岩中积累了大量的弹性变性能之后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，能量突然释放所产生的压力。冲击压力是岩体能量的积累与释放问题，所以它与弹性模量直接相关。弹性模量较大的岩体，在高地应力作用下，易于积累大量的弹性变形能，一旦遇到适宜条件，就会突然猛烈的大量释放。2、围岩松动压力的产生开挖隧道所引起的围岩松动和破坏的范围有大有小，对于一般裂隙岩体中的深埋隧道，其波及范围仅局限在隧道周围一定深度，作用在支护结构上的围岩松散压力远远小于其上覆岩层自重所造成的压力，这可用围岩的“成拱作用”来解释。自然拱的范围的大小受围岩地质条件、支护结构架设

34、时间、刚度以及它与围岩的接触状态等影响，还取决于以下诸因素：隧道的形状和尺寸：隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自然拱越高，围岩松散压力也越大；隧道的埋深：实践证明，只有当隧道埋深超过某一临界值时，才有可能形成自然拱。习惯上称这种隧道为深埋隧道，否则为浅埋隧道。由于浅埋隧道不能形成自然拱，所以，它的围岩压力的大小与埋置深度直接相关。施工因素：如爆破所产生的震动，常常是引起塌方的重要原因之一，造成围岩压力过大，又如分部开挖多次扰动围岩，也会引起围岩失稳，加大自然拱范围。3、围岩压力的确定方法围岩压力的确定目前常用有下列三种方法：直接量测法：是一种切合实际的方法，对隧道工程而言，也是研究发展的方向；但由

35、于受量测设备和技术水平的制约，目前还不能普遍常用。经验法或工程类比法：是根据大量以前工程的实际资料的统计和总结，按不同围岩分级提出围岩压力的经验数值，作为后建隧道工程确定围岩压力的依据的方法。是目前使用较多的方法。理论估算法：是在实践的基础上从理论上研究围岩压力的方法。由于地质条件的不确定性，影响围岩压力的因素多，企图建立一种完善的和适合各种实际情况的通用围岩压力理论及计算方法是困难的。二、深埋和浅埋地下结构的判定1、公路隧道设计规范隧道埋深不同，确定围岩压力的计算方法不同，应以隧道顶部覆盖层能否形成“自然拱”为原则。深埋、浅埋隧道的分界值，按等效荷载高度值划分：Hp（22.5）hq式中:Hp

36、深浅埋隧道分界深度;hq荷载等效高度，按下式计算：hqq/，其中：q按深埋隧道计算的竖向均布压力kNm2；围岩容重（kNm2）。在矿山法施工的条件下，IIII级围岩取：Hp2hqIVVI级围岩取：Hp2.5hq由此，当隧道覆盖层厚度HHp时为深埋，HHp时为浅埋2、铁路隧道设计规范铁路隧道覆盖厚度小于下表所列数值时为浅埋隧道：围岩类别单线隧道5710141825双线隧道81015203035当有不利于山体稳定的地质条件时，浅埋隧道覆盖厚度值应适当加大。三、深埋地下结构围岩压力的确定1、我国公/铁路隧道推荐方法工程类比法1）铁路双线隧道围岩压力按松散压力考虑：其竖向均布压力q按下式计算： q =

37、 h = 0.45 2 s-1 (kN/m2) 式中 ：围岩容重，(kN/m3)；h围岩压力计算高度（m）；S围岩级别，如属II级，则S2；1+i(B-5)宽度影响系数；B隧道宽度，（m）；i以B5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率；当B5m,取i0.1。 铁路双线隧道围岩的水平均布压力e 的确定，按下表中的经验公式计算： 围岩级别I、IIIIIIVVVI水平均布压力00.15q(0.150.3)q(0.30.5)q(0.51.0)q其中 ：q围岩竖向均布压力。 适用条件： 高跨比小于1.7； 深埋隧道； 不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道； 采用钻爆法施工的隧道。 2）铁路单线隧道围岩

38、压力按松散压力考虑： 竖向围岩压力q为： q h= 0.411.79S水平均布压力e为： 围岩级别I、IIIIIIVVVI水平均布压力00.15q(0.150.3)q(0.30.5)q(0.51.0)q其中 ：q围岩竖向均布压力。 上述公式是根据全国铁路隧道1046个隧道塌方样本统计得出的经验公式，其中S规范确定的围岩分级。3）公路隧道设计规范规定：级围岩中的深埋隧道，围岩压力为主要形变压力，其值按释放荷载计算；释放荷载由有限元数值计算得到；级围岩中深埋隧道的围岩压力视为松动荷载，其垂直、水平均布压力计算方法同铁路双线隧道规范。2、普氏理论(理论估算法)普氏认为，所有的岩体都不同程度地被节理、

39、裂隙所切割，因此可视为散粒体，但其结构面上仍存在着不同程度的粘结力。这种粘结力体现为摩擦力，以似摩擦系数f 表示，又称为“坚固性系数”。 天然拱的拱轴线为二次抛物线形，其尺寸(即它的高度和跨度)与岩体的f 值有关： 式中：h*自然拱的高度；b*自然拱的半跨度；f普氏系数，在实际应用中，可采用经验计算公式求得f 值：。 考虑两类情况： 1）在坚硬岩体中，侧壁较稳定，自然拱的跨度即为坑道跨度（图a)： 2）在松散和破碎岩体中，侧壁受到扰动而产生滑移，自然拱的跨度也相应加大（图b)；根据散体主动极限平衡理论，在有衬砌时洞室侧壁围岩塌落最多只能发展到与竖直方向成（45-/2）角度的斜面： 作用在支护结

40、构上的围岩压力就是自然拱内松散岩体的重力： 垂直均布松动压力为： 围岩水平均布松动压力可按朗肯主动土压力公式计算：洞顶的围岩侧向压力： 洞底的围岩侧向压力： 普氏理论是建立在两种假定基础上的，其一是假定硐室围岩为无内聚力的散体，另一是假定硐室上方围岩中能够形成稳定的普氏压力拱。正是因为这两种假定，才使得围岩压力的计算大为简化。但是，普氏理论仍然存在以下问题：(1)普氏理论将岩体看作为散体，而绝大多数岩体的实际情况并非如此；只是某些断裂破碎带或强风化带中的岩体才勉强满足这种假定条件；(2)在普氏理论中，引进了岩体的坚固系数f的概念，f为正应力的函数，而并非岩体的特性参数，此外也无法通过实验来确定

41、f值；(3)据普氏理论，硐室顶部中央围岩压力最大，但是许多工程的实际情况不是这样的，其最大顶压常常偏离拱顶；(4)普氏理论表明，硐室围岩压力只与其跨度有关，而与断面形式、上覆岩层厚度，以及施工的方法、程度和进度等均无关，这些均与事实不相符。3、Terzaghi理论(理论估算法)Terzaghi也将岩体视为散粒体。支护结构受到上覆地压作用时，支护结构发生挠曲变形，随之引起地层移动；滑移面从隧道底面以（45-/2）的角度倾斜，到硐顶后以适当的曲线AE和BI到达地表面；实际上推算AE和BI曲线不容易且计算很复杂，故近似地假定为AD、BC两条垂直线。垂直均布松动压力为：式中：b松动围岩的半跨度；k水平

42、压力与竖直压力的比值，Terzaghi根据试验结果，取k=11.5。当k=1，则与普氏公式完全一致。围岩水平均布松动压力可按朗肯主动土压力公式计算：洞顶的围岩侧向压力：洞底的围岩侧向压力：4、浅埋隧道围岩压力的确定-公路隧道设计规范1）埋深(H)等效荷载高度（hq）时，荷载视为均布竖向压力q： q=H式中:隧道上覆围岩容重；H隧道埋深，隧道顶至地面的距离。侧向压力e，按均布考虑时，其值为：式中:e侧向均布压力；围岩容重，以kN/m3计；H隧道埋深，以m计；Ht隧道高度，以m计；c围岩计算摩擦角，可查规范。2）等效荷载高度hq埋深H浅埋隧道分界深度Hp时假定土体中形成的破裂面是一条与水平面夹角为

43、的斜直线，采用松散介质极限平衡理论进行分析，即：围岩松动压力=滑动岩体重量滑面上的阻力作用在支护结构上的均布荷载分布如图：式中:围岩容重，kN/m3；H隧道埋深，m；Bt隧道宽度，m；h隧道底部到地面的距离，m；c围岩计算摩擦角；假定滑面的摩擦角；围岩级别 、 值 0.9 c (0.70.9) c (0.50.7) c (0.30.5) c 破裂面与水平面的夹角；侧压力系数，5、偏压隧道围岩压力的计算方法位于斜坡地带的浅埋隧道，从隧道的横断面看，作用于隧道拱顶衬砌上的荷载将出现偏压。假定偏压分布图形与地面坡形一致（如图），则作用于隧道拱顶的垂直压力。第四节 地下结构其余荷载的计算 1、围岩弹性

44、抗力 按结构与围岩的相对位移关系，把围岩对地下结构的作用分为两类： 1）主动围岩压力： 主要表现为形变压力和松动压力，分别是在围岩发生向着地下结构的变形和松动时因受到结构约束而作用在结构上的力。 2）围岩被动反力，又称围岩弹性抗力 地下结构向着围岩变形时受到的约束力；可参照温克尔地基处理。 2、地下水压力和浮力 水压力计算是一个难题！山岭隧道结构：城市地铁隧道、基坑：水土分算、水土合算3、地震力 1）拟静力法： 拟静力法是一种用静力学方法近似解决动力学问题的简易方法，它发展较早，迄今仍然被广泛使用。其基本思想是在静力计算的基础上，将地震作用简化为一个惯性力系附加在研究对象上，其核心是设计地震加

45、速度的确定问题。 2）位移反应分析法：第五章 地下工程施工第一节 地下工程施工简述一、地下工程基本作业基本作业开挖+支护+衬砌1、开挖方法选择的考虑因素2、地下工程开挖方法3、隧道开挖方法4、支护与衬砌技术支护技术为确保地下工程开挖的安全，必须对其进行支护。一般分临时支护与永久支护两类。形式上有木支撑、格栅支架、钢支架、锚杆、喷射混凝土及其组合。衬砌技术一般有现浇混凝土与预制混凝土两类。二、辅助作业地下工程辅助作业是配合基本作业的必须环节。一般包括风水电的设计、安装与供给；施工场地的规划与布置；出渣运输计划与设备配置等。三、环境监控主要研究解决施工过程中的安全问题及其对周围环境的影响，如：洞室

46、开挖位移过大引起塌方、支护结构位移太大引起结构失稳与侵限、地表沉陷过大对环境造成影响、地下水控制等。主要技术手段是：量测监控，发现异常及时采取加固措施(辅助施工手段)并更改施工方法。四、施工管理通过有效的施工管理来保证工程的施工质量与工期，应用科学合理、符合地下工程施工特点的方法与理论，规划组织施工设计，对施工过程中的各个环节进行科学的技术、计划、质量、经济与安全管理，达到高质量、高效益的工程建设目的。主要手段：编制施工劳动组织设计、充分协调现场施工管理部门与监理机构的关系。第二节 地下工程施工技术发展第三节 地下工程施工方法简介一、明挖法n 施工方法：由地表自上而下开挖土方至设计标高由基底自

47、下向上顺做隧道主体工程回填基坑或恢复地面n 关键工序：降低地下水位、土石方开挖、边坡支护、结构施工、防水工程等。二、盖挖法n 含义：先用连续墙、钻孔桩等作为围护结构和中间桩，然后施工钢筋混凝土盖板，在盖板、围护墙、中间桩的保护下进行土方开挖与结构施工。n 逆做法：土方开挖与结构施工顺序均由上而下进行。n 顺做法：土方开挖全部结束后由下而上做结构施工1、逆作法施工过程2、逆作法优缺点优点：1）可使建筑物上部结构的施工和地下基础结构施工平行立体作业，在建筑规模大、上下层次多时，大约可节省工时1/3。2）受力良好合理，围护结构变形量小，因而对邻近建筑的影响亦小。3）施工可少受风雨影响，且土方开挖可较

48、少或基本不占总工期。4）最大限度利用地下空间，扩大地下室建筑面积。5）一层结构平面可作为工作平台，不必另外架设开挖工作平台与内撑，这样大幅度削减了支撑和工作平台等大型临时设施，减少了施工费用。6）逆作结构的自身荷载由立柱直接承担并传递至地基，减少了大开挖时卸载对持力层的影响，降低了基坑内地基回弹量。缺点：1）支撑位置受地下室层高的限制，无法调整高度，如遇较大层高的地下室，有时需另设临时水平支撑或加大围护墙的断面及配筋。2）挖土作业空间狭小，不利于规模机械化施工、土方施工困难3）结构接头处理多4）对围护结构施工精度要求高3、逆作法施工的关键问题1）降水问题采取合理降水措施，降水至开挖面以下；降水

49、井点不能与结构架系相交。2）控制基坑维护结构、柱桩和地下连续墙的变形沉降差异，基坑变形及稳定问题合理制定土方开挖方案，及时监测实行信息化施工；精心施工，控制变形。3）结构接头处理问题即柱、梁、板、墙的节点施工问题主要解决钢筋穿过中间支撑柱或与中间支撑柱连接，保证在复合柱完成后，节点质量和内力分布与设计计算简图一致。4）支撑柱的调垂问题施工精度要求：垂直度L/300L/600、水平定位10mm、标高10mm.三、新奥法与钻爆法1. 新奥地利施工方法简称新奥法(NewAustrianTunnelingMethod，NATM)n 创立人：奥地利拉布谢维茨(L.V.Rabcewicz)等人n 设计依据

50、：岩承理论(1950s) 稳定的围岩自身具有承载自稳能力； 不稳定的围岩丧失稳定是一个时间过程； 若在期间提供必要的支承与限制，则围岩仍可以重新回到稳定状态。n 注重过程与控制，强调充分利用岩体的自承载能力。n 技术要素：喷锚(网)支护【柔性支护与永久衬砌构成复合式衬砌】与监控量测n 设计理论施工方法支承结构状态更符合实际情况。2. 钻爆法n 代表人：泰沙基(K.Terzaghi)散粒体卸落拱普氏(.)松散介质坍落拱n 设计依据：松弛荷载理论(1920s) 稳定的围岩具有自稳能力； 不稳定的围岩则会坍塌，需支护结构来支承； 支承荷载一定范围内因松弛且可能塌落的岩体重量n 注重结果与处理方法n

51、技术要素：刚性支护(钢木构件支撑)，一般需撤换为整体式厚衬砌(永久支护)。n 按最不利围岩组合荷载设计临时支护与永久衬砌不太符合实际工作状态。四、浅埋暗挖法1、浅埋暗挖法产生的背景浅埋暗挖法源于1984年王梦恕院士在军都山隧道黄土段试验成功的基础上，1986年北京地铁复兴门车站折返线工程，由于当时取得了很大的经济效益和社会效益，1987年8月北京市科委与铁道部科技司共同组织鉴定会确定采用“浅埋暗挖法”这个名称，建设部把它命名为国家级工法。浅埋暗挖法是在距离地表较近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的一种方法；指在小导管超前支护技术、网构钢拱架设计制造技术、正台阶环形开挖留核心土方法、监控量测技

52、术等基础上，提出软弱地层必须快速施工的理念，突出时空效应对防塌的重要作用。浅埋暗挖法沿用了新奥法的基本原理：采用复合衬砌，初期支护承担全部基本荷载，二衬作为安全储备，初支、二衬共同承担特殊荷载；采用多种辅助工法，超前支护，改善加固围岩，调动部分围岩自承能力；采用不同开挖方法及时支护封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系；采用信息化设计与施工。该法多用于第四纪软弱地层的地下工程，围岩自承能力很差，为控制地表沉降，初期支护刚度要大、要及时。特征曲线中C点尽量靠近A点，即尽量增大支护的承载，减少围岩的自承载。要做到这点，必须遵守十八字方针，初支必须从上向下施工，初支基本稳定后才能做二衬，且必须

53、从下到上施工。浅埋暗挖法既可作为独立的施工方法，也可以与其他施工方法结合使用，车站经常采用浅埋暗挖法与盖挖法相结合，区间隧道用盾构法与浅埋暗挖法结合施工。浅埋暗挖法与其他工法有很强的兼容性。2、浅埋暗挖施工步骤浅埋暗挖法施工步骤：施工准备超前小导管布设注浆土方开挖格栅架立钢筋网片、连接筋喷射混凝土防水施工二次衬砌3、浅埋暗挖施工技术原则浅埋暗挖法的核心技术被概括为18字方针：“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”管超前在工作面开挖前，沿隧道拱部周边按设计打入超前小导管；严注浆打设超前小导管后注浆加固地层，包括初支背后注浆和二衬背后注浆；短开挖每次开挖循环进尺要短，开挖和支护时间尽可

54、能缩短；强支护采用格栅钢架和喷射混凝土进行较强的早期支护，以限制地层变形；早封闭开挖后初期支护要尽早封闭成环，以改善受力条件；勤量测对规定部位进行动态监测，绘制位移-时间曲线，掌握施工动态，调整施工参数并设置各部位的变形警戒值，是浅埋暗挖法施工成败的关键。五、盾构法装备：盾构机【主体为可移动的高强度钢套壳(盾壳)】盾构机是在软土、软岩和破碎含水地层中修建隧道的专用设备。盾壳在构筑永久衬砌之前支承地层，不需临时支护。盾构机是根据隧道与地基情况量身设计、制造或改造的。施工断面：多为圆形，也有矩形、马蹄形、半圆形和异型。适用对象：城市地铁、水下隧道、水工隧道等。六、全断面掘进机法装备：全断面掘进机(TunnelingBoringMachine，TBM)原理：电动机驱动主轴旋转对刀盘施压贴紧岩壁利用刀盘上的盘形滚刀破碎岩石巷道全断面一次成型优点：月进尺为钻爆法的1.52.0倍，超挖量小于5，衬砌费用大幅节约，施工安全性与岩层适应性好适用对象：硬岩长大隧道(尤其适用于岩石破碎、高山缺氧、严寒等恶劣气候条件地区的隧道开挖)七、顶管法施工方法：采用液压油缸将预制管段顶入由切削刀盘或掘进机形成的钻孔中构成衬砌