地下結構設計原理及計算方法

1、一， 地下結構體系的組成及結構形式在保留上部地層(山體或土層)的前提下在開挖出能提供某種用途的地下空間內(nèi)修筑的建筑結構物，通稱為地下結構。 1地下結構體系的組成地下結構和地面結構物，如房屋、橋梁、水壩等一樣，都是一種結構體系，但兩者之間在賦存環(huán)境、力學作用機理等方面都存在著明顯的差異。地面結構體系一般都是由上部結構和地基組成。地基只在上部結構底部起約束或支承作用，除了自重外，荷載都是來自結構外部，如人群、設備、列車、水力等。而地下結構是埋入地層中的，四周都與地層緊密接觸。結構上承受的荷載來自于洞室開挖后引起周圍地層的變形和坍塌而產(chǎn)生的力，同時結構在荷載作用下發(fā)生的變形又受到地層給予的約束。在地

2、層穩(wěn)固的情況下，開挖出的洞室中甚至可以不設支護結構而只留下地層、如我國陜北的黃土窯洞，證實了在無支護結構的洞室中，圍巖本身就是承載結構。由于地下結構周圍的地層是干差萬別的，洞室是否穩(wěn)定不僅取決于巖石強度，而且取決于地層構造的完整程度。相比之下，周圍地層構造的完整性對洞室穩(wěn)定更有影響。各類巖土地層在洞室開挖之后，都具有一定程度的白穩(wěn)能力。地層自穩(wěn)能力較時地下結構將不受或少受地層壓力的荷載作用，否則地下結構將承受較大的荷載直至必須獨立承受全部荷載作用。因此周圍地層能與地下結構一起承受荷裁共同組成地下結構體系。地下結構的安全度百先取決于地下結構周圍的地層能否保持持續(xù)穩(wěn)定，并且應充分利用和更好地發(fā)揮圍

3、巖的承載能力。地下建筑結構都需要修建支護結構，即村砌，或稱為被覆。它是在坑道內(nèi)部修建的永久件支護結構。因此，支護結構有2個最基本的使用要求：一是滿足結構強度、剛度要求，以承受諸如水、土壓力以及一些特殊使用要求的外荷載；二是提供一個能滿足使用要求的工作環(huán)境，以便保持隧道內(nèi)部的干燥和清潔。這兩個要求是彼此密切相關的。2地下結構的形式 因為地下結構周圍的介質(zhì)是干差萬別的，所以不同地質(zhì)條件需要的支護結構形式會有很大的不同、它直接影響到地下結構上的荷載。因此，結構形式首先由受力條件來控制。通常按其使用目的有如下基本類型： (1)防護型支護 如頂部防護，這是開挖支護中最輕型者，它既小能阻止因巖變形，又不能

4、承受巖體壓力，而是僅用以封閉巖面，防止坑道周圍巖體質(zhì)量的進一步惡化。它通常是采用噴槳、噴混凝土或局部錨桿來完成的。 (2)構造性支護在基本穩(wěn)定的巖體中，加大塊狀巖體，坑道開挖后的圍巖可能出現(xiàn)局部掉塊；但在較長時間內(nèi)不會造成整個坑道的失穩(wěn)或破壞。支護結構的構造參數(shù)應滿足施工及構造要求。構造型支護通常采用噴混凝土、錨桿和金屬網(wǎng)、模筑混凝土等支護類型。（3）承載型支護承載型支護是坑道支護的主要類型。視坑道圍巖的力學動態(tài)，它可分為輕型、中型及重型等。襯砌綜合地質(zhì)、使用、施工因素襯砌的制造方式可歸納為下列幾種結構形式（1）就地灌注整體式混凝土襯砌 適用于礦山法施工，日圍巖可以在短時間內(nèi)穩(wěn)定，也通用于采用

5、明挖法施工的襯砌形式。襯砌的表面整齊美觀，進度快質(zhì)量容易控制。 采用礦山法施工時常用拱形結構形式這種結構大多數(shù)由上部拱圈、兩側(cè)邊墻和底部仰拱(或鋪底)組成。其上部拱圈的軸線采用多心圓或半圓形，邊墻可做成直邊墻或曲邊墻；當?shù)撞繅毫^大或有地下水時應做成帶仰拱的封閉式結構，如圖所示。根據(jù)地質(zhì)條件在巖層較堅硬、整體性較好的穩(wěn)定或基本穩(wěn)定的園巖中，可采用半襯砌，邊墻只設防護，施工時應保證拱腳巖層的穩(wěn)定性，當使用要求較大跨度時、可以做成落地拱采用明挖法施工常用的結構形式是矩形框架，其內(nèi)部根據(jù)使用目的設有梁、柱或中墻.沉埋法施工(亦稱水下明挖法)的襯砌結構形式，是在專門的制造場地頂制的，其結構形式與制造方

6、式有關。用明挖法施工修建的地下構筑物，需要有和地團連接的通道，它是由淺入深的結構，稱為引道，在無法修筑頂蓋的情況下通常都做成開敞式的。(2)錨噴支護常用于礦山法施工，它可以在坑道開挖后及時施設因此能有效地限制洞周位移保護作業(yè)人員的安全，避免局部產(chǎn)生過大的變形。(3)復合式襯砌 分2次修筑，中間加設薄膜防水層的襯砌稱為復合式村砌，復合式襯砌的外層常為錨噴支護，以利于及時架設，盡快位圍巖和初期支護達到基本穩(wěn)定。內(nèi)層常為現(xiàn)澆整體式混凝土襯砌、噴混凝土或噴鋼纖維混凝土襯砌、裝配式襯砌等不同的形式。(4)裝配式村砌由工廠預制、在洞內(nèi)拼裝而成的襯砌稱為裝配式襯砌，每一個村砌單元稱為管片。由數(shù)塊標淮塊,鄰接

7、塊,l塊封頂塊拼裝成一襯砌環(huán)再用縱向螺桂連接。用于盾構法施工的裝配式襯砌，由于在盾尾內(nèi)拼成圓環(huán)材砌，在盾構向前推進時要承受千斤頂推進的反力。同時，由于盾構的前進而便裝配好的襯砌環(huán)一旦暴露在盾尾外時，立即承受地層給予的壓力。故要求襯砌：能立即承受施工荷載和永久荷載，如圍巖壓力、機具壓力，后者包括盾構推進時的千斤頂壓力；有足夠的剛度和強度，不遠水、耐腐蝕，具有足夠的耐久性能；裝配安全、簡便、構件能互換，且在管片剛被推出盾尾后即刻要承受向襯砌背后注漿的壓力。支護結構計算理論支護結構計算理論的發(fā)展大概可分為3個階段1剛性結構階段運用壓力線理論。其認為地下結構是由一些剛性塊組成的拱形結構，所受的主動荷載

8、是地層壓力，當?shù)叵陆Y構處于極限平衡狀態(tài)時、它是由絕對剛體組成的三鉸拱靜定體系鉸的位置分別假設在墻底和拱頂其內(nèi)力可按靜力學原理進行計算。 這種計算理論認為，作用在支護結構上的壓力是其上覆巖層的重力?？梢宰鳛榇淼挠泻Ｄ防碚?、朗肯理論和金尼克理論。但是壓力線假設的計算方法缺乏理論依據(jù)，一般倩況偏于保守所設計的襯砌厚度將偏大很多。2彈性結構階段作用在結構上的荷載是主動的地層壓力，并考慮了地層對結構產(chǎn)生的彈性反力的約束作用。由于有了比較可靠的力學原理為依據(jù)，故至今在設計地下結構時仍時有采用。這類計算理論認為、當?shù)叵陆Y構埋置深度較大時作用在結構上的壓力不是上覆巖層的重力而只是團巖坍落體積內(nèi)松動巖體的重力

9、松動壓力。代表的有太沙基理論和普氏理論，他們的共同觀點是：認為坍落體積的高度與地下工程跨度和圍巖性質(zhì)有關。不同之處是前者認為坍落體為矩形，后者認為是拋物線形。其對于圍巖自身承載能力的認識又分為以下2個階段；(1)假定彈性反力階段地下結構襯砌受到地層對其變形的約束作用。地層對襯砌的約束作用力就稱之為彈性反力。這樣計算理論便進入了假定彈性反力階段.(2)彈性地基梁階段由于假定彈性反力法對其分布圖形的假定有較大的任意性。人們開始研究將邊墻視為彈性地基粱的結構計算理論 3連續(xù)介質(zhì)階段這種計算方法以巖體力學原理為基礎，認為坑道開挖后向洞室內(nèi)變形而釋放的圍巖壓力將由支護結構與圍巖組成的地下結構體系共同承受

10、。一方面圍巖本身由于支護結構提供了一定的支護阻力，從而引起它的應力調(diào)整達到新的平衡；另一方面、由于支護結構阻止圍巖變形、它必然要受到圍巖給予的反作用力而發(fā)生變形。現(xiàn)代支護理論信傳統(tǒng)支護理論之間的區(qū)別主要表現(xiàn)在以下幾方面：1)對圍巖和圍巖壓力的認識方面 傳統(tǒng)支護理論認為圍巖壓力由洞室塌落的圍巖“松動壓力”造成，而現(xiàn)代支護理論認為圍巖具有白承能力，圍巖作用于支護上的壓力不是松動壓力而是阻止圍巖變形的形變壓力。(2)在圍巖和支護間的相互關系上傳統(tǒng)支護理論把圍巖和支護分開考慮圍巖當作荷裁。支護作為承裁結構，屬于荷載結構”體系，現(xiàn)代支護理論則將固巖和支護作為個統(tǒng)一二者組成“圍巖支護”結構體系共同參與工作

11、：(3)在支護功能和作用原理上傳統(tǒng)支護只是為了承受荷載，現(xiàn)代支護則是為了及時穩(wěn)定和加固圍巖c(4)在設計計算方法上傳統(tǒng)支護主要是確定作用在支護上的荷載現(xiàn)代支護設計的作用荷載是巖體地應力由圍巖和支護共同承載， (5)在支護形式和工藝上由于錨噴支護結構的大量使用，它可在圍巖松動之前及時加固團巖，其應用實踐給人們積累了豐富的經(jīng)驗新奧法是典型的代表。地下結構的計算特性 (1)必須充分認識地質(zhì)環(huán)境對地下結構設計的影響地下工程周圍的地質(zhì)體是工程材料、承載結構，同時又是產(chǎn)生荷載的來源 (2)地下結構施工因素和時間因素會極大地影響結構體系的安全性與地面結構不同，地下工程支護結構安全與否，既要考慮到支護結構能否

12、承載，又妥考慮困巖會不舍失穩(wěn)，這2種原因都能最終導致支護結構破壞 (3)地下工程支護結構設計的關鍵問題在于充分發(fā)揮圍巖自承力地下結構計算的力學模型1結構力學的計算模型(1)主動荷載模型它不考慮因巖與支護結構的相互作用因此、支護結構在主動荷載作用下可以自由變形，和地面結構的作用沒有什么不同。(2)主動荷載加固巖彈性約束的模型 它認為圍巖不僅對支護結構施加主動荷載而且由于圍巖與支護結構的相互作用還有支護結構施加被動的彈性反力。(3)實地量測荷載模式這是當前正在發(fā)展的一種模式，它是主動荷載模型的亞型，以實地量測荷載代替主動荷載。2連續(xù)介質(zhì)力學的計算模型也稱圍巖-結構模型。按連續(xù)介質(zhì)力學原理及變形協(xié)調(diào)

13、條件分別計算襯砌與圍巖中的內(nèi)力，并據(jù)以驗算地層的穩(wěn)定性和進行結構截面設計。 (1)現(xiàn)代支護結構原理 歸納起來現(xiàn)代支護結構原理包含的主要內(nèi)容有以下幾方面； 現(xiàn)代支護結構原理是建立在圍巖與支護共同作用的基礎上，即把圍巖與支護看成是由2種材料組成的復合體且把圍巖通過巖體支承環(huán)作用成為結構體系的重要部分。顯然這完全不同與傳統(tǒng)支護結構的觀點：認為圍巖只產(chǎn)生荷載而不能承載，支護只是被動地承受已知荷載而起不到穩(wěn)定圍巖和改變圍巖壓力的作用。充分發(fā)揮圍巖自承能力是現(xiàn)代支護結構原理的一個基本觀點以改善支護的受力性能。發(fā)揮固巖的自承能力，一方面不能讓圍巖進入松動狀態(tài)，以保持圍巖的自承力；另一方面允許圍巖進入一定程度

14、的塑性狀態(tài)，以使圍巖自承力得以最大限度的發(fā)揮。當圍巖洞壁位移接近允許變形值，圍巖壓力就達到最小值。圍巖剛進入塑性狀態(tài)時能發(fā)揮最大自承力這一點已從第2章圍巖的工程性質(zhì)中巖石、軟弱結構面和巖體的應力應變曲線予以說明。現(xiàn)代支護結構原理的另一個支護原則是盡量發(fā)揮支護材料本身的承載力。采用柔性薄型支護分次支護或封閉支護以及深入到圍巖內(nèi)部進行加固的錨桿支護，都具有充分發(fā)揮圍巖材料承載力的效用。根據(jù)地下工程的特點和當前技術水平，現(xiàn)代支護結構原理主張憑借現(xiàn)場監(jiān)控測試手段指導設計和施工，并由此確定最佳的支護結構形式、支護參數(shù)、施工方法與施工時機。因此現(xiàn)場監(jiān)控量測和監(jiān)控設計是現(xiàn)代支護結構原理中的一項重要內(nèi)容。 現(xiàn)

15、代支護原理結構要求按巖體的不同地質(zhì)和力學特征選用不同的支護方式、力學模型、相應N1L算方法以及不同的施工方法。如穩(wěn)定地層、松散軟弱地層、塑性流變地層、膨脹地層都應當采用不同的設計原則和施工方法。而對于作用在支護結構上的變形壓力、松動壓力及不穩(wěn)定塊體的荷載等都應當采用不同的計算方法。 (2)理想支護結構的基本要求必須能與周圍巖體大面積地牢固接觸，即保證支護碉巖體系作為一個統(tǒng)一的整體工作。要允許支護圍巖體系產(chǎn)生有限制的變形，以充分發(fā)揮圍巖的承載能力，從而減少支護結構的作用，協(xié)調(diào)地發(fā)揮兩者的共同作用。這就要求對支護結構的剛度、構造給予充分的注意即要求支護結構宵一定的柔性或可縮性c重視早期支護的作用，

16、并使早期支護與后期支護相互配合，協(xié)調(diào)一致地工作，主動控制圍巖的變形。前面已經(jīng)指出圍巖的變形是隨時間的推移而逐漸發(fā)展的因此在開挖的早期要適別地進行初期支護其剛度不宜過大應能讓圍巖產(chǎn)生一定的變形。必須保證支護結構架設及時。前面已指出支護過晚會使圍巖暴露、產(chǎn)生過度的位移而瀕臨破壞(極限平衡)。因此，支護應在坑道圍巖達到極限平衡之前開始發(fā)揮作用。作為支護結構要根據(jù)圍巖的動態(tài)(位移、應力等)及時進行調(diào)整和修改，以適應不斷變化的同巖狀態(tài)。2支護結構的類型支護結構的基本作用就是保持坑道斷面的使用凈空，防止巖體質(zhì)量的進一步惡化，和圍巖一起組成個有足夠安全度的隧道結構體系承受可能出現(xiàn)的各種荷載，諸如水、土壓力以

17、及一些待殊使用要求的外荷載，此外、支護結構必須能夠提供一個能滿足使用要求的工作環(huán)境，保持隧道內(nèi)的干燥與清潔。按支護作用機理，目前采用的支護大致可以歸納為以下3類。(1)剛性支護結構這類文護結構通常具有足夠大的剛性和斷面尺寸，一般用來承受強大的松動地樂。但只要可能，就應避免松動壓力的發(fā)生。剛性支護只有很小的柔性而且?guī)缀蹩偸峭耆淖o，這類支護通常采用現(xiàn)澆混凝土，有的采用石砌塊或混凝土砌塊。從構造上看，它侖貼壁式結構和離壁式結構2種。2)柔性支護結構柔性支護結構是根據(jù)現(xiàn)代支護原理而提出來的，它既能及時地進行支護，限制圖巖過大變形而出現(xiàn)松動，又允許圍巖出現(xiàn)定的變形，同時還能根據(jù)圍巖的變化情況及時調(diào)整參

18、數(shù)。所以，它是適應現(xiàn)代支護原理的文護形式。鉗噴支護是一種主要的柔性支護類型.(3)復合式支護結構復合式文護結構是柔性支護與剛性支護的組合支護結構，最終支護是剛性支護。復合式支護結構是根據(jù)支護結構原理中需要先柔后剛的思想通常初期支護一般采用鉗噴支護，讓圍巖釋放掉大部分變形和應力，然后再施加二次襯砌，一般采用現(xiàn)撓混凝土支護或高強鋼架承受余下的圍巖變形和地壓以維持圍巖穩(wěn)定。 根據(jù)復合式襯砌層與墻之間的傳力性能又可以分為單層襯砌和雙層襯砌。 雙層襯砌是由初期支護、二次襯砌以及2層村砌之間的防水層組成。設置二次襯砌的有2種情況，一種是待初期支護的變形基本穩(wěn)定之后再設置二次襯砌。此時，二次襯砌承受后續(xù)荷載

19、，包括水壓力、圍巖和襯砌的流變荷載由于鉗桿等支護的失效而產(chǎn)生的圍巖壓力等。另種是根據(jù)需要較早地設置二次村砌特別是超淺埋陡道，對地表沉降有嚴格控制的情況下此時二次襯砌和初期支護共同承受圍巖壓力。3錨噴支護的組成及力學作用錨噴支護屬柔性薄型支護容易調(diào)節(jié)圍巖變形，發(fā)揮圍巖白承能力。雖然噴混凝土自身屬于脆性材料，但由于工藝上的原因，它可以做到噴得很薄，而且還可通過分次噴層的方法進步發(fā)揮噴層的柔性。錨桿支護也是柔性支護。試驗表明由鉗桿加固的巖體可以允許有較大變形而不破壞。因此錨噴支護具有比傳統(tǒng)支護更好的調(diào)控圍巖變形的作用。錨噴支護的另一個優(yōu)點是能充分發(fā)揮支護材料的承載能力。由于噴層柔性大且與圍巖緊密粘結

20、因此噴層破壞主要是受壓或受剪破壞，它比受彎破壞的傳統(tǒng)支護結構更能發(fā)揮混凝土承載能力：同時，采用分次噴層施工方法，也能起到提高承載力的作用。綜上所述，錨噴支護的工藝特點使它具有支護及時性、梁性、圍巖與支護的密貼性封,閉性、施工的靈活性等，從而充分發(fā)揮圍巖的自承作用和材料的承載作用。(1)噴混凝上支護噴混凝土為永久性的支護結構的一部分是現(xiàn)代隧道建造中支護結構的主要形式。噴混凝土支護主要用作早期支護，對通風阻力要求不高的隧道也可用作后期支護。噴射混凝土的材料通常有以下幾種類型：1, 普通噴射混凝十；普通噴射混凝土出水泥、砂、石和水按一定比例混合而成。2, 水泥裹砂石造殼噴射混凝土c3, 鋼纖維噴射混凝土。(2)錨桿錨桿是種特殊的支護類型它主要是起加固巖體的作用，只有預應力錨桿才能形成主動的支護阻力。(3)金屬網(wǎng)金屬網(wǎng)有以下3種形式：金屬網(wǎng)板。金屬網(wǎng)板使用薄鋼板經(jīng)冷沖壓或熱沖壓制成，網(wǎng)眼呈菱形或方形。焊接金屬網(wǎng)：焊接金底網(wǎng)是由直徑68mm的鋼筋焊接而成的。編織金屬網(wǎng)。編織金屬網(wǎng)