地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

1、二 地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容、流程地下結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的發(fā)展常用的地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法目前地下結(jié)構(gòu)計(jì)算方法1、地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)流程襯砌截面尺寸的初步擬定交通隧道設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容內(nèi)容初步設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括：（一) 工程等級(jí)和要求，以及靜、動(dòng)荷載標(biāo)準(zhǔn)的確定；（二) 確定埋置深度與施工方法；（三) 初步設(shè)計(jì)荷載值；（四）選擇建筑材料；（五）選定結(jié)構(gòu)型式和布置；（六）估算結(jié)構(gòu)跨度、高度、頂?shù)装寮斑厜穸鹊瘸叽纾ㄆ撸?繪制初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖；（八）估算工程材料數(shù)量及財(cái)務(wù)概算。 技術(shù)細(xì)節(jié)的主要內(nèi)容是：（一）計(jì)算荷載：按地層介質(zhì)類別、建筑用途、防護(hù)等級(jí)、地震級(jí)別、埋置深度等求出作用在結(jié)構(gòu)上

2、的各種荷載值；（二）計(jì)算簡(jiǎn)圖：根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)和計(jì)算工具情況，擬出恰當(dāng)?shù)挠?jì)算圖式；（三）內(nèi)力分析：選擇結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算方法，得出結(jié)構(gòu)各控制設(shè)計(jì)截面的內(nèi)力；（四）內(nèi)力組合：在各種荷載內(nèi)力分別計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)最不利的可能情況進(jìn)行內(nèi)力組合，求出各控制界面的最大設(shè)計(jì)內(nèi)力值；（五）配筋設(shè)計(jì)：通過截面強(qiáng)度和裂縫計(jì)算得出受力鋼筋，并確定分布鋼筋與架立鋼筋；（六）繪制結(jié)構(gòu)施工詳圖：如結(jié)構(gòu)平面圖、構(gòu)件配筋圖、節(jié)點(diǎn)詳圖，風(fēng)、水、電和其他內(nèi)部設(shè)備的預(yù)埋件圖；（七）材料、工程數(shù)量和工程財(cái)務(wù)預(yù)算。流程 (1)初步擬定截面尺寸 根據(jù)施工方法選定結(jié)構(gòu)形式和布置，根據(jù)荷載和使用要求估算結(jié)構(gòu)跨度、高度、頂?shù)装寮斑厜穸鹊戎饕叽纭?(

3、2)確定其上作用的荷載 要根據(jù)荷載作用組合的要求進(jìn)行，需要時(shí)要考慮工程的防護(hù)等級(jí)、三防要求與動(dòng)載標(biāo)準(zhǔn)的確定。 (3)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性驗(yàn)算 地下結(jié)構(gòu)埋深較淺又位于地下水位線以下時(shí)，要進(jìn)行抗浮驗(yàn)算；對(duì)于敞開式結(jié)構(gòu)(墻式支擋結(jié)構(gòu))要進(jìn)行抗傾覆、抗滑動(dòng)檢算。 (4)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算 選擇與工作條件相適宜的計(jì)算模式和計(jì)算方法，得出結(jié)構(gòu)各控制截面的內(nèi)力。 (5)內(nèi)力組合 在各種荷載作用下分別計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力的基礎(chǔ)上，對(duì)最不利的可能情況進(jìn)行內(nèi)力組合，求出各控制截面的最大設(shè)計(jì)內(nèi)力值，并進(jìn)行截面強(qiáng)度檢算。 (6)配筋設(shè)計(jì) 通過截面強(qiáng)度和裂縫寬度的核算得出受力鋼筋量，并確定必要的構(gòu)造鋼筋。 (7)安全性評(píng)價(jià) 若結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性或

4、截面強(qiáng)度不符合安全度的要求時(shí)，需要重新擬定截面尺寸，并重復(fù)以上各個(gè)步驟，直至各截面均符合穩(wěn)定性和強(qiáng)度要求為止。 (8)繪制施工設(shè)計(jì)圖 當(dāng)然，并不是所有的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算都包括上述的全部，要根據(jù)具體情況加以取舍。 運(yùn)營(yíng)管理設(shè)施設(shè)計(jì)：1、隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)3、隧道消防及給水、排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)4、隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)5、隧道監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)6、隧道防災(zāi)與救援設(shè)計(jì)7、隧道安全設(shè)施設(shè)計(jì)8、隧道綠化與景觀設(shè)計(jì)土建工程設(shè)計(jì)：1、總體設(shè)計(jì)（平縱橫設(shè)計(jì)）2、洞口段設(shè)計(jì)(洞門、明洞)3、隧道襯砌設(shè)計(jì)4、豎井斜井等通風(fēng)構(gòu)造物設(shè)計(jì)5、隧道防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)6、輔助施工方法設(shè)計(jì)7、橫洞及溝管等附屬工程設(shè)計(jì)8、施工開

5、挖方法設(shè)計(jì)9、路基路面設(shè)計(jì)10、監(jiān)控量測(cè)方案設(shè)計(jì)11、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案設(shè)計(jì)12、施工組織方案設(shè)計(jì)四、 交通隧道設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容各類隧道斷面尺寸 各類隧道毛洞尺寸（寬*高） 鐵路單線隧道：7*6.5m鐵路雙線隧道：10*7m鐵路三線隧道：14*10m公路雙車道隧道：12*9m公路三車道隧道：17*11m公路四車道隧道：21*14m四車道連拱隧道：24*7m六車道連拱隧道：33*12m八車道連拱隧道：37*14m地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須通過適當(dāng)?shù)挠?jì)算，以得到科學(xué)合理方案 2 地下結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的發(fā)展結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)容 (1)橫斷面的設(shè)計(jì) 在地下結(jié)構(gòu)物中，一般結(jié)構(gòu)的縱向較長(zhǎng)，橫斷面沿縱向通常都是相同的。沿縱向在

6、一定區(qū)段上作用的荷載也可認(rèn)為是均勻不變的。同時(shí)認(rèn)為高度和寬度也不大，變形總是沿短方向傳遞?？烧J(rèn)為荷載主要由橫斷面承受，即通常沿縱向截取1m的長(zhǎng)度作為計(jì)算單元，如下圖所示，從而將個(gè)空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成單位延米長(zhǎng)的平面結(jié)構(gòu)按平面應(yīng)變進(jìn)行分析。 結(jié)構(gòu)橫斷面計(jì)算簡(jiǎn)化 (2)隧道縱向的設(shè)計(jì) 工程實(shí)踐表明，由于隧道縱向很長(zhǎng)，為避免由于溫度變化、混凝土固結(jié)的不均勻收縮、地基的不均勻沉降等原因引起的隧道開裂。須設(shè)置伸縮縫或沉降縫，統(tǒng)稱變形縫。 隧道縱向需配鋼筋(3)洞口或交叉隧洞的設(shè)計(jì) 考慮洞口類型、交叉段應(yīng)力集中及防水要求。 地下建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的發(fā)展歷史至今已有百余年，它與巖土力學(xué)的發(fā)展有著密切的關(guān)系，十九世紀(jì)

7、初才逐漸形成自己的計(jì)算理論。早期的地下支護(hù)結(jié)構(gòu)多為砌石或木結(jié)構(gòu)，一般未經(jīng)力學(xué)分析和設(shè)計(jì)。直到近代結(jié)構(gòu)力學(xué)原理逐步闡明后，地下支護(hù)結(jié)構(gòu)才被看作是一種力學(xué)結(jié)構(gòu)，通過一定的力學(xué)分析進(jìn)行設(shè)計(jì)，以求達(dá)到合理使用建筑材料并保證建筑物的穩(wěn)定與安全的目的。隨著新奧法理論的出現(xiàn)以及巖土力學(xué)、測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法的發(fā)展，地下建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算理論逐漸完善。 地下結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的發(fā)展分以下4個(gè)階段： 地下結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的發(fā)展（1）剛性結(jié)構(gòu)階段 以磚石材料砌筑的拱形結(jié)構(gòu)-壓力線計(jì)算理論（靜力學(xué)的三鉸拱靜定體系，偏于保守）。（2）彈性結(jié)構(gòu)階段 十九世紀(jì)后期，混凝土與鋼筋混凝土應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)，以超靜定彈性結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)力

8、：荷載是主動(dòng)的地層壓力，考慮地層對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彈性抗力的約束作用。（目前軟弱土層中還用） 又分為：假定彈性反力階段、彈性地基梁階段一、假定彈性反力階段 地下結(jié)構(gòu)襯砌在承受主動(dòng)荷載作用產(chǎn)生彈性變形的同時(shí)，將受到地層對(duì)其變形產(chǎn)生的約束作用。地層對(duì)襯砌變形的約束作用力就稱之為彈性反力。將地層對(duì)襯砌的約束按假設(shè)形式進(jìn)行考慮。缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)偏于不安全。二、彈性地基梁階段 由于假定抗力法對(duì)抗力圖形的假定帶有較大的任意性，人們開始將邊墻視為彈性地基梁。將隧道邊墻視為支承在側(cè)面和基底地層上的雙向彈性地基梁，即可計(jì)算在主動(dòng)荷載作用下拱圈和邊墻的內(nèi)力。（圖中K1、K2分別為地層壓力和底部反力產(chǎn)生的彈性抗力） （3）連續(xù)

9、介質(zhì)階段 人們認(rèn)識(shí)到地下結(jié)構(gòu)與地層是一個(gè)受力整體，20世紀(jì)起，逐漸開始按連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論(彈塑性力學(xué))計(jì)算地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力。主要使用彈性、彈塑性、粘彈塑性理論對(duì)圓形隧道進(jìn)行分析。解析計(jì)算很困難。 r rr0 （4）數(shù)值分析與信息反饋設(shè)計(jì)階段 數(shù)值分析方法： 用有限元法、有限差分法、邊界元法、離散元法、數(shù)值流形法等數(shù)值方法及計(jì)算機(jī)手段分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形特征。Y=2xY=x5+x3以新奧法理論為基礎(chǔ)，采用錨桿與噴射混凝土支護(hù)工藝、控制爆破和監(jiān)控量測(cè)技術(shù)，將支護(hù)與圍巖共同作用、信息反饋原理應(yīng)用在地下工程中，形成現(xiàn)代信息化支護(hù)理論與技術(shù)。信息反饋設(shè)計(jì)從發(fā)展趨勢(shì)看，新奧法開創(chuàng)的理論經(jīng)驗(yàn)量測(cè)相結(jié)合的“信息化設(shè)

10、計(jì)”體現(xiàn)了地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展方向。 現(xiàn)代地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念與傳統(tǒng)理論的區(qū)別（1）對(duì)圍巖壓力的認(rèn)識(shí)方面?zhèn)鹘y(tǒng)支護(hù)理念認(rèn)為圍巖壓力由洞室塌落的圍巖“松動(dòng)壓力”造成，而現(xiàn)代支護(hù)理論則認(rèn)為圍巖具有自承能力，圍巖作用于支護(hù)上的壓力不是松動(dòng)壓力，而是圍巖變形的形變壓力。（2）在圍巖和支護(hù)間的相互關(guān)系上傳統(tǒng)支護(hù)理論把圍巖和支護(hù)分開考慮，圍巖當(dāng)作荷載，支護(hù)作為承載結(jié)構(gòu)，屬于“荷載結(jié)構(gòu)”體系。現(xiàn)代支護(hù)理論則將圍巖支護(hù)作為一個(gè)統(tǒng)一體，二者組成“圍巖支護(hù)”結(jié)構(gòu)體系共同工作。（3）在支護(hù)功能和作用原理上傳統(tǒng)支護(hù)只是為了承受荷載，現(xiàn)代支護(hù)則是為了及時(shí)穩(wěn)定和加固圍巖。（4）在設(shè)計(jì)計(jì)算方法上 傳統(tǒng)支護(hù)主要是確定作用在支

11、護(hù)上的荷載，現(xiàn)代支護(hù)設(shè)計(jì)主要是確定巖體地應(yīng)力，由圍巖和支護(hù)共同承載。（5）在支護(hù)形式和工藝上 現(xiàn)代支護(hù)理論的形成與發(fā)展，首先是由于錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)的大量使用，它可在圍巖松動(dòng)之前及時(shí)加固圍巖，其應(yīng)用實(shí)踐給人們積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。新奧法是典型的代表，尤其是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的應(yīng)用。到20世紀(jì)80年代又將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)與理論分析結(jié)合起來，發(fā)展成為一種適應(yīng)地下工程特點(diǎn)和當(dāng)前施工技術(shù)水平的新設(shè)計(jì)方法現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)計(jì)方法（也稱信息化設(shè)計(jì)方法） 目前工程中主要使用的工程類比設(shè)計(jì)法，也正在向著定量化、精確化和科學(xué)化方向發(fā)展。與對(duì)比文件1相比3 常用的地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 提綱：一力學(xué)分析法二工程類比法三新奧法思想與信息化設(shè)計(jì)法

12、四解析計(jì)算設(shè)計(jì)方法五不連續(xù)面分析方法六有限單元方法一 力學(xué)分析方法A力學(xué)分析過程：結(jié)構(gòu)分析（部件單獨(dú)分析部件組合分析建立分析模型）求解，計(jì)算應(yīng)力值確定允許極限與安全系數(shù)確定結(jié)構(gòu)尺寸。隧道力學(xué)法設(shè)計(jì)模型 B模型形式：結(jié)構(gòu)模型有幾種型式，數(shù)學(xué)模型或計(jì)算機(jī)模型一般要比光彈模型或三維物理模型節(jié)省費(fèi)用和時(shí)間。一旦確定一種模型，就可建立方程式，其解應(yīng)是獨(dú)立的、存在的、充分的和合適的。 C地下建筑結(jié)構(gòu)形式：工程地質(zhì)方面，地質(zhì)結(jié)構(gòu)（圍巖）可被看作是連續(xù)結(jié)構(gòu)或不連續(xù)結(jié)構(gòu)，而混凝土結(jié)構(gòu)一般看做連續(xù)結(jié)構(gòu)體。 D荷載特征：作用在結(jié)構(gòu)體上的荷載可能是不變的，也可能是變化的或呈與時(shí)間有規(guī)律性變化。其次，荷載的大小、方向、

13、作用點(diǎn)可能與時(shí)間有關(guān)，也可能與時(shí)間無關(guān)。結(jié)構(gòu)材料可能是脆性的、韌性的、彈塑的或粘彈塑性的，并表現(xiàn)為線性或非線性特征。二、工程類比法在現(xiàn)代地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，工程類比法仍是首要選擇的方法，對(duì)于滿足設(shè)計(jì)的可靠性起著十分重要的作用。工程類比法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是正確合理地確定圍巖類別。在國(guó)外比較有影響的方法是Q質(zhì)量指標(biāo)法、RMR法，在國(guó)內(nèi)常用國(guó)標(biāo)，我國(guó)交通、水電部門也提出了圍巖分類方法。若按新奧法施工，工程類比法設(shè)計(jì)所提出的參數(shù)，還必須根據(jù)量測(cè)反饋信息作適當(dāng)修正，才能應(yīng)用于實(shí)際。目前工程類比法還是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣的設(shè)計(jì)方法。三、新奧法與信息化設(shè)計(jì)新奧法（New Austria Tunneling Meth

14、od,簡(jiǎn)稱NATM）思想是一種設(shè)計(jì)與施工理念，其思想以工程類比法為主，并通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)確認(rèn)和修正，必要時(shí)可輔以理論驗(yàn)算。新奧法設(shè)計(jì)分施工前預(yù)設(shè)計(jì)和信息反饋設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。目前新奧法的設(shè)計(jì)方法以工程類比法應(yīng)用最廣，并以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)進(jìn)行工程檢驗(yàn)。 工程建設(shè)中，信息化設(shè)計(jì)與施工是一個(gè)新穎的發(fā)展方向，也是未來工程建設(shè)將采取的主要方法之一。信息化設(shè)計(jì)與施工基本原理：利用初步勘察得到地質(zhì)資料，采取數(shù)值模擬技術(shù)、理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)類比方法確定初步的設(shè)計(jì)方案，通過施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲得地質(zhì)資料、圍巖力學(xué)動(dòng)態(tài)、支護(hù)工作狀態(tài)的有關(guān)數(shù)據(jù)以及施工技術(shù)狀態(tài)（信息），再采取多種手段對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，來判斷圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)體系

15、的穩(wěn)定性和工作狀態(tài)，反饋于設(shè)計(jì)與施工，從而選擇和修正開挖、支護(hù)參數(shù)，使隧道的建設(shè)達(dá)到優(yōu)化。信息化設(shè)計(jì)與施工的核心：信息的采集、整理和反饋。 四、 解析計(jì)算設(shè)計(jì)方法 解析計(jì)算設(shè)計(jì)方法是以彈、塑性理論為基礎(chǔ)，視圍巖介質(zhì)為連續(xù)介質(zhì)，通過應(yīng)力應(yīng)變的概念達(dá)到設(shè)計(jì)目的。 解析法內(nèi)容包括原位應(yīng)力的分析和因開挖使圍巖應(yīng)力重新分布（只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)，隧道為圓形，埋于相當(dāng)深度，為無限平面中的孔洞問題），造成巖體強(qiáng)度的損失。 在開挖前的地質(zhì)條件下，巖體處三軸應(yīng)力狀態(tài)。開挖后原三軸應(yīng)力狀態(tài)減為二軸應(yīng)力或單軸應(yīng)力狀態(tài)，這使得巖體的承載能力大大減小。 地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法8.解析設(shè)計(jì)計(jì)算方法圖8巖體力學(xué)方法分析流程圖8-彈塑

16、性區(qū)交面的應(yīng)力平衡圖8-計(jì)算微元受力平衡圖襯砌層五 不連續(xù)面分析方法 巖體中存在不連續(xù)體，如層理面、節(jié)理、斷層、褶皺、剪切區(qū)、礦層、礦脈和裂縫等結(jié)構(gòu)。這些不連續(xù)體與洞室開挖面可能形成一個(gè)不穩(wěn)定并會(huì)滑落的塊體，若使用錨桿或其它外部支護(hù)或注水泥漿將該塊體穩(wěn)固在它的初始位置，就能增加該塊體與其它塊體接觸面間的自鎖能力和剪切力。 Goodman(1988)指出，使圍巖穩(wěn)定，需要確定對(duì)穩(wěn)定起關(guān)鍵作用的塊體“Key block”，他認(rèn)為，關(guān)鍵塊體是一個(gè)單個(gè)塊體，去掉它，會(huì)使得受它控制的幾個(gè)其它塊體產(chǎn)生無法控制的滑動(dòng)。因此，必須用錨桿或其它支護(hù)系統(tǒng)控制有滑動(dòng)趨勢(shì)的塊體，在應(yīng)力作用下，軟巖塊體會(huì)產(chǎn)生新的裂縫，

17、因而就產(chǎn)生新的關(guān)鍵塊體。 不連續(xù)面分析方法應(yīng)用于地下工程分析的主要特點(diǎn)有：（1）三維分析，這更能反映地下工程的實(shí)際特點(diǎn)；（2）可以直接指出洞室中最危險(xiǎn)的關(guān)鍵塊體位置，并估算支護(hù)力。因此可直接用于施工過程的及時(shí)分析：（3）無需劃分精確的網(wǎng)格和單元：（4）只考慮節(jié)理面的剪切強(qiáng)度，而不考慮巖體的本身強(qiáng)度和變形：（5）分析方法以矢量運(yùn)算和赤平投影為主，使用簡(jiǎn)單而方便，易于編程。 關(guān)鍵塊體理論把存在于裂隙巖體中的塊體分為以下五種可能的類型：分析過程和步驟如下：（1）通過結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、間距，巖芯長(zhǎng)度等幾何因素的分析，采用有限性定理和可動(dòng)性定理排除第V類和第IV類塊體;（2）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定塊體在重力和

18、外力作用下的運(yùn)動(dòng)形式排除第III類塊體;（3）根據(jù)滑動(dòng)面的物理力學(xué)特性進(jìn)行力學(xué)分析，求出各可移動(dòng)塊體的凈滑動(dòng)力。若凈滑動(dòng)力小于零，則說明是第II類塊體；大于或等于零，則說明該塊體是關(guān)鍵塊體（I類）。這種分析可采用空間矢量運(yùn)算法和赤平投影法作圖求解；（4）設(shè)計(jì)支護(hù)方案，使支護(hù)力大于凈滑力。六、有限元法有限元法的基本思想是將連續(xù)體用網(wǎng)絡(luò)劃分成若干個(gè)有限數(shù)目的單元體 ，計(jì)算荷載作用下每個(gè)單元上的應(yīng)力應(yīng)變等力學(xué)參數(shù)。 有限單元法是自上世紀(jì)50年代發(fā)展至今，其以彈塑性力學(xué)作為理論基礎(chǔ)，通過求解彈塑性力學(xué)方程（物理方程、幾何方程、平衡方程），計(jì)算隧道圍巖體在一定的環(huán)境條件（自重、荷載等）下的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)

19、，然后根據(jù)相應(yīng)的巖土體破壞準(zhǔn)則，判斷隧道圍巖體各相應(yīng)部位在該應(yīng)力作用下所處的狀態(tài)，并指出可能發(fā)生破壞（拉張破壞、剪切破壞、塑性破壞等）的部位和區(qū)域，以此對(duì)整個(gè)隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于這種方法是基于小變形和連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)，因此只適用于分析模擬隧道變形發(fā)展演化的早期階段在應(yīng)力場(chǎng)作用下發(fā)生的拉張或壓縮變形，而不能模擬分析隧道圍巖體的大變形問題。 4 目前地下結(jié)構(gòu)計(jì)算方法前述設(shè)計(jì)方法發(fā)展階段4.1 概述4.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算方法 4.3 設(shè)計(jì)模型與計(jì)算方法 4.4 地下結(jié)構(gòu)計(jì)算原理和設(shè)計(jì)方法中的新進(jìn)展 4.1 概述 4.1.1地下結(jié)構(gòu)的分類按照結(jié)構(gòu)形式的不同，地下結(jié)構(gòu)可分為五大類： (1) 拱形結(jié)構(gòu)

20、按其適用范圍和構(gòu)造形式又可分為噴錨襯砌、半襯砌、厚拱薄墻襯砌、直墻拱襯砌、曲墻拱襯砌、落地拱襯砌和雙連拱襯砌等拱形結(jié)構(gòu)。（2）圓形和矩形管狀結(jié)構(gòu)軟土中的地下鐵道或穿越江、河底的越江隧道常采用圓形和矩形管狀結(jié)構(gòu)，一般做成裝配式的管片或管節(jié)，在施工時(shí)利用盾構(gòu)、頂管或沉管法掘進(jìn)或沉放施工。（3）框架結(jié)構(gòu)軟土中淺埋明挖施工的地下鐵道車站常采用箱形結(jié)構(gòu)，計(jì)算這種結(jié)構(gòu)常采用框架的計(jì)算理論并稱之為框架結(jié)構(gòu)。軟土中的地下廠房、地下醫(yī)院或地下指揮所也常采用框架結(jié)構(gòu)。（4）薄殼結(jié)構(gòu)巖石中地下油庫罐室的頂蓋多采用穹頂，軟土中的地下廠房有的采用圓形沉井結(jié)構(gòu)，其頂蓋也可用穹頂。（5）異形結(jié)構(gòu)異形結(jié)構(gòu)指非圓形和非矩形管狀

21、結(jié)構(gòu)，在軟土地層中采用盾構(gòu)法施工時(shí)有雙圓形襯砌結(jié)構(gòu)、三圓形襯砌結(jié)構(gòu)、橢圓形襯砌結(jié)構(gòu)等。圖 3-7 拱形結(jié)構(gòu)2006-10-11圓形和矩形管狀結(jié)構(gòu)可分為整體式和裝配式兩種： 圖 3-8 襯砌結(jié)構(gòu)形式圖 3-9 裝配式襯砌結(jié)構(gòu)圖 3-10 裝配式圓管結(jié)構(gòu)的構(gòu)造框架結(jié)構(gòu)異形結(jié)構(gòu)a 雙圓盾構(gòu)b 三圓盾構(gòu)圖 3-11 異形盾構(gòu)圖4 北京天外天地下商場(chǎng)暗挖五跨連拱隧道54.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算方法按襯砌與地層相互作用方式的不同，地下結(jié)構(gòu)計(jì)算方法大致可分為兩類：1）荷載結(jié)構(gòu)法；2）地層結(jié)構(gòu)法。 4.2.1荷載結(jié)構(gòu)法 認(rèn)為地層對(duì)結(jié)構(gòu)的作用只是產(chǎn)生作用在地下結(jié)構(gòu)上的荷載（包括主動(dòng)的地層壓力和被動(dòng)的地層抗力）以計(jì)算

22、襯砌在荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形的方法稱為荷載結(jié)構(gòu)法，該方法有時(shí)又稱為結(jié)構(gòu)力學(xué)法。 荷載結(jié)構(gòu)法又有以下三種模式：主動(dòng)荷載模式 不考慮地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用。該計(jì)算模式主要適用于采用淺埋暗挖或明挖法施工的城市地鐵及明洞工程。主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載模式 認(rèn)為地層不僅對(duì)結(jié)構(gòu)施加主動(dòng)荷載，而且通過支護(hù)抗力來約束支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。適用于任何形式的地層條件。實(shí)際荷載模式 采用量測(cè)儀器實(shí)地量測(cè)作用在襯砌上的荷載大小，該數(shù)值綜合反映了地層與襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用。某一種實(shí)地量測(cè)的荷載，只能適用于與其類似的情況（包括地層、襯砌及回填）。 實(shí)際工程中，主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載模式應(yīng)用較多。 主動(dòng)荷載又可分為主要荷載、附加荷

23、載、偶然荷載以及特殊荷載等。(a)主要荷載 即長(zhǎng)期的、經(jīng)常作用的荷載，如地層壓力、支護(hù)結(jié)構(gòu)的自重、地下水壓力及活載等。 應(yīng)當(dāng)指出，在圍巖分類及確定圍巖壓力的研究中，工程類比法起著不容忽視的作用。 靜水壓力可按低水位考慮。 對(duì)于沒有仰拱的襯砌結(jié)構(gòu)，車輛活載直接傳給地層。對(duì)于設(shè)有仰拱的襯砌結(jié)構(gòu)，車輛活載對(duì)拱、墻結(jié)構(gòu)的受力影響根據(jù)具體情況而定，一般可略去不計(jì)。(b)附加荷載 即偶然的、非經(jīng)常作用的荷載，如溫差應(yīng)力，灌漿壓力，凍脹力及地震力等。 其中主要的是地震力，其計(jì)算按照相關(guān)的抗震規(guī)范取值設(shè)計(jì)。民防地下工程則考慮武器的沖擊、侵徹、爆炸作用引起的動(dòng)力荷載。 計(jì)算荷載應(yīng)根據(jù)以上兩類荷載同時(shí)存在的情況進(jìn)

24、行組合。 一般主要考慮主要荷載，只有在某些特殊情況，如7級(jí)以上地震區(qū)，或嚴(yán)寒地區(qū)凍脹性土壤的洞口段襯砌，按主要荷載加附加荷載來驗(yàn)算結(jié)構(gòu)，但此時(shí)可采用較低的安全系數(shù)。民防工程則應(yīng)依設(shè)防等級(jí)確定附加動(dòng)載及等效靜載。 隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算的主要內(nèi)容有：按工程類比法初步擬定襯砌斷面的幾何尺寸，確定作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載；進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，求出襯砌截面的內(nèi)力（彎矩和軸力）；對(duì)截面進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)襯砌截面的承載安全系數(shù)K值。 早年有彈性連續(xù)框架（含拱形構(gòu)件）法、假定抗力法和彈性地基梁（含曲梁）法等 按采用的地層變形理論的不同分為局部變形理論計(jì)算法和共同變形理論計(jì)算法。 由于采用荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算是一個(gè)非線性

25、問題，可以采用簡(jiǎn)化假定或迭代求解。4.2.2 地層結(jié)構(gòu)法 認(rèn)為襯砌與地層一起構(gòu)成受力變形的整體，并可按連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理來計(jì)算襯砌和周邊地層的計(jì)算方法，稱這種方法為地層結(jié)構(gòu)法。地層結(jié)構(gòu)法認(rèn)為地下結(jié)構(gòu)周圍的地層不僅能對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載，而且其自身也能承受荷載，地下結(jié)構(gòu)是否安全可靠，首先取決于周圍地層的穩(wěn)定狀態(tài)。地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算的特點(diǎn)是，不僅計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，而且計(jì)算洞室周圍地層的應(yīng)力。 只是對(duì)圓形洞室的解析解發(fā)展比較完善。 由于材料非線性、幾何非線性、節(jié)理和其它不連續(xù)特征以及開挖效應(yīng)等許多復(fù)雜的工程因素，一般只能借助有限單元法等數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算。 4.3 設(shè)計(jì)模型與計(jì)算方法4.3.1設(shè)計(jì)模型1.世界各國(guó)隧道設(shè)計(jì)模型 國(guó)際隧道協(xié)會(huì)(ITA)在1978年成立了隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型研究組，收集和匯總了各會(huì)員國(guó)目前采用的設(shè)計(jì)地下結(jié)構(gòu)的方法，結(jié)果列于表1-1。經(jīng)過總結(jié)，國(guó)際隧協(xié)認(rèn)為可將其歸納為以下四種模型： (1) 以參照已往隧道工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工程類比為主的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法；(2) 以現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)為主的實(shí)用設(shè)計(jì)方法，例如以洞周位移量測(cè)值為根據(jù)的