地下建筑結(jié)構(gòu)地道式結(jié)構(gòu)

第一節(jié)概述第二節(jié)土層壓力第三節(jié)單層單跨拱形結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算第四節(jié)單跨雙層和單層多跨連拱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和計(jì)算第五節(jié)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題第四章地道式結(jié)構(gòu)第一節(jié)概述地道式結(jié)構(gòu)的概念地道式結(jié)構(gòu)的分類按建造方法分按建筑材料分按結(jié)構(gòu)形式分單層單跨拱形結(jié)構(gòu)單跨雙層和單層多跨的拱形結(jié)構(gòu)地道式結(jié)構(gòu)的施工方法：礦山法適用條件up

在土層中采用礦山法開挖出（人工或機(jī)械）所需空間后，為保持這一空間修筑的永久性襯砌。它主要承受周圍地層的變形或坍塌而產(chǎn)生的垂直土層壓力和較大的側(cè)向土層壓力。1—磚塊；2—預(yù)制混凝土塊；3—毛料石；4—混凝土塊或磚塊；5—預(yù)制鋼筋混凝土拱；6—漿砌毛石；7—混凝土墻或磚墻；8—鋼筋混凝土基礎(chǔ)板；9—回填料；10—T型鋼筋混凝土拱板；11—糟形鋼筋混凝土拱板地道式結(jié)構(gòu)的概念back地道式結(jié)構(gòu)的分類按建造方法分：整體式混合式裝配式按建筑材料分：磚石混凝土鋼筋混凝土：跨度較大或荷載較大時(shí)采用back（一）單層單跨拱形結(jié)構(gòu)(P57)按襯砌斷面形式常分為曲墻拱、直墻拱和落地拱。按拱軸線的形狀：割圓、半圓、三心拱單跨拱形結(jié)構(gòu)的跨度一般為1.5～6.0m，覆土層厚3.0～20m地道式結(jié)構(gòu)的分類——按結(jié)構(gòu)形式分三心拱由三段圓弧組成的拱，中弧半徑小,兩側(cè)圓弧半徑大。頂弧的圓心在側(cè)弧兩個(gè)圓心連線的垂直平分線上,且頂弧半徑R1小于側(cè)弧半徑R2,側(cè)弧半徑R2大于巷道凈寬B的一半,且R1和R2都垂直頂弧與側(cè)弧的搭接點(diǎn)。可使應(yīng)力分布均勻,改善拱肩連接back（二）單跨雙層和單層多跨連拱結(jié)構(gòu)如結(jié)構(gòu)的跨度要求很大，設(shè)計(jì)單跨拱形結(jié)構(gòu)不經(jīng)濟(jì)，施工又有困難采用的礦山法，又可分階梯全斷面開挖、先墻后拱和先拱后墻等方法第一節(jié)概述back地道式結(jié)構(gòu)的施工方法礦山法——minetunnellingmethod用開挖地下坑道的作業(yè)方式修建隧道的施工方法。礦山法是一種傳統(tǒng)的施工方法。

它的基本原理是，隧道開挖后受爆破影響，造成巖體破裂形成松弛狀態(tài)，隨時(shí)都有可能坍落?；谶@種松弛荷載理論依據(jù)，其施工方法是按分部順序采取分割式一塊一塊的開挖，并要求邊挖邊撐以求安全，所以支撐復(fù)雜，木料耗用多。隨著噴錨支護(hù)的出現(xiàn)，使分部數(shù)目得以減少，并進(jìn)而發(fā)展成新奧法。礦山法的分類按襯砌施工順序，可分為先拱后墻法及先墻后拱法兩大類

礦山法的常用方法有:臺(tái)階法、CD工法(跨度大)、CRD工法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(眼鏡)工法、聯(lián)拱隧道中洞法。

back先拱后墻法及先墻后拱法backCD、CRD工法臨時(shí)仰拱？back雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和聯(lián)拱隧道中洞法back適用條件第四紀(jì)中等強(qiáng)度地層，地下水影響不大的情況；有承壓水或淤泥、流砂等軟弱地層時(shí)，不宜采用。上海地層為第四紀(jì)沉積層，其中0~40m深度內(nèi)均為軟弱地層，主要為粘土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉砂土等，這類土顆粒微細(xì)、固結(jié)度低，具有高容水性、高壓縮性、易塑流等特性。北京地層多處于人工回填及第四紀(jì)沉積的黏性土、砂類土之中，地下水埋藏深度大，覆土厚度0.6～1.0m。back第四紀(jì)多為中等強(qiáng)度地層概念開挖土質(zhì)地道前后，由于它周圍地層的變形或坍塌而施加于支撐或襯砌結(jié)構(gòu)上的壓力地道開挖前后的應(yīng)力狀態(tài)及其變形土洞的局部穩(wěn)定性評(píng)價(jià)土層壓力計(jì)算淺埋和深埋的界限第二節(jié)土層壓力開挖前的土中的應(yīng)力狀態(tài)垂直土壓力側(cè)向土壓力開挖后的土中的應(yīng)力狀態(tài)及其變形圓洞周圍的應(yīng)力狀態(tài)直墻半圓拱周圍的應(yīng)力狀態(tài)地道開挖后的變形及其控制一、地道開挖前后的應(yīng)力狀態(tài)及其變形up垂直土壓力側(cè)向土壓力側(cè)向土壓力系數(shù)地道開挖前的應(yīng)力狀態(tài)back開挖后，改變了地層的原始應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)用彈性理論分析土洞周邊應(yīng)力狀態(tài)。圓形地道開挖后的應(yīng)力狀態(tài)圓形地道周圍σθ的變化back地道式結(jié)構(gòu)中常用直墻半圓拱的洞周切向應(yīng)力近似計(jì)算公式開挖后直墻半圓拱的洞周切向應(yīng)力研究點(diǎn)的應(yīng)力系數(shù)，查表4-1back土層的膨脹變形切向應(yīng)力超過(guò)土體強(qiáng)度，在外側(cè)徑向應(yīng)力共同作用下，地層向土洞內(nèi)變形，使土洞幾何形狀產(chǎn)生向洞內(nèi)縮小的現(xiàn)象。在變形劇烈時(shí)，彈性理論已不滿足，地層膨脹變形將難以控制。地道開挖后的變形及其控制短開挖、及時(shí)支撐、快襯砌和工序緊跟隨挖隨襯隨回填back（二）土洞的局部穩(wěn)定性評(píng)價(jià)目前我國(guó)對(duì)黃土地下建筑工程局部穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，一般以工程地質(zhì)比較的方法為主，力學(xué)計(jì)算的方法為輔，必要時(shí)采用實(shí)測(cè)方法。對(duì)于粘性土可得出二個(gè)極限平衡條件：（1）當(dāng)洞頂出現(xiàn)切向拉應(yīng)力σθ時(shí)（2）當(dāng)土洞周邊切向壓應(yīng)力為σθ時(shí)P63例一：試比較先拱后墻和先墻后拱

up（二）土洞的局部穩(wěn)定性評(píng)價(jià)（1）當(dāng)洞頂出現(xiàn)切向拉應(yīng)力σθ時(shí)back（2）當(dāng)土洞周邊切向壓應(yīng)力為σθ時(shí)（二）土洞的局部穩(wěn)定性評(píng)價(jià)土洞穩(wěn)定性的控制條件back（一）概述（二）垂直土層壓力1.松散體理論：（1）淺埋洞室：土柱理論及其修正（2）深埋洞室：土拱理論2.彈塑性理論估算：適用于黃土和深埋粘性土地層（三）側(cè)向土層壓力1.松散體理論：2.有關(guān)黃土的經(jīng)驗(yàn)公式三、土層壓力計(jì)算

up土層壓力研究方法實(shí)測(cè)法模擬試驗(yàn)法理論分析法土層壓力的計(jì)算理論松散體理論：均質(zhì)連續(xù)的松散介質(zhì)彈性理論：連續(xù)均質(zhì)和各向同性直線變形體彈塑性理論：彈塑粘體。back（一）概述①松散體理論淺埋洞室的情況土柱理論，即作用在結(jié)構(gòu)上土層壓力等于土柱的全部重量淺埋洞室松散體理論——

不考慮土柱兩側(cè)摩擦力和內(nèi)聚力的土柱計(jì)算理論back淺埋洞室松散體理論——

考慮土柱兩側(cè)摩擦力和內(nèi)聚力的土柱計(jì)算理論不考慮內(nèi)聚力的影響時(shí)淺埋洞室松散體理論——

考慮土柱兩側(cè)摩擦力和內(nèi)聚力的土柱計(jì)算理論總夾制力垂直壓力均布?jí)毫ack普氏壓力拱理論——當(dāng)深埋時(shí)，視土層為松散體，并認(rèn)為洞室上方形成一個(gè)拋物線壓力拱，拱內(nèi)土體的重量就是作用在支撐或襯砌上的地層壓力垂直土層壓力松散體理論——

深埋洞室的情況壓力拱的高度

垂直土層壓力

垂直土層壓力松散體理論——

深埋洞室的情況back垂直均布荷載的估算公式垂直土層壓力彈塑性理論估算公式——

黃土和深埋粘性土地層適用back當(dāng)淺埋時(shí)，采用土柱理論當(dāng)深埋時(shí)，形成了壓力拱側(cè)向土層壓力的松散體理論back適用條件0.7＜高跨比＜1.2暗挖法施工，埋深＜50m跨度＜9m在黃土中不產(chǎn)生顯著偏壓的情況側(cè)向土層壓力——

有關(guān)黃土的經(jīng)驗(yàn)公式

back（四）淺埋和深埋的界限1按壓力拱理論劃分2經(jīng)驗(yàn)判斷法3理論估算公式

up深埋結(jié)構(gòu)上覆地層的厚度H≥(2.0~2.5)h0

淺埋結(jié)構(gòu)上覆地層的厚度H＜(2.0~2.5)h0

壓力拱的形成不僅與埋深、土質(zhì)有關(guān)，而且與地道開挖跨度高度、施工方法以及施工順序有關(guān)，必要時(shí)，還要驗(yàn)算壓力拱的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，作為劃分深埋的補(bǔ)充條件。1按壓力拱理論劃分

back課堂習(xí)題：設(shè)：fk分別為0.8和2.0，試計(jì)算例1中壓力拱的高度。分界深度H分界=(1.0~2.0)B同時(shí)H分界＞(2.0~2.5)h0

2經(jīng)驗(yàn)判斷法

back對(duì)粘性土對(duì)砂土

當(dāng)H≤H分界為淺埋；H＞H分界為深埋。3理論估算公式

back（一）概述洞室周圍地層變形或坍塌而施加于襯砌上的力為主動(dòng)土層壓力。因地層限制襯砌變形，襯砌則受到地層產(chǎn)生的反作用力，這是被動(dòng)性質(zhì)的土層壓力又稱彈性抗力。彈性抗力阻止襯砌變形，從而提高其承載力，這是區(qū)別于地面建筑物最顯著的特點(diǎn)。第三節(jié)單層單跨拱形結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算（一）概述整體地道式結(jié)構(gòu)分類：自由變形結(jié)構(gòu)不考慮襯砌結(jié)構(gòu)與地層間的相互作用。在拱腳或墻底受彈性地基的約束而產(chǎn)生反力。考慮襯砌結(jié)構(gòu)與地層相互作用的結(jié)構(gòu)局部變形理論襯砌為符合溫克爾假定的彈性介質(zhì)中彈性結(jié)構(gòu)。共同變形理論襯砌為直線變形介質(zhì)中的彈性結(jié)構(gòu)第三節(jié)單層單跨拱形結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算（二）主要截面厚度的選定和幾何尺寸的計(jì)算結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序第三節(jié)單層單跨拱形結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算選擇結(jié)構(gòu)方案選擇結(jié)構(gòu)尺寸確定內(nèi)輪廓線定出主要截面厚度繪出外輪廓線和拱軸線確定主要截面厚度內(nèi)力計(jì)算和強(qiáng)度校核驗(yàn)證結(jié)構(gòu)幾何尺寸（二）主要截面厚度的選定和幾何尺寸的計(jì)算結(jié)構(gòu)主要截面厚度的選定包括拱圈、直墻、底板（或仰板）以及基礎(chǔ)的尺寸第三節(jié)單層單跨拱形結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算邊墻基底埋置深度邊墻基底埋置深度，一般墻底要低于墊層底部10～50（㎝），地層較軟或基礎(chǔ)反力較大時(shí)，邊墻埋置深度應(yīng)適當(dāng)加大，在粘性土地層中，靠近洞口的邊墻基底應(yīng)設(shè)置在冰凍線以下。仰拱的設(shè)置當(dāng)構(gòu)造設(shè)置仰拱時(shí)，一般仰拱的矢高不大于跨度的1/8，其底部一般不超過(guò)邊墻的基底（三）整體式曲墻拱襯砌的內(nèi)力計(jì)算

①抗力的圖形作如下假定彈性抗力區(qū)的上零點(diǎn)a’在拱頂兩側(cè)45°，下零點(diǎn)在墻腳，最大抗力發(fā)生在h點(diǎn)，a’h的垂直距離相當(dāng)于的a’b’/3垂直距離a’b’段上彈性抗力的分布如圖所示，各個(gè)截面上的抗力強(qiáng)度是最大抗力的二次函數(shù)：

第三節(jié)單層單跨拱形結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算在段在段（三）整體式曲墻拱襯砌的內(nèi)力計(jì)算（P73）②計(jì)算簡(jiǎn)圖：拱腳彈性固定兩側(cè)受地層約束的無(wú)鉸拱（P43的力法求解）第三節(jié)單層單跨拱形結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算（三）整體式曲墻拱襯砌的內(nèi)力計(jì)算②計(jì)算簡(jiǎn)圖求解內(nèi)力的方法，是先將在主動(dòng)荷載（垂直和側(cè)向的）作用下，最大抗力點(diǎn)h處的位移δhp求出來(lái)。然后，單獨(dú)以σh=1時(shí)的彈性抗力圖形作為外荷載，也可求出相應(yīng)的h點(diǎn)的位移δhσ第三節(jié)單層單跨拱形結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算（三）整體式曲墻拱襯砌的內(nèi)力計(jì)算求解內(nèi)力第三節(jié)單層單跨拱形結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算h點(diǎn)的最終位移彈性抗力δk

首先按自由變形結(jié)構(gòu)計(jì)算求出主動(dòng)荷載作用下的襯砌內(nèi)力；然后，以最大彈性抗力σh=1分布圖形作為荷載（被動(dòng)荷載），求出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。求出主動(dòng)荷載作用下的內(nèi)力和被動(dòng)荷載作用下的內(nèi)力后，再按公式（4-30）求出σh。最后把σh=1作用下求出的內(nèi)力乘以σh，再與主動(dòng)荷載作用下的內(nèi)力疊加起來(lái)，得到最終結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。③曲墻式襯砌計(jì)算的基本原理①求主動(dòng)荷載作用下的襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力

⊿

⊿

⊿⊿②求單位彈性抗力作用下的襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力③求最大抗力σh

④計(jì)算各截面的最終內(nèi)力利用疊加原理：⑤計(jì)算的校核

對(duì)稱荷載作用下，內(nèi)力應(yīng)滿足：洞頂截面處相對(duì)轉(zhuǎn)角和相對(duì)水平位移為零。（一）單跨雙層拱形結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式①框架式橫向鋪板第四節(jié)單跨雙層和單層多跨連拱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和計(jì)算（一）單跨雙層拱形結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式①框架式縱向鋪板第四節(jié)單跨雙層和單層多跨連拱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和計(jì)算（一）單跨雙層拱形結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式②梁板式第四節(jié)單跨雙層和單層多跨連拱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和計(jì)算（二）計(jì)算簡(jiǎn)圖和內(nèi)力計(jì)算特點(diǎn)第四節(jié)單跨雙層和單層多跨連拱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和計(jì)算（三）單層雙跨連拱結(jié)構(gòu)的計(jì)算特點(diǎn)第四節(jié)單跨雙層和單層多跨連拱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和計(jì)算（四）三跨連拱結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算

第四節(jié)單跨雙層和單層多跨連拱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和計(jì)算（四）三跨連拱結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算1把結(jié)點(diǎn)ABCD固定2在可動(dòng)結(jié)點(diǎn)假想設(shè)置鉸支座將接點(diǎn)彎矩分配第四節(jié)單跨雙層和單層多跨連拱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和計(jì)算（四）三跨連拱結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算3結(jié)點(diǎn)B水平位移至最后位移無(wú)角位移其它結(jié)點(diǎn)固定計(jì)算固端彎矩和推力彎矩重新分配同理移動(dòng)接點(diǎn)B彎矩重新分配第四節(jié)單跨雙層和單層多跨連拱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和計(jì)算（四）三跨連拱結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算4作用在結(jié)點(diǎn)的水平推力平衡第四節(jié)單跨雙層和單層多跨連拱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和計(jì)算得到結(jié)點(diǎn)AB的水平位移5根據(jù)彎矩分配結(jié)構(gòu)，迭加求出最終彎矩和推力

（五）構(gòu)造和配筋剎肩的設(shè)置第四節(jié)單跨雙層和單層多跨連拱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和計(jì)算（五）構(gòu)造和配筋I(lǐng)型和II型鋼筋的使用第四節(jié)單跨雙層和單層多跨連拱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和計(jì)算（五）構(gòu)造和配筋第四節(jié)單跨雙層和單層多跨連拱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和計(jì)算（五）構(gòu)造和配筋第四節(jié)單跨雙層和單層多跨連拱結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和計(jì)算（一）結(jié)構(gòu)選型直墻拱襯砌與曲墻拱襯砌的比較選擇受力性能好的沒(méi)有尖角的閉合光滑曲線外線，即能減少洞室周邊應(yīng)力的集中現(xiàn)象，又能利用土層的自承能力，發(fā)揮拱效應(yīng)的作用，以增強(qiáng)洞室土層的自穩(wěn)能力，減少土層對(duì)襯砌的壓力當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)較大和結(jié)構(gòu)跨度較大時(shí)宜采用曲墻或半圓以及接近半圓的割圓拱矮墻式襯砌。在選擇結(jié)構(gòu)幾何形狀時(shí)，跨度比高度的影響為大，第五節(jié)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題（二）結(jié)構(gòu)的剛度與地層的彈性抗力提高土層與襯砌共同工作的能力，以最大限度地改善襯砌的受力條件。選擇適合地層變形又受力良好的襯砌形狀，確定襯砌斷面各部位尺寸的合理比值來(lái)達(dá)到。