地下工程概述

主讲教师：刘畅副教授

教师单位：土木工程系

授课学时：48学时

授课班级：2008级土木

2011.03~04教材与参考文献

主讲教材：

地下结构设计原理与方法李志业, 曾艳华编著，西南交通大学出版社2003

参考文献：

地下建筑结构，朱合华主编，中国建筑工业出版社2005 地下工程，贺少辉主编，清华大学出版社，北京交通大学出版社2006

地下工程，张庆贺主编，同济大学出版社2005

城市地下工程，陶龙光,巴肇伦编著科学出版社1996

地下结构静力计算，天津大学建筑工程系地下建筑工程教研室编，中国建筑工业出版社1979

基坑支护相关书籍章节目录

第一部分地下工程概述（第1章）

第二部分地下结构的地层压力及其他荷载（第2、3章）

第三部分地下结构结构力学的计算方法（第5章）

第四部分地下铁道工程

第五部分基坑支护结构第一部分地下工程概述

绪论

¾了解地下工程发展概况

¾明确地下结构体系与地面结构的区别¾掌握地下工程的分类

¾掌握地下结构计算理论的发展

¾掌握地下工程支护结构计算的力学模式¾了解地下结构设计的内容

地下结构是指保留上部地层（山体或土层）的前提下，在开挖出能提供某种用途的地下空间内修建的结构物。

地下结构与地面结构的区别:

①赋存环境不同;

②物理力学参数;

③受力条件的不同;

④地下工程支护结构安全与否，既要考虑到支护结构能否承载，又要考虑围岩会不会失稳;

⑤地下工程中作用在支护结构上的荷载受到施工方法和施工时间的影响。 明确地下结构体系与地面结构的区别

由以上分析可以看出，由于地下工程所处的环境和受力条件与地面工程有很大不同，如果沿用地面工程的设计理论和方法来解决地下工程问题，显然不能正确地说明地下工程中出现的力学现象，当然也就不可能由此作出合理的设计，因此要摆脱地下工程长期处于“经验设计和施工”的局面。

二、地下结构的类型

地下结构是地下建筑工程的重要组成部分，其结构形式应根据地层的类别，使

用目的和施工技术水平等进行选择。 按照结构形式不同，地下结构一般可分为四大类：拱形结构、圆管结构、框架

结构和薄壳结构。

▲按工程的几何形状分为隧道工程和硐室工程。隧道工程：结构长度尺寸远大于断面尺寸（最大跨度或高度）的结构。如铁路隧道、公路隧道、煤炭运输巷道、矿山采场进路、人防地下通道等；

硐室工程：长跨比较接近（一般小于10）。如地铁车站、地下商场、水电站地下厂房、地下核废料储藏库、地下试验场、地下储水库等。

▲从空间上划分

与地表面的关系

平地填土埋入平地地下

开口部与地表面的关系

◆伴随城市发展而加以利用的地下工程。

◆为人类生存确保安全加以利用。

◆伴随科技发展而利用的地下工程。

◆大规模国土的有效利用的地下工程。

▲使用目的不同可分为

防护型支护：防止、保护围岩质量恶化，采用手段多为喷浆、喷混凝土、局部锚杆；

构造型支护：要求基本条件是岩体基本稳定，局部破坏条件下较长时间内稳定，采用手段多为喷混凝土、锚杆和金属网、模筑混凝土；承载型支护：坑道支护的主要类型。

拱形结构

拱形结构包括喷锚结构、半衬砌、厚拱薄墙、直墙拱、曲墙拱、落地拱。 (1)喷锚结构采用喷射混凝土、钢筋网喷混凝土、锚杆喷混凝土或锚杆钢筋网喷混凝土等在毛洞开挖后及时地对地层进行加固的结构成为喷锚支护。由于喷锚支护是一种柔性结构，故能更有效地利用围岩的自支撑能力维护洞室稳定，其受力性能一般优于整体式衬砌，被认为是一种新型的地下结构形式。拱形结构

（a ）喷锚结构（f ）落地拱

（c ）曲墙拱（d ）直墙拱（c ）厚拱薄墙（b ）半衬砌

(2)半衬砌当地下岩石较坚硬，侧壁无坍塌危险，仅顶部岩石可能有局部脱落时，只在顶部衬砌，叫做半衬砌。此时，为了保护岩石不受风化，常在侧壁表面喷一层2～3厘米厚的水泥砂浆。 (3)厚拱薄墙顶拱的拱脚较厚，边墙较薄。这样，可将顶拱所受的力通过拱脚大部分传给了岩石，充分利用了岩石的强度，使边墙所受的力大为减少，从而减少了边墙的厚度，节约了建筑材料。为了保证边墙的稳定性，可在边墙的上端打入锚杆，将边墙与岩石锚固在一起。拱形结构

（a ）喷锚结构（f ）落地拱

（c ）曲墙拱（d ）直墙拱

（c ）厚拱薄墙（b ）半衬砌

形成一个整体结构。在铁路隧道、地下厂房，地下仓库，军事坑道、水工隧洞等地下建筑中，广泛地圆管结构使用直墙拱。

直墙拱不但在坚硬地层中常被采用，在软土中小跨度的人防通道亦常应用，其中有的全部用砖石砌筑，有的仅底板采用钢筋混凝土。

(5)曲墙拱当岩石松散破碎易于坍

塌，可采用曲墙拱。如岩石比较坚硬，

又无涌水现象，底板可做成平板井与边墙分开。

(6)落地拱落地拱多用于大跨度的仓

库，如飞机库等。它在岩石或软土中均可使用。

越河底的交通隧道常采

用圆管结构。这种结构

多做成装配式，叫做管

片结构。施工时利用盾

构掘进。

软土中明挖施工的地下铁道常采用箱形结构，计算这种结构常采用框架的

计算理论，故叫做框架结构。图（a）

为地下铁道通道的横剖面。

软土中的地下厂房，地下医院或地下指挥所亦常采用框架结构。图(b)表示

地下发电厂的结构简图。

(a) 地下铁道（b）地下发电厂沉井结构

沉井结构用于软土中，先在地面上建造井筒(井筒的水平剖面为圆形或矩形)，然后在井筒内挖土使它逐渐下沉。待沉到设计标高，则进行封底并浇筑底板与顶板。软土中的地下厂房及油库等常采用沉井结构。

三、地下结构计算理论简

介和计算方法分类

（一）地下结构计算理论的发展

直至19九世纪初才逐渐形成地下工程的计算理论，用于指导地下结构的设计与施工。地下结构计算理论形成初期，仅仿照地面结构的计算方法进行地下结构的计算，经过较长时期的实践，地下结构受力变形的特点才逐渐被认识，并形成以考虑地层对结构受力变形约束为特点的地下结构计算理论。

二十世纪中期起，电子计算技术的出现和进步大大推动了岩土力学和工程结构等学科的研究，地下结构的计算理论也因此有了更大的发展。例如岩土介质的性态、地层自支承力的特点及与结构相互作用的规律等因素，目前都已经可以在地下结构计算中按连续或不连续介质力学和材料非线性问题的原理加以考虑。地下结构计算理论的发展，大致可分为以下七个阶段：(1)刚性结构阶段

(2)弹性结构阶段

(3)假定抗力阶段

(4)弹性地基梁阶段

(5)连续介质阶段

(6)数值方法阶段

(1)刚性结构阶段

19世纪的地下建筑物大都是以砖石材料砌筑的拱形圬工结构，这类建筑材料的抗拉强度很低，且结构物中存在有较多的接缝，容易产生断裂。为了维持结构的稳定，当时的地下结构的截面积都拟定得很大，结构受力后产生的弹性变形较小，因而最先出现的计算理论是将地下结构视为刚性结构的压力线理论。压力线理论认为地下结构是由一些刚性块组成的拱形结构，所受的主动荷载是地层压力，当处于极限平衡状态时，是由绝对刚体组成的三铰拱静定体系，铰的位置分别假设在墙底和拱顶，其内力可按静力学原理进行计算。

(2)弹性结构阶段

19世纪后期，混凝土和钢筋混凝土材料在地下工程中的应用，使地下结构具有较好的整体性。从这时起，地下结构开始按弹性连续拱形框架进行内力计算。弹性连续拱形框架的内力按超静定结构力学方法计算，作用在结构上的荷载是主动的地层压力。这种计算方法的缺点是没有考虑地层对结构产生的弹性抗力的约束作用，但由于有了比较可靠的力学原理为依据，至今在软弱土层中设计地下结构时仍有时采用。

(3)假定抗力阶段

地下结构衬砌在承受主动荷载作用产生弹性变形的同时，将受到地层对其变形产生的约束作用。将地层对衬砌的约束按衬砌受有与其变形相适应的弹性抗力的假设形式进行考虑，地下结构的计算理论便进入了假定抗力阶段。

(4)弹性地基梁阶段

由于假定抗力法对抗力图形的假定带有较大的任意性，人们开始研究将边墙视为弹性地基梁的结构计算理论，将隧道边墙视为支承在侧面和基底地层上的双向弹性地基梁，即可计算在主动荷载作用下拱圈和边墙的内力。

首先应用的弹性地基梁理论是局部变形理论，达维多夫在1934-1935年间提出了这一建议，纳乌莫夫在1956年又将其发展为侧墙(指直边墙)按局部变形弹性地基梁理论计算的地下结构计算法。苏联地下铁道设计事务所在20世纪30年代提出按局部变形弹性地基圆环理论计算圆形隧道衬砌的方法。

共同变形弹性地基梁理论在稍后也被用于地下结构计算。

(5)连续介质阶段

由于人们认识到地下结构与地层是一个受力整体，20世纪中期以来，按连续介质力学理论计算地下结构内力的方法也逐渐发展。围岩的弹性、弹塑性及粘弹性解答逐渐出现。

这种计算方法以岩体力学原理为基础，认为坑道开挖后向洞室内变形而释放的围岩压力将与支护结构与围岩组成的地下结构体系共同承受。

一方面围岩本身由于支护结构提供了一定的支护阻力。从而引起其应力调整达到新的平衡；另一方面、由于支护结构阻止围岩变形，必然要受到围岩给予的反作用力而发生变形。这种反作用力和围岩的松动压力极不相同，是支护结构与围岩共同变形过程中对支护结构施加的压力，称为变形压力。

这种计算方法的重要特征是把支护结构与岩体作为一个统一的力学体系来考虑。两者之间的相互作用则与岩体的初始应力状态、岩体的特性、支护结构的特性、支护结构与围岩的接触条件以及参与工作的时间等一系列因素有关，其中也包括施工技术的影响。

由连续介质力学建立地下结构的解析计算法是一个困难的任务，目前仅对圆形衬砌有了较多的研究成果。

(6)数值方法阶段

20世纪60年代以来。随着计算机技术的推广和岩土介质本构关系研究的进步，地下结构的数值计算方法打了很大发展。有限元法、边界元法及离散元法等数值解法迅速发展，除了编制程序，还出现了很多模拟围岩弹塑性、粘弹塑性及岩体节理面等大型程序，使得连续介质力学的计算应用范围得到扩大，这些理论都是以支护与围岩共同作用和需得知地应力及施工条件为前提的，比较符合地下工程的力学原理。然而，计算参数还难以准确获得。

（二）地下结构计算的力学模型

地下结构的力学模型必须符合下述条件： 与实际工作状态一致，能反映围岩的实际

状态以及围岩与支护结构的接触状态；

荷载假定应与在修建洞室过程(各作业阶段)中荷载发生的情况一致；

计算出的应力状态要与经过长时间使用的结构所发生的应力变化和破坏现象一致； 材料性质和数学表达要等价。

地下结构的计算模型有二类 一类是以支护结构作为承载主体、围岩作为荷载的来源，同时考虑其对支护结构的变形约束作用的模型，称为结构力学模型；

另一类则相反，视围岩为承载主体，支护结构则约束围岩向隧道内变形的模型，称为岩体力学或连续介质力学模型。

一.结构力学的计算模型

(荷载—结构模型)

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由于围岩约束结构变形而形成的弹性反力)，以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的方法称为荷载—结构法。

(1)主动荷载模型

不考虑围岩与支护结构的相互作用。因此，支护结构在主动荷载作用下可以自由变形，和地面结构的作用没有什么不同。主动荷载模型 这种模型主要适用于围岩与支护结构的“刚度比”较

小的情况下，或是软弱地

层对结构变形的约束能力较差时(或衬砌与地层间的

空隙回填，灌浆不密实时)。围岩没有“能力”去约

束刚性衬砌的变形。

(2)

主动荷载加围岩弹性约束的模型 认为围岩不仅对支护结构施加主动荷载，而且由于围岩与支护结构的相互作用，还对支护结构施加被动的弹性反力。

在非均匀分布的主动荷载作用下，支护结构的一部分将发生向着围岩方向的变形，围岩具有一定的刚度，就必然会对支护结构产生反作用力来抵制其变形，这种反作用力就称为弹性反力，属于被动性质。主动荷载加被动抗力模型 支护结构的另一部分则背离围岩向着隧道内变形。不会引起弹性反力，形成所谓“脱离区”。 支护结构就是在主动荷载和围岩的被动弹性反力同时作用下进行工作的。

(3)实地量测荷载模式

正在发展的一种模式。是主动荷载模型

的亚型，以实地量测荷载代替主动荷

载。

是围岩与支护结构相互作用的综合反

映，既包含围岩的主动压力，也含有弹

性反力。在支护结构与围岩牢固接触时

(如喷锚支护)，不仅能量测到径向荷

载。而且还能量测到切向荷载。切向实地量测荷载模型荷载的存在可以减小荷载分布的不均匀程度，减小结构中的弯矩。

应该指出，实地量测的荷载值除与围岩特性有为外，还取决于支护结构的刚度以及支护结构背后回填的质量。因此，某一种实地量测的荷载，只能适用于与量测条件相同的情况。

浅埋围岩塌落情况

主动荷载模式主动荷载+被动荷载模式量测压力模式

弹性反力的确定

所谓弹性反力就是指由于支护结构发生向围岩方向的变形而引起的反力。分为：

局部变形理论

共同变形理论

以温克尔(Winkler)假定为基础的局部变形理论来确定。其认为围岩的弹性反力是与围岩在该点的变形成正比的。局部变形理论

i i K δ

ο=围岩在一点所产生的弹性反力比例系数，称为围岩的弹性

反力系数围岩表面上任

意一点i 的压缩

变形局部变形理论

温氏假定相当于把围岩简化成一系列彼此的弹簧。某一弹簧受到压缩时所产生的反作用力只与该弹簧有关，而与其他弹簧不相干。这个假定虽然与实际情况不符，但简单明了。而且也满足了一般工程设计的需要精度，因此应用较多。

共同变形理论

假定地基为弹性半无限体，作用在地基上某一点的力，不仅引起该点地基的变位，也会引起其他点的变位，且会影响到一定的范围。共同变形理论 共同变形理论假定，围岩某一点的变位不仅与该点的作用荷载有关。而且与其他点作用的荷载有关，是一种叠加效应。

二.连续介质力学的计算模型

（围岩—结构模型）

现代的岩体力学模型，是将支护结构

与围岩视为一个整体，作为共同承载

的地下结构体系，故也称复合整体模

型。在这个模型中，围岩是直接的承

载单元，支护结构是镶嵌在围岩孔洞

上的承载环，只是用来约束和围

岩的变形，两者共同作用的结果是使

支护结构体系达到平衡状态。围岩结构模型

¾支护结构体系与围岩共同作用的计算模式

•这种模式主要用于由于围岩变形而引起的压力，压力值必须通过支护结构与围岩共同作用而求得，这是反映当前现代支护结构原理的一种计算方法。

这种计算模式通常有两类：

1）数值解法

将围岩视作弹塑性体或粘弹塑性体，并与支护一起采用有限元或边界元数值法求解。利用该方法可以直接算出围岩与支护的应力和变形状态，以判断围岩是否失稳和支护是否破坏。

2）解析解法

该方法主要适用于一些简单情况下，以及某种简化情况下的近似计算。

收敛-约束法或特征曲线法

对地质条件熟悉，幅度和跨度又都不大的几种常用型式的岩石地下工程支护结构，例如矿山巷道和不受动荷载作用的小跨度支护结构，常根据经验类比法直接选定结构的型式及其断面尺寸，并据以绘制结构施工图。

四、地下建筑结构的设计内容

计算荷载：按地层介质类别、建筑用途、防护等级、地震级别、埋置深度等求出作用在结构上的各种荷载值；

计算简图：根据实际结构和计算的具体情况，拟出恰当的计算图式；

内力分析：选择结构内力计算方法，得出结构各控制设计截面的内力；

内力组合：在分别计算各种荷载内力的基础上，对最不利的可能情况进行内力组合，求出各控制界面的最大设计内力值；

配筋设计：通过截面承载力和裂缝计算得出受力钢筋，并确定必要的分布钢筋与架立钢筋；

绘制结构施工详图：如结构平面图、结构构件配筋图及节点详图。还有风、水、电和其他内部设备的预埋件图； 材料、工程数量和工程财务预算。

地下结构设计的内容

初步拟定结构形状和尺寸

计算荷载

计算简图

稳定性验算

内力分析、内力组合

配筋设计、绘制结构施工图、预算