地下建筑結(jié)構(gòu)：第3章 地下建筑結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)1

1、第3章 地下建筑結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)3.1 地下建筑結(jié)構(gòu) 3.1.1 地下建筑結(jié)構(gòu)與類別 3.1.2 地下建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀 3.1.3 地下建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 3.1.4 地下建筑結(jié)構(gòu)選型 3.2 地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 3.2.1 地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論 3.2.2 地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算模型 3.2.3 地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型利弊分析 對(duì)地下工程的需求回顧: 二十一世紀(jì)是地下空間的世紀(jì)。開(kāi)拓生存空間抑制城市?。ㄈ丝趽頂D、交通阻塞、環(huán)境污染、能源緊缺）2010年前，我國(guó)地下空間將會(huì)廣泛發(fā)展；20202030年，地下空間將高水平發(fā)展（1）地下空間將成為城市的第二空間（2）地下空間造價(jià)新說(shuō)：城市土地昂貴，地下開(kāi)發(fā)造價(jià)

2、相對(duì)會(huì)有所降低；（3）把飛機(jī)開(kāi)到地下去：解決城市交通的出路就是高效率的地下交通?？稍鞜o(wú)兩翼的飛機(jī)，以超過(guò)600的速度飛行，不需要駕駛員，由中心遙控，類似于磁懸浮列車(chē)；（4）貫通海洋的地下工程 如大連隧道、瓊州隧道、臺(tái)海隧道等；（5）新型城市公用市政隧道 如建設(shè)共同溝。 .第3章 地下建筑結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)3.1 地下建筑結(jié)構(gòu)3.1.1 地下建筑結(jié)構(gòu)與類別 1、地下建筑結(jié)構(gòu)基本定義 保留上部地層（巖體或土層）的前提下，在開(kāi)挖出的地下空間內(nèi)修建能夠提供某種用途的建筑結(jié)構(gòu)物，統(tǒng)稱為地下建筑結(jié)構(gòu)，一般是由人工建筑（構(gòu)筑）結(jié)構(gòu)、地下支護(hù)結(jié)構(gòu)與天然周邊圍巖共同組成地下建筑結(jié)構(gòu)體系。地下建筑是修建在地層介質(zhì)中的建筑

3、物。分為兩大類： 巖石（硬土）地下建筑 土層（軟土）地下建筑 水中地下建筑，有否？ 序 號(hào) 組 成 部 分各 部 分 名 稱1人工建筑或構(gòu)筑包括梁、板、柱、墻等。2地下支護(hù)結(jié)構(gòu)圍巖超前支護(hù)初期支護(hù)圍巖超前支護(hù)注漿導(dǎo)管、管棚等。初期支護(hù)噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)噴射混凝土、錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索、鋼格柵或型鋼支撐等。永久性支護(hù)襯砌、鋼筋混凝土襯砌、永久性結(jié)構(gòu)等。3 天然巖土體巖層、土層表3-1 地下建筑結(jié)構(gòu)體系基本構(gòu)成表 2、地下建筑結(jié)構(gòu)的作用地下建筑結(jié)構(gòu)主要作用是承受自重和各種可能出現(xiàn)的荷載、維護(hù)工程穩(wěn)定，防止圍巖進(jìn)一步松動(dòng)塌落、保持洞室斷面凈空要求，并確保地下工程使用的安全性和耐久性。因此要求地下建筑結(jié)構(gòu)

4、必須有一定的強(qiáng)度、剛度、抗?jié)B、抗侵蝕、防風(fēng)化、防水防潮，能防冒頂塌方、長(zhǎng)期安全使用。永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)即襯砌結(jié)構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)作用： 1）承重：即承受巖土體壓力、結(jié)構(gòu)自重以及其它荷載的作用； 2）圍護(hù)，即防止巖土體風(fēng)化、坍塌、防水、防潮等。地下建筑與地面建筑結(jié)構(gòu)的區(qū)別 （1）地下結(jié)構(gòu)與周?chē)鷰r土體的共同作用 巖土體不僅是荷載，也是“結(jié)構(gòu)”、約束變形 （2）地下建筑結(jié)構(gòu)所承受的荷載比地面結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 （3）計(jì)算理論、設(shè)計(jì)和施工方法 “入地”的難度不亞于“上天”2、地下建筑結(jié)構(gòu)分類 表3-2 地下建筑結(jié)構(gòu)按相對(duì)地表位置分類分類標(biāo)準(zhǔn)地下建筑結(jié)構(gòu)分類備 注 說(shuō) 明 地下建筑結(jié)構(gòu)相對(duì)地表位置 水平地下建筑結(jié)構(gòu) 地下主

5、體結(jié)構(gòu)與地面基本平行，如平硐、隧道。 傾斜地下建筑結(jié)構(gòu)地下主體結(jié)構(gòu)與地面線斜交，如斜井。 豎直地下建筑結(jié)構(gòu)地下主體結(jié)構(gòu)與地面垂直，如豎井。 表3-3 地下建筑結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)斷面形式分類分類標(biāo)準(zhǔn)地下建筑結(jié)構(gòu)分類備 注 說(shuō) 明按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斷面形式不同 拱形地下建筑結(jié)構(gòu)噴錨襯砌、半襯砌、厚拱薄墻襯砌、直墻與曲墻拱形襯砌等。在地下工程中廣泛應(yīng)用，如隧道、地下廠房、倉(cāng)庫(kù)等。圓形、矩形或管狀地下結(jié)構(gòu)軟土中的地下鐵道、穿越江河湖海底部的越江、跨海隧道。一般作成裝配式的管片或管節(jié)，施工時(shí)利用盾構(gòu)、頂管或沉管法形成。框架地下建筑結(jié)構(gòu)軟土淺埋明挖施工的地鐵車(chē)站、廠房、地下醫(yī)院等采用框架地下建筑結(jié)構(gòu)。薄殼地下建筑結(jié)構(gòu)地下

6、油庫(kù)、頂蓋采用穹頂薄殼結(jié)構(gòu)。異形地下建筑結(jié)構(gòu)非圓形、非矩形。如雙圓形襯砌結(jié)構(gòu)、三圓形襯砌結(jié)構(gòu)、橢圓形襯砌結(jié)構(gòu)等。表3-4 地下建筑結(jié)構(gòu)綜合地質(zhì)、使用和施工因素分類分類標(biāo)準(zhǔn)地下建筑結(jié)構(gòu)分類備 注 說(shuō) 明 綜合地質(zhì)使用和施工三方面因素土層地下建筑結(jié)構(gòu)附建式地下結(jié)構(gòu)房屋建筑下面的地下室等。一般有承重外墻、內(nèi)墻、板或梁板式平底結(jié)構(gòu)。淺埋式地下結(jié)構(gòu)平面呈方形或長(zhǎng)方形，當(dāng)頂板為平頂時(shí)，采用梁板式結(jié)構(gòu)；也有采用直墻拱形結(jié)構(gòu)；大中型結(jié)構(gòu)則設(shè)計(jì)為矩形框架結(jié)構(gòu)；如地鐵車(chē)站、地鐵通道、地下工廠、地下醫(yī)院和地下指揮所等。沉井與沉箱地下建筑結(jié)構(gòu)不同斷面形狀（如圓形、矩形、多邊形等）的井筒或箱體，按邊排土邊下沉的方式使沉

7、入地下，即沉井或沉箱。是深基礎(chǔ)施工的主要方法。沉井施工時(shí)，底部挖土，頂部出土，故施工時(shí)沉井為開(kāi)口圓形或方形的井筒結(jié)構(gòu)。而沉箱采用壓氣排水施工方法，又稱為閉口沉綜合地質(zhì)、使用和施工三方面因素 土層地下建筑結(jié)構(gòu) 盾構(gòu)法地下結(jié)構(gòu)盾構(gòu)開(kāi)挖推進(jìn)，裝配式圓形、半圓形襯砌；是軟土層中修建隧道的主要方法連續(xù)墻地下結(jié)構(gòu)先建兩條連續(xù)墻，在中間挖土，再修建底版、頂板和中間樓層。頂管地下建筑結(jié)構(gòu)靠千斤頂頂進(jìn)就位，小斷面一般采用圓形結(jié)構(gòu)；大而短斷面一般采用矩形或多跨箱形結(jié)構(gòu)。沉管法地下結(jié)構(gòu)做成箱形結(jié)構(gòu)，兩端臨時(shí)封閉，運(yùn)至預(yù)定水面處，沉放至設(shè)計(jì)位置；一般用于穿過(guò)江、河、湖、海等水體的隧道結(jié)構(gòu)。深基坑地下結(jié)構(gòu)由地面向下開(kāi)挖

8、一個(gè)地下空間，四周采用多種形式的支擋結(jié)構(gòu)。表3-4地下建筑結(jié)構(gòu)綜合地質(zhì)、使用和施工因素分類綜合地使用和施工三方面的因素 巖石地下建筑結(jié)構(gòu) 整體式拱形隧道結(jié)構(gòu)噴錨襯砌、半襯砌、厚拱薄墻襯砌、直墻拱形襯砌、曲墻拱形襯砌、落地拱等。分貼壁式和離壁式拱形結(jié)構(gòu)。噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu) 有噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)噴射混凝土、錨桿噴射混凝土、錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土等結(jié)構(gòu)形式，作為工程的永久結(jié)構(gòu)體系。適用于圍巖穩(wěn)定性較好的地下工程中，在圍巖較差的工程中做臨時(shí)柔性支護(hù)。穹頂結(jié)構(gòu) 由圓柱形側(cè)墻和扁球形穹頂組成的圓形空間薄壁結(jié)構(gòu)，受力性能好，但施工復(fù)雜，一般用于地下油罐、地下冷藏庫(kù)等。連拱隧道 適用于洞口地形狹窄，或?qū)啥撮g距有特殊

9、要求的中短隧道。 復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu) 由噴錨柔性支護(hù)做和初期臨時(shí)支護(hù)，等圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后，再作剛性較大的二次永久（鋼筋）混凝土襯砌支護(hù)，兩層之間可設(shè)防水層。適用于各種圍巖條件。 表3-5 地下建筑結(jié)構(gòu)按使用條件、功能不同分類分類標(biāo)準(zhǔn)地下建筑結(jié)構(gòu)分類 備 注 說(shuō) 明 按使用條件、功能不同分類交通隧道鐵路隧道、公路隧道、城市地鐵隧道、水底隧道等。水工隧洞水力發(fā)電站的各種輸水隧洞、灌溉輸水隧洞、給水排水隧洞等。礦山隧道礦山各類運(yùn)輸隧道、開(kāi)采井巷等。地下倉(cāng)儲(chǔ)糧食、油料、水果、蔬菜等的儲(chǔ)藏庫(kù)、魚(yú)肉食品冷藏庫(kù)、車(chē)庫(kù)、核廢料封存庫(kù)等。表3-5 地下建筑結(jié)構(gòu)按使用條件、功能不同分類分類標(biāo)準(zhǔn)地下工廠水力或火力

10、發(fā)電站的地下廠房、各種輕、重工業(yè)的地下廠房等。按使用條件、功能不同分類公共與民用建筑地下商店、圖書(shū)館、體育館、展覽廳、影劇院、旅館、餐廳、住宅、城市地下街等。市政工程 地下給排水工程、管線、廢物處理中心、地下共同溝等。人防工程地下建筑結(jié)構(gòu) 人員隱蔽部、指揮所、疏散干道、連接通道、醫(yī)院、救護(hù)站、防空地下室等。國(guó)防工程地下建筑結(jié)構(gòu) 飛機(jī)庫(kù)、艦艇庫(kù)、武器彈藥庫(kù)、作戰(zhàn)指揮所、通信中心、作戰(zhàn)工事及構(gòu)筑物等。 表3-6 按地下建筑結(jié)構(gòu)材料不同分類分類標(biāo)準(zhǔn) 地下建筑結(jié)構(gòu)分類備 注 說(shuō) 明 按地下建筑結(jié)構(gòu)材料 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般工程中可采用耐久性好，施工可塑性強(qiáng)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)大空間的洞穴中可使用

11、鋼結(jié)構(gòu)。砌體結(jié)構(gòu)對(duì)于地質(zhì)條件較好的淺埋小跨度結(jié)構(gòu)（如糧倉(cāng)、隧道等），可選用砌體結(jié)構(gòu)。圍巖（巖石）為主體的地下建筑 圍巖是受洞室開(kāi)挖影響的那一部分巖（土）體，此時(shí)圍巖具有三位一體的功能，即：產(chǎn)生荷載、承載結(jié)構(gòu)、建筑材料；巖石地下建筑結(jié)構(gòu)體系=天然圍巖+支護(hù)體系。按照施工方法分為：明挖法（放坡、支護(hù)、降水）；蓋挖法、逆作法；沉箱、沉井、沉管法；頂管法(大口徑與微型頂管)；盾構(gòu)法（SM, TBM）巖石掘進(jìn)機(jī) （ TBM）新奧法、鉆爆法。按襯砌材料和結(jié)構(gòu)形式襯砌結(jié)構(gòu)材料主要有磚、石、砌塊混凝土、鋼筋混凝土、鋼軌（型鋼、格柵拱）、錨桿、噴射混凝土，鑄鐵、鋼纖維混凝土，聚合物鋼纖維混凝土等。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)澆筑

12、施工方法不同，襯砌構(gòu)造型式又分為：1）模筑式襯砌2）離壁式襯砌3）裝配式襯砌4）錨噴支護(hù)襯砌地下建筑的結(jié)構(gòu)型式 地面房屋的結(jié)構(gòu)形式磚混、框架、排架、剪力墻、 框剪、筒體. 地下結(jié)構(gòu)型式 決定因素: (1)使用功能要求 (2) 受力情況 （地質(zhì)條件、水文條件、和有否爆炸與地震等特殊動(dòng)載） （3）施工方法 主要結(jié)構(gòu)型式有：圖3-1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同斷面形式 圖3-2附建地下結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) （地下室）圖3-3淺埋式地下結(jié)構(gòu)圖3-4隧道式地下結(jié)構(gòu)、沉井（沉箱）地下結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)結(jié)構(gòu)圖3-5 頂管結(jié)構(gòu) 圖3-6 沉管結(jié)構(gòu) 土層地下建筑結(jié)構(gòu)型式（一）、淺埋式結(jié)構(gòu)： 平面成方形或長(zhǎng)方形，當(dāng)頂板做成平頂時(shí)，常用梁板式結(jié)構(gòu)或

13、矩形框架結(jié) 構(gòu)；頂部也可做成拱形；以改善受力。（二）、附建式結(jié)構(gòu)：是房屋下面的地下室 結(jié)構(gòu)布置受上部房屋限制，有承重的外墻、內(nèi)墻、內(nèi)柱和梁板式頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)。（三）、沉井結(jié)構(gòu)：開(kāi)口的井筒結(jié)構(gòu)：水平一般做成方形，也有圓形，沉畢后再做底頂板。（四）、地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)：先建造兩條連續(xù)墻，然后在中間挖土，修建底板、頂板和中間 樓層。（五）、盾構(gòu)結(jié)構(gòu)： 常采用裝配式圓形襯砌，也有做成方形和半圓形的。（六）、沉管結(jié)構(gòu)：一般做成箱形結(jié)構(gòu)，兩端加以臨時(shí)封墻。（七）、橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：樁基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)。（八）、其它結(jié)構(gòu)：除上述地下結(jié)構(gòu)之外，還包括頂管結(jié)構(gòu)和箱涵結(jié)構(gòu)等。 巖石地下建筑結(jié)構(gòu)型式主要包括直墻拱形、圓形、曲墻拱形

14、，其它類型的結(jié)構(gòu)，如噴錨結(jié)構(gòu)、穹頂結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)等。拱形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：承載能力強(qiáng)、拱形結(jié)構(gòu)的內(nèi)輪廓比較平滑，凈空浪費(fèi)比圓形結(jié)構(gòu)少；拱主要是承壓結(jié)構(gòu)。充分利用抗拉性能較差，抗壓性能較好的材料，（如磚、石、混凝土）這些材料造價(jià)低，耐久性好，易維護(hù)。常用的以下簡(jiǎn)單介紹常用的幾種拱形結(jié)構(gòu)、噴錨結(jié)構(gòu)以及穹頂結(jié)構(gòu)等。（一）、拱形結(jié)構(gòu)1貼壁式拱形結(jié)構(gòu)：（1）半襯砌結(jié)構(gòu)（2）厚拱薄墻襯砌結(jié)構(gòu)（3）直墻拱形襯砌 （4）曲墻拱形襯砌結(jié)構(gòu)2離壁式拱形襯砌結(jié)構(gòu)（二）噴錨結(jié)構(gòu)、（三）穹頂結(jié)構(gòu)、（四）連拱隧道結(jié)構(gòu)、 （五）復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)3.1.2 地下建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)：鐵路和公路隧道 解放后：修建的鐵路隧道計(jì)2500k

15、m。 大遙山隧道為14.295km（1987），居世界第十位； 秦嶺隧道由兩座基本平行的單線隧道組成，間距30米，各全長(zhǎng)18.46公里，1999年貫通。居亞洲第二位，世界第六位； 水下隧道：打浦路隧道（第一條，2761m）；， 外環(huán)沉管隧道，甬江、珠江江底隧道， 在建的崇明大通道隧道； 未來(lái)可能的隧道：瓊州海峽隧道、臺(tái)灣海峽隧道。 國(guó)外情況： 日本發(fā)展最快，修建達(dá)2000km。其中：圣哥達(dá)隧道16.5km。水下隧道發(fā)展較快，港九海底隧道、青函隧道（53.85km）,為世界之最；英法海峽隧道（49.6km），直布羅陀海峽隧道（擬建，連接歐非大陸）；馬海峽隧道（擬建，連接日本與南朝鮮，230km）

16、瑞士圣哥達(dá)大隧道全長(zhǎng)16.5公里，是穿越海拔2千多米的阿爾卑斯山、連接瑞士南部和意大利北部的主要公路干道，為世界第二長(zhǎng)車(chē)輛隧道 圖片為2001年10月24日因車(chē)輛相撞發(fā)生大火，死亡14人。英吉利海峽隧道耗資100億英鎊，接通英國(guó)肯特郡的?？怂雇ê头▏?guó)的加來(lái)，建造工程于1987年12月開(kāi)始，到1990年12月結(jié)束。1994年5月6日由英國(guó)女王伊麗莎白二世和法國(guó)總統(tǒng)密特朗正式剪彩通車(chē)。這條雙軌隧道長(zhǎng)49.94公里，直徑7.6米。在英吉利海峽底開(kāi)鑿隧道的規(guī)劃是19世紀(jì)初拿破輪戰(zhàn)爭(zhēng)期間首次提出的。 水中漂浮隧道綏芬河北京烏海臨汾洛陽(yáng)榮成丹東錫林浩特烏蘭浩特滿洲里琿春青島連云港寧波廈門(mén)汕頭河池瑞麗霍爾果

17、斯石家莊太原濟(jì)南長(zhǎng)春哈爾濱鄭州上海杭州福州武漢長(zhǎng)沙南昌合肥南京廣州南寧貴陽(yáng)昆明成都重慶西安銀川烏魯木齊天津9縱 18橫國(guó)家高速公路網(wǎng)布局方案沈陽(yáng)?？谔m州在山嶺，全國(guó)各省，特別是西部地區(qū)，將建設(shè)眾多隧道工程。在沿江，寧波、廣州、上海、南京、武漢、重慶等越江通道工程。 在沿海，有渤海灣跨海工程、大連灣跨海工程、青-黃海底隧道工程、上海崇明越江通道、港-珠-澳跨海工程、瓊洲海峽通道工程工程、臺(tái)灣海峽連線工程、廈門(mén)東通道工程等。同三國(guó)道主干線沈陽(yáng)至?？趪?guó)家高速瓊州海峽秦嶺隧道實(shí)景一秦嶺隧道實(shí)景二東、西部高速公路隧道工程礦山法施工的隧道打浦路隧道（盾構(gòu)法）寧波常洪沉管隧道沉管法施工的隧道主副廠房洞主變洞

18、尾調(diào)洞母線洞尾水主洞交通洞出線洞白鶴灘水電站裝機(jī)容量13050MW，多年平均發(fā)電量564.9億kWh。是西電東輸骨干電源點(diǎn)之一 。引水發(fā)電系統(tǒng)的示意圖 水電站及航運(yùn)地下工程 水電站地下工程包括： 引水隧道、泄水隧洞 大跨度、高邊墻的地下廠房等地下工程。 （據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建國(guó)后建成的大小中型水電站引、泄水隧洞約140座，全長(zhǎng)120km；最長(zhǎng)的為四川漁子溪一級(jí)電站有壓發(fā)電隧道，長(zhǎng)8429m。天生橋水電站，有壓發(fā)電隧道三座，內(nèi)徑9.0m，各長(zhǎng)11.34km）。 航運(yùn)地下工程: 世界最大的航運(yùn)隧道為法國(guó)馬賽至羅那航運(yùn)線上的羅佛隧道，全長(zhǎng)7km，斷面寬24.5m,高17.5m.天生橋水電站龍灘水電站城市地

19、下工程 地鐵： 法國(guó)巴黎高速地鐵橫貫東西，全長(zhǎng)50km余； 日本東京地鐵更有若干層好幾條線； 我國(guó)的上海、北京、廣州等地鐵正如火如荼。 地下空間： 日本東京的上層地下工程，作為地下街、商場(chǎng)等； 瑞典、挪威、美國(guó)等更把地下工程用于民用住宅、圖書(shū)館等。 我國(guó)有利用人防工程改造的商場(chǎng)、地下人行街、車(chē)庫(kù)。上海徐家匯地鐵站廣州越秀公園站地下工程施工方法例一明挖法施工方法例二蓋挖、逆作法最新盾構(gòu)技術(shù)施工方法例三 盾構(gòu)法施工方法例四頂管工程施工方法例五管棚法施工方法例六大斷面管幕箱涵頂進(jìn)技術(shù) 其他 各類物資的儲(chǔ)庫(kù)，如瑞典佛斯馬克海底核廢料儲(chǔ)庫(kù)系統(tǒng)；我國(guó)柳州大型天然洞室作冷藏庫(kù)；以及地下油庫(kù)、大型跨江海橋梁的

20、基礎(chǔ)等。新日本石油公司的海上油庫(kù)串木野基地的地下油庫(kù)橋梁地下工程施工典型橋梁錨碇施工3.1.3 地下建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1、地下建筑結(jié)構(gòu)荷載特點(diǎn)1）地下建筑結(jié)構(gòu)荷載分類 根據(jù)施加荷載主體不同，分主動(dòng)荷載和被動(dòng)荷載兩大類，而被動(dòng)荷載、巖土體壓力、地下水壓力是地下建筑結(jié)構(gòu)不同于地面建筑結(jié)構(gòu)的獨(dú)特荷載。表3-7 地下建筑結(jié)構(gòu)荷載分類荷載分類荷 載 名 稱荷 載 特 點(diǎn)主動(dòng)荷載 靜荷載（恒載、永久作用）長(zhǎng)期作用在結(jié)構(gòu)上，且大小、方向和作用點(diǎn)不變的荷載。如：結(jié)構(gòu)自重、巖土體壓力等。活荷載（可變作用）大小、作用點(diǎn)可能存在變動(dòng)的荷載。如：設(shè)備、物件荷載、車(chē)輛、堆積物、施工臨時(shí)荷載等。偶然作用（強(qiáng)動(dòng)荷載）爆炸沖擊波壓

21、力、地震波作用的動(dòng)荷載、落石沖擊力等；其他可變荷載混凝土材料收縮產(chǎn)生內(nèi)力、溫度變化產(chǎn)生內(nèi)力、結(jié)構(gòu)不均勻沉降產(chǎn)生的內(nèi)力等；一般難以確切計(jì)算，一般已加大安全系數(shù)和施工措施解決，但大型重要結(jié)構(gòu)應(yīng)估算。被動(dòng)荷載地層彈性抗力支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生向圍巖方向的變形而引起圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束反力。 地層彈性抗力是地下建筑結(jié)構(gòu)特有荷載，影響因素有支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、地層的物理力學(xué)性質(zhì)。地層彈性抗力是地下建筑結(jié)構(gòu)區(qū)別于地面結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)之一。 荷載組合一般按最不利結(jié)構(gòu)安全的情況組合。荷載確定計(jì)算方法根據(jù)建筑用途、防護(hù)等級(jí)、地震等級(jí)等，按照使用各種規(guī)范、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定荷載。表3-7 地下建筑結(jié)構(gòu)荷載分類2）被動(dòng)荷載地層彈性抗力形

22、成過(guò)程為：主動(dòng)荷載作用于地下支護(hù)結(jié)構(gòu)變形作用于地層地層反作用于地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生被動(dòng)彈性抗力荷載。地層彈性抗力是區(qū)別于地面結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)，需考慮結(jié)構(gòu)與地層的相互作用，設(shè)計(jì)與計(jì)算復(fù)雜。被動(dòng)荷載使地下建筑結(jié)構(gòu)變形受到限制，結(jié)構(gòu)承載能力、受力條件和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等得到改善。圖3-7 被動(dòng)荷載地層彈性抗力的形成過(guò)程與分布圖3）被動(dòng)荷載地層彈性抗力計(jì)算（a）局部變形理論： 溫克爾模型（點(diǎn)彈性理論），彈性地基（圍巖）某點(diǎn)的外力只引起該點(diǎn)的沉陷和變形；彈性抗力=地層彈性抗力系數(shù)*圍巖壓縮變形；該方法容易理解，計(jì)算簡(jiǎn)單，只要滿足工程要求，一般采用。計(jì)算關(guān)鍵問(wèn)題是確定地層彈性抗力系數(shù)的大小。（b） 共同變形理論（面彈性變

23、形理論）： 彈性地基（圍巖）某點(diǎn)的外力不僅引起該點(diǎn)的沉陷和變形，而且引起附近周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)地基發(fā)生沉陷；但計(jì)算復(fù)雜，一般不用。 圖3-8 被動(dòng)荷載地層彈性抗力的計(jì)算模型比較內(nèi)容地下建筑結(jié)構(gòu)工程特點(diǎn)地面建筑結(jié)構(gòu)工程特點(diǎn) 荷載類型和形成先后順序先有荷載，后有結(jié)構(gòu)。在地下建筑結(jié)構(gòu)形成前存在地應(yīng)力、地下水壓力等荷載；除存在主動(dòng)荷載外，存在被動(dòng)荷載彈性抗力作用。先有結(jié)構(gòu)工程，后有荷載。經(jīng)過(guò)施工，形成地面結(jié)構(gòu)，承受靜載和動(dòng)載作用；一般只有主動(dòng)荷載。工程材料特性工程材料具有不確定性：除支護(hù)材料、建筑結(jié)構(gòu)材料可控制外，圍巖地質(zhì)體難以預(yù)測(cè)和控制。表現(xiàn)在：1）空間上不確定性：不同位置的圍巖地質(zhì)條件如巖性、斷層、節(jié)

24、理、地下水、地應(yīng)力等存在差異。2）時(shí)間上不確定性：不同歷史演變時(shí)期，上述因素不同，且與開(kāi)挖方式、支護(hù)形式、時(shí)間、工藝等密切相關(guān)。工程材料如鋼材、磚、鋼筋混凝土等的材料組成與力學(xué)性能，與巖體材料相比，變異小，可以人為控制和改變。工程荷載的不確定性和計(jì)算難度地質(zhì)體既是荷載，又是承載體，因此，不僅荷載難以估計(jì)；而且荷載與眾多的自然和工程因素有關(guān)，且隨支護(hù)類型、時(shí)間、工藝等變化，地下建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算與設(shè)計(jì)中難以準(zhǔn)確確定作用在結(jié)構(gòu)上的荷載類型與量值，具有不確定性。荷載明確清晰，盡管存在隨機(jī)性（風(fēng)、雪、地震等），但變異性和荷載值事先可預(yù)見(jiàn)、在設(shè)計(jì)中可按規(guī)范或?qū)嶋H情況考慮和選取。2、地下建筑結(jié)構(gòu)工程特點(diǎn)結(jié)構(gòu)破

25、壞失效模式安全穩(wěn)定影響影響因素多，破壞形式難以確定，與巖土體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力環(huán)境、地下水、施工方法、支護(hù)形式等因素有關(guān)。如隧道的突水、滲水事故、冒頂、塌方、片幫、底鼓、變形等，具有不確定性。破壞失效模式有強(qiáng)度破壞、變形破壞、旋轉(zhuǎn)與滑動(dòng)失穩(wěn)等，易于分析確定。工程地質(zhì)環(huán)境特有的、復(fù)雜的初始地應(yīng)力場(chǎng)，如復(fù)雜的巖土體地質(zhì)構(gòu)造體系；離散性、不確定性很大的巖土體物理力學(xué)特性；復(fù)雜的地下水、各種氣體等復(fù)合作用（水壓、侵蝕、滲透等）；工程環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單。施工條件與施工環(huán)境信息施工信息、環(huán)境信息具有不完備性和模糊性。影響巖土體工程性質(zhì)的參數(shù)、節(jié)理、裂隙特征是多種多樣，千變?nèi)f化，對(duì)一切影響因素掌握不全面、模糊性。對(duì)地下

26、建筑工程，僅能獲取少量的、有限的信息，其數(shù)量和質(zhì)量缺乏完備性和充分性，可能存在錯(cuò)誤的信息和判斷，導(dǎo)致設(shè)計(jì)和施工的失?。皇┕ば畔?、環(huán)境信息基本完備、明確，一切易于掌控。表3-8 地下建筑結(jié)構(gòu)與地面建筑結(jié)構(gòu)工程特點(diǎn)比較3、地下結(jié)構(gòu)工作特點(diǎn)1）地下結(jié)構(gòu)在施工階段就進(jìn)入工作狀態(tài)。地面結(jié)構(gòu)在施工完成后才承受各種荷載，而地下結(jié)構(gòu)在受荷狀態(tài)下構(gòu)筑，施工過(guò)程中要承受?chē)鷰r豎向和水平側(cè)向壓力。2）圍巖地質(zhì)條件對(duì)地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響很大。地下結(jié)構(gòu)的主要荷載是圍巖壓力，圍巖壓力與圍巖級(jí)別及工程性質(zhì)密切相關(guān)。地下結(jié)構(gòu)埋深不同，原始應(yīng)力場(chǎng)也不同，影響地下工程的穩(wěn)定與安全。此外隨著時(shí)間的推移，巖土層的受力狀態(tài)、地殼運(yùn)動(dòng)因素等隨

27、圍巖發(fā)生變化。3）圍巖具有一定的自承載能力。不論在垂直方向或水平方向，圍巖均有一定的自穩(wěn)范圍和自穩(wěn)時(shí)間，圍巖壓力由地下結(jié)構(gòu)和圍巖共同承擔(dān)。地下結(jié)構(gòu)要運(yùn)用各種支護(hù)方法和手段，改善自穩(wěn)范圍和時(shí)間，充分利用和提高圍巖自承載能力。4）地下水的賦存狀態(tài)對(duì)地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工產(chǎn)生巨大的影響。地下水影響圍巖情況、地下結(jié)構(gòu)施工方法、施工安全等。5）施工方法和施工時(shí)機(jī)對(duì)圍巖及地下支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有制約作用。地下結(jié)構(gòu)以地下空間代替巖體的承載結(jié)構(gòu)，施工方法和施工時(shí)機(jī)對(duì)圍巖及地下支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有較大的影響。應(yīng)“勤支護(hù)、早封閉、弱擾動(dòng)”，使地下結(jié)構(gòu)與圍巖共同作用，形成空間受力體系。6）多期支護(hù)對(duì)改善地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有積極作用。

28、開(kāi)挖早期進(jìn)行一次柔性支護(hù)，以便圍巖產(chǎn)生一定的變形，之后進(jìn)行剛性二次支護(hù)，兩種支護(hù)措施共同構(gòu)成永久地下結(jié)構(gòu)。這種多次支護(hù)方法不僅能主動(dòng)控制圍巖變形。4、地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)1）地下空間內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)替代了原來(lái)的地層，承受原來(lái)有地層承受的荷載。設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，要最大限度發(fā)揮地層圍巖自身承載能力，以便控制地下建筑結(jié)構(gòu)的變形，降低工程造價(jià)。2）在受荷狀態(tài)下構(gòu)建地下建筑結(jié)構(gòu)，地層荷載隨施工進(jìn)程發(fā)生變化，設(shè)計(jì)要考慮最不利的荷載工況。3) 地下空間結(jié)構(gòu)上的地層荷載由工程的地質(zhì)情況確定，對(duì)于土體一般可按松散連續(xù)體來(lái)計(jì)算；如是巖石，不僅要考慮巖石的種類，而且要查清巖石的構(gòu)造、節(jié)理、裂隙等，才能使結(jié)構(gòu)上的地層荷載準(zhǔn)

29、確可靠。4）地下水的狀態(tài)對(duì)地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工影響較大， 如靜水壓力、動(dòng)水壓力、浮力效應(yīng)、腐蝕性等。設(shè)計(jì)前查清地下水位的分布和變化。5）設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)資料可能與施工揭露的實(shí)際地質(zhì)情況不同，應(yīng)根據(jù)施工的實(shí)時(shí)工況隨時(shí)修改設(shè)計(jì)。6）地下建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)置變形縫最難處理的是防水問(wèn)題，一般盡量避免設(shè)變形縫，通過(guò)局部加強(qiáng)地基、用整片較大的基礎(chǔ)、調(diào)整施工順序等得到整體平衡。7）地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮與防水、防腐、防火、防霉、通風(fēng)等有關(guān)的特殊要求?？梢?jiàn)：地下建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算影響因素多，設(shè)計(jì)難度比地面結(jié)構(gòu)大。 3.1.4地下建筑結(jié)構(gòu)選型1、地下建筑結(jié)構(gòu)選型 城市地下工程結(jié)構(gòu)選型受建筑功能與使用要求、洞室跨度與

30、埋深、耐久性要求、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)、受力環(huán)境條件、建筑材料、施工方法、工期與造價(jià)、地下建筑結(jié)構(gòu)的特殊性等多種因素的制約和影響，一般須綜合考慮選定結(jié)構(gòu)形式、規(guī)模與尺寸、使用材料等結(jié)構(gòu)要素，使地下建筑結(jié)構(gòu)在各種靜載與動(dòng)載、簡(jiǎn)單或復(fù)雜等荷載作用下能夠在穩(wěn)定性與安全性、功能使用合理性、經(jīng)濟(jì)成本與效益、技術(shù)先進(jìn)性等四個(gè)方面達(dá)到理想的效果。 一般工程中可采用耐久性好，施工可塑性強(qiáng)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；大空間的洞穴中可使用鋼結(jié)構(gòu)；對(duì)于地質(zhì)條件較好的淺埋小跨度結(jié)構(gòu)（如糧倉(cāng)、隧道等）則可選用砌體結(jié)構(gòu)。 在結(jié)構(gòu)體系方面，地下建筑最常用的類型為框架結(jié)構(gòu)、外墻內(nèi)框結(jié)構(gòu)、板墻結(jié)構(gòu)、板柱結(jié)構(gòu)、排架結(jié)構(gòu)、拱殼結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)

31、構(gòu)多用于高層建筑地下室、水電廠廠房、地下車(chē)站等；外墻內(nèi)框結(jié)構(gòu)、板墻結(jié)構(gòu)，多用于有地下連續(xù)墻的工程；板柱結(jié)構(gòu)是人防工程、地下車(chē)庫(kù)常用的結(jié)構(gòu)體系；排架結(jié)構(gòu)多用于洞穴中的單層廠房，步承受土壓力；拱殼結(jié)構(gòu)多用作結(jié)構(gòu)的頂蓋，主要承受土的壓力。結(jié)構(gòu)體系的選型應(yīng)在滿足使用要求的前提下做到安全經(jīng)濟(jì)、施工方便。2、地下建筑結(jié)構(gòu)斷面形式與結(jié)構(gòu)功能1）拱形地下建筑結(jié)構(gòu)主要承受豎向荷載，適用于抗壓性能較好的磚、石、混凝土等材料構(gòu)筑，一般能滿足地下建筑的使用要求。包括噴錨襯砌、半襯砌、厚拱薄墻襯砌、直墻拱襯砌、曲墻拱襯砌、落地拱襯砌等不同形式。廣泛使用于各類隧道等線狀地下結(jié)構(gòu)。2）圓形或矩形管狀地下建筑結(jié)構(gòu)一般由鑄鐵、

32、鋼、混凝土或鋼筋混凝土制成，分現(xiàn)澆整體式、預(yù)制裝配式2種形式，廣泛應(yīng)用在松軟和不穩(wěn)定地層中。由于豎向地層壓力、水平壓力以及地層反力較大，為改善地下建筑結(jié)構(gòu)的受力性能，因此在地鐵、越江（河、湖、海）隧道工程中設(shè)計(jì)采用圓形。斷面尺寸要求大的水下沉管法施工隧道等采用矩形管狀結(jié)構(gòu)。3）框架結(jié)構(gòu)：在結(jié)構(gòu)體系方面，地下建筑最常用的類型為框架結(jié)構(gòu)、外墻內(nèi)框結(jié)構(gòu)、板墻結(jié)構(gòu)、板柱結(jié)構(gòu)、排架結(jié)構(gòu)、拱殼結(jié)構(gòu)等。框架結(jié)構(gòu)多用于高層建筑地下室、水電廠廠房、地下車(chē)站等；在松軟和不穩(wěn)定地層中，地下街、醫(yī)院、指揮所等采用矩形框架結(jié)構(gòu)；外墻內(nèi)框結(jié)構(gòu)、板墻結(jié)構(gòu)，多用于有地下連續(xù)墻的工程；板柱結(jié)構(gòu)是人防工程、地下車(chē)庫(kù)常用的結(jié)構(gòu)體系；排架結(jié)構(gòu)多用于硐室中的單層廠房，不承受土壓力；拱殼結(jié)構(gòu)多用作結(jié)構(gòu)的頂蓋，主要承受土的壓力。4）箱形地下建筑結(jié)構(gòu)：在松軟和不穩(wěn)定地層中，地鐵通道、及車(chē)站采用箱形地下建筑結(jié)構(gòu)。5）薄殼結(jié)構(gòu)：倉(cāng)庫(kù)、油庫(kù)等穹頂結(jié)構(gòu)。6）異形結(jié)構(gòu)：雙圓形或三圓形管片襯砌隧道。3.2 地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算3.2.1 地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論1、 地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論 地下建筑結(jié)構(gòu)不同于地表建筑的環(huán)境與條件，因而產(chǎn)生和形成了地下建筑學(xué)。地下建筑學(xué)涉及地下建筑設(shè)計(jì)與城市規(guī)劃、工程地質(zhì)學(xué)、巖土力學(xué)、地下結(jié)構(gòu)工程學(xué)、城市環(huán)境學(xué)、心理學(xué)、防災(zāi)減災(zāi)與防護(hù)工程學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、地下工程施工、巖土加固技術(shù)等地下工程建設(shè)的