地下结构设计.ppt

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1、地下结构设计原理与方法地下结构设计原理与方法地下结构设计原理与方法地下结构设计原理与方法 地下工程环境的特殊性地下工程环境的特殊性与地下结构与地下结构物的周围环境息息相关，决定了它的工物的周围环境息息相关，决定了它的工作特征。作特征。地上结构地上结构地下结构地下结构概述：概述：1.地下结构物的工作特征地下结构物的工作特征 结构上承受的荷载来自于洞室开挖后引结构上承受的荷载来自于洞室开挖后引起周围地层的变形和坍塌而产生的力，起周围地层的变形和坍塌而产生的力，同时结构在荷载作用下发生的变形又受同时结构在荷载作用下发生的变形又受到地层给予的约束到地层给予的约束不确定；不确定；在地层稳固的情况下在地层

2、稳固的情况下围岩本身就是承围岩本身就是承载结构。载结构。地层自稳能力较强时，地下结构将不受地层自稳能力较强时，地下结构将不受或少受地层压力的荷载作用，否则地下或少受地层压力的荷载作用，否则地下结构将承受较大的荷载直至必须独立承结构将承受较大的荷载直至必须独立承受全部荷载作用。受全部荷载作用。2、地下结构体系及其组成、地下结构体系及其组成（1）周围地层（围岩）周围地层（围岩）+地下结构地下结构体系。地下结构地下结构体系。（2）形成地下结构体系与此相关的力学过程：）形成地下结构体系与此相关的力学过程：原始围岩原始围岩毛毛 洞洞支护体系支护体系稳定的洞室稳定的洞室 开挖开挖 支护支护 时间时间初始应

3、力初始应力坑道开挖后的应力坑道开挖后的应力支护体系的应力支护体系的应力 终级应力终级应力一次应力一次应力 二次应力场二次应力场 三次应力场三次应力场 四次应力场四次应力场（3）在此过程中，有许多不确定因素，决定了它的）在此过程中，有许多不确定因素，决定了它的设计和计算方法与地面结构的不同。设计和计算方法与地面结构的不同。3、经验、实践、设计、经验、实践、设计（1）设计方法）设计方法广泛采用结构计算、经验判断和广泛采用结构计算、经验判断和实地量测相结合的所谓实地量测相结合的所谓“信息化设计信息化设计”方法。方法。（2）计算模型要考虑围岩与支护结构的相互作）计算模型要考虑围岩与支护结构的相互作用。

4、用。（3）要明确：）要明确：经验性极强，可以上升到理论上来认识和理解；经验性极强，可以上升到理论上来认识和理解；施工过程（施工方法和支护方法）对坑道稳定有施工过程（施工方法和支护方法）对坑道稳定有一定、甚至是重要影响；一定、甚至是重要影响；在隧道设计中支护技术的研究也是很重要的。在隧道设计中支护技术的研究也是很重要的。本门课程的性质本门课程的性质 地下结构的地下结构的工作特征工作特征：荷载与结构的相：荷载与结构的相互作用；互作用；地下结构的地下结构的计算特征计算特征：荷载结构：荷载结构 围岩结构围岩结构 地下工程的实践经验；地下工程的实践经验；因此，地下结构的稳定性与围岩的工程因此，地下结构的

5、稳定性与围岩的工程性质密切相关。性质密切相关。本课程的主要内容本课程的主要内容（1）围岩的工程性质围岩的工程性质：开挖前围岩的初始应力场、围岩的力学性质、开挖前围岩的初始应力场、围岩的力学性质、围岩分级；围岩分级；开挖后围岩应力场的变化及与支护结构的相互开挖后围岩应力场的变化及与支护结构的相互作用作用（2）现代支护原理与设计方法：体现围岩与）现代支护原理与设计方法：体现围岩与支护相互作用的锚喷支护设计方法；支护相互作用的锚喷支护设计方法；（3）结构力学的计算方法结构力学的计算方法（4）连续介质力学的计算方法）连续介质力学的计算方法（5）信息反馈设计方法）信息反馈设计方法第一章第一章 概概 论论

6、1.1 地下结构体系及计算特点地下结构体系及计算特点掌握：掌握：地下结构体系的概念；地下结构体系的概念；地下结构的计算特点地下结构的计算特点 衬砌的概念及其使用要求；衬砌的概念及其使用要求；支护结构的类型支护结构的类型1.地下结构体系的组成地下结构体系的组成（地下结构体系的概念地下结构体系的概念）（1）周围地层与地下结构共同组成。）周围地层与地下结构共同组成。（2）地层（围岩）的作用：）地层（围岩）的作用：地层既是承载结构的基本组成部分，地层既是承载结构的基本组成部分，是形成荷载的主要来源是形成荷载的主要来源 洞室周围的地层在很大程度上是地下结构体洞室周围的地层在很大程度上是地下结构体系中承载

7、的系中承载的主体主体。地下结构的安全度首先取决于地下结构周围地下结构的安全度首先取决于地下结构周围的地层能否保持持续稳定，并且应充分利用和的地层能否保持持续稳定，并且应充分利用和更好地发挥围岩的承载能力。更好地发挥围岩的承载能力。（3）支护的作用）支护的作用 在需要设置支护结构时，支护结构能够阻止围在需要设置支护结构时，支护结构能够阻止围岩的变形，使其达到稳定的作用，岩的变形，使其达到稳定的作用，这种合二为一的作用机理与地面结构是完全不这种合二为一的作用机理与地面结构是完全不同的同的。衬砌的概念：或称为衬砌的概念：或称为被覆被覆 除在坚固、完整而又不易风化的稳定岩层除在坚固、完整而又不易风化的

8、稳定岩层中可以只开成毛洞外，其他在所有地层中中可以只开成毛洞外，其他在所有地层中的坑道都需要修建支护结构，即衬砌。它的坑道都需要修建支护结构，即衬砌。它是在坑道内部修建的永久性支护结构。是在坑道内部修建的永久性支护结构。衬砌（支护结构）基本的使用要求：衬砌（支护结构）基本的使用要求：（1）满足结构强度、刚度要求，以承受）满足结构强度、刚度要求，以承受诸如水、土压力以及一些特殊使用要求诸如水、土压力以及一些特殊使用要求的外荷载；的外荷载；（2）提供一个能满足使用要求的工作环）提供一个能满足使用要求的工作环境，以便保持隧道内部的干燥和清洁。境，以便保持隧道内部的干燥和清洁。地下工程的特点地下工程的

9、特点 隐蔽性、隐蔽性、力学的不确定性、力学的不确定性、地质环境影响的严重性、地质环境影响的严重性、可维修性差、可维修性差、受施工条件、环境条件约束、受施工条件、环境条件约束、对结构的可靠性、耐久性和维修性提出对结构的可靠性、耐久性和维修性提出更高的要求。更高的要求。2.地下结构的计算特性地下结构的计算特性（1）必须充分认识地质环境对地下结构设计）必须充分认识地质环境对地下结构设计的影响的影响；地层的原始应力很难预先决定；地层的原始应力很难预先决定；围岩的工程性质复杂；围岩的工程性质复杂；地质力学参数很难准确获得；地质力学参数很难准确获得；因此，很难事先准确估计因此，很难事先准确估计地质环境对地

10、下地质环境对地下结构设计的影响结构设计的影响（2）地下工程周围的地质体是）地下工程周围的地质体是工程材料、工程材料、承载结构承载结构，同时又是产生，同时又是产生荷载的来源荷载的来源；原岩应力由地质体和支护结构共同承载；原岩应力由地质体和支护结构共同承载；支护上承受的荷载除与原岩应力有关，还支护上承受的荷载除与原岩应力有关，还和地质体强度、施工方法、施工流程（时和地质体强度、施工方法、施工流程（时间因素）、支护形式、结构形状等有关。间因素）、支护形式、结构形状等有关。（3）地下结构）地下结构施工因素施工因素和和时间因素时间因素会极大会极大地影响结构体系的安全性。地影响结构体系的安全性。如岩体的流

11、变特性，施工方法不当，支护如岩体的流变特性，施工方法不当，支护过晚。过晚。（4）地下工程支护结构安全与否，既要）地下工程支护结构安全与否，既要考虑到考虑到支护结构能否承载支护结构能否承载，又要考虑，又要考虑围围岩会不会失稳岩会不会失稳，这，这2种原因都能最终导致种原因都能最终导致支护结构破坏支护结构破坏；（5）地下工程支护结构设计的）地下工程支护结构设计的关键问题关键问题在于充分发挥在于充分发挥围岩自承力围岩自承力。3.地下结构的形式地下结构的形式 主要由使用、地质和施工因素综合决定主要由使用、地质和施工因素综合决定。使用要求：交通隧道、地下铁道、地下空使用要求：交通隧道、地下铁道、地下空间等

12、，重点考虑的因素是间等，重点考虑的因素是断面的利用率断面的利用率；地质条件：决定了衬砌上承受的荷载，当地质条件：决定了衬砌上承受的荷载，当荷载较大时，要求结构的形状有较好的抵荷载较大时，要求结构的形状有较好的抵抗荷载的性能，且有足够的强度；抗荷载的性能，且有足够的强度；施工方法是确定断面形状施工方法是确定断面形状的决定性因素：的决定性因素：矿山法矿山法拱形拱形 明挖法明挖法一般是矩形，一般是矩形，盾构法盾构法一般是圆形；一般是圆形；结构形式首先由受力条件来控制。结构形式首先由受力条件来控制。（1）按其使用目的（或由围岩的稳定性）按其使用目的（或由围岩的稳定性）：防护型支护防护型支护：封闭岩面，

13、防止围岩质量的封闭岩面，防止围岩质量的进一步恶化进一步恶化；构造型支护构造型支护：防止：防止局部掉块或崩塌局部掉块或崩塌 承载型支护承载型支护：轻型、中型及重型等轻型、中型及重型等 （2）按制造方式（指承重型）按制造方式（指承重型）综合地质、使用、施工因素，衬砌的制造方式综合地质、使用、施工因素，衬砌的制造方式可归纳为可归纳为 就地灌注整体式混凝土衬砌就地灌注整体式混凝土衬砌 用模板浇注混凝土衬砌，刚度较大；用模板浇注混凝土衬砌，刚度较大；锚喷支护：柔性，能吸收围岩变形；锚喷支护：柔性，能吸收围岩变形；复合式衬砌：先柔后刚，先锚喷后模筑；复合式衬砌：先柔后刚，先锚喷后模筑；装配式衬砌：工厂预制

14、，施工现场拼装。装配式衬砌：工厂预制，施工现场拼装。注意结构形式、施工方式和适用条件。注意结构形式、施工方式和适用条件。1.2 地下结构计算理论的发展与现状地下结构计算理论的发展与现状 1.刚性结构阶段刚性结构阶段(压力线理论压力线理论-三铰拱静定体系三铰拱静定体系)偏于保守偏于保守,衬砌厚度偏大衬砌厚度偏大2.弹性结构阶段弹性结构阶段 (1)假定弹性反力阶段假定弹性反力阶段 (2)弹性地基梁阶段弹性地基梁阶段3.连续介质阶段连续介质阶段不密实-松散支撑顶替-扰动传统的隧道修建方法现代支护理论与传统支护理论之间的区别现代支护理论与传统支护理论之间的区别传统方法NATM被动支护主动支护现代支护理

15、论与传统支护理论之现代支护理论与传统支护理论之间的区别间的区别 （1）对围岩和围岩压）对围岩和围岩压力的认识方面力的认识方面：“松松动压力动压力”；“形变压形变压力力”；（2）在围岩和支护间）在围岩和支护间的相互关系上：的相互关系上：“围岩围岩-支护支护”结构体系共同结构体系共同参与工作；参与工作；（3）在支护功能和作）在支护功能和作用原理上用原理上：及时稳定：及时稳定和加固围岩和加固围岩；（4）在设计计算方法上）在设计计算方法上：荷载是岩体地应：荷载是岩体地应力，由围岩和支护共同承载。力，由围岩和支护共同承载。（5）在支护形式和工艺上）在支护形式和工艺上：在围岩松动之：在围岩松动之前及时加固

16、围岩前及时加固围岩 4.信息化设计方法信息化设计方法 原理上属于连续介质力学方法，只是和现原理上属于连续介质力学方法，只是和现场监测结合起来的一种设计方法。场监测结合起来的一种设计方法。现场监控量测与理论分析结合起来，发展现场监控量测与理论分析结合起来，发展成为一种适应地下工程特点和当前施工技成为一种适应地下工程特点和当前施工技术水平的新设计方法术水平的新设计方法现场监控设计方现场监控设计方法（也称信息化设计方法）。法（也称信息化设计方法）。目前，工程中主要使用的目前，工程中主要使用的工程类比设计法工程类比设计法，也正在向着定量化、精确化和科学化方向也正在向着定量化、精确化和科学化方向发展。发展。5.可靠性理论可靠性理论 从发展趋势看，新奥法开创的从发展趋势看，新奥法开创的理论理论-经验经验-量量测测相结合的相结合的“信息化设计信息化设计”体现了地下工体现了地下工程支护结构设计理论的发展方向。程支护结构设计理论的发展方向。地下结构计算理论的上述几个发展阶段在地下结构计算理论的上述几个发展阶段在时间上并没有截然的先后之分，后期提出时间上并没有截然的先后之分，后期提出的计算方法一般也并不否