地下建筑结构

1.3地下建筑工程的特点:

1)工程受力特点不同:地面是先有结构后有荷载,地下结构是先有荷载后有结构

2)工程材料特性的不确定性:空间上不确定,时间上不确定性

3)工程荷载的不确定性

4)破坏模式的不确定性

5)地下建筑工程信息的不完备性和模糊性

6)地下支护结构形式的多样性

1.4地下支护结构的类型:

地下支护结构有:临时支护结构和永久支护结构

支护结构的两个最基本使用要求:一是满足结构强度、刚度要求，以承受诸如水、围岩压力以及一些特殊使用要求的外荷载；二是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。

（1）按设计与施工要求分类

地下建筑结构分为：

1）整体浇注结构：施工时，将地下支护结构整体现浇，一次性施工完成，形成整体型承载结构体。

2）锚喷支护结构：由锚杆、喷射混凝土结构组成的支护结构体

3）复合式衬砌结构：该结构由初期支护结构（锚喷支护）和二次衬砌组成，是应用新奥法理论产生的支护结构，也是我过目前钻爆法中应用最广范的支护结构。

4）管片支护结构：该结构是盾构法或掘进机法施工中最常用的支护结构，环状结构由数个管片组成环形闭合承载结构体。

（2）按用途与功能分为：交通隧道、水工隧道、矿山隧道、城市地下建筑结构、地下工厂、基坑工程、军事与国防工程

2.1地下岩体结构类型：

岩体结构：是指岩体中结构面与结构体的排列组合关系

结构体：是指岩体中被结构面切割围限的岩石块体

结构体常见形状：柱状、板状、楔形、菱形，

2.1.2岩体结构类型：

1)整体与块状结构

2)层状结构

3)碎裂状结构

4）散体状结构

2.2结构面类型与特征

岩体结构面：是指岩体内开裂的和易开裂的面如层理、节理、断层、片理等，又称不连续面。

2.2.1结构面的类型和特征

（1）岩体中结构面的种类：

岩体中有三种结构面：

（1）原生结构面：又称成岩结构面，它是在成岩过程中形成的结构界面如：岩浆岩的流层、流纹、冷却、胀缩裂隙及侵入接触面；沉积岩的层理层面、龟裂；变质岩的片理、板理。（2）次生结构面：又称风化结构面、非构造结构面，是岩石受外动力地质作用（风、水、生物等）产生的，如由风化产生的风化裂隙等，

（3）构造结构面：指各类岩体在构造运动作用下形成的各种结构面，如劈理、节理、断层、层间错动等

2.4.3结构面的强度特性：

1）对于光滑无充填物的结构面，其抗剪强度为：=tan τσϕ

2）对于粗糙起伏无填充物的结构面，其抗剪强度为：=tan()b i τσϕ+

3）有填充物结构面的抗剪强度主要取决于填充物的成分、结构、厚度及充填程度等。、

2.4.4岩体的变形特征

岩体由岩石和结构面构成，因此强度必然收到岩石和结构面强度极其组合方式（岩体结构）的控制。

和岩石一样，岩体强度也有抗压强度、抗拉强度和抗剪强度之分，人们研究的重点是岩石的抗压强度和抗剪强度，通常采用原味测试获得力学参数。

（1）单轴压缩条件下岩体的变形特征（变形阶段划分）

1）第一变形阶段为图中OA 段曲线，属于微裂隙压密阶段。

2）第二变形阶段为图中AB 段曲线，属于弹性变形阶段。

3）第三变形阶段为图中BC 段曲线，属于初级膨胀阶段。

4）第四变形阶段为图中CD 段曲线，属于破坏阶段。

5）第五变形阶段为图中DE 段曲线，属于峰值后的变形与破坏阶段

其变形指标有：变形模量0E 、弹性模量e E 、动弹性模量d E

（2）岩体压力作用下的变形特征

1）直线形：岩体变形为先谈性特征

2）上凹形：随着压力增加，岩体变形速率加大。

3）上凸形：随着压力增加，岩体变形速率减小。

（3）岩体的流变特征包括：

1）蠕变：指在应力一定的条件下，变形随着时间的持续而逐渐增长的现象。

2）松弛：变形保持一定时，应力随时间的增长而逐渐减小的现象。

3.1地下洞室围岩稳定性分析

围岩的初始应力场：由于岩体的自重和地质构造作用，在开挖前岩体中就已经存在的地应力场，人们称之为围岩的初始应力场。

初始应力场：是指在天然状态下所具有的内在应力，可称之为岩体的初始应力或地应力。 围岩压力： 围岩变形与破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需要对围岩进行支护衬砌，变形破坏的围岩对支护结构施加一定的荷载，成为围岩压力。

3.2.1初始应力场的组成：

根据地应力场的成因将其分为自重应力场和构造应力场两大类，这两类应力场的基本规律有明显的差异。

构造应力场：是指地壳中各处发生的一切构造变形与破裂所形成的地应力，其成因比较复杂。

3.2.3影响岩体初始应力状态的因素

（1）地形对自重应力的影响

（2）地质构造对自重应力的影响

（3）岩体不连续面对自重应力的影响

（4）岩性对自重应力的影响

（5）地下谁压力对岩体自重应力的影响

（6）热应力对岩体自重应力的影响

3.3围岩重分布应力计算

动壁上的重分布应力

为考察动壁上重分布应力的特点，把0r R =代入上式，得动壁上的重分布应力为

02()cos 2[12(1)cos 2]0r k v k v v r θθσσσσσσθσλλθτ=⎧⎫⎪⎪=+--=++-⎨⎬⎪⎪=⎩⎭ 由上式可知，动壁上的重分布应力具有如下特点：

a ． 动壁上的r 0,0r θτσ==，为单向应力状态；

b ． θσ大小与洞室尺寸0R 无关；

c ． 当h v 0180,3(31);o o v θθσσσλσ==-=-、

d ． 当o

90270o θ=、， h v 3(31)v θσσσλσ=-=-；

e ． 当h =/1/3v λσσ<时，洞顶底将出现拉应力；

f ． 当1/3< λ<3时，θσ为压应力且分布较均匀；

g ． 当λ>3时，洞壁两侧出现拉应力，洞顶底出现较高的压应力集中。 应力集中系数：是指地下洞室开挖后洞壁上一点的应力与开挖前动壁处该点的天然应力的比值。反映了动壁各点开挖前后应力变化情况。

3.6.1围岩岩体破坏类型与特征分析

（1）局部落石破坏：这种破坏主要是由地质和施工原因造成的。围岩自重所造成的

（2）层状岩体张裂折曲破坏：这类岩体常呈软硬岩层相间的互层形式出现。岩体中结构面以层理为主，并有层间错动及泥化层等软弱结构面发育。此类破坏主要受岩层产装及岩层组合等因素控制，其破坏形式有：沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等，

（3）剪切破坏：是由于弱面中的应力超过弱面抗剪强度而造成的，它是软弱围岩中最常见的破坏形式。。主要是由围岩应力和自重引起的，因此破坏部位受原岩应力场及弱面强度、密度、方位和组数支配。采用多种方法组合支护。 （4）岩爆

定义：强度较高且较完整的脆性岩体过度受力F 突然发生岩石弹性变形所引起的围岩压力的现象， 产生条件：1）应力条件：用洞壁的最大环向应力0σ与围岩单压强度c σ的比值来表征用初始应力中的1σ与围岩单轴抗压强度d σ的比值来表征10.165~0.35c

σσ>时，极易发生岩爆。2）岩性条件：当岩性变形能系数ω>70%时会发生岩爆。ω越大，发生岩爆的可能性越大。 影响岩爆的因素：地质构造、洞室埋深。

变形压力：由于支护结构阻止围岩变形，它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松动压力及不相同，他是支护结构与围岩共同变形过程中对支护结构施加