(地下建筑结构)第三章(地下结构设计理论)

6）地下建筑结构设计内容
地下工程基本建设按勘察、设计、施工等程序进行； 设计包括：规划设计、建筑设计、防护设计、结构设计、施工
工艺设计、设备设计、经济概预算设计等； 而结构设计主要是解决结构的选型、强度、刚度和稳定性、抗
裂性等问题，并提供施工时结构各部件的具体细节尺寸及连接 大样。内容包括： （1）确定工程防护等级、三防要求（核武器、化学武器、生物 武器）动、静荷载标准；确定埋置深度与施工方法；选定结构 形式和结构平面布置；然后开始结构设计， （2）初步拟定结构截面尺寸，根据荷载和使用要求估算结构跨 度、高度、顶底板及边墙厚度等主要尺寸； （3）分析并初算结构上作用的荷载值：按建筑用途、防护等级、 地震级别、埋置深度和土层情况求出作用在结构上的各种荷载 值；绘制初步结构图与计算简图； （4）结构内力计算分析：选择合适的结构内力计算模型和计算 方法，得出结构各控制设计截面的内力； （5）结构稳定性验算：抗浮、抗倾覆、抗滑动等验算；
（9）重复上述步骤，直到满足各种要求； （10）绘制施工设计图， （11）材料、工程数量和工程财务预算：选择建筑材料、估
算工程材料、工程量及经济预算等。 地下建筑结构设计规范： 总体安全可靠、技术可行、经济合理原则； 《混凝土结构设计规范》、铁路隧道设计规范、公路隧道设
计规范、地铁设计规范、锚杆喷射混凝土支护技术规范、水 工隧洞设计规范、岩土工程勘察规范、建筑地基处理规范、 建筑桩技术规范等。
第3章 地下建筑结构及设计(2)
胡华
3、地下建筑结构设计
1）设计原则：在静载、动载等各种荷载作用下， 满足服务年限内的耐久性、使用安全性、发挥功 能的适用、修建和使用维护的经济性、建造技术 先进性等；
2）地下建筑结构设计实质：协调优化结构可靠安 全性与技术先进性、经济合理性，使用耐久性之 间的矛盾,实现最优的建筑构思；确定结构形式 （形态）、规模与尺寸、使用材料、施工技术方 法（包括开挖与支护）等。
2、结构荷载共同作用设计法（收敛—约束设计法）
（1）地下工程施工中围岩应力及位移状态 地下工程开挖前岩体处于初始应力状态，为一次（原始）应力平衡状态；地下开挖后，
引起了围岩应力的重调整分布，同时围岩将产生向隧道内的位移，形成了新的应力场， 称之为围岩的二次应力平衡状态。这种状态受到开挖方式(爆破、非爆破)和方法(全断 面开挖、分部开挖等)的强烈影响。期间产生临空面的位移，大小取决于施工方法、岩 体特性、开挖空间大小等。 地下洞室开挖后，围岩会向地下洞室内部变形收敛，洞室围岩中的径向应力随之减少。 如果没有支护，围岩收敛不受限制，根据围岩强度和稳定性的不同，可能出现两种极 端情况：一是围岩收敛到一定程度后达到自稳状态；二是应力集中过强，围岩收敛过 度出现塑性变形甚至塌落。 对第一种情况，如果围岩收敛幅度不影响洞室的净空要求，就不需支护即使支护也是 防护性的，支护方法一般可采用喷浆或者喷射混凝土。 ；对第二种情况是开挖后隧道围岩产生一定范围的塑性区，围岩发生塑性变形并迫使 围岩向隧道内滑移，围岩因变得松弛，其物理力学性质也发生变化。如果隧道围岩不 能保持长期稳定，就必须设置承载型的支护结构，从隧道内部对围岩施加约束，控制 围岩变形，改善围岩的应力状态，促使其达到新的稳定状态。 坑道支护后，相当于在坑道周边施加了一个阻止隧道围岩变形的支护阻力(抗力)，从而 也改变了围岩的二次应力状态。支护阻力的大小和方向对围岩的应力状态有着很大的 影响。这就是三次应力平衡状态。显然这种状态与支护结构类型、方法以及施设时间 等有关。三次应力状态满足稳定要求后就会形成一个稳定的洞室结构，这个复杂的力 学变化过程才告结束。 只有设置刚度足够大的支护才能抵抗围岩的塌落荷载。为避免使用大刚度的支护，选 择围岩出现塑性变形和塌落前支护来控制围岩收敛，达到控制围岩有效控制变形、降
20世纪20年代提出的“松弛荷载理论”，以泰沙基、普罗 托季亚科诺夫等为代表。其核心内容是:稳定的岩体有自 稳和承载能力，不产生荷载。作用在支护结构上的压力不 是覆岩层的重量，而是围岩塌落拱范围内由于松弛并可能 塌落的岩体重力。塌落拱的高度与地下工程的跨度、围岩 的性质有关。随着地下工程开挖深度增加，不稳定的岩体 则可能产生坍塌，需要用支护结构予以支撑。
“松弛荷载理论”将支护结构和围岩分开来考虑， 支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支 护结构的弹性支承，建立的是“荷载－结构”力 学体系。在这类模型中，隧道支护结构与围岩的 相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来 实现的。显然，“松弛荷载理论”着重注意结果
和对结果的处理。
3）第三阶段：共同作用理论阶段（岩承理论）
4、地下建筑结构设计与计算理论发展重要标志
1）第一阶段：古典岩土压力理论阶段，以海姆、郎肯和 金尼克等为代表。主要学术思想：作用在支护结构上的竖 向压力为上覆岩层的产生的竖向压力rH（容重、埋深）； 侧压力=侧压系数*rH。主要适用于埋深不大的破碎松散岩 土中的地下建筑工程结构设计。
2）第二阶段：散体压力理论阶段（松弛荷载理论）
（6）内力组合：在各种荷载作用下分别计算结构内力，对 最不利的情况进行内力组合，求出各控制截面的最大设计内 力值，并验算截面强度；
（7）配筋计算：核算截面强度和裂缝宽度，得出受力钢筋， 并确定必要的构造钢筋；绘制结构施工详图：如结构平面图、 结构构件配筋图、节点图等；
（8）安全性评估：如不符合安全要求，重新（选定结构形 式与布置）估算结构跨度、高度、顶板、底版、边墙厚度等 主要尺寸；
20世纪50年代提出的来自百度文库岩承理论”，其核心内容是:
隧道围岩稳定是由于岩体自身有承载自稳能力；不稳定围
岩丧失稳定是具有一个过程的，如在这个过程中提供必要
的支护或限制，则围岩仍能保持稳定状态。“岩承理论”
建立的是岩体力学模型。它是将支护结构和围岩视为一体，
作为共同承载的隧道结构体系，故又称为复合整体模型。
在这个模型中围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来
约束和限制围岩变形。
复合整体模型是当前隧道结构体系设计中力求采用的
并在发展的模型，与新奥法隧道施工思想一致。显然，
“岩承理论”更加注意过程和对过程的控制，即对围岩自
承能力的充分利用。
3.2.2 地下建筑结构设计计算模型
由于地下建筑结构的设计受众多因素的影响，在设计过程中所采 用的基本理论和指导思想的着眼点和侧重不同，因而产生和形成 了不同的思维模式和设计模型。国际隧道协会(ITA)收集和汇总了 各国目前采用的设计方法，总结归纳为四种设计计算模型。
1、工程类比法与经验设计法（模型） 将拟建地下工程的自然条件和工程条件（地质条件、几何尺寸、
使用要求、施工工艺等）与已建成的类似工程相比较，将已建工 程的稳定状况、影响因素、及工程设计等方面的有关经验，应用 到类似的拟建地下工程中去，借鉴成功的工程设计经验进而确定 有关设计参数，或参照各类设计规范和法规提供的经验参数完成 设计。 该法的基础在于积累和整理既有工程资料，充分掌握和占有已往 类似工程的资料和成功经验，前提是建立合理的围岩分类体系， 对地下工程围岩进行正确分级。成功建造的关键是作好施工过程 的监控量测和信息反馈。 地下工程围岩地质环境复杂，要取得准确的地质、围岩参数和设 计荷载等参数数据极其困难，而且一些施工技术机理复杂，研究 尚不完整，计算理论不太成熟，因此在相当长的历史时期内，经 验判断对地下工程设计将很大作用。