中国矿业大学地下工程复习资料

第一章绪论

1、地下工程的含义

地下工程：地下工程是建造在地层环境中（岩体或土体）的工程结构物；有广义和狭义地下工程。

2 地下空间：在岩层或土层中天然形成或经人工开发形成的空间称为地下空间。

第二章地下建筑结构设计方法

1.荷载—结构模型方法：

（1）特征

a）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撑，对支护结构的变形起约束作用；

b）支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支撑对支护结构施加约束来体现，围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支撑的约束能力时间接地考虑。

（2）适用条件：主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和坍塌，支护结构承担围岩松动压力的情况。

（3）需解决的关键问题：如何确定作用在支护结构上的主动荷载，即围岩所产生的松动压力，及弹性支撑给支护结构的弹性抗力。

（4）模型求解方法：结构力学方法：力法（矩阵力法）、位移法（矩阵位移法——一维杆系有限元法）

2.地层—结构模型方法：

（1）特征

a）将支护结构与围岩视为一体，作为共同承载的结构体系；

b）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的变形。

（2）适用条件：是目前地下结构体系设计中力求采用或正在发展的模型。它符合当前的施工技术水平，采用快速和早强的支护技术可以限制围岩的变形，从而阻止围岩松动压力的产生。

（3）需解决的关键问题

如何确定围岩的初始应力场，以及表示材料不连续、非线性特性的各种参数、岩体本构模型。

（4）模型求解方法：解析法、数值法（主要为FEM）

3.常用地下结构设计方法及其各自含义

1）工程类比设计法

所谓工程类比设计法，就是以已往地下工程支护结构设计与施工的资料和经验为基础，以围岩分级为前提，以计算分析为必要的辅助，以施工过程的监控量测和信息反馈为指导的方法体系。

2）容许应力设计法

以结构构件截面计算应力不大于规定的材料容许应力的原则（图c），进行结构构件设计计算的方法。

3）破损阶段设计法

考虑结构材料破坏阶段的工作状态（图d）进行结构构件设计计算的方法。

4）概率极限状态设计法

以概率理论为基础，以防止结构或构件达到某种功能要求的极限状态作为依据的结构设计计算方法。

5）特征曲线设计法

将围岩位移曲线与支护特性曲线放在同一坐标系统上来考察，利用围岩与支护共同作用特性来选择支护参数的方法叫作特征曲线法（又称为收敛约束法）。

4.地下结构的受力特点

主要特点：地下结构的围岩既是作用于支护结构上的荷载来源，又与支护结构共同构成承载体系。

（1）除了承受使用荷载之外，地下结构还要承受周围岩土体和地下水的作用，而且后者往往构成地下结构的主要荷载；

（2）地下结构的围岩既是荷载的来源，又可以在某些情况下与结构共同作用形成承载体系；

（3）地下水对结构的力学作用与岩土组成、地下水流场及结构防水系统等因素相关；

（4）地下结构埋深足够大时，由于地层的成拱效应，结构承受的围岩竖向应力总是小于其上覆地层自重压力；

（5）地下结构的受力可能受到结构与围岩相互作用及施工过程的显著影响；

（6）地下结构的荷载具有时空效应。

5.围岩压力的概念

围岩压力：是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。它包括由地应力引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。从狭义上来理解，围岩压力是指围岩作用在支护结构上的压力。在工程中一般研究狭义的围岩压力。

围岩压力的分类：围岩压力可分为围岩垂直压力、围岩水平压力及围岩底部压力。6.自然拱的形成及其范围大小的影响因素

自然拱的范围的大小受围岩地质条件、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态等影响，还取决于以下诸因素：

⑴隧道的形状和尺寸：隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自然拱越高，围岩松散压力也越大；

⑵隧道的埋深：实践证明，只有当隧道埋深超过某一临界值时，才有可能形成自然拱。习惯上称这种隧道为深埋隧道，否则为浅埋隧道。由于浅埋隧道不能形成自然拱，所以，它的围岩压力的大小与埋置深度直接相关。

⑶施工因素：如爆破所产生的震动，常常是引起塌方的重要原因之一，造成围岩压力过大，又如分部开挖多次扰动围岩，也会引起围岩失稳，加大自然拱范围。

7.围岩分级方法

围岩级别的划分，应根据岩石坚硬性、岩体完整性、结构面特征、地下水和地应力状况等因素综合确定。

定性分析主要因素包括：岩体结构；构造影响程度，结构面发育情况和组合状态。

定量指标主要包括：单轴饱和抗压强度f r、点荷载强度I S（50）、岩体纵波速度V pm、岩体完整性指标K V、岩体强度应力比S m。

第三章喷锚支护设计

1.喷锚支护的基本概念

锚支护指的是借高压喷射水泥混凝土和打入岩层中的金属锚杆的联合作用（根据地质情况也可分别单独采用）加固岩层，分为临时性支护结构和永久性支护结构。

2.常见锚杆的结构类型

3.悬吊理论分析设计法

悬吊理论认为锚杆的作用是将下部不稳定的岩层悬吊在上部稳定的岩层中，阻止软弱破碎岩层垮落。

悬吊理论只考虑了锚杆的被动抗拉作用，根据不稳定岩层厚度计算锚杆长度，根据锚杆悬吊的不稳定岩层重量计算锚杆直径和间距。

4.组合梁理论分析设计法

组合梁理论认为，在层状岩层中，锚杆的作用是提供轴向和切向约束，阻止岩层产生离层和相对滑动，将若干薄岩层锚固成一个较厚的岩层，形成组合梁。

与不锚固岩梁相比，组合梁的最大弯曲应变和应力都将大大减少，从而提高巷道顶板的稳定性。

通过计算组合梁所必需的承载能力确定锚杆支护参数。

5.加固拱理论分析设计法

加固拱理论认为，在锚杆锚固力作用下，每根锚杆周围形成一个两头带圆锥的筒状压缩区，各锚杆所形成的压缩区彼此联成一个一定厚度的加固拱(或均匀压缩带)。

该拱(带)具有较大的承载能力和一定的可缩性，能够起到有效支护巷道的作用。根据所需加固拱的厚度计算锚杆参数。

6.喷锚支护中喷射混凝土的作用

(1)支撑作用。喷射混凝土支护具有良好的物理力学性能。特别是抗压强度较高，可达200kg/cm2以上，因此能起支撑地压作用。又因其中掺有速凝剂，使混凝土凝结快，早期强度高，紧跟掘进工作面起到及时支撑围岩的作用，有效地控制了围岩的变形和破坏。应用动态信息设计法进行锚喷支护设计应考虑的主要原则

(2)充填作用。由于喷射速度很高，混凝土能及时地充填围岩的裂隙、节理和凹穴的岩石，大大提高了围岩的强度。

(3)隔绝作用。喷射混凝土层封闭了围岩表面，完全隔绝了空气、水与围岩的接触，有效地防止了风化潮解而引起的围岩破坏与剥落;同时，由于围岩裂缝中充填了混凝土，使裂隙深处原有的充填物不致因风化作用而降低强度，也不致因水的作用而使得原有的充填物流失，使围岩保持原有的稳定和强度。

(4)转化作用。由于前三个作用的结果，不仅提高了围岩的自身支撑能力，而且使混凝土层与围岩形成了一个共同工作的力学统一体，具有把岩石荷载转化为岩石承载结构的作用。从根本上改变了支架消极承压的弱点。

7.应用动态信息设计法进行锚喷支护设计应考虑的主要原则

①一次支护原则

锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。

②高预应力和预应力扩散原则

预应力是锚杆支护的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的重要参数，