地下结构的作用

1　绪论

本章导读:

●内容　地下结构的概念、作用、特点和分类;地下结构的形式;地下结构设计的一般程序与内容。

●基本要求 掌握地下结构的概念、作用、特点和分类;了解地下结构计算理论的发展过程;掌握地下结构的形式和结构设计的一般程序与内容。

●重点　地下结构的形式和地下结构设计的一般程序与内容。

●难点　地下结构的形式和地下结构设计的一般程序与内容。

1.1　概　述

1.1.1　地下结构的概念

地下结构是指在保留上部地层(山体或土层)的前提下,在开挖出能提供某种用途的地下空间内修筑的建筑结构。修建地下结构时,首先按照使用要求在地层中挖掘洞室,然后沿洞室周边修建永久性支护结构(称之为衬砌结构)。该结构具有承受开挖空间周围地层的压力、结构自重、地震和爆炸等动静荷载的承重作用;同时又具有防止开挖空间周围地层风化、崩塌、防水和防潮等围护作用。为了满足使用要求,在衬砌内部还需修建必要的梁、柱和墙体等内部结构,内部结构的设计和计算与地面结构相似。所以,地下结构包括衬砌结构和内部结构,如图1.1所示。

图1.1　地下结构

1.1.2　地下结构的特点

地下结构与地面结构相比,由于它们在计算理论和施工方法等方面具有很多不同,因此其力学作用机理以及所采用的理论和方法等方面均有所差异。

1)地面结构体系

地面结构一般都是由上部结构和地基组成。地基只在上部结构底部起约束或支承作用,除了自重外,荷载都是来自结构外部,如人群、设备、列车、风力等[图1.2(a)]。

图1.2　地面结构与地下结构示意图

2)地下结构体系

地下结构是指埋入地层中的,四周均与地层紧密接触的一种结构形式。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,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[图1.2(b)]。地下结构根据周围地层的情况分成以下两种:

在稳固地层的情况下,开挖出的洞室中甚至可以不设支护结构而只留下地层,如我国陕北的黄土窑洞(图1.3)。因此,周围地层能与地下结构一起承受荷载,共同组成地下结构体系。地层既是承载结构的基本组成部分,又是形成荷载的主要来源。

在非稳固地层中,需要修建支护结构,即衬砌(图1.4),它是在坑道内部修建的永久性支护结构。支护结构有两个最基本的使用要求:一是满足结构强度、刚度要求,以承受诸如水、土压力以及一些特殊使用要求的外荷载;二是提供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。

图1.3　稳固地层中的地下结构

图1.4　非稳固地层中的地下结构

综上所述,地下结构设计不同于地面结构,它具有以下工程特点:

①地下空间内建筑结构替代了原来的地层,结构承受了原本由地层承受的荷载。在设计和施工中,要最大限度发挥地层自承能力,以便控制地下结构的变形,降低工程造价。

②在受载状态下构建地下空间结构物,地层荷载随着施工进程发生变化,因此,设计时要考虑最不利的荷载工况。

③作用在地下结构上的地层荷载,应视地层介质的地质情况合理概化确定。对于土体一般可按松散连续体计算;而对于岩体,首先查清岩体的结构、构造等发育情况,然后确定按连续或非连续介质处理。

④地下水状态对地下结构的设计和施工影响较大,设计前必须弄清地下水的分布和变化情况。

⑤地下结构设计要考虑结构物从开始构建到正常使用以及长期运营过程的受力状况,注意合理利用结构反力作用,节省造价。

⑥在设计阶段获得的地质资料,有可能与实际施工揭露的地质情况不一样。因此,地下结构施工中应根据工程的实时工况动态修改设计。

⑦地下结构的围岩既是荷载的来源,在某些情况下又与地下结构共同构成承载体系。

⑧当地下结构的埋置深度足够大时,由于地层的成拱效应,结构所承受的围岩垂直压力总是小于其上覆地层的自重压力。

1.1.3　地下结构的作用

地下工程的修建,为促进社会的发展和改善人类居住环境等发挥了重要作用,主要表现在以下几个方面:

①可供给城市地区的工业和生活用水、污水排放,并利用地下空间修建地下污水处理设施等,对环境保护起重要作用,如修建地下污水处理厂(图1.5)。

②可提供食料、能源(瓦斯和石油)等物质的储藏空间,使土地利用面积倍增和增强国防防御能力。

图1.5　地下污水处理厂

③可作为城市重要的“生命线”工程,提高城市抗御自然灾害和战争的能力。

④可提供放射性废弃物或其他有害废弃物唯一安全的场所。

⑤可提供安全的、环境健全、高速而经济的交通通道,如城市地铁、地下快速路、地下人行通道等。美国的波士顿高架桥改地下高速路就是一个成功的典型案例(图1.6)。波士顿拆除穿过市中心的6车道高架桥,建设8～10车道的地下高速路,原有的地面变成林荫路和街心公园。这样的结果是市区空气的CO浓度降低了12%;市中栽植了2 400棵乔木树,7 000多棵灌木树;在海湾的景观岛上栽植了另外的2 400棵乔木和26 000棵灌木;增加了260英亩新的公园和开敞空间。

图1.6　美国的波士顿高架桥改地下高速路的案例

⑥可提供地下生产设施、办公场所、休闲娱乐以及居住等所需的空间。

⑦地下空间的利用可极大地缓和城市的混杂。

1.1.4　地下结构及其计算理论的发展

1)地下结构的发展概况

地下结构涉及的工程领域比较多,根据目前地下结构的使用情况,主要有以下几个方面:

(1)铁路和公路隧道

中国已成为世界上隧道最多、建设发展最快的国家。截至2011年3月,我国已投入使用各类隧道1.2万座以上,延长总计7 000 km。其中,铁路隧道7 000多座,总长度超过4 000 km;公路隧道4 000多座,总长度超过2 000 km。具代表性的隧道有:大遥山隧道,长14.295 km(1987 年);秦岭隧道(图1.7),由两座基本平行的单线隧道组成,间距30 m,各全长18.46 km,最大埋深达1 600 m,1999年贯通;风火山隧道,位于青藏铁路线上,全长1.338 km,轨面标高4 905 m,是现今世界海拔最高的铁路隧道。此外,还建设了部分水下隧道,如已建成的武汉、南京和上海崇明岛三座长江隧道(图1.8);八座黄浦江隧道;两座南水北调的跨黄河隧道和跨越珠江、甬江等的水下隧道;南京玄武湖、杭州西湖、苏州独墅湖、南昌青山湖等湖底隧道;已开挖贯通的厦门翔安海底隧道(图1.9)、青(岛)黄(岛)海底隧道、广州生物岛至大学城隧道及狮子洋海底铁路隧道等跨海隧道。

图1.7　秦岭铁路隧道图

图1.8　南京长江过江隧道

(2)水电站、航运和引水工程

水电站地下工程包括:引水隧道、泄水隧洞及大跨度、高边墙的地下厂房等地下工程(图1.10)。据统计,我国建国后建成的大小中型水电站引、泄水隧洞约140座,全长120 km;最长的为四川渔子溪一级电站有压发电隧道,长8.429 km。具有代表性的工程如天生桥二级水电站引水系统工程,其由3条相距40 m并排开挖的、直径9.7～10.8 m、每条平均长度为9.600 km的隧洞组成,加上3条支洞、1条排水交通洞和36个联通洞,总长度达40 km。

航运地下工程:世界最大的航运隧道为法国马赛至罗那航运线上的罗佛隧道,全长7 km,断面宽24.5 m,高17.5 m。

引水工程如南水北调中线中的穿越黄河河床覆盖层的输水隧洞,全长约3.450 km。

图1.9　厦门翔安海底隧道

(3)城市地下工程

城市地下工程主要包括城市轨道交通(地铁、轻轨)、地下商业街、地下停车场、地下快速路、地下共同沟等。

一般来讲,地下轨道交通的建设是衡量一个城市现代化发展水平的重要标志。世界上发达城市的地铁建设均较完善,如伦敦地铁的运营里程为439 km,纽约为368 km,东京为304.17 km,巴黎为213.5 km。截至2012年6月,我国已经开通地铁、轻轨的城市有:上海(446 km)、北京(372 km)、广州(236 km)、香港(218.2 km)、深圳(178 km)、台北(101.9 km)、天津(86. 8 km)、南京(85 km)、大连(63 km)、重庆(52.6 km)、武汉(28 km)、沈阳(27.9 km)、苏州(25 km)、西安(23 km)、成都(18.5 km)等,在建地铁、轻轨的城市有:佛山、合肥、南昌、宁波、郑州、无锡、长沙、长春、青岛、哈尔滨、昆明、杭州、东莞等。至2015年前后,北京、上海、广州等22个城市将建设79条轨道交通线路,总长2 259.84 km,总投资8 820.03亿元。这也意味着,到2015年前后,我国建成和在建轨道交通线路将达到158条,总里程将超过4 189 km。到2050年,我国规划将建成290条城市轨交线路,运营总里程约11 740 km。

图1.10　水电站地下厂房

此外,多层次综合开发利用地下空间是城市地下工程建设的另一个特点(图1.11)。如日本东京的上层地下工程,就多作为地下街、商场和共同沟等;瑞典、挪威、美国等更把地下工程用于民用住宅、图书馆和下水道等;我国利用人防工程改造出商场、地下人行街、车库、避难所等。

(4)其他地下工程

地下结构还可用作各类物资的储库,以及大型跨江海桥梁的基础等,如地下粮食库(图1.12)、地下油库等。

图1.11　地下城市示意图

图1.12　地下粮食库

2)地下结构计算理论的发展阶段

早期地下工程的建设完全依据经验,19世纪初才逐渐形成自己的计算理论,开始用于指导地下结构的设计与施工。地下结构计算理论发展的历史沿革,大致可以分为四大阶段,如表1.1所示。

应特别指出的是,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,后期提出的计算方法一般也并不否定前期的研究成果。鉴于岩土介质的复杂多变,这些计算方法各有其比较适用的一面,但又各自带有一定的局限性。因此设计者在选择方法时,应对其有深入的了解和认识。

表1.1　地下结构计算理论发展阶段

续表

3)地下结构计算理论的发展趋势

由于岩土体的复杂多变,地下结构计算理论还在不断发展,各种设计方法都需要不断提高和完善。目前地下结构计算理论的发展趋势主要有以下几个方面:

①目前地下工程中主要使用的工程类比设计法,正在向着定量化、精确化和科学化方向发展。

②地下结构设计理论的另一类内容,是岩体中由于节理裂隙切割而形成的不稳定块体失稳,一般应用工程地质和力学计算相结合的分析方法,即岩石块体极限平衡分析法。这种方法主要是在工程地质的基础上,根据极限平衡理论,研究岩块的形状和大小及其塌落条件,以确定支护参数。

③在地下构设计中应用可靠性理论、推行概率极限状态设计研究方面也取得了重要进展。采用动态可靠度分析法,即利用现场监测信息,从反馈信息的数据预测地下工程的稳定可靠度,从而对支护结构进行优化设计,是改善地下工程支护结构设计的有效途径。考虑各主要影响因素及准则本身的随机性,可将判别方法引入可靠度范畴。

④在计算分析方法研究方面,随机有限元(包括摄动法、纽曼法、最大熵法和响应面法等)、Monte-Carlo模拟、随机块体理论和随机边界元法等一系列新的地下工程支护结构理论分析方法近年来都有了较大的发展。

1.2　地下结构的分类

1.2.1　按断面形式分类

地下结构根据断面形式可分为以下几种:

(1)矩形[图1.13(a)]

断面截面形式为矩形,适用于工业、民用、交通等建筑物的界限。但直线构件不利于抗弯,故在荷载较小、地质较好、跨度较小或埋深较浅时采用。

(2)圆形[图1.13(b)]

断面截面形式为圆形,当受到均匀径向压力时,弯矩为零,可充分发挥混凝土结构的抗压强度,当地质条件较差时优先选用。

(3)拱形[图1.13(d)、(e)]

断面截面形式为拱状,包括直墙拱形和曲墙拱形,分别适用于顶部有较大围岩压力或顶部和两侧均有较大围岩压力的地层中。

(4)其他形式[图1.13(c)、(f)]

其他形式系介于以上两者的中间情况,按具体荷载和尺寸决定。

图1.13　地下结构断面形式

其次,考虑到地下结构的使用要求,其断面形式还应满足以下五点:

①人行通道:单跨矩形或拱形。

②地铁车站或地下车库:多跨结构。

③飞机库:中间不能设置柱,而常用大跨度落地拱。

④工业车间:矩形隧道接近使用界限。

⑤拱形空间放置通风管道:采用直墙拱形或圆形隧道。

此外,断面形式还受到地质条件和施工方法等的影响。

1.2.2　按使用功能分类

地下结构根据使用功能不同可分为生活设施、公共设施、生产设施、储藏设施、输送设施和防灾设施等,如图1.14所示。

图1.14　地下结构使用功能分类

1.2.3　按结构形式分类

(1)喷锚结构(图1.15)

在地下结构中,可采用喷混凝土、钢筋网喷混凝土、锚杆喷混凝土或锚杆钢筋网喷混凝土来加固围岩,这些加固形式统称为喷锚结构。喷锚结构可以做临时支护,也可作为永久衬砌结构。目前在公路隧道、铁路隧道、矿山、地下厂房、水电、军工、国防各领域中已被广泛采用。

图1.15　喷锚结构　

图1.16　复合式衬砌结构

(2)复合衬砌结构(图1.15)

复合衬砌结构一般认为围岩具有自支承能力,支护的作用首先是加固和稳定围岩,使围岩的自支承能力可充分发挥,从而可允许围岩发生一定的变形和由此减薄支护结构的厚度。复合衬砌结构通常由初期支护和二次衬砌组成,防水要求较高时需在初期支护和两次衬砌间增设防水层。

(3)沉管结构

在预先开挖的沟堑或河槽内将预制好的管段沉放就位,再联结成整体的地下结构称为沉管结构(图1.17)。过江隧道等可考虑采用沉管结构,一般做成箱形结构,两端加以临时封墙,托运至预定水面处,沉放至设计位置。

(4)沉井结构

沉井结构是以沉井法施工的地下结构。沉井结构施工时一般先在地面打筑井壁和内墙,形成井筒状的结构物,在井壁的围护下从井内挖土,使沉井在自重作用下逐渐下沉,达到设计标高,然后以钢筋混凝土封底,再施筑内部结构和顶盖[图1.18(a)、(b)]。沉井结构水平断面一般为矩形或圆形,并可做成单孔或多孔结构。

(5)地下连续墙结构

遇施工场地狭窄时可优先考虑采用地下连续墙结构。用挖槽设备沿墙体挖出沟槽,以泥浆维持槽壁稳定,然后吊入钢筋笼架并在水下浇灌混凝土,即可建成地下连续墙的墙体;然后在墙体的保护下明挖基坑,或用逆筑法施工修建底板和内部结构,即建成地下连续墙结构,如图1.19所示。

图1.17　沉管结构

图1.18　沉井结构

(6)其他结构

除上述地下结构之外,地下结构还包括顶管结构(图1.20)和箱涵结构(图1.21)等。在城市管道埋深较大、交通干线附近和周围环境对位移、地下水有严格限制的地段,采用顶管结构施工往往更为安全和经济。而在铁路和公路交叉口,为了不影响交通,需建立交桥和立交地道,一般采用箱涵结构。

图1.19　地下连续墙结构

图1.20　顶管结构

图1.21　箱涵结构

1.2.4　按与地面结构联系情况分类

(1)附建式结构

各种附属于地面建筑的地下室部分,称为附建式地下结构。其结构形式与上部地面建筑布置相协调,其外围结构常用地下连续墙或板桩结构,内部结构则可为框架结构、梁板结构或无梁楼盖(图1.22)。对于高层楼房,其地下室结构都兼作为箱形基础。

(2)单建式结构

当地下结构独立地修建在地层内,在其地面上方无其他的地面建筑物或与其地面上方的地面建筑物无结构上的联系,称为单建式地下结构。该结构平面成方形或长方形,当顶板做成平顶时,常用梁板式结构。为节省材料,顶部可做成拱形,如地下防空洞或避难所常做成直墙拱形结构(图1.23);当平面为条形的地铁等大中型结构,常做成矩形框架结构(图1.24)。

图1.22　地下室结构

图1.23　地下防空洞

图1.24　地铁车站

1.2.5　按埋置深度分类

根据地下结构顶部至地面的垂直距离,可分为浅埋地下结构和深埋地下结构。近年来,已有学者采用数值计算方法来进行地下结构浅埋和深埋的划分。

(1)浅埋地下结构

浅埋地下结构洞顶衬砌外缘至地面的垂直距离h与洞顶衬砌外缘的跨度或圆洞的直径b的比值h/b＜a。

(2)深埋地下结构

深埋地下结构洞顶衬砌外缘至地面的垂直距离h与洞顶衬砌外缘的跨度或圆洞的直径b的比值h/b≥a。

上面式中a的取值,根据土压力理论计算约为2.5。国内有些设计部门建议,对于坚硬完整的岩体,其值可以降低为1.0～2.0,但必须同时满足:h≥(2.0～2.5)h0。(h0是洞顶岩体压力拱的计算高度)。

1.3　地下结构的设计程序

修建地下结构,必须遵循勘察—设计—施工的基本建设程序。结构设计是地下工程设计的重要组成部分,进行地下工程结构设计时,一般采用初步设计和技术设计(包括施工图设计)两个阶段。

(1)初步设计

初步设计主要是在满足使用要求下,解决设计方案技术上的可行性和经济上的合理性,并提出投资、材料、施工等指标。初步设计内容为:

①工程等级和要求,以及静、动荷载标准的确定。

②确定埋置深度和施工方法。

③初步计算荷载值。

④选择建筑材料。

⑤选定结构形式和布置。

⑥估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等主要尺寸。

⑦绘制初步设计结构图。

⑧估算工程材料数量及财务概算。

将地下工程的初步设计图纸附以说明书,送交有关主管部门审定批准后,才可进行下一步的技术设计。

(2)技术设计

技术设计主要是解决结构的承载力、刚度、稳定性、抗震性等问题,并提供施工时结构各部件的具体细节尺寸及连接大样。技术设计内容包括以下七个方面。

①计算荷载:按地层介质类别、建筑用途、防护等级、地震级别、埋置深度等求出作用在结构上的各种荷载值,包括静荷载、动荷载、活荷载和其他作用。

②计算简图:根据实际结构和计算工具情况,拟出恰当的计算图式。

③内力分析:选择结构内力计算方法,得出结构各控制设计截面的内力。

④内力组合:在各种荷载内力分别计算的基础上,对最不利的可能情况进行内力组合,求出各控制界面的最大设计内力值。

⑤配筋设计:通过截面强度和裂缝计算得出受力钢筋,并确定必要的分布钢筋与架立钢筋。

⑥绘制结构施工详图:如结构平面图、结构构件配筋图、节点详图,以及风、水、电和其他内部设备的预埋件图。

⑦材料、工程数量和工程财务预算。

1.4　课程内容和学习方法

本课程作为土木工程专业主修地下结构和岩土工程专业方向的主干课程,是在已经学习完材料力学、结构力学、弹塑性力学、土力学、工程地质学、岩石力学和钢筋混凝土结构等课程的基础上,主要学习地下结构设计的基本理论、基本知识和基本方法,包括地下结构荷载计算、浅埋式地下结构支护设计、附建式地下结构支护设计、新奥法隧道支护结构设计、盾构法隧道支护结构设计、掘进机法隧道支护结构设计、沉井结构设计、沉管结构设计、地下连续墙结构设计等知识。

本课程的主要任务为:通过本课程的学习,使学生了解或掌握地下建筑结构设计的基本原理和设计计算方法,能够根据地下结构所处的不同介质环境、使用功能和施工方法,设计出安全、经济和合理的结构。

本课程可以采用理论学习、课堂讨论、影视观摩、现场参观和课程设计等方法进行学习。

本章小结

(1)地下结构是指在保留上部地层(山体或土层)的前提下,在开挖出能提供某种用途的地下空间内修筑的建筑结构。地下结构可以按照断面形式、使用功能、施工方法、与地面联系情况和埋深等进行分类。

(2)地下结构的形式主要由其使用功能、地质条件和施工技术等因素来确定。常见的结构形式有:浅埋式结构、附建式结构、新奥法隧道结构、盾构结构、沉井结构、沉管结构、地下连续墙结构等。

(3)地下结构计算理论发展阶段主要分为:刚性结构阶段、弹性结构阶段、连续介质阶段和现代支护理论阶段。

(4)地下结构设计主要分为初步设计和技术设计。

思考题

1.1　简述地下结构的概念和特点。

1.2　简述地下结构的分类与形式。

1.3　简述地下结构计算理论的发展阶段和代表理论。

1.4　简述地下结构设计的程序及内容。