1、地下建筑结构地下建筑结构1地下建筑结构的设计原则:安全适用、技术先进、经济合理。 2 确定地下建筑结构形式的因素: 1)控制因素受力条件:在一定地质条件下的围岩压力、水土压力和一定的爆炸与地震等动载下求出最合理和经济的结构形式。 2)制约因素使用要求:地下建筑物必须考虑使用要求。 3)重要因素施工方案:在地质条件和使用条件相同情况下,施工方法不同其采取的结构形式也不同。 3 围岩压力:是指位于地下结构周围岩土体发生变形或破坏,作用在衬砌结构或支撑结构上的压力。是作用在地下结构的主要荷载。 4 围岩压力的影响因素 围岩的结构;围岩的强度;地下水的作用;洞室的尺寸与形状; 支护的类型和刚度;施工方
2、法;洞室的埋置深度;支护时间; 其他因素 5 地下结构与地面结构区别: (1)地下结构存在地层弹性抗力,其变形受到地层的约束;而地面结构的变形不受介质约束; (2)地下结构存在地层弹性抗力,结构的受力条件得以改善,其承载力有所增加4、初始地应力由自重应力和构造应力两部分组成。 6 当地下结构产生压向地层的变形,由于结构与岩土体紧密接触,则岩土体将制止结构的变形,从而产生了对结构的反作用力,即弹性抗力。 7 弹性地基梁:是指搁置在具有一定弹性地基上,各点与地基紧密相贴的梁。 8 弹性地基梁与普通梁的两大区别: (1)超静定次数是无限还是有限 普通梁只在有限个支座处与基础相连,梁所受的支座反力是有
3、限个未知力,因此,普通梁是静定的或有限次超静定的结构。 弹性地基梁与地基连续接触,梁所受的反力是连续分布的,具有无穷多个支点和无穷多个未知反力,因此,弹性地基梁是无穷多次超静定结构。 (2)地基的变形是考虑还是略去 普通梁的支座通常看作刚性支座,即略去地基的变形,只考虑梁的变形。 弹性地基梁则必须同时考虑地基的变形;梁与地基是共同变形的;一方面梁给地基以压力,使地基沉陷,反过来,地基给梁以相反的压力,限制梁的位移。 9新奥法:是以喷射混凝土和锚杆作为主要支护手段,通过监测控制围岩的变形,便于充分发挥围岩的自承能力的施工方法。 10 在隧道拱顶,其变形背向围岩,不受围岩的约束而自由地变形,这个区
4、域称为“脱离区”。 11 在隧道的两侧及底部,结构产生朝向围岩的变形,受到围岩的约束作用,因而围岩对隧道衬砌结构产生了约束反力(弹性抗力),这个区域称为“抗力区”。 12 新奥法施工应遵循的基本技术原则: 地下结构施工必须遵循的基本技术原则是: (1) 因为围岩是地下结构的主要承载单元,所以要在施工中充分保护和爱护围岩; (2) 为了充分发挥围岩的结构作用,应容许围岩有可控制的变形; (3) 变形的控制主要是通过支护阻力(即各种支护结构)的效应达到的; (4) 在施工中,必须进行实地量测监控,及时提出可靠的、足够数量的量测信息,以指导施工和设计; (5) 在选择支护手段时,一般应选择能大面积的
5、、牢固的与围岩紧密接触的、能及时施设和应变能力强的支护手段; (6) 要特别注意,地下结构施工过程是围岩力学状态不断变化的过程; (7) 在任何情况下,使地下结构断面能在较短时间内闭合是极为重要的; (8) 在地下结构施工过程中,必须建立设计施工检验地质预测量测反馈修正设计的一体化。 12 半衬砌结构:在坚硬岩层中,若侧壁无坍塌危险,仅顶部岩石可能有局部滑落时,可仅施作顶部衬砌,不作边墙,只喷一层不小于20mm厚的水泥砂浆护面,即半衬砌结构。 厚拱薄墙衬砌结构:在中硬岩层中,拱顶所受的力可通过拱脚大部分传给岩体,充分利用岩石的强度,使边墙所受的力大为减少,从而减少边墙的厚度,形成厚拱薄墙结构。
6、 直墙拱形衬砌结构:在一般或较差岩层中的隧道结构,通常是拱顶与边墙浇在一起,形成一个整体结构,即直墙拱形衬砌结构,广泛应用的隧道结构形式。 曲墙衬砌结构:在很差的岩层中,岩体松散破碎且易于坍塌,衬砌结构一般由拱圈、曲线形侧墙和仰拱底板组成,形成曲墙衬砌结构。 复合衬砌结构:复合支护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 13 连拱隧道:是洞体衬砌结构相连的一种特殊双洞结构形式,即连拱隧道的侧墙相连。 14隧道内轮廓线是决定衬砌断面大小最基本的要素,要考虑如下因素: 结构受力和行车界限; 从
7、经济上、美学上加以比较,以求得合理的断面形式; 行车道宽、两侧路缘带宽、中隔墙宽、建筑界限高度因素; 洞内排水、通风、照明、消防、营运管理等附属设施所需空间; 围岩压力影响、施工方法等必要的富余量。 15 连拱隧道的中墙和二次衬砌的连接形式主要可分为以下四种形式: 上部支撑形式:将中墙作为双洞结构的共同部分,二次衬砌的拱脚支撑在中墙的上部,中墙设计得相对较厚; 贴壁式支撑形式:将双洞按两个独立的洞来考虑,中墙相对独立于左右洞的结构,成为双洞间的充填结构。在中墙先行施工结束后,二次衬砌的施筑和单洞的方法相同; 下部支撑形式:介于上部支撑和贴壁式支撑之间,二次衬砌的支撑点转移到中墙的基础上; 混合
8、式支撑形式:将中墙设计成非对称形式,是和形式的混合使用。 16 浅埋式结构:是指其覆盖土层较薄,不能满足压力拱成拱条件H土(22.5)h1,h1为压力拱高或软土地层中覆盖层厚度小于结构尺寸的地下结构。 17 浅埋式结构形式可分为以下三种:(1)直墙拱形结构;(2)矩形框架结构;(3)梁板式结构。 18 一般浅埋式结构,常采用明挖法施工,比较经济;但在地面环境条件要求苛刻的地段,也可采用管幕法、箱涵顶进法等暗挖法施工。 19 变形缝分为两种:一种是防止由于温度变化或混凝土收缩而引起结构破坏所设置的缝,称为伸缩缝;另一种是防止由于不同的结构类型(或结构相邻部分具有不同荷载)或不同地基承载力而引起结
9、构不均匀沉陷所设置的缝,称为沉降缝。 20 附建式地下结构:是指根据一定的防护要求修建的附属于较坚固的建筑物的地下室,又称“防空地下室”或“附建式人防工事”。 21 结合基本建设修建防空地下室与修建单建式工事相比,有以下优越性: 1)节省建设用地和投资; 2)便于平战结合,人员和设备容易在战时迅速转入地下; 3)增强上层建筑的抗地震能力; 4)上部建筑对战时核爆炸冲击波、光辐射、早期核辐射以及炮(炸)弹有一定的防护作用;附建式防空地下室的造价比单建式防空地下室低; 5)结合基本建设同时施工、便于施工管理,同时也便于使用过程中的维护。 22 如遇到下列的情况,则更应优先考虑修建防空地下室: 1)
10、低洼地带需要进行大量填土的建筑;2)需要做深基础的建筑;3)新建的高层建筑; 4)人口密集、空地缺少的平原地区建筑。 23 附建式地下室结构选形的主要依据: (1)上部地面建筑的类型;(2)战时防护能力的要求;(3)工程地质与水文地质条件; (4)战时与平时使用的要求;(5)建筑材料的供应情况;(6)施工条件。 24 盾构法隧道的设计内容基本上可以分为三个阶段进行: 1)第一阶段为隧道的方案设计,以确定隧道的线路、线形、埋置深度以及隧道的横截面形状与尺寸等; 2)第二阶段为衬砌结构与构造设计,其中包括管片的分类、厚度、分块、接头形式、管片孔洞、螺孔等; 3)第三阶段为管片内力的计算及断面设计。
11、 25 盾构法的施工过程 在隧道某段的一端建造竖井或基坑,以供盾构安装就位,盾构从竖井或基坑的墙壁开孔出发,在地层中沿着设计轴线,和向另一竖井或基坑的设计孔洞推进; 盾构掘进相当于装配式衬砌的一环长度; 千斤顶顶在已拼装好的管片上,使盾构前进; 缩回千斤顶; 用举重设备拼装管片衬砌,同时在开挖面进行开挖。 施工阶段的荷载对衬砌结构的影响: (1)管片拼装:纵向接缝拧紧螺栓,使管片局部出现较大的集中应力,导致管片开裂和存在着局部内应力。 (2)盾构推进:当盾构千斤顶施加在环缝面上,特别是千斤顶顶力存在偏心状态情况下,极易使管片开裂和顶碎。 (3)衬砌背后压注:过高的注浆压力常引起圆环变形和出现局
12、部的集中应力,封顶楔形块管片也会向内滑移,必须对注浆压力进行一定的控制。 (4)衬砌环刚出盾尾的初期:衬砌顶部土压即迅速作用到衬砌上,而侧压却因某种原因未能及时作用,这时衬砌可能处于比基本使用阶段更为不利的工作条件。 (5)其它荷载:管片拼装荷载、车厢静载、管片调整形状时千斤顶推力、切割挖掘机的扭转力。 26 挤压混凝土衬砌:即在盾尾刚浇捣而未硬化的混凝土处在高压作用下,作为盾尾推进的后座,盾尾在推进的过程中,不产生建筑空隙,空隙由注入的混凝土直接填充。 27挤压混凝土衬砌施工方法的特点: (1)自动化程度高,施工速度快; (2)整体式衬砌结构可以达到理想的受力、防水要求,建成的隧道有满意的使
13、用效果; (3)采用钢纤维混凝土能提高薄形衬砌的抗裂性能; (4)在渗透性较大的砂砾层中要达到防水要求尚有困难。 28 隧道衬砌结构的设计必须满足的两个基本要求: 1)满足施工阶段及使用阶段结构、刚度的要求,以及承受诸如水、土压力以及一些特殊使用要求的外荷载; 2)能提供一个满足使用功能要求的环境条件,保证隧道内部的干燥和洁净。 29 对接缝防水材料的基本要求为: 1)保持永久的弹性状态和具有足够的承压能力,使之适应隧道长期处于“蠕动”状态而产生的接缝张开和错动。 2)具有令人满意的弹性期龄和工作效能。 3)与混凝土构件具有一定的粘结力。 4)能适应地下水的侵蚀。 30 圆形盾构隧道衬砌断面有
14、以下优点: 1)可以等同地承受各方向外部压力,尤其是在饱和含水软土层中修建地下隧道,由于顶压、侧压较为接近, 更可显示出圆形隧道断面的优越性; 2)施工中易于盾构推进; 3)便于管片的制作、拼装; 4)盾构即使发生转动,对断面的利用也无大碍。 31 与整体式现浇衬砌相比,装配式衬砌的特点在于: (1)安装后能立即承受荷载; (2)管片生产工厂化,质量易于保证,管片安装机械化,方便快捷; (3)在其接缝处防水需要采取特别有效的措施。 32 盾构封顶块的拼装形式有两种,一为径向楔入,另一为纵向插入。 33 盾构按多铰圆环计算圆环内力时的几个假定: (1)适用于圆形结构。 (2)衬砌环在转动时,管片
15、或砌块视作刚体处理。 (3)衬砌环外围土抗力按均变形式分布,土抗力的计算要满足衬砌环稳定性的要求,土抗力作用方向全部朝向圆心。 (4)计算中不计及圆环与土介质间的摩擦力,这对于满足结构稳定性是偏于安全的。 (5)土抗力和变位间关系按文克尔公式计算。 盾构衬砌的分类及其比较 按材料及形式分类: 钢筋混凝土管片 箱型管片用于较大直径的隧道。单块管片重量较轻,管片本身强度不如平板型管片,特别在盾构顶力作用下易开裂; 平板型管片用于较小直径的隧道,单片管片重量较重,对盾构千斤顶顶力具有较大的抵抗能力,正常运营时对隧道通风阻力较小。 铸铁管片 优点:管片较轻,耐蚀性好,机械加工后管片精度高,能有效地防渗
16、抗漏。 缺点:金属消耗量大,机械加工量也大,价格昂贵,具有脆性破坏的特性,不宜做承受冲击荷重的隧道衬砌结构。 钢管片 优点:重量轻,强度高; 缺点:刚度小,耐锈蚀性差,需进行机械加工以满足防水要求,成本昂贵,金属消耗量大。 复合管片 优点:重量比钢筋混凝土管片轻,刚度比钢管片大,金属消耗量比钢管片小; 缺点:钢板耐蚀性差,加工复杂冗繁。 按结构形式分类: 管片 优点:可承受较大的正、负弯矩,能抵抗隧道纵向变形; 缺点:大大降低拼装进度,增加工人劳动强度,相应增加施工费用和衬砌费用。 砌块 优点:施工拼装速度快,隧道的施工和衬砌费用也随之降低; 缺点:对地层要求高(含水量较少而且稳定),砌块之间
17、防水、防泥须得到满意解决,否则将引起圆环失稳而造成事故。 按形成方式分类: 装配式衬砌 特点:安装后能立即承受荷载; 管片生产工厂化,质量易于保证,管片安装机械化,方便快捷 在其接缝防水需要采取特别有效的措施 挤压混凝土衬砌 特点:自动化程度高,施工速度快; 整体式衬砌结构可以达到理想的受力、防水要求,建成的隧道有满意的使用效果; 采用钢纤维混凝土能提高薄型晨起的抗裂性能; 在渗透性较大的砂砾层中要达到防水要求尚有困难。 按构造形式分类:大致可分为单层及双层衬砌两种形式。 34衬砌本身的抗掺能力在以下几个方面得到满足后才能具有相应的保证: 1)合理提出衬砌本身的抗渗指标。 2)经过抗掺试验的混
18、凝土的合适配合比,严格控制水灰比,一般不大于0.4,另加塑化剂以增加混凝土的和易性。 3)衬砌构件的最小混凝土厚度和钢筋保护层。 4)管片生产工艺:振捣方式和养护条件的选择。 5)严格的产品质量检验制度。 6)减少管片在堆放、运输和拼装过程中的损坏率。 35 顶进力的影响因素: 顶进过程中的摩擦阻力 管端的贯入阻力 36 顶进中的方向控制可采用一下几种措施: (1)严格控制挖土,两侧均匀挖土,左右侧切土钢刀角要保持吃土10cm,正常情况下不允许超挖; (2)发生偏差,对采用调整纠偏千斤顶的编组操作进行纠正,要逐渐纠正,不可急于求成,否则会造成忽左忽右; (3)利用挖土纠偏,多挖土一侧阻力小,少
19、挖土一侧阻力大,利用土本身的阻力纠偏; (4)利用承压壁顶铁调整,加换承压壁顶铁时,可根据偏差的大小和方向。将一侧顶铁楔紧,另一侧顶铁楔松或留13cm的间隙,顶进开始后,则楔紧一侧先走,楔松一侧不动。这种方法很有效,但要严格掌握顶进时楔的松紧程度,掌握不好容易使管道由于受力不均匀出现裂缝。 37 沉井:是一个上无盖下无底的井筒状结构物,现常用钢筋混凝土制成。 沉井结构的特点: (1)优点埋置深度大,整体性强、稳定性好,能承受较大荷载;下沉过程中无需设置坑壁支撑或板桩围壁,简化了施工;沉井施工时对邻近建筑物影响较小。 (2)缺点施工期较长;施工技术要求高;施工中易发生流砂造成沉井倾斜或下沉困难等
20、。 沉井结构的组成和功能: (1)井壁,应有足够的厚度和强度,承受在下沉过程中的各种最不利荷载组合(水土压力)所产生的内力,使沉井能在自重作用下顺利下沉到设计标高。 (2)刃脚,减小下沉阻力,具有的强度使沉井下沉过程中免遭损坏。 (3)内隔墙,增加沉井在下沉过程中的刚度并减少井壁跨径,将井壁分隔成称多个施工井孔(土井),是挖土和下沉可以较均衡地进行,也便于沉井偏斜时的纠偏。 (4)封底及顶盖,当沉井下沉到设计标高,经过技术检验并对坑底清理后,即可封底,以防止地下水渗入井内。 (5)底梁和框架 在比较大型的沉井中,由于使用要求,不能设置内隔墙,则可在沉井底部增设底梁,并构成框架以增加沉井在施工下沉阶段和使用阶段的整体刚度。 沉井高度较大,常于井壁不同高度设置若干道由纵横大梁组成的水平框架,减少井壁(于顶、底板之间)
