地下设计与方法.doc

1、第一章1.地下结构的工作特征： 1）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（主动荷载） ，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 不确定（弹性抗力）2）地层稳固的情况下，围岩本身就是承载结构。地层自稳能力较强时，地下结构将不受或少受地层压力的荷载作用，否则地下结构将承受较大的荷载直至必须独立承受全部荷载作用。 2.地下结构体系的组成及各自的作用1） 周围地层与地下结构共同组成。2）地层（围岩）作用：地层既是承载结构的基本组成部分，是形成荷载的主要来源（3）支护的作用：阻止围岩的变形，使其达到稳定 3.主动荷载和弹性反力 1）主动荷载：洞室开挖后引起周围

2、地层的变形和坍塌而产生的作用力2）弹性反力：地层对衬砌变形的约束作用力（属于被动性质） 4.支护结构的2 个最基本的使用要求1） 满足结构强度、刚度要求 2）提供一个能满足使用要求的工作环境 5.地下结构设计的一个根本出发点：充分发挥地质体本身的承载力 6.影响地下支护结构形式选择的因素？ 支护结构的类型及其使用条件？ 因素：地层性质，工程的使用要求，施工方法等。1）按使用目的分：防护型支护、构造型支护、承载性支护2）按制造方式分：（选择因素：使用、地质、施工） 就地灌注整体式混凝土衬砌：用模板浇注混凝土衬砌，刚度较大（矿山法和明挖法） 锚喷支护：柔性，能吸收围岩变形（矿山法）复合式衬砌：先柔

3、后刚，先锚喷后模筑（矿山法）装配式衬砌：工厂预制，施工现场拼装（盾构法和掘进机法） 7.地下结构常采用设计方法：结构计算、经验判断和实地量测相结合的“信息化设计”方法 8.地下结构计算的力学模型： 结构力学模型：以支护结构作为承载主体，围岩作为荷载的来源，同时考虑其对支护结构的变形约束作用（主动荷载模型、主动荷载加围岩弹性约束的模型、实地量测荷载模型） 连续介质力学模型：视围岩为承载主体， 支护结构只是用来约束和限制围岩的变形，二者共同作用使支护结构体系到达平衡状态。 9.地下结构设计内容与步骤 设计内容：结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度、各部分配筋步骤：初步拟定截面尺寸、确定其上作用的荷载、

4、结构的稳定性验算、结构内力计算、内力组合、配筋设计、安全性评价、绘制设计施工图截面尺寸的确定方法：采用经验类比或推论的方法初步拟定结构尺寸，并按此计算在荷载作用下的截面内力并检算其强度，反复调整截面尺寸直至合适第二章 1.围岩初始应力场定义：由于岩体的自重和地质构造作用，在开挖隧道前岩体中就已存在的地应力场组成：自重应力场、构造应力场规律：1）自重应力场：是指上覆岩体自重所产生的应力场，它是地心引力和离心惯性力共同作用的结果； niizHy10评估基准：001zyx极高应力 47 高应力 4maxcsR地应力随深度线性增加 ；水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相等；地质构造形态改变了自重

5、应力场的状态；深度对自重应力场有重大影响。2）构造应力场：地质构造形态的变化不仅改变了自重应力场，除了以各种构造形态获得释放外还以各种形式积蓄在岩体内；构造应力场在不深的地方普遍存在，最大构造应力场的方向多近似水平，且水平应力普遍大于自重应力场中的水平应力分量甚至垂直应力分量；构造应力场很不均匀 影响因素：第1 类因素有重力、地质构造、地形、岩体的物理力学性质以及地温等经常性的因素；第2 类因素有新构造运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部性的因素。 地形和地貌 岩体的力学性质 地温变化 人类活动。 2.岩体：在漫长的地质历史中，经过岩石建造、构造形变和次生蜕变而形成的具有各种结构特

6、征的地质体。 围岩：受坑道开挖影响的那部分岩体，具有岩体的特性，又受到开挖过程的影响； 其影响范围610 倍的开挖跨度。 6.稳定性的表现性态：充分稳定的、基本上稳定的、暂时稳定的、不稳定的 7.影响围岩稳定的主要因素： 地质因素：岩体结构类型（作为分级的基本指标之一） 、结构面性质和空间的组合、岩石的力学性质、围岩的初始应力场、地下水状况工程活动中的人为因素：坑道的尺寸和形状、施工中所采用的开挖方法 围岩分级与围岩稳定的关系：初始应力状态为高应力或极高应力时，硬岩开挖工程中可能出现岩爆，岩壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差；软岩开挖时，岩芯有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间长

7、，成洞性差 8.分级的因素指标（方法）及其应用 （1）单一的岩性指标 ：岩石的单轴饱和抗压强度 （2）单一的综合岩性指标：岩体的弹性波传播速度，岩石质量指标（RQD） （3）多因素定性和定量的指标相结合:国家标准的工程岩体分级,铁路隧道规范中的围岩分级,军用物资洞库锚喷支护技术规定中的围岩分类（级）等 （4）多因素组合的复合指标:用2个或2个以上的岩性指标或综合岩性指标所表示的复合指标 3.围岩分级：根据岩体完整程度和岩石强度等主要指标在给予定性和定量评价，在此基础上，按其稳定性将围岩分为工程性质不同的若干级别 意义：一个准确而合理的围岩分级，不仅是人们认识洞室围岩特征，正确进行隧道或其他地下

8、洞室设计、施工的基础，而且也是现场进行科学管理，发展新的施工工艺以及正确评价经济效益的有力工具。 4.铁路隧道围岩分级（6级） 第三章1围岩的二次应力状态：洞室开挖后，围岩发生应力重新分布后的应力状态 影响因素：1）初始应力场的影响（决定性）：围岩的二次应力场是初始应力重分布的结果；2）开挖断面形式的影响3）岩体结构特性的影响：围岩承载区，松动区4）岩体力学性质的影响5）洞室开挖后围岩应力的空间效应6）时间效应的影响：初始应力的重分布是随着时间的推移逐渐完成的7）施工方法的影响 2.进行支护结构设计必须充分认识和了解5方面的问题： 1）围岩的初始应力状态2) 二次应力状态和位移场3）判断围岩二

9、次应力状态和位移场是否符合稳定性准则4）围岩的三次应力状态和位移场5）判断支护结构安全度的准则 3.从收敛、约束的基本概念说明坑道开挖后围岩和支护相互作用的过程 由于二次应力状态的作用，使围岩发生向洞内的位移，这种位移我们称之为收敛。 在开挖后适时地沿隧道周边设置支护结构，对岩体的移动产生阻力，形成约束。 相应地，支护结构也会承受围岩所给予的作用力，并产生变形。支护结构变形后所能提供的阻力会有所增加，而围岩却在变形过程中释放了部分能量，进一步变形的趋势有所减弱，需要支护结构提供的阻力以及支护结构所承受的作用力都将降低。如果支护结构有一定的强度和刚度，这种围岩和支护结构的相互作用会会一直延续到支

10、护所提供的阻力与围岩作用力之间达到平衡为止，从而达到三次应力状态 4.无支护坑道的破坏形态 脆性破坏（岩爆，发生在高地应力场中的硬岩） 块状运动（沿结构面产生的松弛、滑移和坠落，发生在块状，有不利结构面的岩体） 弯曲折断破坏（发生在层状（薄层）岩体） 松动解脱（发生在破碎松散岩体） 塑性变形和剪切破坏（塑性岩体，发生过度位移） 6.围岩特征（支护需求）曲线：形象地表明围岩在洞室周边所需提供的支护阻力及与其周边位移的关系：在洞周极限位移范围内，容许围岩的位移增加，所需要的支护阻力减小，而应力重分布的结果大部分由围岩承担，反之亦然 支护特性（支护补给）曲线：指作用在支护上的荷载与支护变形的关系曲线

11、，支护结构所能提供的支护阻力随着支护结构的刚度而增大，也称呼支护补给曲线。 支护结构特性曲线与围岩特征曲线交点处的横坐标为形成平衡体系时洞周发生的位移，交点纵坐标以下的部分为支护结构上承受的荷载，以上的部分由围岩来承担。 影响最终平衡状态的因素：支护结构的刚度和架设的时间 7.围岩压力：指由于洞室开挖后的二次应力状态，围岩产生变形或破坏所引起的作用在衬砌上的压力 分类：（1）变形压力：是由于围岩变形受到支护的抑制而产生的，其大小决定与原岩应力的大小、岩体力学性质、支护结构刚度和支护时间。 （2）松动压力：由于开挖而松动或塌落的岩体，以重力形式直接作用在支护上的压力。 （3）膨胀压力：由于围岩吸

12、水膨胀崩解的引起的压力（4）冲击压力：岩爆，一般在高地应力的坚硬岩石中发生（5）变形压力：支护结构与围岩在共同变形的过程中对支护结构施加的压力。8.松动围岩压力的形成过程：洞室的开挖、应力重分布-变形-开裂-松动-逐渐塌落自然平衡拱：坑道上方塌落后形成的相对稳定的拱9.有地下水时，土压力的计算 竖向压力 ，在有地下水的范围内用饱和重度。附qhyi 侧向压力 对于砂性土可采用水压力与土压力分开计算，再叠加的方法;对粘性土，则将其视为土压力的一部分和土压力一起计算 地基反力 ：包括结构自重、上部围岩压力、附加的路面荷载。第四章 1 现代支护结构原理：1）建立在围岩和支护共同作用的基础上 2）充分发

13、挥围岩自承能力（ 不能让围岩进入松动状态 允许围岩进入一定程度的塑性状态）3）尽量发挥支护材料本身的承载力 4）现场监控量测和监控设计（信息化设计和施工）5）支护结构要适应围岩的力学性对支护结构的基本要求：（1）必须能与围岩体大面积接触，即保证支护 围岩体系作为一个统一的整体工作（2）要允许支护围岩体系产生有限制的变形 3）重视早期支护，并使其能与后期支护相互配合 4）保证支护结构架设及时 5）支护结构要根据围岩的动态，及时进行调整和修改，以适应不断变化的围岩状态 支护结构类型：刚性、柔性、复合式 锚喷支护的特点及组成 特点：属柔性薄型支护，容易调节围岩变形，发挥围岩自承能力；能充分发挥支护材

14、料的承载能力；能做到及时、迅速，以阻止围岩出现松动塌落；能减小围岩松动和应力集中；技术先进，经济合理，质量可靠，适用范围广，能与其他结构形式组成复合式衬砌。 组成：喷混凝土、锚杆、金属网、钢拱架 单层衬砌： 除了采用锚喷支护作永久 支护外，也可分层施作，层与层之间能保持紧密接触，既能传递径向应力，也能传递切向应力，两层之间形成一个整体承载 类型：钢纤维模筑混凝土、钢纤维喷射混凝土 以围岩分级为基础的经验设计 设计与施工的一般原则：1）对坑道围岩进行分级 2）按围岩级别选择支护类型与参数 3）采取各种措施，确保围岩不出现有害松动 4）调节、控制围岩变形，以便最大限度地发挥围岩自身承载能力 5）采

15、取正确的施工方法 6）依据现场监测数据指导设计和施工 第五章1.结构力学的计算方法 计算模型：1）主动荷载模型：不考虑弹性反力，适用于饱和含水层中的自由变形圆环，软基础上的闭合框架及初步设计中 2）假定弹性反力模型，适用于布加耶娃法用于圆形和曲墙拱形的计算 3）计算弹性反力模型：适用于弹性地基上的闭合框架 与结构形式相适应的计算方法：1）矩形框架结构：（在设计中不考虑地层的侧向弹性反力） 假定弹性反力模型和计算弹性反力模型 2）装配式衬砌：整体结构、多铰结构， 主动荷载模型（N4） 3）拱形结构：半拱结构： 主动荷载模型 曲墙拱和边墙拱：假定弹性反力模型 2.承载能力极限状态：指结构或构件达到

16、最大承载能力或不适于继续承载的较大变形的极限状态（基本组合、偶然组合） 正常使用极限状态：结构或构件达到使用功能上允许的某一限值的极限状态（短期效应组合和长期效应组合） 作用：施加在结构上的各种外力以及引起结构变形和约束变化（结构或构件的内力、应力、位移、应变、裂缝等）的原因。 3.矩形结构基底反力处理：（力矩分配法） 底面宽度较小、结构底板相对刚度较大时，基底反力根据静力平衡条件按直线分布假定求得地面宽度较大、结构底板相对刚度较小时，若用温克尔局部变形理论，采用弹性支承法，若用共同变形理论， 采用弹性地基上的闭合框架模型计算 4.曲墙和直墙拱形结构的计算原理 曲墙：将边墙与拱圈作为一个整体结

17、构， 将其视为支承在弹性地基上的高拱，应用结构力学原理，附加一个求最大弹性反力点处的变位方程即可求出最大弹性反力， 最后将主动荷载和弹性反力引起的结构内力叠加可得 直墙：将边墙与拱圈作为作为结构的两个部分分别计算，计算中拱圈视为有弹性反力作用的弹性固定无铰拱，边墙视为有初始位移的双向弹性地基梁，边墙与拱脚的变位和相互间是作用力是连续的，可求得墙顶变位，在计算边墙与拱圈的内力 5.弹性支承法计算原理：也称“链杆法” ， 按照局部变形理论考虑衬砌与围岩共同作用，将弹性反力作用范围内的连续围岩离散为彼此互不相干的独立岩柱，岩柱的一个边长是衬砌的纵向计算宽度，另一个边长是两个相邻的衬砌单元的长度和的一

18、半，为便于计算，用具有相同弹性特征的弹性支承代替岩柱，并以铰接的形式作用在衬砌单元的节点上，不承受弯矩，只承受剪力 干舷：管段浮运中，管顶露出水面的高度 支挡结构的设计步骤 1 根据工程类比初步拟定结构物的尺寸， 并满足基本构造要求2）确定其上作用的荷载3）进行结构物的稳定及其地基应力验算，并达到一定的安全系数4）进行结构物的强度验算，并达到一定的安全系数5）若稳定或强度验算不满足要求时，重新拟定截面尺寸或改进结构形式，反复计算直至满足要求 第七章1.信息反馈设计：在施工过程中通过地质情况和各种变异现象，对预设计进行修正和完善的设计过程 2.信息化施工：通过施工前和施工过程中对导洞、试验洞或正

19、洞的量测，以这些实测值进行反演分析，用来监控围岩和支护的动态及其稳定与安全；根据及时获得的量测信息进一步修改和完善原设计，并指导下阶段施工，确定支护施作方式和时间，调整支护参数，以期获得最优地下结构物的一种方法。 信息化设计所包括的内容：现场监测、数据分析和处理、信息反馈 3 现场监控量测 内容：确定测试内容、制定量测方案、选择测试手段、实时监测计划 测量项目：拱顶沉降、洞周收敛变形、拱部围岩深部的多点位移量测 信息反馈指导施工 1）最大允许位移值的控制：锚喷支护， 断面直径10m 时，允许位移值25cm 2）位移速度的控制：日本新奥法，位移速度大于20mm/d 时，需特殊支护 3 ） 位移加速度的控制：稳定标志： 0/2dtu4）二次衬砌施作时间的控制：在初次支护变形基本稳定后施作 隧道变形基本稳定的标志 位移量及位移时间曲线呈收敛趋势30d 内的平均位移变化速率小于0.30.5mm/d位移速率的变化呈收敛趋势 补救措施：对初期支护进行加强，立即施作二次衬砌