1、 地下结构设计原理与方法第一章（一）地下结构：在保留上部地层的前提下，再开挖出能提供某种用途的地下空间内修筑的建筑结构物，统称为地下结构。（二）地下结构体系的组成：围岩和支护。（三）支护结构 2 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，二是提供一个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。（四）地下结构的计算特性：1.必须中分认识地质环境对地下结构设计的影响2.地下工程周围的地质是工程材料、承载结构，同时又是产生荷载的来源3.地下结构施工因素和时间因素会极大地影响结构体系的安全性4.与地面结构不同，地下结构支护结构安全与否
2、，既要考虑到支护结构能否承载，又要考虑周围岩会不会失稳，这 2 种原因都能最终导致支护结构破坏 5.地下工程支护结构设计的关键问题在于充分发挥围岩自承力（五）地下结构的类型：1、 防护支护型2、 构造型支护3、 承载型支护对于承载型结构，其断面形式只要由使用、地质和施工 3 个因素综合决定。工程地质条件好、跨度小或埋深较浅时，常采用矩形结构；工程地质条件较差、围岩压力较大，特别是承受较大的静水压力时，常采用圆形结构， ；工程地质条件介与两者之间是，按具体荷载的大小和结构尺寸来决定，如以竖直压力为主是，则用直墙拱形结构为宜；跨度较大时，可用落地拱结构，且底板做成倒拱形。（六）衬砌的制造方式结构形
3、式：1、就地灌注整体式混凝土衬砌2、锚喷支护3、复合时衬砌4、装配式衬砌（七）支护结构计算理论发展 3 个阶段：1、刚性结构阶段 2、弹性结构阶段 3、连续介质阶段（八）地下结构的力学模型符合条件：1、 与实际工作状态一致，能反映围岩的实际状态以及围岩与支护结构的接触状态2、 荷载假定应与在修建洞室过程中荷载发生的情况一致3、 计算出的应力状态要与经过长时间使用的结构所发生的应力变化和破坏现象一致4、 材料性质和数学表达等价（九）结构力学的计算模型：1、 主动荷载模型 这种模型主要使用于围岩与支护结构的“刚度比”较小的情况下，伙食软弱地层对结构变形的约束能力较差时2、 主动荷载加围岩弹性约束的
4、模型3、 实地测量荷载模式在围岩上引起的弹性反力大小，可以用局部变形理论或共同变形理论。围岩的弹性反力是与围岩在该点变形成正比。（十）地下结构计算流程：1、初步拟定截面尺寸 2、 确定其上作用的荷载 3、结构稳定性验算 4、结构内力计算 5、内力组合 6、配筋设计 7、安全性评定 8、绘制施工图（十一）衬砌截面尺寸的初步拟定 3 个方面1、衬砌的内轮廓必须符合前述西夏建筑使用要求和净空界限，同时要选择符合施工方法的结构断面形式。断面要平顺圆滑，最好设计成封闭式的，一般都有仰拱。2、结构轴线应尽可能地重合在荷载作用下所决定的压力线上。3、截面厚度是结构轴线确定以后的重点设计内容，要判断设计厚度的
5、截面是否有足够的轻度。从施工的角度出发，截面的厚度要满足最小厚度要求，太薄将使施工操作困难和质量不宜保证。（十二）横断面设计： 通常沿纵向截取 1m 的长度作为计算单元，从而将一个空间结构简化成单位延长米的平面结构按平面应变进行分析。第二章（一）初始应力场的组成：自重应力场和构造应力场。自重应力场是指在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；构造应力场是指地壳各处发生的一切构造形变与破裂所形成的地应力，其形成原因，按时间分为由过去地质构造运动引起的以及岩石在形成过程中由于热力和构造作用引起的叫做构造残余应力现在活动和变化的构造运动成为新造应力。如地震（二）岩体自重应
6、力场的变化规律：1、地应力是随深度呈线性增加的；2、水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相等；3、地质构造形态改变了自重应力场的状态，这在实际工程中不容忽视。4、深度对初始应力状态有重大影响；（三）地下围岩工程性质 3 方面 ：物理性质 水理性质和力学性质（四）岩石强度：通常有抗压强度（一般用劈裂实验确定） 、抗拉强度，抗剪强度（三轴压缩实验确定） 。由单轴拉伸试验得到的最大应力定义为抗拉强度，一般可用劈裂试验确定。抗压强度与抗拉强度之比谓之脆性度。抗剪强度指在三轴试验得到的破坏应力园的包络线与 轴相交的长度，与此同时可以决定内摩擦角。（五）岩体的 4 种结构类型：整体结构、层状结构、碎裂
7、结构、散体结构作用的应变不变，而应变随时间而增加的现象称为蠕变；应变不变，而应力随时间衰减的现象称为松弛。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的基础上，按其稳定性将围岩分为工程性质不同的若干级别。工程设计的围岩一般分级满足以下条件： 形式简单、含义明确、便于实际应用，一般分为 5 级或 6 级 分级参数要包括影响围岩稳定性的主要参数，他们的指标应该在现场或室内快速、简便获得 评价标准应尽量科学化、定量化，并简明实用 锚喷支护围岩稳定性分级，应能较好的为锚喷支护的工程类比设计、监控设计理论设计服务。 技能是银勘察阶段初步划分围岩级别，又能适应施工阶段详细划分围岩级别
8、。影响围岩稳定性的主要因素:地质因素、施工因素。隧道围岩分级 单一性岩性指标单一的综合岩性指标多因素决定性和定量的指标相结合多因素组合的复合指标第三章洞室开挖之前就已经存在着的处于相对稳定和平衡状态中的应力场称为初始应力场或原岩应力场把洞室周围反正应力重分布的这部分岩体叫做围岩，而把重新分布后的应力状态叫做二次应力状态或围岩应力状态。洞室开挖后围岩盈利状态的特征及影响因素 ： 初始应力场的影响开挖断面形式的影响岩体结构特性的影响岩体力学特性质对围岩二次应力的影响洞室开挖后围岩应力的空间效应时间效应的影响施工方法的影响。无支护坑道围岩的破坏和变形： 脆性破坏块状破坏弯曲这段破坏松动解脱塑性形变和
9、剪切破坏围岩压力 变形压力松动压力膨胀压力冲击压力松动压力塌方形态 局部塌方拱形塌方异性塌方坑道开挖后，围岩基本上是向隧道内移动的，只有在一定的 值下 ，0.25（ ）在水平直径处围岩有向两侧扩张的趋势。而且在多数的情况下，拱顶位移均大于侧壁位移。围岩压力的基本概念：（1）变形压力：是由于围岩变形受到支护的抑制而产生的。按其成因可分为：弹性变形压力、塑性变形压力、流变压力。 （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：岩体具有吸水膨胀崩解的特性，其膨胀、崩解、体积增大可以是物理性，也可以是化学性的。由于围岩膨胀崩解而引起的压力成为膨胀压力。（4
10、）冲击压力：在围岩积聚了大量的弹性变形能之后，由于开挖突然释放出来是产生的压力。根据经验判断，当地面与隧道顶部之间的岩层厚度超过塌方平均高度的 2-2.5倍以上时，一般可以作为深埋隧道处理。第四章现代支护结构原理主要内容 现代支护结构原理是建立在围岩与支护的共同作用基础上 充分发挥围岩自承载能力是现代支护结构原理的一个基本观点，并由此降低围岩压力以改善支护的受力性能 现代支护结构原理的另一个支护原则是尽量发挥支护材料本身的承载力。 现场监控测量和监控设计是现代支护结构原理种的一项重要内容 现代支护结构原理要求按岩体的不同地质和力学特征选用不同的支护方法、力学模型、相应的计算方法以及不同的施工方
11、法理想支护的机构基本要求 必须能与周围岩体大面积地牢固接触，即保证支护围岩体系作为一个统一的整体工作。 要允许支护围岩体系产生有限的变形，以充分发挥围岩的承载能力，从而减少支护结构的作用，协调地发挥两者的共同工作用 总是早期支护的作用，并是早期的支护与后期支护相配合，协调一致工作，主动控制围岩变形 必须保证支护结构架设及时， 作为支护结构；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： 刚性支护结构柔性支护结构复合式支护结构国内广泛应用的锚喷支护：锚杆支护、喷射混凝土支护、锚杆混凝土支护、钢筋网喷射混凝土支护、锚杆钢支撑喷射混凝土支护、锚杆钢筋网喷射混凝土支护。第七章所谓信息设计和施工，实质上是通过施工前和施工过程中队导洞、实验洞或正洞的测量，以这些实测值进行反演分析，用监控围岩和支护的动态及其稳定与安全，根据及时获得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。信息化施工设计包括 3 方面内容 现场测量数据分析和处理信息反馈现场监控量测：现场监控量测是获得输入信息的基础和手段，内容包括：确定测试内容、制定量测方案、选择测试手段以及实施监测计划。通过测量得到的信息分为 位移信息 应力信息 变异信息常规测量分为 目测测量 收敛位移测量地表位移测量
