1、绪 论,第一讲,地下建筑结构,同济大学土木工程学院地下建筑与工程系 隧道及地下工程研究所,本讲内容 （1）地下建筑结构的发展现状 （2）地下建筑结构的概念、作用和形式 （3）地下建筑结构的设计程序和内容 （4）本课程包括的内容 （5）地下建筑结构面临的挑战,一、地下建筑结构的发展现状,铁路隧道：2500km(解放后修建)，其中：大遥山隧道（1987）为14.295km，居世界第10位；秦岭隧道(1999)由两座基本平行的单线隧道组成，间距30米，各全长18.46公里，居亚洲第2位，世界第6位。最大埋深1600米，为目前世界之最。 公路隧道（水下）：打浦路隧道（第一条，2761m） 甬江、珠江、
2、上海外环江底沉管隧道 上海长江隧道 琼州海峡隧道、台湾海峡隧道（未来可能的）,铁路和公路隧道,9纵 18横,国家高速公路网布局方案,沈阳,海口,兰州,在山岭，全国各省，特别是西部地区，将建设众多隧道工程。 在沿江，宁波、广州、上海、南京、武汉、重庆等越江通道工程。 在沿海，有渤海湾跨海工程、大连湾跨海工程、青-黄海底隧道工程、上海崇明越江通道、港-珠-澳跨海工程、琼洲通道工程、台湾连线工程、厦门东通道工程等。,东、西部高速公路隧道工程,同三国道主干线 沈阳至海口国家高速,琼州海峡,世界主要跨海工程,国外：日本发展最快，修建达2000km。其中：圣哥达隧道16.5km；水下隧道发展较快，港九海底
3、隧道、青函隧道（53.85km), 为世界之最；英法海峡隧道（49.6km），直布罗陀海峡隧道（拟建，连接欧非大陆）；对马海峡隧道（拟建，连接日本与南朝鲜，230km）,瑞士圣哥达大隧道全长16.5Km，是穿越海拔2Km多的阿尔卑斯山、连接瑞士南部和意大利北部的主要公路干道，为世界第二长公路隧道。 图片为2001年10月24日因车辆相撞发生大火，死亡14人。,在英吉利海峡底开凿隧道的规划是19世纪初拿破轮战争期间首次提出的。英吉利海峡隧道耗资100亿英镑，接通英国肯特郡的福克斯通和法国的加来，建造工程于1987年12月开始，到1990年12月结束。1994年5月6日由英国女王伊丽莎白二世和法国
4、总统密特朗正式剪彩通车。这条双轨隧道长49.94公里，直径7.6米。,水中隧道（悬浮隧道技术）,山岭隧道（新奥法）,越江公路隧道（沉管法）,城市地下工程在地铁方面，法国巴黎高速地铁横贯东西，全长50km余；日本东京地铁更有若干层好几条线；我国的上海、北京、广州等地铁正如火如荼。多层次综合开发利用地下空间，是城市地下工程建设的一个特点。如日本东京的上层地下工程，便多作为地下街、商场等；瑞典、挪威、美国等更把地下工程用于民用住宅、图书馆等。我国有利用人防工程改造的商场、地下人行街、车库等。,上海徐家汇地铁站,广州越秀公园站,明珠二期上体馆车站（冰冻法）,共同沟,黄浦江行人隧道 （我国第一条观光隧道
5、 ，盾构法）,山区城市隧道（新奥法）,打浦路隧道（盾构法）,地下广场（明挖法）,地下车站（盖挖、逆作法）,最新盾构技术,盾构隧道,排水隧道（顶管法）,地下通道（管棚法）,地下通道（管幕箱涵顶进技术）,水电站及航运地下工程水电站包括：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。据统计，我国建国后建成的大中小型水电站引、泄水隧洞约140座，全长120km；最长的为四川渔子溪一级电站有压发电隧道，长8429m。天生桥水电站，有压发电隧道三座，内径9.0m，各长11.34km。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7km，断面宽24.5m,高17.5m。
6、,天生桥水电站,龙滩水电站,坝高 277m 表孔 6-12.518.5 深孔 7-58 泄洪洞 4-1411.3 厂房 2-8750,水电地下厂房,主副厂房洞,主变洞,尾调洞,母线洞,尾水主洞,交通洞,出线洞,引水发电系统设计,白鹤滩水电站装机容量13050MW，多年平均发电量564.9亿kWh。是西电东输骨干电源点之一,广西龙滩水电地下厂房,其他 各类物资的储库，如瑞典佛斯马克海底核废料储库系统；我国柳州大型天然洞室作冷藏库；以及地下油库、大型跨江海桥梁的基础、地下物流系统、地下防卫设施等。,新日本石油公司的海上油库,串木野基地的地下油库,地下石窟洞室（小隧道棚大跨洞室开挖法）,桥梁锚碇工程
7、（基坑法）,典型桥梁锚碇施工,开挖中的低温气体储藏隧洞 （新奥法）,地下防卫设施 （新奥法）,二、地下建筑结构的概念、作用和形式,（一）地下建筑结构的概念地下建筑是修建在地层中的建筑物。它可以分为两大类：修建在土层中和修建在岩层中的 。广义上讲，任何结构物都是修建在相应的介质中的，如上部结构是修建在空气介质中，地下建筑结构一般修建在土层中、岩层中或水中。本学科所要研究的所有问题都可归为“结构与介质的相互作用问题”。,示意图,（二）地下建筑结构的作用 地下建筑结构，即埋置于地层内部的结构。 按照使用要求在地层中挖掘洞室 沿洞室周边修建永久性支护结构即衬砌结构。 内部结构与地面建筑的设计基本相同
8、作用：衬砌结构主要是起承重和围护作用。 承重，即承受岩土体压力、结构自重以及其它荷载作用； 围护，即防止岩土体风化、坍塌、防水、防潮等。,地下建筑与地面建筑结构的区别（1）计算理论、设计和施工方法（2）地下建筑结构所承受的荷载比地面结构复杂。（3）地下建筑结构埋置于地下，其周围的岩土体不仅作为荷载作用于地下建筑结构上，而且约束着结构的移动和变形。计算理论上最主要差别：在地下建筑结构设计中除了要计算因素多变的岩土体压力之外，还要考虑地下结构与周围岩土体的共同作用。,（三）地下建筑结构的型式 首先由受力条件控制，即在一定地质的围岩压力、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型式
9、； 其次由地下建筑的功能要求和施工技术要求等确定。 主要有：,地下建筑结构的几种形式,土层地下建筑结构型式,（一）浅埋式结构：平面成方形或长方形，当顶板做成平顶时，常用梁板式结构。地下指挥所可以采用平面呈条形的单跨或多跨结构。为节省材料，顶部可做成拱形。 （二）附建式结构：是房屋下面的地下室，一般有承重的外墙、内墙（地下室作为大厅用时则为内柱）和板式或梁板式顶底板结构。 （三）沉井结构：沉井施工时需要在沉井底部挖土，顶部出土，故施工时沉井为一开口的井筒结构，水平断面一般做成方形，也有圆形，可以单孔也可以多孔，沉毕后再做底顶板。 （四）地下连续墙结构：先建造两条连续墙，然后在中间挖土，修建底板、
10、顶板和中间楼层。,土层地下建筑结构型式,（五）盾构结构：盾构推进时，以圆形为最宜，故常采用装配式圆形衬砌，也有做成方形和半圆形的。 （六）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。 （七）桥梁基础结构：桥梁基础结构可分为浅基础、深基础及深水基础三大类，目前常用的基础形式是桩基础和沉井基础。 （八）其它结构：还包括顶管结构和箱涵结构等。 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常采用顶管结构施工更为安全和经济。 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。,岩石地下建筑结构形式,型式主要包括直
11、墙拱形、圆形、曲墙拱形等。此外，还有一些其它类型的结构，如喷锚结构、穹顶结构、复合结构等。最常用的是拱形结构，这是因为它具有以下优点：（一）地下结构的荷载比地面结构大，且主要承受垂直荷载。因此，拱形结构就受力性能而言比平顶结构好（例如在垂直荷载作用下弯矩小）。（二）拱形结构的内轮廓比较平滑，只要适当调整拱曲率，一般都能满足地下建筑的使用要求，并且建筑布置比圆形结构方便，净空浪费也比圆形结构少。（三）拱主要是承压结构。适用于采用抗拉性能较差，抗压性能较好的砖、石、混凝土等材料构筑。材料造价低，耐久性良好，易维护。,岩石地下建筑结构形式,常用的几种拱形结构、喷锚结构以及穹顶结构等。（一）、拱形结构
12、1贴壁式拱形结构（1）半衬砌结构（2）厚拱薄墙衬砌结构（3）直墙拱形衬砌（4）曲墙拱形衬砌结构2离壁式拱形衬砌结构（二）喷锚结构（三）穹顶结构（四）连拱隧道结构（五）复合衬砌结构,补充：地下建筑工程分类,地下建筑工程（亦简称地下工程）有许多分类方法： 按使用功能分类 按周围围岩介质分类 按设计施工方法分类 按施工材料和断面构造型式分类 按重要程度、防护等级、抗震等级等分类 最常用的是按使用功能分类,1、按使用功能分类可分为：地下交通工程、地下市政管道工程、地下工业建筑、地下民用建筑、地下军事工程、地下仓储工程、地下娱乐体育设施等。,（1）地下交通工程：地下铁道、公路隧道、过街人行道、海（河、湖
13、）底隧道 （2）地下市政管道工程：输水隧道、地下给（排）水管道、通讯、电缆、供热与供气道、共同沟。（3）地下工业建筑：地下核电站、水电站厂房、地下车间、地下厂房地下垃圾焚烧厂。,（4）地下民用建筑：地下商业街、地下商场、地下商业（购物中心）、地下医院、地下旅馆、地下学校（5）地下军事工程：人防掩蔽部、地下军用品仓库、地下战斗工事、地下导弹发射井、地下飞机（舰艇）库、防空指挥中心（6）地下仓储工程：地下粮、油、水药品等物资仓库、地下车库、地下垃圾堆场、地下核废料仓库、危险品仓库、金库（7）地下文娱文化设施：图书馆、博物馆、展览馆、影剧院、歌舞厅（8）地下体育设施：篮球、乒乓球、网球、羽毛球场，田
14、径场，游泳池，滑冰场等,2、按周围地层介质分类软土地下工程岩石（硬土）地下工程海（河、湖）底或悬浮工程按照地下工程所处围岩介质的覆盖层厚度，又分为深埋、中埋、浅埋不同埋深工程。,3、按照施工方法分类,明挖法（放坡、支护、降水） 盖挖法、逆作法 浅埋暗挖法 沉箱、沉井、沉管法 盾构法（SM, TBM） 顶管法(大口径与微型顶管) 新奥法（NATM）、钻爆法,4、按结构型式分类地下建筑和地面建筑结合在一起的常称为附建式，独立修建的地下建筑称为单建式。,地下结构型式可以隧道式，横断面尺寸远远小于纵向长度尺寸，即廊道式。平面布局上也可以构成棋盘式或者如地面房间布置，可以为单跨、多跨，也可以单层或多层，
15、常用浅埋地下结构为多跨多层框架结构。地下结构横断面可根据所处部位地质条件和使用要求，选用不同的形状，最常见的有圆形，口形（人张开嘴），马蹄形，直墙拱形，曲墙拱形，落地拱，连拱（塔拱），穹顶直墙等等。,5、按衬砌材料和构造分类 衬砌又称被覆或支护，它是在地下工程周围构筑的永久性的支护结构。其主要作用：承重：即承受围岩压力，地下水压力，结构自重以及其它荷载作用；围护：除用来防止围岩风化与崩塌外，必须做到防水和防潮；足够的刚度，耐腐蚀性，稳定性：衬砌结构材料主要有砖、石、砌块混凝土、钢筋混凝土、钢轨（型钢、格栅拱）、锚杆、喷射混凝土，铸铁、钢纤维混凝土，聚合物钢纤维混凝土等。,6、按现场浇筑施工方法
16、分类衬砌构造型式分为：1）模筑式衬砌 2）离壁式衬砌 3）装配式衬砌 4）喷锚支护衬砌 三峡、南水、新咏春部分、龙滩,http:/ （一) 工程等级和要求，以及静、动荷载标准的确定； （二)确定埋置深度与施工方法； （三) 初步设计荷载值； （四）选择建筑材料； （五）选定结构型式和布置； （六）估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等尺寸； （七） 绘制初步设计结构图； （八）估算工程材料数量及财务概算。,技术细节的主要内容是： （一）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； （二）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
17、； （三）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； （四）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； （五）配筋设计：通过截面强度和裂缝计算得出受力钢筋，并确定分布钢筋与架立钢筋； （六）绘制结构施工详图：如结构平面图、构件配筋图、节点详图，风、水、电和其他内部设备的预埋件图； （七）材料、工程数量和工程财务预算。,四、本课程包括的内容 请参见教材大纲,地下建筑结构的特点 荷载的不确定性水、土压力，岩体压力，地下结构与地层共同作用问题等计算方法的不成熟经验类比法、荷载结构法、数值分析法、动态反馈分析法指导思想
18、理论计算导向、监测数据定量、经验总结判断,五、隧道及地下工程面临的挑战,五、隧道及地下工程面临的挑战,城市地下工程面临的挑战 （1）理论研究集中在地下结构和地层的相互作用上；集中在地层损失上及其损伤机理上； （2）岩土力学本构理论与地层适用性研究； （3）开发观测方法，自动报警系统的研究； （4）加固地层的各种类型注浆法、冻结法和地下水位降低法等； （5）开发能够主动控制掌子面功能的隧道掘进机； （6）复杂环境下的设计和施工技术； （7）隧道前方障碍物的探测与排除。,隧道及其他地下工程面临的挑战（1）长大隧道的设计、施工技术；通风防灾技术； （2）特殊地质地层的设计和施工技术； （3）非连续岩
19、体的大变形和破坏分析； （4）大型跨江海桥梁基础、其他深水基础设计和施工问题； （5）隧道的超前地质预报问题； （6）固、液、气的耦合问题； （7）真正适合岩体力学的理论和分析方法； （8）隧道及地下工程的精细化试验及数值模拟技术； （9）新概念、新材料在隧道及地下工程中的应用； （10）IT技术（数字化技术）在隧道及地下工程中的应用,21世纪地下空间开发遐想城市可持续发展的要求二十一世纪是地下空间的世纪。开拓生存空间抑制城市病（人口拥挤、交通阻塞、环境污染、能源紧缺） 2010年前，我国地下空间将会广泛发展； 20202030年，地下空间将高水平发展；轨道交通、地铁、地下车库、共同沟和地下综合体。（1）地下空间将成为城市的第二空间地下空间资源是城市的总面积乘上开发深度，再乘上40的可开发系数。空间广阔； （2）地下空间造价新说：城市土地昂贵，地下开发造价相对会有所降低； （3）把飞机开到地下去：解决城市交通的出路就是高效率的地下交通。可造无两翼的飞机，以超过600的速度飞行，不需要驾驶员，由中心遥控，类似于磁悬浮列车； （4）贯通海洋的地下工程 如渤海湾隧道、琼州隧道、台海隧道等； （5）新型城市公用市政隧道 如建设共同沟。 .,谢 谢!,
