1、地下工程结构设计理念和新发展综述黄圣平 水利水电工程 12104020398地下工程结构设计理论的发展至今已有百余年的历史，他跟岩土、力学的发展有着密切的关系。土力学的发展促使松散地质围岩稳定和围岩压力理论的发展，而岩石力学的发展促使围岩压力和地下结构工程结构设计理论的进一步飞跃。随着新型地下结构的出现，岩石力学、测试仪器以及计算机技术和数值分析方法的发展，地下工程的设计理念正在逐步形成一门完善的学科理论。一、地下建筑结构设计理论的发展到目前为止地下建筑结构设计理论的发展大体经历了以下三个阶段。第一阶段，古典设计理论阶段。19 实际的地下建筑物大多是一砖石混合材料砌筑的拱形圬工结构，这类建筑材
2、料的抗拉强度很低，而且结构物中存在很多的接触缝，容易产生断裂。为了维护结构的稳定，当时的地下结构截面都拟定的很大，结构受力后产生的弹性变形较小，因而最先出现的计算理论是将地下结构视为刚性的压力线理论。压力线理论认为，地下结构是一些拱形结构组成的，所受的主动荷载都是地层压力，当地下结构处于极限平很状态时，它是由绝对刚体组成的三角拱静定体系，铰的位置分别假设在墙底和拱顶，其内力可按静力学原理进行计算。这种理论没有考虑围岩自身的承载能力。由于当时地下工程埋置深度不大，因而曾一度认为这些理论是正确的。第二阶段：荷载结构理论（散体压力理论）阶段。随着地下工程开挖深度的增加，人们越来越多地发现，古典理论不
3、符合实际情况，于是出现了散体压力理论，代表人物是太沙基(K Terzaghi)和普罗托季亚科诺夫。他们认为，当地下工程埋深较大时，作用在支护结构上的压力，不是上覆岩层的重力，而只是围岩坍落拱内松动岩体的重力，坍落拱的高度与地下工程的跨度及围岩的性质有关。太沙基认为坍落拱为矩形，而普罗托季亚科诺夫认为是抛物线。在确定了塌落荷载后，通过假定抗力的形式考虑围岩与结构的相互作用，采用荷载一结构法进行结构内力计算。普式理论把复杂的岩体之间的联系用一个普氏系数描写，显然过于粗糙，但由于这个方法比较简单，直到现在还在应用。散体压力理论是基于当时的支护技术发展起来的。由于当时的掘进和支护所需的时间较长，支护与
4、围岩之间不能及时紧密相贴，致使围岩最终有一部分破坏、塌落，形成松动围岩压力。但当时并没有认识到这种塌落并不是形成围岩压力的唯一来源，也不是所有的情况都会发生塌落更没有认识到通过稳定围岩，可以发挥围岩的自身承载能力。第三阶段：连续介质理论（共同作用理论）阶段。由于人们认识到地下结构与地层是一个受力整体，自 20 世纪中期以来，随着岩体力学开始形成一门独立的学科，用连续介质力学理论计算地下结构内力的方法也逐渐发展。围岩的弹性、弹塑性及黏弹性解答逐渐出现。这种计算方法以岩体力学原理为基础，认为坑道开挖后向洞室内变形而释放的围岩压力将由支护结构与围岩组成的地下结构体系共同承受。一方面，围岩本 身由于支
5、护结构提供了一定的支护阻力，从而引起它的应力调整达到新的平衡；另一方面，由于支护结构阻止围岩变形，它必然要受到围岩给予的反作用力而发生变形。这种反作用力和围岩的松动压力极不相同，它是支护结构与围岩共同变形过程中对支护结构施加的压力，称为变形压力。目前我国在地下工程的结构计算当中，采用较多的仍是以散体压力理论为基础的荷载结构法。原因是：一方面该理论研究发展的时间较长，应用中有较多经验；另一方面该计算理论形式简单，比较容易为工程设计人员所掌握。二、设计理论总结目前地下工程结构设计及计算方法中主要有两种理论体系：一是传统的结构荷载理论，他是沿用地表工程建筑的成熟理论，主要观点是将围岩视为荷载，人工的
6、建筑结构作为支撑体，用以承受围岩荷载，这种观点的典型代表有土压力理 论、承载拱理论。二是围岩结构理论，主要观点是视围岩为工程结构的一部分，具有承担部分荷载的能力。这种观点以米勒为代表的新奥地利施工方法，简称“新奥法”理论。两种体系由于其产生的社会基础不同，各自在特定的历史时期为我国基础经济建设发挥了应有的作用，直到目前工程界尚未对地下工程的设计理论有如地面工程设计理论那样高的认同度，呈现出多种设计理论并存 的地下工程设计格局。这一事实也从另一个角度说明了地下工程所处的复杂环境，促使设计理论仍处于培育和生长阶段，远未达到成熟的程度，出于多种理论和方法并存的局面。随着大量地下工程的兴建，人们对地下
7、工程的认识也在不断的深化，涌现出以岩石力学、工程地质力学、弹性力学等为基础的综合性的现代工程利学的重要分支，具有代表性的有地下结构力学、隧道围岩稳定性分析、开挖系统控制论等。三、发展中的新的设计方法（一） 、信息反馈法在地下工程建设中，由于围岩自身属性及其受力条件十分复杂，初拟选的支护参数往往带有一定的盲目性，尤其不能适应地质和施工情况的变化。因此通过对施工开挖和支护过程中的现场测量，以及对量测值进行动态的反演分析，监控围岩和支护结构的稳定和安全，修改设计，指导施工，这即是地下工程建设中集现场检测和设计于一体的信息化施工方法。（二） 、抗震设计法地下结构物受到地震破坏的实例不少。由于抗震要求，
8、隧道设计时需进行结构动态分析。位于强震区内的交通隧道、水下隧道和重要的地下物（如核电站等）的抗震设计 H 益受到人们关注。地震系数法，即将坍落拱内围岩和衬砌的臼嘏乘以地震系数，并将侧向压力按修 IE 的内摩擦角进行计算，得到相应的等效水平荷载，用以计算衬砌的地震应力。这种方法较为粗略，无法计算纵向地震力以及长时间的地震作用。日本是多地震的国家。日本圈有铁道上术结构物抗震设计规定采用地震系数法、修正地震系数法和动态解析法，后两种方法适用予柔性结构。日本探埋隧道抗震设计规范规定：隧道的稳定性应采用地震系数法检算，沉埋隧道的稳定性应采用地震变形法（即将隧道轴向水平面内的位移作为施加在沉埋隧道上的地震效应设计方法）予以检算。骼个沉埋隧道系统尚应考虑隧址的地形、地质条件进行动态分析予以检算。在动态分析中最好同时进行地震反应分析和动态模型试验，后者可以校核前哲所采朋的数学模型的合理性。在地震反应分析中，建议采用弹性地基梁模型，用以计算横向和纵向地震力引起的压缩和弯曲。横断面配筋设计按地震变形法进行。计算中考虑地层与结构的位移差、静止土压力、水压力、结构自重和上覆土重。
