《12009-2-24地下建筑结构-绪论-第一讲.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《12009-2-24地下建筑结构-绪论-第一讲.ppt（56页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
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
2、江、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
3、海底隧道、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
4、法国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
5、观光隧道 ，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,
6、高17.5m。,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）
7、,桥梁锚碇工程（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
8、地面建筑的设计基本相同 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
9、载下求出最合理和经济的结构型式 ； 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
10、续墙，然后在中间挖土，修建底板、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
11、地下建筑结构形式,型式主要包括直墙拱形、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
12、锚结构以及穹顶结构等。 （一）、拱形结构 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。,
13、（1）地下交通工程：地下铁道、公路隧道、过街人行道、海（河、湖）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
14、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。
15、 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，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
16、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
17、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； （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
18、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 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
19、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!,