北京地鐵礦山法隧道設(shè)計(jì)施工設(shè)計(jì)手冊-終稿-v06-2-17-ok

1、-作者xxxx-日期xxxx北京地鐵礦山法隧道設(shè)計(jì)施工設(shè)計(jì)手冊-終稿-v06-2-17-ok【精品文檔】北京地鐵礦山法隧道設(shè)計(jì)施工設(shè)計(jì)手冊第八章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8.1 設(shè)計(jì)方法8.1.1 主要設(shè)計(jì)原則（1）滿足施工工藝、行車運(yùn)營、城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、放水、防災(zāi)、防迷流、防腐蝕和人民防空等要求。（2）采取有效措施，滿足地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的耐久性要求。根據(jù)承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度，并滿足抗傾覆、滑移、漂浮、疲勞、變形、抗裂或裂隙寬度的驗(yàn)算要求。（3）減少施工中和建成后對(duì)環(huán)境造成的不利影響，并考慮城市規(guī)劃引起周圍環(huán)境的改變對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響。（4）以勘察資料為依據(jù)，根據(jù)沿線

2、不同地段的具體條件，通過對(duì)技術(shù)、環(huán)境影響和使用效果等綜合評(píng)價(jià)，選擇施工方法和結(jié)構(gòu)型式。（5）結(jié)構(gòu)的凈空尺寸應(yīng)滿足地下鐵道建筑限界和其他施工及施工工藝等的要求，并考慮施工誤差，結(jié)構(gòu)變形及位移的影響。（6）結(jié)構(gòu)計(jì)算模型應(yīng)符合實(shí)際工況條件，充分考慮結(jié)構(gòu)與地層的相互作用，以及施工中已形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)和防水結(jié)構(gòu)的作用。（7）結(jié)構(gòu)的地震作用應(yīng)符合8度抗震設(shè)防烈度的要求，主體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防為乙級(jí)，應(yīng)參照鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行抗震驗(yàn)算，并采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。非承重構(gòu)件（建筑隔墻、裝飾構(gòu)件、管道安裝等）亦應(yīng)采取抗震措施。（8）與既有車站相交或換乘的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮施工工藝對(duì)既

3、有結(jié)構(gòu)和運(yùn)營的影響。（9）與規(guī)劃線路相交或換乘的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)工程相互關(guān)系，應(yīng)采取便于遠(yuǎn)期工程實(shí)施的預(yù)留措施。（10）地鐵地下結(jié)構(gòu)須具有戰(zhàn)時(shí)防護(hù)功能。所有地下車站的出入口和通風(fēng)道均設(shè)置防護(hù)段。在規(guī)定的設(shè)防部位，按5級(jí)人防設(shè)防；與其它地鐵連接處，按與較高設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)等強(qiáng)的原則考慮。（11）車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采取防止雜散電流腐蝕的措施。（12）鋼結(jié)構(gòu)及鋼連接應(yīng)進(jìn)行防銹與防火處理。（13）地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)有腐蝕的地段，尚應(yīng)進(jìn)行防腐處理。（14）車站結(jié)構(gòu)所有受力構(gòu)件，尚應(yīng)滿足現(xiàn)行的“建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范”有關(guān)規(guī)定。 有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（1）地下車站主體結(jié)構(gòu)與出入口、風(fēng)道等主要構(gòu)件的工程等級(jí)為一級(jí)。（2）地

4、下車站主體結(jié)構(gòu)與出入口、風(fēng)道與風(fēng)停的耐火等級(jí)為一級(jí)。（3）車站結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)以地震安評(píng)報(bào)告為依據(jù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，以提高結(jié)構(gòu)的整體抗震能力。當(dāng)結(jié)構(gòu)上部有地面建（構(gòu)）筑物時(shí)，應(yīng)按整體檢算抗震能力。車站中框架結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)按二級(jí)考慮，按抗震烈度8度設(shè)防。（4）結(jié)構(gòu)中永久構(gòu)件的安全等級(jí)為一級(jí)，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性系數(shù)取1.1；臨時(shí)構(gòu)件的安全等級(jí)為三級(jí)，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性系數(shù)取0.9；在人防荷載或地震荷載組合作用下，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性系數(shù)取1.0。（5）按工程地質(zhì)及水文地質(zhì)祥勘資料提供的抗浮設(shè)防水位進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算，在不計(jì)側(cè)壁摩阻力時(shí)，其抗浮安全系數(shù)不得小于1.05；當(dāng)計(jì)及側(cè)壁摩阻力

5、時(shí)，其抗浮安全系數(shù)不得小于1.15?？垢〈胧?yīng)針對(duì)施工階段和使用階段采取相應(yīng)的工程措施，但不宜采用消浮或或底板錨桿的措施。（6）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)站位地下水水位和地下水腐蝕性等情況，滿足防水和防腐蝕設(shè)計(jì)的要求。當(dāng)結(jié)構(gòu)處于有腐蝕性地下水時(shí)應(yīng)采取抗侵蝕措施，砼抗侵蝕系數(shù)不低于0.8。（7）在永久荷載和基本荷載組合作用下，應(yīng)按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合并考慮長期作用影響進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫驗(yàn)算。二類環(huán)境砼構(gòu)件的裂縫寬度（迎土面）應(yīng)不大于，一類環(huán)境（非迎土面及內(nèi)部砼構(gòu)件）砼構(gòu)件的裂縫寬度均應(yīng)不大于。當(dāng)計(jì)及地震、人防或其它偶然荷載作用時(shí)，可不驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的裂縫寬度。 隧道設(shè)計(jì)方法.1 隧道設(shè)

6、計(jì)理論的歷史隧道工程建筑物是埋置于地層中的結(jié)構(gòu)物，它的受力和變形與圍巖密切相關(guān)，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作為一個(gè)統(tǒng)一的受力體系相互約束，共同工作。這種共同作用正是地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別，所以如何恰當(dāng)?shù)胤从持ёo(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用的力學(xué)特征，正是支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算理論需要解決的重要課題。隧道工程從開挖、支護(hù)，直到形成穩(wěn)定的地下結(jié)構(gòu)體系所經(jīng)歷的力學(xué)過程中，圍巖的地質(zhì)因素、施工過程等因素對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)體系終極狀態(tài)的安全性影響極大。準(zhǔn)確地將其反映到計(jì)算模型中，是十分困難的。由此可見，地下結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型必須符合下述條件： 與實(shí)際工作狀態(tài)一致，能反映圍巖的實(shí)際狀態(tài)以及與支護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸狀態(tài)； 荷載假定應(yīng)與在修建洞室過程

7、(各作業(yè)階段)中荷載發(fā)生的情況一致； 算出的應(yīng)力狀態(tài)要與經(jīng)過長時(shí)間使用的結(jié)構(gòu)所發(fā)生的應(yīng)力變化和破壞現(xiàn)象一致； 材料性質(zhì)和數(shù)學(xué)表達(dá)要等價(jià)。只要符合上述條件，任何計(jì)算方法都會(huì)獲得合理的結(jié)果。顯然，洞室支護(hù)體系的力學(xué)模型是與所采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造及其材料性質(zhì)、巖體內(nèi)發(fā)生的力學(xué)過程和現(xiàn)象以及支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用的規(guī)律等有關(guān)。 地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展至今已有百余年的歷史，它與巖土力學(xué)的發(fā)展有著密切關(guān)系。土力學(xué)的發(fā)展促使著松散地層圍巖穩(wěn)定和圍巖壓力理論的發(fā)展，而巖土力學(xué)的發(fā)展促使圍巖壓力和地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)理論的進(jìn)一步飛躍。隨著新奧法施工技術(shù)的出現(xiàn)以及巖土力學(xué)、測試儀器、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法的發(fā)展

8、，地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)理論正在逐漸成為一門完善的科學(xué)。地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)理論的一個(gè)重要問題是如何確定作用在地下結(jié)構(gòu)的荷載以及如何考慮圍巖的承載能力。從這方面講，支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的發(fā)展大概可分為3個(gè)階段。(1)剛性結(jié)構(gòu)階段19世紀(jì)的地下建筑物大都是以磚石材料砌筑的拱形圬工結(jié)構(gòu)，這類建筑材料的抗拉強(qiáng)度很低，且結(jié)構(gòu)物中存在有較多的接觸縫，容易產(chǎn)生斷裂。為了維護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，當(dāng)時(shí)的地下結(jié)構(gòu)截面都擬定得很大，結(jié)構(gòu)受力后產(chǎn)生的彈性變形較小，因而最先出現(xiàn)的計(jì)算理論是將地下結(jié)構(gòu)視為剛性結(jié)構(gòu)的壓力線理論。壓力線理論認(rèn)為，地下結(jié)構(gòu)是由一些剛性塊組成的拱形結(jié)構(gòu)，所受的主動(dòng)荷載是地層壓力，當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，它是由

9、絕對(duì)剛體組成的三鉸拱靜定體系，鉸的位置分別假設(shè)在墻底和拱頂，其內(nèi)力可按靜力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)算。這種計(jì)算理論認(rèn)為，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力是其上覆巖層的重力，沒有考慮圍巖自身的承載能力。由于當(dāng)時(shí)地下工程埋置深度不大，因而曾一度認(rèn)為這些理論是正確的。壓力線假設(shè)的計(jì)算方法缺乏理論依據(jù)，一般情況偏于保守，所設(shè)計(jì)的襯砌厚度將偏大很多。(2)彈性結(jié)構(gòu)階段19世紀(jì)后期，混凝土和鋼筋混凝土材料陸續(xù)出現(xiàn)，并用于建造地下工程，使地下結(jié)構(gòu)具有較好的整體性。從這時(shí)起，地下結(jié)構(gòu)開始按彈性連續(xù)拱形框架用超靜定結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力。作用在結(jié)構(gòu)上的荷載是主動(dòng)的地層壓力，并考慮了地層對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彈性反力的約束作用。由于有了比較可

10、靠的力學(xué)原理為依據(jù)，故至今在設(shè)計(jì)地下結(jié)構(gòu)時(shí)仍時(shí)有采用。這類計(jì)算理論認(rèn)為，當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)埋置深度較大時(shí)，作用在結(jié)構(gòu)上的壓力不是上覆巖層的重力而只是圍巖坍落體積內(nèi)松動(dòng)巖體的重力松動(dòng)壓力。松動(dòng)壓力理論是基于當(dāng)時(shí)的支護(hù)技術(shù)發(fā)展起來的。由于當(dāng)時(shí)的掘進(jìn)和支護(hù)所需的時(shí)間較長，支護(hù)與圍巖之間不能及時(shí)緊密相貼，致使圍巖最終有一部分破壞、塌落，形成松動(dòng)圍巖壓力。但當(dāng)時(shí)并沒有認(rèn)識(shí)到這種塌落并不是形成圍巖壓力的唯一來源，也不是所有的情況都會(huì)發(fā)生塌落，更沒有認(rèn)識(shí)到通過穩(wěn)定圍巖，可以發(fā)揮圍巖的自身承載能力。對(duì)于圍巖自身承載能力的認(rèn)識(shí)又分為以下2個(gè)階段。假定彈性反力階段地下結(jié)構(gòu)襯砌是埋設(shè)在巖土內(nèi)的結(jié)構(gòu)物，它與周圍巖體相互接觸，

11、因此襯砌在承受巖體所給的主動(dòng)壓力作用產(chǎn)生彈性變形的同時(shí)，將受到地層對(duì)其變形的約束作用。地層對(duì)襯砌變形的約束作用力就稱之為彈性反力。這樣計(jì)算理論便進(jìn)入了假定彈性反力階段。彈性反力的分布是與襯砌的變形相對(duì)應(yīng)的。20世紀(jì)初期，康姆列爾(OKommerall)、約翰遜(Johason)等人提出彈性反力的分布圖形為直線(三角形或梯形)。這種假定彈性反力法的缺點(diǎn)是過高估計(jì)了地層彈性反力的作用，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于不安全。為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的安全系數(shù)常常被提高3.54以上。1934年，朱拉夫(.)和布加耶娃(O.E.oyaea)對(duì)拱形結(jié)構(gòu)按變形曲線假定了月牙形的彈性反力圖形，并按局部變形理論認(rèn)為彈性反

12、力與結(jié)構(gòu)周邊地層的沉陷成正比。該法將拱形襯砌(曲墻式或直墻式)的拱圈與邊墻整體考慮，視為一個(gè)直接支承在地層上的高拱，用結(jié)構(gòu)力學(xué)原理計(jì)算其內(nèi)力。由于該法按結(jié)構(gòu)的變形曲線假定了地層彈性反力的分布圖形，并由變形協(xié)調(diào)條件計(jì)算彈性反力的量值，因此比前一種假定彈性反力法合理。彈性地基梁階段由于假定彈性反力法對(duì)其分布圖形的假定有較大的任意性，人們開始研究將邊墻視為彈性地基梁的結(jié)構(gòu)計(jì)算理論，將隧道邊墻視為支承在側(cè)面和基底地層上的雙向彈性地基梁，即可計(jì)算在主動(dòng)荷載作用下拱圈和邊墻的內(nèi)力。首先應(yīng)用的彈性地基梁理論是局部變形理論。20世紀(jì)30年代，蘇聯(lián)地下鐵道設(shè)計(jì)事務(wù)所提出按圓環(huán)地基局部變形理論計(jì)算圓形隧道襯砌的方

13、法，20世紀(jì)50年代又將其發(fā)展為側(cè)墻(指直邊墻)按局部變形彈性地基梁理論計(jì)算拱形結(jié)構(gòu)的方法。共同變形彈性地基梁理論在稍后也被用于地下結(jié)構(gòu)計(jì)算。1939和1950年，達(dá)維多夫先后發(fā)表了按共同變形彈性地基梁理論計(jì)算整體式地下結(jié)構(gòu)的方法。1954年，奧爾洛夫(CAO)用彈性理論進(jìn)一步研究了按地層共同變形理論計(jì)算地下結(jié)構(gòu)的方法。舒爾茨(SSchuze)和杜德克(HDudek)在1964年分析圓形襯砌時(shí)，不但按共同變形理論考慮了徑向變形的影響，而且還計(jì)入切向變形的影響。按共同變形理論計(jì)算地下結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在于它以地層的物理力學(xué)特征為依據(jù)，并考慮各部分地層沉陷的相互影響，在理論上比局部變形理論有所進(jìn)步。(3

14、)連續(xù)介質(zhì)階段由于人們認(rèn)識(shí)到地下結(jié)構(gòu)與地層是一個(gè)受力整體，20世紀(jì)中期以來，隨著巖體力學(xué)開始形成一門獨(dú)立的學(xué)科，用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論計(jì)算地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力的方法也逐漸發(fā)展。圍巖的彈性、彈塑性及粘彈性解答逐漸出現(xiàn)。這種計(jì)算方法以巖體力學(xué)原理為基礎(chǔ)，認(rèn)為坑道開挖后向洞室內(nèi)變形而釋放的圍巖壓力將由支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖組成的地下結(jié)構(gòu)體系共同承受。一方面圍巖本身由于支護(hù)結(jié)構(gòu)提供了一定的支護(hù)阻力，從而引起它的應(yīng)力調(diào)整達(dá)到新的平衡；另一方面，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)阻止圍巖變形，它必然要受到圍巖給予的反作用力而發(fā)生變形。這種反作用力和圍巖的松動(dòng)壓力極不相同，它是支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同變形過程中對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加的壓力，稱為形變壓力。這種計(jì)算

15、方法的重要特征是把支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖體作為一個(gè)統(tǒng)一的力學(xué)體系來考慮。兩者之間的相互作用則與巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)、巖體的特性、支護(hù)結(jié)構(gòu)的特性、支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的接觸條件以及參與工作的時(shí)間等一系列因素有關(guān)，其中也包括施工技術(shù)的影響。 由連續(xù)介質(zhì)力學(xué)建立地下結(jié)構(gòu)的解析計(jì)算法是一個(gè)困難的任務(wù)，目前僅對(duì)圓形襯砌有了較多的研究成果。典型的有史密德(HSchmid)和溫德爾斯(RWindels)得出了有壓水工隧道的彈性解；費(fèi)道洛夫(B)得出了有壓水工隧洞襯砌的彈性解；繆爾伍德(AMMuirwood)得出了圓形襯砌的簡化彈性解析解；柯蒂斯(DJCurtis)又對(duì)繆爾伍德的計(jì)算方法做了改進(jìn)；塔羅勃(JTalobre)和卡

16、斯特奈(HKastner)得出了圓形洞室的彈塑性解；塞拉格(SSerata)、柯蒂斯和櫻井春輔采用巖土介質(zhì)的各種流變模型進(jìn)行了圓形隧道的粘彈性分析；我國學(xué)者也按彈塑性和粘彈性本構(gòu)模型進(jìn)行了很多研究工作，發(fā)展了圓形隧道的解析解理論，利用地層與襯砌之間的位移協(xié)調(diào)條件，得出圓形隧道的彈塑性和粘彈性解。20世紀(jì)60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的推廣和巖土介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系研究的進(jìn)步，地下結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算方法有了很大的發(fā)展。有限元法、邊界元法及離散元法等數(shù)值解法迅速發(fā)展，模擬圍巖彈塑性、粘彈塑性及巖體節(jié)理面等大型程序已經(jīng)很多，使得連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的計(jì)算應(yīng)用范圍得到擴(kuò)大。這些理論都是以支護(hù)與圍巖共同作用和需得知地應(yīng)力及施

17、工條件為前提的，比較符合地下工程的力學(xué)原理。然而，計(jì)算參數(shù)還難以準(zhǔn)確獲得，如原巖應(yīng)力、巖體力學(xué)參數(shù)及施工因素等。另外，人們對(duì)巖土材料的本構(gòu)模型與圍巖的破壞失穩(wěn)準(zhǔn)則還認(rèn)識(shí)不足。因此，目前根據(jù)共同作用所得的計(jì)算結(jié)果，一般也只能作為設(shè)計(jì)參考依據(jù)。與此同時(shí)，錨桿與噴射混凝土一類新型支護(hù)的出現(xiàn)和與此相應(yīng)的一整套新奧地利隧道設(shè)計(jì)施工方法的興起，終于形成了以巖體力學(xué)原理為基礎(chǔ)的、考慮支護(hù)與圍巖共同作用的地下工程現(xiàn)代支護(hù)理論?，F(xiàn)代支護(hù)理論的形成與發(fā)展，首先是由于錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)的大量使用，它可在圍巖松動(dòng)之前及時(shí)加固圍巖，其應(yīng)用實(shí)踐給人們積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。新奧法是典型的代表，尤其是現(xiàn)場監(jiān)控量測的應(yīng)用。到20世紀(jì)80

18、年代又將現(xiàn)場監(jiān)控量測與理論分析結(jié)合起來，發(fā)展成為一種適應(yīng)地下工程特點(diǎn)和當(dāng)前施工技術(shù)水平的新設(shè)計(jì)方法現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)計(jì)方法(也稱信息化設(shè)計(jì)方法)。目前，工程中主要使用的工程類比設(shè)計(jì)法，也正在向著定量化、精確化和科學(xué)化方向發(fā)展。地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)理論的另一類內(nèi)容，是巖體中由于節(jié)理裂隙切割而形成的不穩(wěn)定塊體失穩(wěn)，一般應(yīng)用工程地質(zhì)和力學(xué)計(jì)算相結(jié)合的分析方法，即巖石塊體極限平衡分析法。這種方法主要是在工程地質(zhì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)極限平衡理論，研究巖塊的形狀和大小及其塌落條件，以確定支護(hù)參數(shù)。與此同時(shí)，在地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用可靠性理論、推行概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)研究方面也取得了重要進(jìn)展。采用動(dòng)態(tài)可靠度分析法，即利用現(xiàn)場

19、監(jiān)測信息，從反饋信息的數(shù)據(jù)預(yù)測地下工程的穩(wěn)定可靠度，從而對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是改善地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效途徑。考慮各主要影響因素及準(zhǔn)則本身的隨機(jī)性，可將判別方法引入可靠度范疇。在計(jì)算分析方法研究方面，隨機(jī)有限元(包括攝動(dòng)法、紐曼法、最大熵法和響應(yīng)面法等)、Monte-Carlo模擬、隨機(jī)塊體理論和隨機(jī)邊界元法等一系列新的地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)理論分析方法近年來都有了較大的發(fā)展。地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)理論正在不斷發(fā)展，各種設(shè)計(jì)方法都需要不斷提高和完善，尤其是能較好地反映地下工程特點(diǎn)的現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)計(jì)方法，更迫切需要在近期內(nèi)形成比較完善的量測體系與計(jì)算體系。從發(fā)展趨勢看，新奧法開創(chuàng)的理論經(jīng)驗(yàn)量測相結(jié)合的“

20、信息化設(shè)計(jì)”體現(xiàn)了地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展方向。應(yīng)該指出，地下結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的上述幾個(gè)發(fā)展階段在時(shí)間上并沒有截然的先后之分，后期提出的計(jì)算方法一般也并不否定前期的研究成果，鑒于巖土介質(zhì)的復(fù)雜多變，這些計(jì)算方法都有其比較適用的一面，但又各自帶有一定的局限性。但是，各種新方法的不斷出現(xiàn)，意味著地下結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論將日益趨于完善。8.2 設(shè)計(jì)荷載 荷載分類1、地下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載類型及名稱應(yīng)按表8-1采用。2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型，按結(jié)構(gòu)整體和結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能出項(xiàng)的最不利工況進(jìn)行組合，按相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范，確定組合系數(shù)并進(jìn)行計(jì)算。決定荷載的數(shù)值時(shí)，應(yīng)考慮施工和使用過程中發(fā)生的變化。 表8-1 地下結(jié)構(gòu)

21、分類表荷載類型荷載名稱永久荷載結(jié)構(gòu)自重地層壓力結(jié)構(gòu)上部和受影響范圍內(nèi)的設(shè)施及建筑物壓力水壓力及浮力混凝土收縮及徐變作用設(shè)備荷載設(shè)備基礎(chǔ)、建筑做法、建筑隔墻等引起的結(jié)構(gòu)附加荷載地基下沉影響力可變荷載基本可變荷載地面車輛荷載及其沖擊力地面車輛荷載引起的側(cè)向土壓力地下鐵道車輛荷載及其沖擊力人群荷載其它可變荷載溫度變化影響力施工荷載偶然荷載8度地震荷載5級(jí)人防荷載注：（1）設(shè)計(jì)中要求考慮的其它荷載，可根據(jù)其性質(zhì)分別列入上述三類荷載中。 （2）表中所列荷載本節(jié)未加說明者，可按國家有關(guān)規(guī)范或根據(jù)實(shí)際情況確定。 地層壓力1有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于地層荷載的規(guī)定(1)基本規(guī)定地鐵規(guī)范第條“地層壓力應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)所處工程地

22、質(zhì)和水文地質(zhì)條件、埋置深度、結(jié)構(gòu)形式及其工作條件、施工方法及相鄰隧道間距等因素，結(jié)合已有的試驗(yàn)、測試和研究資料，按有關(guān)公式計(jì)算或依工程類比確定。”地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范條文說明中解釋：地層壓力是地下結(jié)構(gòu)承受的主要荷載。一般情況，石質(zhì)隧道，可根據(jù)圍巖分級(jí)，依工程類比確定圍巖壓力；填土隧道及淺埋暗挖隧道一般按計(jì)算截面以上全部土柱重量考慮；深埋暗挖隧道按泰沙基公式、普氏公式或其它經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。(2)深淺埋分界及土壓力的有關(guān)規(guī)定地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范沒有深淺埋分界的具體規(guī)定鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范以統(tǒng)計(jì)隧道坍落拱高度為基礎(chǔ)，埋深時(shí)用全土柱，埋深時(shí)用謝家休公式，埋深時(shí)用，不同深度土壓力計(jì)算結(jié)果如圖8-1。埋深豎直土壓全土柱謝家

23、休公式規(guī)范深埋公式h0h0圖8-1日本的有關(guān)規(guī)定a.如果覆土厚比隧道外徑小()，由于不能形成卸載拱，粘性土和砂性土用全土柱壓力。b.在粘性土中盡管覆蓋層相當(dāng)厚()，也取全土柱重作垂直壓力。c.在砂土和硬粘土中，若覆土厚度比外徑大許多倍()，可能形成卸載拱，取“松弛土壓”d.“松弛土壓”按泰沙基公式計(jì)算地層壓力：土柱： 式中：地表荷載；，N貫入值；，為試驗(yàn)值，有地下水不降低。還規(guī)定20t/m2，在時(shí)即使能算出松弛土壓，也應(yīng)取全土柱。在硬粘土()中可用松弛土壓(較大，都計(jì))。中硬()或軟粘土()中“采用松弛土壓力須慎重，一般用全土柱”，理論估算a.用比爾鮑曼公式，但增加到趨于常數(shù)時(shí)即為深埋，不必分

24、界。粘性土，都計(jì)；砂土只計(jì)，不計(jì)。bhp=hthsHDB圖8-2b.用泰沙基公式，常數(shù)2常用地層壓力理論和公式(1)普氏理論式中 hp自然拱高度； b自然拱的半跨度。圍巖垂直均布松動(dòng)壓力 式中有關(guān)符號(hào)的物理意義如圖8-2所示。(2)泰沙基洞頂巖層中任意點(diǎn)的垂直壓力為隨著坑道埋深h的加大, 趨近于零，則趨于某一個(gè)固定值，且泰沙基根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出11.5，取1，則式中有關(guān)符號(hào)的物理意義如圖8-3所示。Hdhvtgvtgv+dvvvvhb圖8-3這是歐、美、日本等國常用的，有關(guān)文獻(xiàn)認(rèn)為對(duì)砂土，令0，1時(shí)，當(dāng)取似摩擦角時(shí)，與普氏結(jié)果一樣；當(dāng)考慮時(shí)，所得減小。(3)謝家休公式考慮兩側(cè)土體夾制作用，NA

25、0HCDFBNET1T1PW2W1T2T2GW20hHB圖8-4式中：頂板土柱兩側(cè)摩擦角()，為經(jīng)驗(yàn)值；側(cè)壓力系數(shù)；土體計(jì)算摩擦角()；產(chǎn)生最大推力時(shí)的破裂角()；其它符號(hào)意義如圖8-4所示。(4)比爾鮑曼公式式中：，為圍巖容重，為隧道上覆土層厚度，為斷面寬度；為圍巖內(nèi)摩擦角；為圍巖內(nèi)聚力；為斷面高度。(5)鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范隧道垂直壓力為 式中 hs等效荷載高度值；S圍巖級(jí)別，如級(jí)圍巖S=3；圍巖的容重；寬度影響系數(shù)，；B坑道寬度，以m計(jì)；iB每增加1m時(shí)，圍巖壓力的增減率(以B5m為基準(zhǔn))，當(dāng)B5m時(shí)取i=0.2，B5m時(shí)，取i0.1。（6） 不同理論的北京地鐵區(qū)間隧道地層壓力分析埋深/m圖

26、8-5 加權(quán)平均均勻地層壓力隨埋深關(guān)系豎直地層荷載全土柱比爾鮑曼普氏泰沙基謝家休根據(jù)北京地鐵的斷面情況，按照覆土深度內(nèi)各地層物理力學(xué)指標(biāo)加權(quán)平均以及各地層分段計(jì)算結(jié)果如圖8-5圖8-6所示。3.北京地鐵地層豎向荷載計(jì)算表達(dá)式全土柱比爾鮑曼泰沙基謝家休豎直地層荷載埋深/m圖8-6 統(tǒng)計(jì)分層地層壓力隨埋深關(guān)系綜合上述分析并參考日本盾構(gòu)指南，對(duì)北京地鐵土壓力計(jì)算可否確定下列幾點(diǎn)：(1)選用比爾鮑曼公式作為基本公式雖然日本盾構(gòu)及“地鐵說明”都推薦泰沙基公式，但因泰沙基公式和普氏公式結(jié)果一樣，很多文獻(xiàn)表明對(duì)軟弱地層所得結(jié)果較小，為安全起見，用數(shù)值比泰沙基公式較大的比爾鮑曼公式。謝家休考慮的因素較仔細(xì)，但

27、只用0表述，一般勘測資料都用c、，而且角也是經(jīng)驗(yàn)公式，不好用，且比氏較簡單。(2)關(guān)于深淺埋分界圖8-7 全土柱與比爾鮑曼公式差與Ht/D關(guān)系采用理論估算法，即使v趨于常數(shù)的覆土厚度h即為深埋，這樣避免出現(xiàn)(22.5)h0或2D(D為結(jié)構(gòu)跨度或全寬)時(shí)的鋸齒形。時(shí)用全土柱，起始時(shí)仍有小段鋸齒，處理時(shí)考慮全土柱與比爾鮑曼公式之差與的關(guān)系，擬采用直線連接，根據(jù)北京地鐵地層情況各種跨度時(shí)全土柱公式與比爾鮑曼公式之差與的關(guān)系如圖8-7?？紤]北京地鐵實(shí)際情況，斷面跨度較小(小于5m)時(shí)，一般較大，故采用1.2倍的斷面跨度，在DD之間用直線連接。由于比爾鮑曼公式主要適用于淺埋隧道，在埋置達(dá)到一定深度以后曲

28、線出現(xiàn)向下彎曲，即豎向土壓力隨埋深增大反而減小，為了避免這種情況，建議在曲線拐點(diǎn)處用切線代替。綜合上述各種因素，建議北京地鐵豎向土壓力計(jì)算公式為：-8圖8DD埋深豎向荷載2 h 1 D 式中：為圍巖容重；為隧道上覆土層厚度；為斷面寬度；為圍巖內(nèi)摩擦角；為圍巖內(nèi)聚力；為斷面高度； ； 豎向荷載與隧道埋深的關(guān)系如圖8-8所示曲線。(3)關(guān)于砂土和粘土的分別處理砂土，取=0，只用，比用時(shí)要大些。粘土，硬粘土，直接采用、。 飽和含水軟粘土，用全土柱。(4)的建議對(duì)于的埋深，算出的地層壓力可能比鐵路隧道規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果要大，考慮到鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范公式是從山嶺隧道坍方統(tǒng)計(jì)得來的，其地層及施工條件與地鐵不同

29、，完全搬用也不一定合適。同時(shí)目前北京地鐵的覆土厚度一般都在(23)以下，差別不太大。采用比爾鮑曼公式后，對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果有多大影響，還應(yīng)通過幾種典型地層的、實(shí)際資料，對(duì)幾種常見埋深進(jìn)行試算，并檢算既有典型斷面的安全度。4、土層側(cè)向壓力。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力過程中墻體位移與地層間的相互關(guān)系，分別按主動(dòng)、被動(dòng)和靜止壓力計(jì)算。在地下鐵道結(jié)構(gòu)計(jì)算中，主動(dòng)土壓力采用朗金土壓力理論。對(duì)于粘性土尚需考慮粘結(jié)力的影響，即式中 、計(jì)算截面處的主動(dòng)、被動(dòng)土壓力； 、朗金主動(dòng)、被動(dòng)側(cè)壓力系數(shù)； 計(jì)算截面處的豎向土壓力； 土的粘結(jié)力。在計(jì)算總壓力時(shí)可不計(jì)臨界深度施工期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主動(dòng)區(qū)土壓力宜按朗金公式的主動(dòng)土壓力計(jì)算，在給支

30、護(hù)結(jié)構(gòu)橫撐施加預(yù)應(yīng)力或采取逆作法施工時(shí)，宜根據(jù)結(jié)構(gòu)的變位取靜止土壓力或界于靜止土壓力與主動(dòng)土壓力之間的經(jīng)驗(yàn)值。在使用階段，結(jié)構(gòu)承受的水平力宜按主動(dòng)土壓力和靜止土壓力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利工況進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)采用的側(cè)向水、土壓力，在施工階段對(duì)于粘性土地層及坑（洞）內(nèi)外同時(shí)進(jìn)行降水的砂性地層可采用水土合算，對(duì)于僅在坑（洞）內(nèi)進(jìn)行降水、坑（洞）外做止水帷幕的砂性地層可采用水土分算；在使用階段，要考慮水對(duì)結(jié)構(gòu)的長期效應(yīng)，應(yīng)采用水土分算。計(jì)算中應(yīng)計(jì)及地面荷載和鄰近建筑物以及施工機(jī)械等引起的附加水平側(cè)壓力。(1)豎向壓力在道路下方的地下結(jié)構(gòu)，地面車輛荷載可按20Kpa的均布荷載取值，并不計(jì)沖擊壓力的影響。覆土較淺

31、時(shí)按實(shí)際情況考慮，一級(jí)及以上公路按汽超20計(jì)算，掛120驗(yàn)算；二級(jí)公路按汽20計(jì)算，掛100驗(yàn)算。一般情況下，地面車輛荷載可按下述方法簡化為勻布荷載：ZZZZ1111ZZbaPozPoz地面地面p0p0圖8-9 車輛荷載單輪壓力計(jì)算圖式單個(gè)輪壓傳遞的豎向壓力(圖8-9) (4-1-8)圖8-10 車輛荷載多輪壓力計(jì)算圖式ZbZp0aPozZZZPozp0p0p0Zbd1d2b兩個(gè)以上輪壓傳遞的豎向壓力(圖8-10) (4-1-9)式中 地面車輛傳遞到計(jì)算深度Z處的豎向壓力； 車輛單個(gè)輪壓，按通行的汽車等級(jí)采用； a,b地面單個(gè)輪壓力的分布長和寬度； di 地面相鄰兩個(gè)輪壓的凈距； 輪壓的數(shù)量；

32、 車輛荷載的動(dòng)力系數(shù)，可參照表8-2選用。表8-2 地面車輛荷載的動(dòng)力系數(shù)覆蓋層厚度(m)0.40動(dòng)力系數(shù)0注：本表取自給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(BGJ69-84)當(dāng)覆蓋層厚度較小時(shí)，即兩個(gè)輪壓的擴(kuò)散線不相交時(shí)，可按局部勻布?jí)毫τ?jì)算。在道路下方的淺埋暗挖隧道，地面荷載可按10kPa的勻布荷載取值，并不計(jì)沖擊力的影響。當(dāng)無覆蓋層時(shí)，地面車輛荷載則應(yīng)按集中力考慮，并用影響線加載的方法求出最不利荷載位置。（2）側(cè)向壓力地面車輛荷載傳遞到地下結(jié)構(gòu)上的側(cè)壓力，可按下式計(jì)算： (4-1-10)式中 側(cè)向壓力系數(shù)，分石質(zhì)地層和土質(zhì)地層。石質(zhì)地層查規(guī)范表，土質(zhì)地層按庫侖土壓力系數(shù)計(jì)算。(3)被動(dòng)壓力根據(jù)北京地

33、鐵四號(hào)線、五號(hào)線71座車站、68座區(qū)間工程的設(shè)計(jì)地質(zhì)勘察資料對(duì)機(jī)床系數(shù)統(tǒng)計(jì)如表8-3和表8-4所示。表8-3 垂直基床系數(shù)(MPa/m)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表層號(hào)累計(jì)深度/m巖層名稱垂直基床系數(shù)(MPa/m)平均值變異系數(shù)子樣數(shù)子樣組數(shù)2.7689 填土5.1007 粉土、粘土、粉質(zhì)粘土202037.1927 粉細(xì)砂6611.6213 粉土、粉質(zhì)粘土173148313.4584 粉細(xì)砂565617.0801 粘土、粉質(zhì)粘土9483119.1153 粉土5353321.9225 粉細(xì)砂5757423.7347 中粗砂252528.1497 卵石、圓礫4746129.8067 中粗砂4040231.6000

34、粉細(xì)砂363635.4953 粘土、粉質(zhì)粘土210135137.9174 粉土15079239.3299 粉細(xì)砂88340.7534 細(xì)中砂343446.1734 卵石、圓礫7167146.5596 粉細(xì)砂5858348.9280 中粗砂4848450.6280 粉土2121552.0940 粘土、粉質(zhì)粘土191954.2485 粉土3333157.2941 粉質(zhì)粘土7372258.8197 細(xì)中砂111164.3708 卵石、圓礫3030166.8165 粉細(xì)砂33268.9122 中粗砂4471.4518 粘土、粉質(zhì)粘土1818173.4587 粉土88475.9645 粉細(xì)砂33178.

35、2733 粉細(xì)砂482.0429 卵石圓礫1184.1929 粉質(zhì)粘土44表8-4 水平基床系數(shù)(MPa/m)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表層號(hào)累計(jì)深度/m巖層名稱水平基床系數(shù)(MPa/m)平均值變異系數(shù)子樣數(shù)子樣組數(shù)2.7689 填土5.1007 粉土、粘土、粉質(zhì)粘土202037.1927 粉細(xì)砂6611.6213 粉土、粉質(zhì)粘土173148313.4584 粉細(xì)砂565617.0801 粘土、粉質(zhì)粘土9483119.1153 粉土35353321.9225 粉細(xì)砂5757423.7347 中粗砂252528.1497 卵石、圓礫4746129.8067 中粗砂4040231.6000 粉細(xì)砂363635.49

36、53 粘土、粉質(zhì)粘土210135137.9174 粉土15079239.3299 粉細(xì)砂88340.7534 細(xì)中砂343446.1734 卵石、圓礫7167146.5596 粉細(xì)砂5858348.9280 中粗砂4848450.6280 粉土2121552.0940 粘土、粉質(zhì)粘土191954.2485 粉土3333157.2941 粉質(zhì)粘土7372258.8197 細(xì)中砂111164.3708 卵石、圓礫3030166.8165 粉細(xì)砂33268.9122 中粗砂39.00004471.4518 粘土、粉質(zhì)粘土1818173.4587 粉土88475.9645 粉細(xì)砂33178.2733

37、粉細(xì)砂482.0429 卵石圓礫1184.1929 粉質(zhì)粘土445暗挖區(qū)間隧道計(jì)算方法結(jié)構(gòu)與地層共同作用的處理方法在采用荷載結(jié)構(gòu)模型計(jì)算襯砌內(nèi)力時(shí)，除了要知道作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)荷載外，還要很好地解決結(jié)構(gòu)與地層的共同作用問題，目前較為實(shí)用的處理方法有以下3種：主動(dòng)荷載模型，見圖8-11。除了在結(jié)構(gòu)底部受地層約束外，其它部分在主動(dòng)荷載作用下可以自由變形。適用于結(jié)構(gòu)與地層“剛度化”較大的情形。圖8-11 主動(dòng)荷載模型地層反力側(cè)向圍巖主動(dòng)壓力豎向圍巖主動(dòng)壓力圖8-12 主動(dòng)荷載加地層彈性約束模型圍巖彈性抗力側(cè)向圍巖主動(dòng)壓力豎向圍巖主動(dòng)壓力脫離區(qū)襯砌變形曲線主動(dòng)荷載加地層彈性約束的模型，見圖8-12

38、。該模型認(rèn)為地層不僅對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)施加主動(dòng)荷載還對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)施加被動(dòng)彈性抗力。適用于各類地層。地層實(shí)測荷載模型，見圖8-13。實(shí)測荷載模型是結(jié)構(gòu)與地層共同作用的綜合反應(yīng)，它即包括地層的主動(dòng)壓力，也含有被動(dòng)彈性力?；追戳皬椥钥沽砂碬inkler假定為基礎(chǔ)的局部變形理論來確定。徑向荷載切向荷載圖8-13 地層實(shí)測荷載模型基底反力或彈性抗力的大小和分布形態(tài)取決于對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算是個(gè)非線性力學(xué)問題，必須采用迭代法或某些線性化的假設(shè)，例如，假設(shè)反力或彈性抗力的分布形態(tài)為已知，或采用彈性地基梁理論，或用一系列獨(dú)立的彈性支撐鏈桿代替連續(xù)分布的反力或彈性抗力等等。于是，襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算就成了通常的超靜定結(jié)構(gòu)的求解。

39、1明挖法修建的矩形框架結(jié)構(gòu)整體計(jì)算方法用明挖順作法修建的多跨多層矩形框架結(jié)構(gòu)，可視為一次整體的受力彈性地基上的框架，以荷載結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行計(jì)算。2蓋挖法修建的多跨多層結(jié)構(gòu)計(jì)算方法這里以蓋挖逆作車站為例，介紹多跨多層矩形框架考慮施工步驟的計(jì)算方法。蓋挖逆作車站結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)蓋挖逆作地鐵車站的修建是一個(gè)分部施工的過程。結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，常兼有臨時(shí)結(jié)構(gòu)和永久結(jié)構(gòu)的雙重功能。其結(jié)構(gòu)形式、剛度、支承條件和荷載情況隨開挖過程不斷變化。結(jié)構(gòu)受力不僅與施工方法、開挖步驟和施工措施關(guān)系密切，而且荷載效應(yīng)有繼承性，即這一施工過程在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力和變形，是前面各施工過程受力的繼續(xù)，使用階段的受力是施工階段受力的繼續(xù)。

40、邊墻作為擋土結(jié)構(gòu)主要承受橫向荷載，同時(shí)也承受水平構(gòu)件傳遞的豎向荷載，中柱主要承受豎向荷載。施工階段豎向荷載在中柱和邊墻之間分配；結(jié)構(gòu)封底后，豎向荷載在中柱、邊墻和底板之間分配。蓋挖逆作法多以鉆孔灌注樁或地下連續(xù)墻為基坑的支護(hù)，成樁(墻)過程中對(duì)地層極少撓動(dòng)，又以頂、樓板頂替橫撐，基坑開挖引起的墻體變形較小，與一般放坡開挖或順作法施工的地下結(jié)構(gòu)相比，當(dāng)?shù)貙虞^穩(wěn)定時(shí)，施工期間作用在坑底以上墻面的土壓力更接近于靜止土壓力。蓋挖逆作地鐵車站通常埋置較淺，地面車輛荷載對(duì)結(jié)構(gòu)受力有較大影響，不僅使隧道結(jié)構(gòu)的受力有一般公路橋梁的特點(diǎn)，而且車輛荷載在任何一個(gè)施工階段都可能存在，也可能消失。車輛荷載作用的結(jié)構(gòu)在

41、不斷變化。在基坑開挖和形成結(jié)構(gòu)過程中，由于垂直荷載的增加和土體卸載的影響，將會(huì)引起邊墻和中柱的沉降，由此而產(chǎn)生的對(duì)結(jié)構(gòu)體系的影響比順作法嚴(yán)重得多。后者邊墻和中柱承受最大豎向荷載時(shí)，底板已完成，整個(gè)結(jié)構(gòu)的沉降可通過底板調(diào)整得較小和較為均勻。前者最大豎向荷載先全由邊墻和中柱之下的地基承受。豎向支撐系統(tǒng)過大的沉降，不僅會(huì)在頂、樓板等水平構(gòu)件中產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，而且會(huì)給節(jié)點(diǎn)連接帶來困難。上述特點(diǎn)表明，適用于放坡開挖順作的整體結(jié)構(gòu)分析方法，即不考慮施工過程、結(jié)構(gòu)完成后一次加載的計(jì)算模式?；螂m然考慮施工階段和荷載變化的影響，卻忽略了結(jié)構(gòu)受力繼承性的分析方法都與結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力狀態(tài)相距甚遠(yuǎn)。必須根據(jù)蓋挖逆作

42、法的施工工藝及結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，建立新的、能夠反映實(shí)際受力狀態(tài)的分析方法。結(jié)構(gòu)分析考慮的主要問題及計(jì)算方法的確定采用工程上習(xí)慣的平面桿系矩陣位移法。R(反力)K=0R0K=tgy(變形)圖8-14 支承鏈桿的彈性模式應(yīng)能反映地層與結(jié)構(gòu)的相互作用及土體的非線形特性。采用彈性支承鏈桿模型，用水平彈性支承鏈桿模擬地層對(duì)側(cè)墻及中間柱水平位移的約束作用；用豎向彈性支承鏈桿模擬地層對(duì)底板、側(cè)墻底部及中間樁底部垂直位移的約束作用；用切向彈性支承鏈桿模擬地層摩阻力對(duì)側(cè)墻及中間樁位移的約束作用。為了反映土體的非線形特性，支承鏈桿的等效剛度可采用最簡單的理想彈塑性模式(圖8-14)當(dāng)反力RR0時(shí)支承鏈桿剛度為常數(shù)，當(dāng)

43、RR0，K0。其中R0為地基的極限承載力。為了能確切模擬分布開挖過程及使用階段不同的受力狀況，將結(jié)構(gòu)受力的變化過程劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的階段進(jìn)行計(jì)算。分段原則是：結(jié)構(gòu)組成、支撐情況有較大變化或結(jié)構(gòu)受力情況有很大變化時(shí)。應(yīng)能反映結(jié)構(gòu)受力的繼承性。K1K2K2K1PPq1q2qh2h1h1h2RTq(1)(2)(3)圖8-15 坑底土開挖中所受荷載(1) 基坑開挖到h1深度時(shí)作用在側(cè)墻上的荷載及側(cè)墻的支承條件(2) 基坑開挖到h2深度時(shí)作用在側(cè)墻上的荷載及側(cè)墻的支承條件(3) 基坑從h1挖到h2深度時(shí)作用在側(cè)墻上的荷載增量q、R、 TP：作用在迎土面上的主動(dòng) 土壓力或靜止土壓力q1：作用在開挖面上

44、的靜止 土壓力(基坑深度h1)q2：作用在開挖面上的靜止 土壓力(基坑深度h2)q：開挖面靜止土壓力增量q= q2- q1K1：土體等效水平彈簧剛度K2：土體等效剪切彈簧剛度R：水平彈簧的卸載T：剪切彈簧卸載對(duì)于形式、剛度、支承條件和荷載不斷變化的蓋挖逆作結(jié)構(gòu)體系，可采用疊加法進(jìn)行受力分析。即對(duì)每一個(gè)施工步驟或受力階段，都按結(jié)構(gòu)的實(shí)際支承條件及構(gòu)件組成建立計(jì)算簡圖，只計(jì)算由于荷載增量(或荷載變化)引起的內(nèi)力增量，這一施工步驟完成后結(jié)構(gòu)的實(shí)際內(nèi)力應(yīng)是前面各步荷載增量引起的內(nèi)力的總和。這里關(guān)鍵問題是如何根據(jù)蓋挖逆作的施工工藝確定引起體系內(nèi)力改變的每一個(gè)荷載增量。一般可歸納為如下幾種情況：a支撐的拆

45、除：相當(dāng)在原體系的拆撐處反向施加這一支撐力。b坑底土挖除：如圖8-15，當(dāng)在邊墻全高范圍作用著不平衡側(cè)土壓力，并分別用支承鏈桿和切向支承鏈桿模擬坑底以下土體對(duì)墻體變形的約束作用，假定作用在邊墻應(yīng)土面一側(cè)的土壓力為定值(主動(dòng)土壓或靜止土壓)，則基坑從開挖至深度引起的荷載增量有兩部分組成。第一部分為基坑側(cè)因開挖引起的靜止土壓力的減少，相當(dāng)在挖除土體的部位對(duì)體系反向施加這一壓力的減少值。第二部分為被挖除土體中彈性抗力的釋放(包括水平向和切向彈性抗力)，相當(dāng)于在開挖部位對(duì)體系反向施加這些彈性抗力。c活載效應(yīng)：活載是一種可變荷載，它們只在當(dāng)前的計(jì)算階段起作用。所以對(duì)每一個(gè)計(jì)算階段，都必須計(jì)算無可變荷載和

46、只有可變荷載作用的兩種荷載工況，將它們與前面各步無可變荷載的計(jì)算結(jié)果疊加，即可求得當(dāng)前階段包括活載影響在內(nèi)的體系的實(shí)際受力狀態(tài)。在計(jì)算活載效應(yīng)時(shí)，應(yīng)按使結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能出現(xiàn)的最不利內(nèi)力進(jìn)行加載。因此，對(duì)每個(gè)計(jì)算階段的可變荷載工況，都可能有若干種的活載加載模式。此外，當(dāng)結(jié)構(gòu)頂板以上覆土小于1m時(shí)，應(yīng)利用影響線原理，找出地面車輛活載橫向的最不利加載位置。d結(jié)構(gòu)自重：僅當(dāng)構(gòu)件在計(jì)算簡圖中第一次出現(xiàn)時(shí)考慮。在施工過程中，架設(shè)支承、構(gòu)件剛度的增加和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的施作等，假定都是在各受力階段結(jié)構(gòu)變形已穩(wěn)定的情況下進(jìn)行的，如果忽略混凝土在硬化過程中的收縮對(duì)體系的影響，則可以認(rèn)為這些作業(yè)都不改變原體系的受力狀態(tài)。(3

47、)計(jì)算參數(shù)的確定在地下結(jié)構(gòu)計(jì)算中，側(cè)土壓力及地基彈性抗力系數(shù)是兩個(gè)重要參數(shù)，可參考已有研究成果并結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)合理選用。側(cè)土壓力。側(cè)土壓力的大小與墻體的變形情況有關(guān)，在主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力之間變化，可按以下兩種方式之一處理：a邊墻全高范圍作用不平衡側(cè)土壓力，開挖面以上視為無約束的構(gòu)件，開挖面以下為彈性地基梁。迎土側(cè)的已知外荷載視墻體變形大小可考慮為主動(dòng)土壓力或靜止土壓力。通常，在飽和軟土地層中，施工階段取主動(dòng)土壓力，使用階段取靜止土壓力；當(dāng)?shù)貙虞^穩(wěn)定時(shí)，施工階段亦可取靜止土壓力?；觽?cè)開挖面以下取靜止土壓力時(shí)，它與墻體水平抗力疊加以后不應(yīng)大于被動(dòng)土壓力。b邊墻全高范圍按彈性地基梁計(jì)算，并作

48、用不平衡土壓力，以靜止土壓力為初始計(jì)算荷載，墻體的有效土壓力為計(jì)算荷載與土體水平彈性抗力的代數(shù)和，且不應(yīng)小于主動(dòng)土壓力和大于被動(dòng)土壓力。地基彈性抗力系數(shù)?？沽ο禂?shù)是地層反力和位移之間的一種概念性關(guān)系，它不僅與地層條件有關(guān)，而且與構(gòu)件的受載面積、形狀和變形方向等有關(guān)?，F(xiàn)有的一些有關(guān)基床系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，大多與土壤的變形模量發(fā)生關(guān)系，可根據(jù)試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式或查表選用。(4)計(jì)算簡圖地鐵車站一般為長通道結(jié)構(gòu)，橫向尺寸遠(yuǎn)小于縱向尺寸，故可簡化為平面問題求解。以三跨雙層地鐵車站框架為例，當(dāng)邊墻頂位于頂板附近時(shí)，結(jié)構(gòu)計(jì)算一般可分為3個(gè)主要的施工過程和一個(gè)使用階段，相應(yīng)的計(jì)算簡圖及有關(guān)說明，見表8-5及圖8-1

49、6。表8-5 關(guān)于計(jì)算簡圖底說明受力階段支撐條件荷載增量內(nèi)力變形增量體系實(shí)際內(nèi)力及變形工況1(靜載)工況2(活載)工況1工況2施工階段(1)施工過程11.結(jié)構(gòu)自重，覆土重地面施工荷載或施工車輛荷載P1及其引起底側(cè)土壓力S1a1a2A1= a1A2=+ a2(2)施工過程2同上P1、S1及樓板施工荷載P2b1b2B1= A1+ b1B2= A1+ b1 +b2(3)施工過程3同上，底板土體等效豎向彈簧及切向彈簧底板自重P1、S1及P2c1c2C1= B1+ c1C2=B1+c1+ c2使用階段(4)同上，但底板豎向彈簧反力小于水浮力底部分應(yīng)取消豎向彈簧及切向彈簧1.側(cè)墻：使用階段側(cè)土壓力與施工完

50、成時(shí)側(cè)土壓力底差值2.樓板：重量3.底板：道床重；取消彈簧的部分以水浮力作為外荷載1地面車輛荷載P2及其引起的側(cè)土壓力S32樓板：人群荷載d1d2D1C1+ d1D2C1+ d1+ d2當(dāng)開挖過程中需要在層間設(shè)置臨時(shí)支撐時(shí)，施工階段的受力狀態(tài)也相應(yīng)增加、荷載則需按最不利位置施加。3暗挖車站結(jié)構(gòu)計(jì)算原則。暗挖車站結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)形式和施工步驟關(guān)系十分密切，本書只根據(jù)施工過程結(jié)構(gòu)受力和位移的特點(diǎn)，提出一些計(jì)算原則，讀者可根據(jù)具體情況靈活運(yùn)用。暗挖車站復(fù)合式結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)圖8-16 蓋挖逆作車站考慮施工步驟的內(nèi)力分析圖式覆土重+自重活載p1(施工車輛荷載或施工荷載)活載產(chǎn)生的土壓力s1不平衡土壓力p

51、1自重活載p2(施工荷載)水土壓力增量土體卸載汽車荷載p3p1p2s1自重面層重面層重人群荷載p4道床重a2(活載作用) a1(靜載作用)b2(活載作用) b1(靜載作用)d2(活載作用) d1(靜載作用)c2(活載作用) c1(靜載作用)挖開控至樓板開挖至底板底載產(chǎn)生的土壓力s3s1暗挖車站結(jié)構(gòu)修建是個(gè)分步實(shí)施的過程，在每一施工步驟中所施作的初期支護(hù)都和上一步驟中施作的初期支護(hù)以及圍巖形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)體系，承受著這一開挖過程中所引起的圍巖松動(dòng)壓力或形變壓力。初期支護(hù)的荷載效應(yīng)有繼承性。二次襯砌可能在全斷面開挖和初期支護(hù)全部做好后施作，也可能在部分?jǐn)嗝骈_挖和初期支護(hù)做好后就施作。若施作二次襯砌時(shí)，破除了部分初期支護(hù)，改變了原結(jié)構(gòu)體系，則初期支護(hù)中的內(nèi)力將釋放，并與隨后施作的二次