現(xiàn)代地下工程結(jié)構(gòu)類型及設(shè)計(jì)方法

李建強(qiáng)

摘要：本文分析了現(xiàn)代地下工程的發(fā)展背景及力學(xué)特點(diǎn)，簡單介紹了現(xiàn)代地下工程的類型，結(jié)合工程實(shí)踐，提出了地下工程的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：地下工程；結(jié)構(gòu)類型；設(shè)計(jì)方法

Abstract: this paper analyzes the background of the development of modern underground engineering and mechanics characteristics, and introduced the modern type of underground engineering, combined with the engineering practice, this paper puts forward the design method of the underground engineering.

Keywords: underground engineering; Structure types; Design method

中圖分類號： TV554 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

引言

地下工程的英文是Underground engineering，是建筑在巖石中、土中或水底以下的工程設(shè)施的統(tǒng)稱。它的設(shè)施可以構(gòu)筑成隧道形式，也可以和地面房屋相似，在平面布局上采用棋盤式和房間式的設(shè)置。并可建成多層多跨的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。人類在原始時期就利用天然洞穴作為群居、活動場所和墓室，但基本局限于帝王貴人的陵墓和人類居住的窯洞。工業(yè)革命以后，隨著各種工程技術(shù)手段的不斷提高，人類開始大規(guī)模開發(fā)地下空間。近年來，由于城市化的快速發(fā)展，城市人口飽和。建筑空間擁擠和綠地減少，使高層建筑如雨后春筍，建筑越建越高．地下部分也越來越深。向地下發(fā)展是擴(kuò)展城市空間一種有效的途徑，地下工程在擴(kuò)大城市空間容量和改善城市環(huán)境方面有著廣泛的前景。

1現(xiàn)代地下工程的發(fā)展背景及力學(xué)特點(diǎn)

1．1現(xiàn)代地下工程的研究背景

現(xiàn)代地下工程發(fā)展迅速，各種典型工程著名浩瀚。世界已有數(shù)百個城市修建了地下鐵路，我國大瑤山鐵路隧道，長14，295m，歷時6年建成；日本青函隧道，長53，850m，從規(guī)劃到建成，歷時半個世紀(jì)；英法海峽隧道，長50km，海底長度37km，歷時7年建成；日韓隧道，長250km，采用分段施工方案其調(diào)查斜井已于1986年底動工。著名的公路隧道．如穿越阿爾卑斯山、連接法國和意大利的勃朗峰隧道和連通日本群馬縣和新泄縣的關(guān)越隧道，它們的長度均超過10km。各類地下電站迅速增長，其中地下水力發(fā)電的項(xiàng)目，全世界已超過400座，其發(fā)電量達(dá)45億瓦以上。地下電站的建設(shè)是個十分龐大的地下工程。原蘇聯(lián)的羅戈水電站，土石方量510萬立方米，混凝土用量160萬立方米，開鑿的隧道、硐室294個，總長度達(dá)62km。世界各國修建了大量的地下貯藏室，其建造技術(shù)得到不斷革新。目前城市地下空間的開發(fā)利用，已經(jīng)成為城市建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家，逐漸將地下商業(yè)街、地下停車場、地下鐵道及地下管線等結(jié)為一體，成為多功能的地下綜合體。

1．2現(xiàn)代地下工程的力學(xué)特點(diǎn)

1)工程受力特點(diǎn)不同。地面工程先有結(jié)構(gòu)，后有荷載。地下結(jié)構(gòu)先有荷載，后有結(jié)構(gòu)。

2)工程材料特性的不確定性。地面工程材料多為人工材料：如鋼筋混凝土、鋼材、磚等。這些材料雖然在力學(xué)與變形性質(zhì)等方面也存在變異性，但是，與巖土體材料相比，不僅變異性要小得多，而且人們可以加以控制和改變。地下工程材料所涉及的材料，除了支護(hù)材料性質(zhì)可控制外，其工程圍巖均屬于難以預(yù)測和控制的地質(zhì)體。地質(zhì)體是經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的產(chǎn)物，它不僅包含了大量的斷層、節(jié)理、夾層等不連續(xù)介質(zhì)，而且還存在著較大程度的不確定性，其不確定性主要體現(xiàn)在空間分布和隨著時間的變化上。

3)工程荷載的不確定性。對于地面結(jié)構(gòu)，所受到的荷載比較明顯，雖然某些荷載也存在隨機(jī)性，但其荷載值和變異性與地下工程比相對較小。對于地下工程，工程圍巖的地質(zhì)體不僅會對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載，同時它又是一種承載體。因此，不僅作用到支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載難以估計(jì)，而且，此荷載又隨著支護(hù)類型、支護(hù)時間與施工工藝的變化而變化。

4)破壞模式的不確定性。工程的數(shù)值分析與計(jì)算的主要目的在于為工程設(shè)計(jì)提供評估結(jié)構(gòu)破壞或失穩(wěn)的安全指標(biāo)。這種指標(biāo)的計(jì)算是建立在結(jié)構(gòu)的破壞模式基礎(chǔ)之上的。對于地面結(jié)構(gòu)，其破壞模式一般比較容易確定，在結(jié)構(gòu)力學(xué)和土力學(xué)中已經(jīng)了解。例如強(qiáng)度破壞、變形破壞、扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)破壞等。對于地下結(jié)構(gòu)，其破壞模式一般難以確定，它不僅取決于巖土體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力環(huán)境、地下水條件，而且還與支護(hù)類型、支護(hù)時間與施工工藝密切相關(guān)。

5)地下工程信息的不完備性。地質(zhì)力學(xué)與變形特性的描述或定量評價取決于所獲得信息的數(shù)量和質(zhì)量。然而，對于地下工程只能在局部的有限的工作面或露頭獲取。因此，所獲取的信息是有限的、不充分的，還可能存在錯誤資料或信息。

2現(xiàn)代地下工程的類型

地下工程是土木工程的一個重要分支。按其工程的幾何形狀分為隧道工程和硐室工程。隧道工程是指結(jié)構(gòu)長度尺寸遠(yuǎn)大于斷面尺寸(最大跨度或高度)的結(jié)構(gòu)，通常包括鐵路隧道、公路隧道、煤炭運(yùn)輸巷道、礦山采場進(jìn)路、水工引水涵洞、人防地下通道等。硐室工程一般是指長跨比較接近(一般小于10)的地下結(jié)構(gòu)，如地鐵車站、地下商場、水電站地下廠房、地下儲氣庫、地下儲熱庫、地下影劇院、地下展覽館、地下試驗(yàn)室、地下餐館、地下停車場、變電站等。從力學(xué)計(jì)算模型上考慮，隧道工程可近似處理為平面應(yīng)變問題，而硐室工程一般屬于三維計(jì)算力學(xué)模型的范疇。

3地下工程的設(shè)計(jì)方法

3.1裂縫控制方法

3.1.1常用的裂縫控制方法

在民用建筑中普遍采用的裂縫控制方法是沿結(jié)構(gòu)每30m左右設(shè)置收縮后澆帶．并在其兩側(cè)混凝土早期收縮基本完成后（齡期60d早期收縮可完成70％左右）方澆筑收縮后澆帶的微膨脹混凝土．后澆帶施工時清縫困難，且容易于該處滲水。近幾年來采用抗裂方法的工程實(shí)例也為數(shù)不少?？沽逊椒ㄖ饕煞譃?種：(1)提高配筋率(或摻鋼纖維)；(2)摻膨脹劑。摻鋼纖維的方法可以從本質(zhì)上提高混凝土的抗拉強(qiáng)度．從而提高其抗裂性能：但是其摻量如何確定有待研究，且造價也比較高昂。摻膨脹劑、設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶可以使混凝土產(chǎn)生微膨脹，以之補(bǔ)償其早期收縮，該方法有不少成功的工程實(shí)例，有的工程甚至100m多長．通過設(shè)置多道膨脹加強(qiáng)帶并在施工中采取一系列其它措施一次澆筑混凝土，而未留任何形式的縫；然而，因膨脹劑摻用不當(dāng)而引起的工程事故同樣應(yīng)引起結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的深思。

3.1.2工程采用的方法

混凝土的收縮變形與結(jié)構(gòu)材料的極限伸長值之間的關(guān)系十分重要．只要是二者相差足夠?。畡t根據(jù)該式計(jì)算出的伸縮縫的間距就可以足夠大，甚至趨于無窮大?？s小該差值辦法可從提高材料本身極限伸長值和減少材料的收縮變形2方面人手。通過選取合理的配筋、混凝土配合比及施工養(yǎng)護(hù)方案，可以較大地提高混凝土的極限伸長值?；炷两Y(jié)構(gòu)的收縮變形基本上是由3部分組成，即混凝土的干縮、早期水化熱引起的收縮和環(huán)境溫差引起的收縮。該工程為地下工程，結(jié)構(gòu)主體覆土厚度達(dá)1．5m，且受太陽直射的面積較小，因而環(huán)境溫差引起的混凝土收縮并不大．這對該工程非常有利：而對于混凝土的干縮及早期水化熱引起的收縮則可通過加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)、降低混凝土本身的早期溫升等措施加以減小，同時采取適當(dāng)辦法釋放掉部分干縮和水化熱引起的收縮．從而使未釋放掉的干縮及水化熱引起的收縮與環(huán)境溫差引起的收縮之和與混凝土的極限伸長值相接近，以使理論計(jì)算出的伸縮縫的間距大于該工程的長度。因此，通過嚴(yán)格的理論計(jì)算，并考慮到超大面積混凝土施工的時空效應(yīng)，該工程最終決定采用先放后抗、抗放相結(jié)合的跳倉法綜合技術(shù)措施來解決混凝土的裂縫控制問題，即：混凝土先分塊施工．經(jīng)過一段時間后，可釋放掉大部分混凝土的于縮和早期水化熱引起的收縮，然后連成整體并盡快回填土，以整體結(jié)構(gòu)抵抗剩余的收縮應(yīng)力。

3.2抗浮措施

地下室的抗浮措施可分2種：配重平衡法和附加錨固法。對于浮力與原建筑自重較接近者，可考慮增加配重平衡浮力；而對于相差較大者．則采用附加錨固法更為可行。附加錨固法具體又可分為抗拔樁（含鉆孔樁、人工挖孔樁、預(yù)應(yīng)力管樁等)和抗拔錨桿(含預(yù)應(yīng)力錨桿、非預(yù)應(yīng)力錨桿等)。鉆孔樁的特點(diǎn)是機(jī)械化程度高．無需降水．對周邊建筑和環(huán)境影響小，但場地較臟亂。由于普通鉆機(jī)在較硬的巖石上鉆進(jìn)困難，因此采用該樁型時應(yīng)合理選取錨固巖(土)層。人工挖孔樁屬勞動密集型，條件允許時可大面積同時開挖．適合于中國國情．但應(yīng)充分考慮降水對周圍建筑物和管線的不利影響。因人工挖孔樁的樁徑一般不宜小于1200mm，且還要另做護(hù)壁，所以該種樁型會使總造價有所提高，但會大大縮短工期。預(yù)應(yīng)力管樁為摩擦樁，樁尖無法進(jìn)入較硬質(zhì)巖，單樁抗拔承載力較低?？拱五^桿施工時無需降水，機(jī)械化程度較高，其中預(yù)應(yīng)力錨桿需要張拉．相當(dāng)于預(yù)先附加了配重與浮力相平衡，而非預(yù)應(yīng)力錨桿則不需張拉．僅當(dāng)浮力真正出現(xiàn)時錨桿才被動抵抗拉力．其施工更簡便．造價更低。

結(jié)束語

地下工程設(shè)計(jì)是一項(xiàng)包含多種因素的工作。只有設(shè)計(jì)人員具備扎實(shí)基礎(chǔ)知識，掌握基本的設(shè)計(jì)方法及豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，其設(shè)計(jì)的地下工程結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)效益3個方面才能達(dá)到理想的效果。

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