1、地下工程考试总复习地下工程课件内容中国矿业大学第一章 绪论一、地下工程学科的性质和任务1、地下工程的含义地下工程：地下工程是建造在地层环境中（岩体或土体）的工程结构物；有广义和狭义地下工程。二、地下空间开发利用的历史1、地下空间的含义地下空间：在岩层或土层中天然形成或经人工开发形成的空间称为地下空间。2、地下空间开发利用的历史与人类的文明史相呼应，可分4个时代：第1时代：从出现人类至公元前3000年的远古时期第二时代:从公元前3,000年至5世纪的古代时期。埃及金字塔、古代巴比伦引水隧道，均为此时代的建筑典范。我国秦汉时期的陵墓和地下粮仓，已具有相当技术水准和规模。第三时代从5世纪至14世纪的
2、中世纪时代。世界范围矿石开采技术出现，推进了地下工程的发展。第四时代从15世纪开始的近代与现代。欧美产业革命，诺贝尔发明黄色炸药，成为开发地下空间的有力武器。日本明治时代，隧道及铁路技术开始引进并得到发展。50多年来，隧道及地下工程在中国得到了很大的发展，共建成：铁路隧道6876座，总长度3670km，居世界第一；公路隧道（包括水底隧道）1972座，总长度835km，是世界上公路隧道最多的国家；各类水工隧洞近1000座；城市地下铁道近300km；以及一大批其它用途的地下工业与民用建筑。三、地下工程分类1、按地下工程的功能分类工业、交通、民用、仓储、市政、军事地下工程等2、按地下工程的存在环境分
3、类岩石地下工程、土体地下工程3、按地下工程的建造方式分类按施工大类分为明挖、暗挖地下工程4、按埋置的深度分类浅埋、深埋地下工程第二章 地下空间资源及开发利用价值第一节 地下空间资源一、基本含义地下空间是一种总量有限的自然资源地下空间资源：包括三个方面的含义：1）天然存在的资源蕴藏总量；2）一定技术条件下可供合理开发的资源总量；3）一定历史时期内可供有效利用的地下空间总量。二、地下空间资源蕴藏总量及可供合理开发利用的地下空间资源总量1、地球上地下空间资源蕴藏总量地球上地下空间资源蕴藏总量为7.5E18m3，理论上讲，为整个岩石圈。2、可供合理开发利用的地下空间资源总量合理开发深度以2000m计。
4、则在当前和今后一段时间内的技术条件下，地球上可供合理开发利用的地下空间资源总量为4.12E17m3；实际可供有效利用的地下空间资源为0.24E17m3。因此，可供有效利用的地下空间资源的绝对数量仍十分巨大，从开拓人类生存空间的意义上看，无疑是一种具有很大潜力的自然资源。三、我国可供有效利用的地下空间资源从上表可以看出，以目前技术水平完全能够达到的开发深度30m计，可提供建筑面积6万亿m2；当2050年我国生活空间用地占国土面积的7.3%时，则这部分土地的面积为70万平方千米；假定在这些土地上的平均建筑密度为30%，平均建筑层数为4层，则可容纳的建筑总量为8400亿m2，与地下空间所能提供的相比
5、仅为14%，可见地下空间在扩大我国生活空间容量上有着巨大的潜力。第二节 城市地下综合体一、地下综合体定义地下综合体是由日本首先提出的，指由城市中不同功能的地下空间建筑共同组合而形成的大型地下空间工程。地下综合体一般包括以下内容：a、地下铁道、公路隧道，以及地面上的公共交通之间的换乘枢纽，由集散厅和各种车站组成。b、地下过街人行横道、地下车站间的连接通道、地下建筑之间的连接通道、出入口的地面建筑、楼梯和自动扶梯等内部垂直交通设施等。c、地下公共停车库d、商业设施和饮食、休息、等服务设施，文娱、体育、展览等设施，办公、银行、邮局等业务设施。e、市政公用设施的主干管、线。f、为综合体本身使用的通风、
6、空调、变配电、供水排水等设备用房和中央控制室、防灾中心、办公室、仓库、卫生间等辅助用房，以及备用的电源、水源、防护设施等。二、地下综合体的类型（1）新建城镇的地下综合体在新建城镇或大型居住区的公共活动中心，与地面公共建筑相配合，将一部分交通、商业等功能放到地下综合体中，可节省土地，使中心区步行化并克服不良气候的影响。这种地下综合体布置紧凑，使用方便，地面和地下空间融为一体，很受居民的欢迎。如图为巴黎德方斯卫星城地下综合体。(2)与高层建筑群结合的地下综合体附建在高层建筑地下室中的综合体，其内容和功能多与该高层建筑的性质和功能有关，可视为地面建筑功能向地下空间的延伸。如图为与纽约市罗切斯特大楼结
7、合的地下综合体。(3)城市广场和街道下的地下综合体在城市的中心广场、文化休息广场、购物中心广场和交通集散广场，以及交通和商业高度集中的街道和街道交叉口，都适合于建设地下综合体。首先，在这些地点，各种城市矛盾，特别是交通矛盾较为突出，因而也是城市再开发的主要位置;其次，广场和街道的地下空间比较容易开发，尤其是广场，建筑物和地下管、线的拆迁问题和对地面交通的影响都较小。如图为巴黎列阿莱广场地下综合体。三、地下综合体的特点可作为有效的防空、防炸设施，形成恒温恒湿防震防振的环境，并能节约地面建筑占地。但地质条件要求较高，施工困难、投资较高。四、地下综合体的结构特点与岩（土）接触处必须有衬砌结构。衬砌结
8、构的作用：承受岩（土）层和爆炸等静力和动力荷载，并防止地下水和潮气的侵入。第三节 地下空间的防灾特性一、地下空间的防灾性能地下空间的抗爆性能地下空间的抗震性能地下空间对城市大火的防护能力地下空间的防毒性能地下空间对风灾的减灾作用地下空间在城市的防洪作用二、地下空间在城市综合防灾中的作用为在地面空间中难以抗御的灾害作好防灾准备；在地面上受到严重破坏后保存部分城市功能和灾后恢复的潜力；与地面防灾空间配合，实现防灾功能的互补。第四节 地下空间的开发利用开发和利用地下空间是城市建设的迫切需求波士顿地下空间开发利用国外城市地下空间的开发利用趋势主要有两个方面：一是大型建筑物向地下的自然延伸发展到复杂的地
9、下综合体（地下连接通道，地下车库，地下商业，休闲娱乐等），进而发展到地下城（与地下快速轨道交通系统相结合的地下街系统）；二是地下市政设施的建设从地下供、排水管网发展到地下大型供水系统，地下大型能源供应系统，地下大型排水及污水处理系统，地下生活垃圾的清除、处理和回收系统和地下综合管线廊道（共同沟）。第三章 地下工程地质环境与围岩分级第一节 岩体结构分类与破坏特征一、岩体的概念岩体：在地质历史过程中形成的，由各种岩石块体组合而成的“岩石结构物”，具有不连续性、非均质性和各向异性的特点。岩体=结构面+结构体工程岩体：与工程建筑物应力影响范围内的那部分岩体。二、岩体结构的概念岩体结构：结构体和结构面在
10、岩体内的排列、组合形式。三、岩体结构类型不同结构类型岩体的工程地质性质1）整体、块状结构岩体：成分单一、结构面稀疏延伸较长，层间有一定结合力，力学强度高、抗变形能力强，可视为均质、各向同性体。2）层状结构岩体：软硬岩层相间的互层形式，结构面以层理面为主，有层间错动及泥化软弱夹层发育。3）碎裂结构岩体：岩体节理、裂隙发育，常有泥质充填，结合力不强，有平行层面的软弱结构面，完整性差。4）散体结构岩体：节理、裂隙很发育，岩体十分破碎，可视为土体。四、地下工程围岩破坏特征1、脆性破裂岩爆：岩爆：在高应力地区，洞室开挖后，围岩因弹性应变能突然释放而发生的岩石弹射或抛出的现象。2、块状运动（剪切滑移）：厚
11、层状或块状结构的硬质围岩，当有倾向洞内的大型结构面存在时，在结构面控制下主要以沿结构面向洞内剪切滑移为主。3、弯曲折断破坏：（1）张裂塌落：拱顶张应力超过岩石抗拉强度，引起岩石破裂，导至洞顶塌落的现象。（2）劈裂剥落：切向应力导至洞室周边岩石形成平行洞壁的密集破裂，并产生剥落的现象。（3）弯折内鼓：径向应力挤压薄层围岩，使之向洞内弯折内鼓，甚至坍倒的现象。4、松动解脱（碎裂松动）：在多组结构面发育的岩体中（碎裂结构岩体），当洞室开挖后，如果围岩应力超过围岩的屈服强度，围岩就会沿已有的多组节理发生剪切错动而松弛，在洞室周边的围岩中形成一个松动圈。5、塑性变形：（1）塑性挤出：软弱岩体在洞室开挖后
12、，当围岩应力超过其屈服强度时，向洞内产生的塑性挤出的现象。（2）膨胀内鼓：在膨胀岩地区，洞室开挖后水分向松动圈集中，导致岩石吸水膨胀，并向洞内鼓出的现象。第二节 围岩的初始应力场一、地应力的概念地应力：指存在于地壳岩体中的原始应力，又叫天然应力。天然应力或初始应力（virginalstress）自重应力（gravitationalstress）构造应力（tectonicstress）活动的（activetectonicstress）剩余的（residualtectonicstress）变异及残余应力（alteredandresidualstress）感生应力（inducedstress）二、岩
13、体天然应力场的类型1、“静水压力式”分布的观点2、垂直应力为主的观点3、水平应力为主的观点上述为三种典型情况，大多数地区接近其中某一种，有些地区应力状态属主应力轴倾斜的过渡类型。总之大量实测资料表明，世界上大多数地区岩体内的天然应力状态是以水平应力为主。这就足以证明，构造因素在地壳岩体的天然应力状态的形成中起着主导作用。3、地应力分布规律：三、围岩应力的变化规律围岩：工程开挖后，应力变化范围内的岩体。地下洞室开挖前，岩体内的应力状态称为初始应力状态。开挖后，由于洞室周围岩体失去了原有的支撑，破坏了原来的受力平衡状态，围岩将向洞内产生松胀位移，从而引起洞周围一定范围内岩体的应力重新调整，形成新的
14、应力状态。该应力称重分布应力、二次应力或围岩应力。直接影响围岩稳定的是二次应力状态，它与岩体的初始应力状态、洞室断面形状及岩体特性等因素有关。第三节 地下工程围岩分级一、概述1、围岩分级的目的：2、围岩分级方法发展概况二、影响围岩稳定性的主要因素1、地质因素：(1)岩体结构特征岩体的结构特征可以简单地用岩体的破碎程度或完整性来表示，在某种程度上它反映了岩体受地质构造作用的严重程度。岩体的破碎程度或完整状态是指构成岩体的岩块大小及这些岩块的组合排列形态。(2)结构面性质和空间的组合在块状或层状结构的岩体中，控制岩体破坏的主要因素是软弱结构面的性质及它们在空间的组合状态。从下述的5个方面来研究结构
15、面对地下工程围岩稳定性影响的大小：结构面的成因及其发展史；结构面的平整、光滑程度；结构面的物质组成及其充填物质情况；结构面的规模与方向性；结构面的密度与组数。(3)岩石的力学性质在整体结构的岩体中，控制围岩稳定性的主要因素是岩石的力学性质，尤其是岩石的强度。一般来说，岩石强度越高，洞室越稳定。(4)围岩的初始应力场围岩的初始应力场是地下工程围岩变形、破坏的根本作用力，它直接影响围岩的稳定性。2、工程活动所造成的人为因素：(1)地下洞室尺寸和形状在同一级(类)围岩中，洞室跨度愈大，围岩的稳定性就愈差；(2)施工中采用的开挖方法开挖方法对地下工程围岩稳定性的影响较为明显，在分级(类)中必须予以考虑
16、。三、分级(类)的因素指标及其选择1.单一的岩性指标2.单一的综合岩性指标指标是单一的，但反映的因素却是综合的。（1）“岩石质量指标”(RQD)也是反映岩体破碎程度和岩石强度的综合指标。所谓岩石质量指标是指钻探时岩芯复原率，或称岩芯采取率。（2）洞室围岩自稳的时间ts3.复合指标(1)巴顿(N.Barton)等人所提出的“岩体质量Q”Q与6个表明岩体质量的地质参数有关，表示为：(2)我国总参工程兵坑道工程围岩分类中所采用的岩体质量指标Rm和应力比S。(3)水工隧洞设计规范)(SL279-2002)围岩工程地质分类和国标锚杆喷射混凝土支护技术规范(GB500862001)所采用的围岩/岩体强度应
17、力比S，S综合考虑了岩石强度、岩体完整性和地应力的因素。(4)国标工程岩体分级标准(GB5021894)中岩体基本质量指标BQ和修正的岩体基本质量指标BQ三、国内围岩分级方法1、国标工程岩体分级标准（GB5021894）：2、铁路隧道设计规范（TB100032005）中的围岩分级：3、地铁设计规范（GB50157-2003）中的围岩分类4、公路隧道设计规范（JTGD702004）中的围岩分类5、总参工程兵坑道工程的围岩分类6、水工隧洞设计规范(SL2792002)的围岩分类四、国外主要围岩分类系统简介1、挪威Q系统2、南非RMR系统第四章 地下结构的设计方法和计算原理第一节 地下结构的设计方法
18、一、容许应力设计法以结构构件截面计算应力不大于规定的材料容许应力的原则（图c），进行结构构件设计计算的方法。二、破损阶段设计法考虑结构材料破坏阶段的工作状态（图d）进行结构构件设计计算的方法。规范中规定，铁路双线隧道和公路隧道结构设计计算按破损阶段法验算构件截面的强度。三、概率极限状态设计法以概率理论为基础，以防止结构或构件达到某种功能要求的极限状态作为依据的结构设计计算方法。铁路隧道设计规范规定：一般地区单线隧道整体式衬砌及洞门、单线隧道偏压衬砌及洞门、单线拱形明洞及洞门的结构设计，可采用概率极限状态设计法设计。概率极限状态设计要求，结构的最不利位置的荷载效应不超过结构抗力。四、特征曲线设计
19、法洞室开挖后，围岩会向洞室内部变形，称为围岩收敛；由此洞室围岩中的径向应力减小，环向应力随之增加。围岩特征曲线：亦称为围岩的支护需求曲线。它形象的表明围岩在洞室周边所需提供的支护阻力及与其周边位移的关系支护特征曲线：支护变形与支护所能提供的支护抗力的关系。利用围岩与支护共同作用特性来选择支护参数的方法叫作特征曲线法（又称为收敛约束法）。五、工程类比设计法所谓工程类比设计法，就是以已往地下工程支护结构设计与施工的资料和经验为基础，以围岩分级为前提，以计算分析为必要的辅助，以施工过程的监控量测和信息反馈为指导的方法体系。作好支护结构工程类比设计的基础是充分掌握和占有已往类似工程的资料和成功经验，前
20、提是正确地对地下工程围岩进行分级。对通过工程类比法设计的地下工程，成功建造的关键是作好施工过程的监控量测和信息反馈。第二节 地下结构的受力特点与内力计算模型一、地下结构的受力特点主要特点：地下结构的围岩既是作用于支护结构上的荷载来源，又与支护结构共同构成承载体系。二、地下结构的内力计算模型1、荷载结构模型（1）特征a）支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支撑，对支护结构的变形起约束作用；b）支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支撑对支护结构施加约束来体现，围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支撑的约束能力时间接地考虑。（2）适用条件主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和坍塌，支护
21、结构承担围岩松动压力的情况。（3）需解决的关键问题如何确定作用在支护结构上的主动荷载，即围岩所产生的松动压力，以及弹性支撑给支护结构的弹性抗力。（4）模型求解方法结构力学方法：力法（矩阵力法）、位移法（矩阵位移法一维杆系有限元法）2、地层结构模型（1）特征a）将支护结构与围岩视为一体，作为共同承载的结构体系；b）围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形。（2）适用条件是目前地下结构体系设计中力求采用或正在发展的模型。它符合当前的施工技术水平，采用快速和早强的支护技术可以限制围岩的变形，从而阻止围岩松动压力的产生。（3）需解决的关键问题如何确定围岩的初始应力场，以及表示材料不连
22、续、非线性特性的各种参数、岩体本构模型。（4）模型求解方法解析法、数值法（主要为FEM）第三节 荷载结构模型荷载的计算方法一、荷载（作用）及其组合二、围岩压力的确定1、围岩压力的概念围岩压力：是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。它包括由地应力引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。从狭义上来理解，围岩压力是指围岩作用在支护结构上的压力。在工程中一般研究狭义的围岩压力。围岩压力按作用力发生形态分为：松动压力：是指由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构的压力。形变压力：是指由于围岩变形受到与之密贴的支护的抑制，而使围岩与支护结构共同变形过程中，围
23、岩对支护结构施加的接触压力。膨胀压力：是指由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力。冲击压力：是指围岩中积累了大量的弹性变性能之后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，能量突然释放所产生的压力。2、围岩松动压力的产生开挖隧道所引起的围岩松动和破坏的范围有大有小，对于一般裂隙岩体中的深埋隧道，其波及范围仅局限在隧道周围一定深度，作用在支护结构上的围岩松散压力远远小于其上覆岩层自重所造成的压力，这可用围岩的“成拱作用”来解释。自然拱的范围的大小受围岩地质条件、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态等影响，还取决于以下诸因素： 隧道的形状和尺寸：隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自然拱越高，围岩松散压力也越
24、大； 隧道的埋深：实践证明，只有当隧道埋深超过某一临界值时，才有可能形成自然拱。习惯上称这种隧道为深埋隧道，否则为浅埋隧道。由于浅埋隧道不能形成自然拱，所以，它的围岩压力的大小与埋置深度直接相关。 施工因素：如爆破所产生的震动，常常是引起塌方的重要原因之一，造成围岩压力过大，又如分部开挖多次扰动围岩，也会引起围岩失稳，加大自然拱范围。 3、围岩压力的确定方法围岩压力的确定目前常用有下列三种方法：直接量测法经验法或工程类比法理论估算法4、深埋隧道围岩压力的确定隧规推荐方法(工程类比法)a）铁路双线隧道围岩竖向匀布压力q按下式计算：q=0.452s-1(kN/m2)式中：S围岩级别，如属II级，则
25、S2；围岩容重，(kN/m3)；1+i(B-5)宽度影响系数；B隧道宽度，（m）；i以B5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率。当B5m,取i0.1。铁路双线隧道围岩的水平匀布压力e的确定，按下表中的经验公式计算：围岩级别I、IIIIIIVVVI水平匀布压力00.15q(0.150.3)q(0.30.5)q(0.51.0)qb）铁路单线隧道按概率极限状态法设计，其竖向围岩压力为：qhh=0.411.79S这是全国1046座铁路隧道得出的经验公式，其中S新规范围岩的分级。注：铁路隧道跨度小于公路隧道c）公路隧道设计规范规定：级围岩中的深埋隧道，围岩压力为主要形变压力，其值按释放荷载计算；释放
26、荷载由有限元数值计算得到；级围岩中深埋隧道的围岩压力视为松动荷载，其垂直、水平均布压力计算方法同铁路隧道规范。（2）普氏理论(理论估算法)普氏理论假定围岩为松散体，基于天然拱概念计算围岩竖向匀布压力q；（一般适用于松散破碎岩体，松软地层（淤泥、软粘土）或埋深浅时不适用）：q=b*/f(kN/m2)式中：围岩容重，(kN/m3)；b*天然拱的半跨度（m）；在坚硬完整岩石中：b*=bt（bt为洞室跨度）；在松散破碎岩体中：b*=bt+httan(45-/2)。f岩石坚固性系数，5、浅埋隧道围岩压力的确定（1）深、浅埋隧道的判定原则（自公路隧道设计规范）隧道埋深不同，确定围岩压力的计算方法不同，应以
27、隧道顶部覆盖层能否形成“自然拱”为原则。深埋、浅埋隧道的分界值，按等效荷载高度值(施工坍方平均高度)划分：Hp（22.5）hq式中:Hp深浅埋隧道分界深度;hq荷载等效高度，按下式计算：hqq/，其中：q按深埋隧道计算的竖向均布压力kNm2；围岩容重（kNm2）。在矿山法施工的条件下，IIII级围岩取：Hp2hqIVVI级围岩取：Hp2.5hq由此，当隧道覆盖层厚度HHp时为深埋，HHp时为浅埋（2）浅埋隧道围岩压力的确定方法（自公路隧道设计规范）A）埋深(H)小于或等于等效荷载高度hq时，荷载视为均布竖向压力：q=H式中:q匀布竖向压力；深度上覆围岩容重；H隧道埋深，隧道顶至地面的距离。其侧
28、向压力e，按匀布考虑时，其值为：e=(H+1/2Hi)tg2(45/2)式中:e侧向匀布压力；围岩容重，以kN/m3计；H隧道埋深，以m计；Hi隧道高度，以m计；围岩计算摩擦角，可查规范。B）埋深大于hq、小于等于Hp时采用松散介质极限平衡理论进行分析，即：围岩松动压力=滑动岩体重量滑面上的阻力（3）偏压隧道围岩压力的计算方法位于斜坡地带的浅埋隧道，从隧道的横断面看，作用于隧道拱顶衬砌上的荷载将出现偏压。假定偏压分布图形与地面坡形一致（如图），则作用于隧道拱顶的垂直压力。第五章 地下工程施工第一节地下工程施工简述一、地下工程基本作业 基本作业开挖+支护+衬砌1、开挖方法选择的考虑因素2、地下工
29、程开挖方法3、隧道开挖方法4、支护与衬砌技术支护技术为确保地下工程开挖的安全，必须对其进行支护。一般分临时支护与永久支护两类。形式上有木支撑、格栅支架、钢支架、锚杆、喷射混凝土及其组合。衬砌技术一般有现浇混凝土与预制混凝土两类。二、辅助作业地下工程辅助作业是配合基本作业的必须环节。一般包括风水电的设计、安装与供给；施工场地的规划与布置；出渣运输计划与设备配置等。三、环境监控主要研究解决施工过程中的安全问题及其对周围环境的影响，如：洞室开挖位移过大引起塌方、支护结构位移太大引起结构失稳与侵限、地表沉陷过大对环境造成影响、地下水控制等。主要技术手段是：量测监控，发现异常及时采取加固措施(辅助施工手
30、段)并更改施工方法。四、施工管理通过有效的施工管理来保证工程的施工质量与工期，应用科学合理、符合地下工程施工特点的方法与理论，规划组织施工设计，对施工过程中的各个环节进行科学的技术、计划、质量、经济与安全管理，达到高质量、高效益的工程建设目的。主要手段：编制施工劳动组织设计、充分协调现场施工管理部门与监理机构的关系。第二节 地下工程施工技术发展第三节 地下工程施工方法简介一、明挖法施工方法：由地表自上而下开挖土方至设计标高由基底自下向上顺做隧道主体工程回填基坑或恢复地面关键工序：降低地下水位、土石方开挖、边坡支护、结构施工、防水工程等。二、盖挖法含义：先用连续墙、钻孔桩等作为围护结构和中间桩，然后施工钢筋混凝土盖板，在盖板、围护墙、中间桩的保护下进行土方开挖与结构施工。逆做法：土方开挖与结构施工顺序均由上而下进行。顺做法：土方开
