地下结构工作特性

1. 地下结构工作特性 地下结构埋设于地层中，四周都受到地层的约束，地层不仅对结构加荷载，同时又帮助结构承受荷载，减少结构的内力。这种结构与地层共同作用机理与地面机构完全不同。

2. 地下结构工作特性 • 这种共同作用的效果主要取决于地层条件以及结构与地层的相对刚度。 • 在稳固的地层中，结构的刚度比地层的刚度小，则地层对结构变形的约束作用大，而产生的地层压力则小。 即好地层 约束作用大，荷载作用小

3. 地下结构工作特性 • 在松软不稳定地层中，结构的刚度比地层的刚度大，地层的约束作用小，甚至可以忽略不计，地层压力则很大。 •    即软地层 约束作用小，荷载作用大

4. 地下结构工作特性 • 结构与地层共同作用的现象，在列车、地震、爆炸等动载作用时也同样存在，只是变得更加突出，而且随着埋深的增加，效应显著。 •    埋深增加 地层变好   约束作用大， 荷载作用较大

5. 地下结构工作特性 • 在进行地下铁道结构静、动力计算时，必须考虑结构与地层共同作用，才能得到比较符合实际的结果。然而，影响结构与地层共同作用的因素很多，而且变化很大，在很大程度上还与地下工程的施工方法及施工步骤直接相关。所以，目前在进行地下结构设计时，一般采用结构计算、经验判断和实测相结合的所谓信息化设计方法。同时，还要研究发展更完善的用于地下结构计算的力学模型，以便能更好地考虑结构与地层共同作用，逐步减少信息化设计中的反馈修改工作量。    

6. 设计模型 • 用于地下结构静、动力计算的设计模型随结构型式和施工方法而异。 • 用于理论计算的力学模型可归纳为四种

7. 设计模型 •  ⑴作用—反作用模型(Action-reaction Model)，例如弹性地基框架、弹性地基圆环(全部支撑或部分支撑)等，这种模型亦可称为结构—荷载模型，或简称结构力学方法。 •  ⑵连续介质模型(Continuum Model)，包括解析法和数值法两种。解析法又可分为封闭解和近似解，目前它已逐渐被数值法所取代。数值法中以有限元法(FEM)为主。这种类型亦可称为地层—结构模型，或简称为连续介质力学方法。  

8. 设计模型 •  (3)以工程类比为依据的经验法(Empirical Method)； • (4)以现场量测和室内试验为主的实用设计法，如以洞周变形量测为依据的约束—收敛法(Convergence-confinement Method)。

9. 计算方法 • 浅埋地下铁道，结构大多埋设在第三、第四纪的软弱地层中，结构与地层共同作用较弱，荷载较为明确，以应用荷载—结构模型为主。对于深埋于软土或浅埋于岩层中的地下铁道结构物，除采用传统矿山法施工的结构仍可采用荷载—结构模型外，其余可采用连续介质模型，但主要是采用工程类比法为基础的经验法，不作结构计算。

10. 作用在地下铁道结构上的荷载 采用荷载—结构模型进行地下铁道结构静、动力计算时，首先要确定作用在结构上荷载的量值及分布规律。按荷载作用情况可分为 • 永久荷载 • 可变荷载 • 偶然荷载 三大类。

11. 永久荷载 • 永久荷载即长期作用的恒载 • 在其作用期虽有变化但也是微小的，如地层压力、结构自重、隧道上部或破坏棱体内的设施及建设物基底附加应力、静水压力(含浮力)、混凝土收缩和徐变影响力、预加应力以及设备重量等。

12. 可变荷载 • 可变荷载又可分为基本可变荷载和其他可变荷载两类。 • 基本可变荷载，既长期的经常作用的变化荷载，如地面车辆荷载(包括冲击力)和它所引起的侧向土压力、地下铁道车辆荷载(包括冲击力、摇摆力、离心力)以及人群荷载等。 • 其他可变荷载，即非经常作用的变化荷载，如温度变化、施工荷载等。

13. 偶然荷载 • 偶然荷载即偶然的、非经常作用的载荷如地震力、爆炸力等。

14. 荷载组合 • 结构的计算荷载应根据上述三类荷载同时存在的可能性进行最不利组合，一般来说，对于浅埋地下铁道结构物以基本组合(仅考虑永久荷载和可变荷载)最有意义，只有在特殊情况下，如7度以上地震区，或有战备要求等才有必要按偶然荷载组合(三类荷载都考虑)来验算。

15. 地层压力 • 竖向压力 明挖填土隧道和浅埋暗挖隧道，因其上方无法形成承载拱，一般应按计算截面以上全部土柱重量计算。由于围岩条件不同，有时作用于明挖法施工的填土隧道上的竖向土压力会出现类似于埋管现象，使其值大于隧道上方土柱的重量。《给水排水工程设计规范》规定埋管的竖向土压力较全土柱重10%~12%。 • 深埋暗挖隧道或覆盖厚度大于(1D~2D)的砂性土层中的暗挖隧道，其竖向匀布土压力可按泰沙基公式或普氏公式计算。

16. 地层压力 • 侧向压力 根据结构受力过程中墙体位移与地层间的相互关系，分别按主动、被动和静止土压力计算。在地下铁道结构计算中，主动土压力习惯上采用朗金土压力理论。对于粘性土尚需考虑粘结力的影响

17. 静水压力 • 静水压力对不同类型的地下结构将产生不同的荷载效应，对圆形或接近圆形的结构而言，静水压力使结构的轴力加大，对抗弯性能差的混凝土结构来说，相当于改善了它的受力状态，因此，计算静水压力或验算结构的抗浮能力时，则须按可能出现的最低水位考虑。反之，计算作用在矩形结构上的静水压力或验算结构的抗浮能力时，则须按可能出现的最高水位考虑。 内力计算 低水位 抗浮计算 高水位   

18. 静水压力 • 计算静水压力时，两种方法可供选择，一种是和土压力分开计算；另一种是将其视为土压力的一部分和土压力一起计算。对于砂性土可采用第一种方法。一般说来，松土地层(含粉质粘土)中施工阶段按水土合算，使用阶段按水土分算；砂土地层(含粘质粉土)中施工阶段和使用阶段均按水土分算考虑。      粘土合算 砂土分算

19. 地震荷载 • 地震对地下车站结构的影响可以分为剪切错位和振动。靠隧道结构来抵抗由于地震引起的剪切错位几乎是不可能的，因此隧道结构的地震作用分析仅局限于在假定土体不会丧失完整性的前提下考虑其振动效应。

20. 地震荷载 • 只有埋设于松软地层中的重要地铁结构物才有必要和可能进行地震响应分析和动力模型试验，对一般地铁结构都采用实用方法，即静力法或拟静力法。静力法或拟静力法就是将随时间变化的地震力或地层位移用等代的静地震荷载或静地层位移代替，然后用静力计算模型分析地震荷载或强迫地层位移作用下的结构内力。

21. 地震荷载 • 错位通常都是基岩的剪切位移引起的，一般都发生在地质构造带的附近。另外错位还包括其他原因，例如液化、滑坡或地震诱发的土体失稳引起的较大土体位移。用结构来约束较大的土体位移几乎是不可能的，有效的办法是尽量避开这些敏感部位，如果做不到这一点，则应把震害限制在一定范围，并在震后容易修复。 • 在衬砌结构横截面的抗震设计和抗震稳定性检算中采用地震系数法(惯性力法)，即静力法；验算衬砌结构沿纵向方向的应力和变形则用地层位移法，即拟静力法

22. 地震荷载 • 等代的静地震荷载包括：结构本身和洞顶上方土柱的水平、垂直惯性力以及主动土压力增量。 • 由于地震垂直加速度峰值一般为水平加速度的1/2~2/3，而且也缺乏足够的地震记录，因此对震级较小和对垂直地震振动不敏感的结构，可不考虑垂直地震荷载的作用。只有在验算结构的抗浮能力时才计及垂直惯性力。 • 水平地震荷载可分为垂直和沿着隧道纵轴两个方向进行的计算

23. 沿隧道纵轴方向的地震荷载 • 地震动的横波与隧道纵轴斜交或正交，或地震动的纵波与隧道纵轴平行或斜交，都会沿隧道纵向产生水平惯性力，使结构发生纵向拉压变形，其中以横波产生的纵向水平惯性力为主。地震波在冲积层中的横波波长约为160m左右。因此，孙钧在其《地下结构》一书中建议：计算纵向水平惯性力时，对区间隧道可按半个波长的结构重量考虑

24. 地下铁道车辆荷载 • 现场实测表明，当轨道直接铺设在隧道底板时，车辆荷载对衬砌应力的影响较小，一般仅产生小于0.5MPa的拉应力，故可略去不计。但当轨道铺设在中层楼板时，则必须计算车辆荷载及其冲击力。

25. 内力计算 • 在采用荷载—结构模型计算衬砌内力时，除了要知道作用在衬砌结构上的主动荷载外，还要很好地解决结构与地层的共同作用问题，目前较为实用的处理方法有以下3种：

26. 内力计算 • 主动荷载模型 • 除了在结构底部受地层约束外，其它部分在主动荷载作用下可以自由变形。适用于结构“刚度化”较大的情形。    

27. 内力计算 • 主动荷载加地层弹性约束的模型 • 该模型认为地层不仅对衬砌结构施加主动荷载还对衬砌结构施加被动弹性抗力。适用于各类地层。   

28. 内力计算 • 地层实测荷载模型 • 实测荷载模型是结构与地层共同作用的综合反应，它既包括地层的主动压力，也含有被动弹性力。

29. 基底反力 • 基底反力及弹性抗力可按Winkler假定为基础的局部变形理论来确定。 •     基底反力或弹性抗力的大小和分布形态取决于对衬砌结构计算是个非线性力学问题，必须采用迭代法或某些线性化的假设，例如，假设反力或弹性抗力的分布形态为已知，或采用弹性地基梁理论，或用一系列独立的弹性支撑链杆代替连续分布的反力或弹性抗力等等。于是，衬砌结构计算就成了通常的超静定结构的求解。

30. 箱形衬砌结构计算 • 箱形结构施工一般分顺作法和逆作法两种，采用顺作法施工时，由于回填土的密实度远不如地层原始状态的，故在侧向不能提供必要的弹性抗力 ，为了安全可以采用主动荷载模型进行结构计算，其承受的主动荷载如下图所示。   

31. 箱形衬砌结构计算 • 关于箱形结构基底反力，通常可以采用两种计算方法：假设结构是刚性体，则基底反力的大小和分布即可根据静力平衡条件求得：假设结构为Winkler地基上的箱形结构，根据地基变形计算基底每一点的反力。若采用矩阵位移法分析箱形结构内力，这两种计算基底反力的方法可以用统一的程序解决。 •     弹性地基上的箱形结构一般按平面问题考虑。但在长跨比接近1时，应按空间结构考虑。对于平面变形问题通常都是沿纵向取单位宽度进行计算。

32. 算例1 • 一院计算锦江宾馆站

33. 地质概况 • 3.1.1地形地貌 • 成都市位于龙门山山前冲洪积、冰水流水沉积扇状平原——成都平原的东部边缘。地铁一期工程沿线地面开阔平坦，北高南低，地面高程约507～491m。成都平原属高平原。 • 地铁一期工程北起红花堰，沿人民北路、人民南路南行，穿越小沙河、府河、南河，直达世纪广场。火车北站～机场专线，属岷江水系Ⅰ级阶地；红花堰～火车北站、机场专线～世纪广场，皆为岷江水系Ⅱ级阶地。

34. 地质概况 • 3.1.2地层岩性 • 根据《成都地铁一期工程可行性研究岩土工程地质勘察报告》（成都市勘察测绘研究院）工程地质资料，地铁一期工程沿线第四纪地层广布，基岩埋藏较深，自上而下有下列各层： • 1) 人工填筑层（Q4ml） • 主要由建筑垃圾、生活垃圾混杂粘性土及角砾等组成，色杂、潮湿，厚1.1～6.8m，广布于沿线地表。 • 2) 第四系全新统冲积层（Q4al） • 一般具二元结构： 上部为可塑粘土或粉质粘土、粉土，厚0.6～4.1m，北薄南厚，局部为潮湿粉、细砂土；下部为卵石土，湿～饱和，稍密～密实，厚2～10m。卵石成分为岩浆岩质、变质岩质，呈圆形、亚圆形，多为微风化，少为中等风化。卵石粒径一般为4～9cm，部分大于12cm，含少量粒径大于20 cm的漂石。充填中砂、砾石约10～30%。该层广泛分布于火车北站～火车南站段。

35. 地质概况 • 3) 第四系上更新统冰水沉积、冲积层（Q3fgl+al） • 当其上无全新统（Q4al）覆盖时，一般具二元结构：上部为可塑粘土、粉质粘土，厚0.8～6.4m；下部为卵石土，饱和，一般中密～密实，少为稍密，厚7.0～15.0m，北段沙河附近厚度大于25m。岩浆岩质、变质岩质卵石呈圆形，亚圆形，多为微风化，少为中等风化。具弱泥质、微钙质胶结。卵石粒径一般为5～8cm，部分大于15cm，含少量粒径大于20cm的漂石。充填粘性土、中砂、砾石等约15～25%（局部达35%）。全线皆有分布。 • 4) 第四系中更新统冰水沉积、冲积层（Q2fgl+al） • 主要为卵石土，饱和，中密～密实。一般厚3～9m，最薄1.4m，局部大于15m，卵石成分为岩浆岩质、变质岩质，多为中等风化，具弱钙质胶结。粒径3～8cm，部分大于15 cm，含少量粒径大于20 cm的漂石。充填中砂、砾石约10～25%。局部夹薄层透镜状中砂。该层主要分布于红花堰站～小天竺站段。

36. 地质概况 • 5) 白垩系上统灌口组（K2g） • 泥岩，紫红色，泥质结构，中厚～厚层状构造，节理裂隙较发育，部分裂隙中可见灰白色、绿灰色粘土矿物斑点、团块或条带。 • 泥岩岩面埋深14 ～37m，未揭穿。岩体的抗风化能力、抗水能力较弱，中等风化泥岩饱和单轴极限抗压强度多小于5.0MPa, 软化系数为0.08～0.26。

37. 地质概况 • 3.1.3水文地质 • 成都地铁一期工程范围内的地下水，按其赋存、运移条件，可分为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两种类型。 • 第四系孔隙潜水为测区内的主要地下水。其主要埋藏于上更新统（Q3）卵石土或由全新统（Q4）卵石土与上更新统（Q3）卵石土组成的统一含水层中；中更新统（Q2）卵石土为弱含水层。本标段含水层情况如下。 • 1) 第四系全新统（Q4）与上更新统（Q3）卵石土含水层 • 上部为全新统（Q4）砂卵石含水层，厚约4.0～9.0m，渗透系数K =20～40m/d；该层下伏上更新统（Q3）卵石土含水层，厚5.0～18.5m，K =10～20m/d。该两层卵石土（Q4、Q3）组成统一的含水层，地下水位埋深4.0～10.7m。

38. 地质概况 • 2) 第四系中更新统（Q2）卵石土含水层 • 为测区内的次要含水层，厚3～16m，渗透系数K =10m/d左右，伏于Q4、Q3卵石土组成的统一含水层之下。主要分布于红花堰～小天竺站附近。 • 第四系孔隙潜水的补给源为大气降水和地表河流、沟渠，地下水的总体流向为西北—东南，迳流条件良好。每年7～9月丰水期时，地下水位埋藏浅，8月分最浅。水位变幅为2.0m左右。 • 基岩裂隙水主要赋存于白垩系上统灌口组泥岩较发育的风化裂隙带中，含水少，透水性差，渗透系数 K =0.03～2.0m/d，主要接受孔隙潜水补给。 • 成都地铁一期工程试验段详勘水质分析表明地下水对混凝土不具腐蚀性，但部分地下水对钢筋混凝土及钢结构有弱～中等腐蚀。

39. 地质概况 • 3.1.4场地类型和建筑场地类别 • 地铁一期工程各车站、区间隧道皆修筑于卵石土中，其横波速度Vsm值均在250～500m/s范围内，场地土类型属中硬场地土，建筑场地类别均属Ⅱ类。成都市地震基本烈度为Ⅶ度，建筑场区内无液化地层分布。

40. 主要设计原则 • 1)《地铁设计规范》（GB50157-2003） • 2)《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002） • 3)《水工混凝土结构设计规范》（SL/T109-96） • 4)《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001） • 5)《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204-92） • 6)《钢结构设计规范》（GBJ17-2003） • 7)《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001） • 8)《建筑基坑工程设计规范》（YB9258-97） • 9)《人民防空工程设计规范》（GB50225-95） • 10)《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99） • 11)《建筑桩基技术规范》（JBJ94-94） • 12)《地下工程防水技术规范》（GB50108-2001） • 13)《地下防水工程施工及验收规范》（GB50208-2002） • 14) 国家、四川省及成都市有关规范、规程等

41. 结构设计原则 • 1）地下车站的结构设计应满足城市规划、运营、施工、防水、防腐蚀人防（抗力等级按6级设计）、防迷流的要求。应保证结构在施工和使用期间具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性。 • 2）地铁工程土建结构设计应具有足够的耐久性, 地下结构主体按100年的使用寿命进行设计。 • 3）结构的净空尺寸应满足地下铁道建筑限界及各种设备使用功能的要求、施工工艺的要求，并考虑施工误差、结构变形等因素的影响。结构变形的允许量值，可参照规范及类似工程的实践经验设定。 • 4）结构设计应根据沿线不同地段的工程地质和水文地质条件及城市整体规划要求，结合周围地面建筑物和构筑物、管线和道路交通状况，通过对技术、经济、环保及使用功能等方面的综合比较，合理选择施工方法和结构形式。结构设计应尽量减少施工中和建成后对环境造成的不利影响，并应考虑城市规划引起周围环境改变时对地下结构的影响。

42. 结构设计原则 • 5）车站结构设计应按最不利情况进行抗浮稳定验算。在不考虑侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.05。当适当考虑侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.15。当抗浮不能满足要求时，应采取相应的工程措施。 • 6）结构设计应根据结构或构件类型、使用条件及荷载特性等，选用与其特点相近的结构设计规范和设计方法。

43. 结构设计原则 • 7）地下结构设计宜采用信息化设计法，为此须建立严格的监控量测制度。监控量测的目的、内容和技术要求，应根据施工方法、结构形式、周围环境等综合分析确定。 • 8）地铁结构应采取有效的“防迷流”措施，以防止杂散电流对结构物的腐蚀，钢结构及钢连接件应进行防锈处理。 • 9）围护结构结构设计中应根据基坑的保护等级和允许变形的控制标准，严格控制基坑开挖引起的地面沉降量和水平位移。应对由于土体位移引起的周围建筑、构筑物、地下管线产生的危害加以预测，并提出安全、经济、技术合理的基坑支护措施。防止过量的地面变形对周围建筑和市政管线造成危害。

44. 结构设计原则 • 10）结构防水应满足国家颁发的有关地下工程防水技术规范的规定，并充分考虑成都地下水位埋深浅、地层渗透性强、结构施工方法多的特点。结构设计中应遵照防水与结构设计并重和统一考虑的原则。 • 11）成都地区的抗震设防烈度为7度。结构应参照《铁路工程抗震设计规范》进行抗震验算，并采取相应的抗震构造措施，提高结构的整体抗震性能。 • 12）地下结构须具有战时防护功能。在规定设防部位，结构设计按6级人防的抗力标准进行验算，并设置相应的防护设施。 • 13）结构构件应力求简单、施工简便、经济合理、技术成熟可靠，尽量减少对周边环境的影响。

45. 设计标准 • 1）主体结构安全等级为一级。 • 2）工程结构的抗震设防分类为乙级。地震按7度抗震设防，地下结构抗震等级为三级。 • 3）地铁的地下工程及出入口、风道与风亭均按一级耐火等级设计。 • 4）人防等级按6级设防。 • 5）内衬混凝土裂缝控制标准：迎土面地表附近干湿交替环境≤0.2mm，其余部位≤0.3mm。 • 6）环境类别：二类a. 请查含义

46. 工程材料 • 1）主要受力结构一般采用钢筋混凝土，必要时可采用钢管混凝土或劲性钢筋混凝土结构。 • 2）钢筋混凝土及混凝土除满足强度需要外，还必须考虑抗冻、抗渗和抗侵蚀的要求， • 混凝土标号应满足下表要求： • 车站结构采用混凝土表 • 部 位 标 号 • 围护结构 C30 S8 • 顶板梁、底板梁、内衬墙C30 S8 • 中板梁 C30 • 钢筋砼中柱 C40 • 3）主要受力钢筋一般采用HRB335级钢，其它钢筋可采用HPB235级钢。 • 4）钢结构构件一般采用Q235B钢。

47. 主体结构计算 • 本站为地下二层岛式车站，考虑车辆限界及建筑设计要求，车站主体结构标准断面采用单柱双跨箱形框架结构。车站结构横向净跨17.3m（不含内衬墙厚），顶底板均采用厚板结构，柱网结合建筑布局条件设置。 • 1) 主要结构尺寸的拟定 • 根据车站建筑的特点、地质情况以及结构计算，经对比分析，拟定车站结构尺寸如下： • 顶板厚度:800； • 中板厚度：400； • 底板厚度：900； • 柱截面尺寸：700X1200； • 顶纵梁截面尺寸：1200X1800； • 中板纵梁截面尺寸：900X1000； • 底纵梁截面尺寸：1200X2100； • 侧墙：700； • 2)结构抗浮 • 车站覆土厚2.7m，地下水位按地表下3.0m考虑，经整体抗浮稳定验算，在不考虑桩侧摩阻力时满足抗浮安全系数K≥1.05的要求。

48. 荷载及组合 • 1)荷载 • a.永久荷载：结构自重、地层压力、静水压力及浮力、设备重量、混凝土收缩及徐变作用、侧向地层抗力及地基反力、预加应力等。 • b.可变荷载：地面车辆荷载及其冲击力、地面车辆荷载引起的侧向土压力、地下铁道车辆荷载及其冲击力、人群荷载、施工荷载、温度作用力等。 • c.偶然荷载：地震荷载、6级人防荷载。 • 2)荷载组合 • 根据施工及使用过程中在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载效应组合，并取各自的最不利组合进行设计。

49. 计算图式与荷载 • a. 主体结构围护桩与内衬墙间设有防水隔离层，为重合墙模式，计算图式见图3.4-2。围护结构与内衬墙间由两端铰接链杆模拟，只传递压力，产生拉力时消除链杆。地层对桩、墙的抗力由弹簧模拟。 • b.结构计算采用荷载结构模式，采用SAP结构计算程序进行计算分析。在施工阶段考虑水土压力由桩承担，在使用阶段考虑水压力由内衬墙承担，土压力由桩、内衬墙共同承担，从而形成重合墙模式。为实现简图中桩墙间链杆只传压、不受拉，结构分析将侧水压作用工况作为一单独工况、且简图中链杆刚度设为零；其它荷载作用时，将简图中链杆给以较大刚度，当有拉杆出现时消除此链杆，两种情况内力叠加即是结构最终控制内力值。 • c.主要荷载有：结构自重、地层压力、设备重量、人群荷载、地面车辆荷载及其冲击力、地震荷载、人防荷载。