現代地下工程結構類型及設計方法

李建強

摘要：本文分析了現代地下工程的發展背景及力學特點，簡單介紹了現代地下工程的類型，結合工程實踐，提出了地下工程的設計方法。

關鍵詞：地下工程；結構類型；設計方法

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 文獻標識碼：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施的統稱。它的設施可以構筑成隧道形式，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置。并可建成多層多跨的網架結構。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。工業革命以后，隨著各種工程技術手段的不斷提高，人類開始大規模開發地下空間。近年來，由于城市化的快速發展，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。向地下發展是擴展城市空間一種有效的途徑，地下工程在擴大城市空間容量和改善城市環境方面有著廣泛的前景。

1現代地下工程的發展背景及力學特點

1．1現代地下工程的研究背景

現代地下工程發展迅速，各種典型工程著名浩瀚。世界已有數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，從規劃到建成，歷時半個世紀；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，其中地下水力發電的項目，全世界已超過400座，其發電量達45億瓦以上。地下電站的建設是個十分龐大的地下工程。原蘇聯的羅戈水電站，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62km。世界各國修建了大量的地下貯藏室，其建造技術得到不斷革新。目前城市地下空間的開發利用，已經成為城市建設的一項重要內容。一些工業發達國家，逐漸將地下商業街、地下停車場、地下鐵道及地下管線等結為一體，成為多功能的地下綜合體。

1．2現代地下工程的力學特點

1)工程受力特點不同。地面工程先有結構，后有荷載。地下結構先有荷載，后有結構。

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與變形性質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，除了支護材料性質可控制外，其工程圍巖均屬于難以預測和控制的地質體。地質體是經歷了漫長的地質構造運動的產物，它不僅包含了大量的斷層、節理、夾層等不連續介質，而且還存在著較大程度的不確定性，其不確定性主要體現在空間分布和隨著時間的變化上。

3)工程荷載的不確定性。對于地面結構，所受到的荷載比較明顯，雖然某些荷載也存在隨機性，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，工程圍巖的地質體不僅會對支護結構產生荷載，同時它又是一種承載體。因此，不僅作用到支護結構上的荷載難以估計，而且，此荷載又隨著支護類型、支護時間與施工工藝的變化而變化。

4)破壞模式的不確定性。工程的數值分析與計算的主要目的在于為工程設計提供評估結構破壞或失穩的安全指標。這種指標的計算是建立在結構的破壞模式基礎之上的。對于地面結構，其破壞模式一般比較容易確定，在結構力學和土力學中已經了解。例如強度破壞、變形破壞、扭轉失穩破壞等。對于地下結構，其破壞模式一般難以確定，它不僅取決于巖土體結構、地應力環境、地下水條件，而且還與支護類型、支護時間與施工工藝密切相關。

5)地下工程信息的不完備性。地質力學與變形特性的描述或定量評價取決于所獲得信息的數量和質量。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。隧道工程是指結構長度尺寸遠大于斷面尺寸(最大跨度或高度)的結構，通常包括鐵路隧道、公路隧道、煤炭運輸巷道、礦山采場進路、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)的地下結構，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、地下試驗室、地下餐館、地下停車場、變電站等。從力學計算模型上考慮，隧道工程可近似處理為平面應變問題，而硐室工程一般屬于三維計算力學模型的范疇。

3地下工程的設計方法

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構每30m左右設置收縮后澆帶．并在其兩側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例也為數不少。抗裂方法主要可分為2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上提高混凝土的抗拉強度．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、設置膨脹加強帶可以使混凝土產生微膨脹，以之補償其早期收縮，該方法有不少成功的工程實例，有的工程甚至100m多長．通過設置多道膨脹加強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，因膨脹劑摻用不當而引起的工程事故同樣應引起結構設計人員的深思。

3.1.2工程采用的方法

混凝土的收縮變形與結構材料的極限伸長值之間的關系十分重要．只要是二者相差足夠小．則根據該式計算出的伸縮縫的間距就可以足夠大，甚至趨于無窮大。縮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護方案，可以較大地提高混凝土的極限伸長值。混凝土結構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境溫差引起的收縮。該工程為地下工程，結構主體覆土厚度達1．5m，且受太陽直射的面積較小，因而環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養護、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，以使理論計算出的伸縮縫的間距大于該工程的長度。因此，通過嚴格的理論計算，并考慮到超大面積混凝土施工的時空效應，該工程最終決定采用先放后抗、抗放相結合的跳倉法綜合技術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，以整體結構抵抗剩余的收縮應力。

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、預應力管樁等)和抗拔錨桿(含預應力錨桿、非預應力錨桿等)。鉆孔樁的特點是機械化程度高．無需降水．對周邊建筑和環境影響小，但場地較臟亂。由于普通鉆機在較硬的巖石上鉆進困難，因此采用該樁型時應合理選取錨固巖(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。預應力管樁為摩擦樁，樁尖無法進入較硬質巖，單樁抗拔承載力較低。抗拔錨桿施工時無需降水，機械化程度較高，其中預應力錨桿需要張拉．相當于預先附加了配重與浮力相平衡，而非預應力錨桿則不需張拉．僅當浮力真正出現時錨桿才被動抵抗拉力．其施工更簡便．造價更低。

結束語

地下工程設計是一項包含多種因素的工作。只有設計人員具備扎實基礎知識，掌握基本的設計方法及豐富的實踐經驗，其設計的地下工程結構在穩定性、安全性和經濟效益3個方面才能達到理想的效果。

參考文獻：

[1]李宏蜓．城市地下空間的開發和利用【J】．城市，2004，(6)．

[2]高謙，喬蘭，吳順川．地下工程系統分析與設計【M】．北京：中國建材工業出版社．2005．

[3]胡振瀛，朱作榮．巖石地層地下結構的設計方法【J】．地下空間，1999，19(1)：13—18．