【正文】 S＝ 2； γ—圍巖容重， (kN/m3)； ω＝ 1+i(B5)—寬度影響系數(shù)； B—隧道寬度，（ m）； i—以 B＝ 5m 為基準， B 每增減 1m 時的圍巖壓力增減率。由于淺埋隧道不能形成自然拱，所以，它的圍巖壓力的大小與埋置深度直接相關(guān)。 自然拱的范圍的大小受圍巖地質(zhì) 條件、支護結(jié)構(gòu)架設(shè)時間、剛度以及它與圍巖的接觸狀態(tài)等影響，還取決于以下諸因素： ⑴ 隧道的形狀和尺寸：隧道拱圈越平坦，跨度越大，則自然拱越高，圍巖松散壓力也越大； ⑵ 隧道的埋深：實踐證明，只有當隧道埋深超過某一臨界值時，才有可能形成自然拱。 11 ⑷ 沖擊壓力：是指圍巖中積累了大量的彈性變性能之后，由于隧道的開挖，圍巖的約束被解除，能量突然釋放所產(chǎn)生的壓力。 ⑵ 形變壓力：是指由于圍巖變形受到與之密 貼的支護的抑制，而使圍巖與支護結(jié)構(gòu)共同變形過程中，圍巖對支護結(jié)構(gòu)施加的接觸壓力。 在工程中一般研究狹義的圍巖壓力。它包括由地應(yīng)力引起的圍巖應(yīng)力以及圍巖變形受阻而作用在支護結(jié)構(gòu)上的作用力。 （ 3）需解決的關(guān)鍵問題 如何確定圍巖的初始應(yīng)力場，以及表示材料不連續(xù)、非線性特性的各種參數(shù)、巖體本構(gòu)模型。 （ 2）適用條件 是目前地下結(jié)構(gòu)體系設(shè)計中力求采用或正在發(fā)展的模型。 （ 3）需解決的關(guān)鍵問題 如何確定作用在支護結(jié)構(gòu)上的主動荷載，即 圍巖所產(chǎn)生的松動壓力 ，以及彈性支撐給支護結(jié)構(gòu)的 彈性抗力 。 二、地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算模型 荷載 —結(jié)構(gòu)模型 （ 1）特征 a）支護結(jié)構(gòu)是承載主體，圍巖作為荷載的來源和支護結(jié)構(gòu)的彈性支撐，對支護結(jié)構(gòu)的變形起約束作用； 10 b）支護結(jié)構(gòu)與圍巖的 相互作用 是通過彈性支撐對支護結(jié)構(gòu)施加約束來體現(xiàn)， 圍巖的承載能力 則在確定圍巖壓力和彈性支撐的約束能力 時間接地考慮 。對通過工程類比法設(shè)計的地下工程，成功建造的關(guān)鍵是作好施工過程的監(jiān)控量測和信息反饋。 五、工程類比設(shè)計法 所謂工程類比設(shè)計法，就是以已往地下工 程支護結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工的資料和經(jīng)驗為基礎(chǔ)，以圍巖分級為前提，以計算分析為必要的輔助，以施工過程的監(jiān)控量測和信息反饋為指導的方法體系。它形象的表明圍巖在洞室周邊所需提供的支護阻力及與其周邊位移的關(guān)系 支護特征曲線：支護變形與支護所能提供的支護抗力的關(guān)系。 四、特征曲線設(shè)計法 洞室開挖后，圍巖會向洞室內(nèi)部變形，稱為圍巖收斂；由此洞室圍巖中的徑向應(yīng)力減小，環(huán)向應(yīng)力隨之增加。 《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：一般地區(qū)單線隧道整體式襯砌及洞門、單線隧道偏壓襯砌及洞門、單線拱形明洞及洞門的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可采用 概率極限狀態(tài)設(shè)計法設(shè)計。 規(guī)范中規(guī)定，鐵路雙線隧道和公路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計計算按破損階段法驗算構(gòu)件截面的強度。 (4)國標《工程巖體分級標準 》 (GB50218－ 94)中 巖體基本質(zhì)量指標 BQ 和 修正的巖體基本質(zhì)量指標 [BQ] 三、國內(nèi)圍巖分級方法 國標《工程巖體分級標準》（ GB50218—94） ： 《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（ TB10003—2020）中的 圍巖分級 ： 《地鐵設(shè)計規(guī)范》（ GB501572020）中的圍巖分類 《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（ JTGD70—2020）中的圍巖分類 總參工程兵《坑道工程》的圍巖分類 《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》 (SL279—2020)的圍巖分類 四、國外主要圍巖分類系統(tǒng)簡介 挪威 Q 系統(tǒng) 南非 RMR 系統(tǒng)9 第四章 地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和計算原理 第一節(jié) 地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法 一 、容許應(yīng)力設(shè)計法 以結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面計算應(yīng)力不大于規(guī)定的材料容許應(yīng)力的原則（圖 c），進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計計算的方法。 （ 2）洞室圍巖自穩(wěn)的時間 ts (1)巴頓 ()等人所提出的 “巖體質(zhì)量 Q” Q 與 6 個表明巖體質(zhì)量的地質(zhì)參數(shù)有關(guān)，表示為： (2)我國總參工程兵坑道工程圍巖分類中所采用的巖體質(zhì)量指標 Rm 和應(yīng)力比 S。 （ 1） “巖石質(zhì)量指標 ”(RQD)也是反映巖體破碎程度和巖石強度的綜合指標。 工程活動所造成的人為因素： (1)地下 洞室尺寸和形狀 在同一級 (類 )圍巖中，洞室跨度愈大，圍巖的穩(wěn)定性就愈差； (2)施工中采用的開挖方法 開挖方法對地下工程圍巖穩(wěn)定性的影響較為明顯，在分級 (類 )中必須予以考慮。一般來說，巖石強度越高，洞室越穩(wěn)定。 從下述的 5 個方面來研究結(jié)構(gòu)面對地下工程圍巖穩(wěn)定性影響的大小： ① 結(jié)構(gòu)面的成因及其發(fā)展史； ② 結(jié)構(gòu)面的平整、光滑程度； ③ 結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成及其充填物質(zhì)情況； ④ 結(jié)構(gòu)面的規(guī)模與方向性； ⑤ 結(jié)構(gòu)面的密度與組數(shù)。 巖體的破碎程度或完整狀態(tài)是指構(gòu)成巖體的巖塊大小及這些巖塊的組合排列形態(tài)。 直接影響圍巖穩(wěn)定的是 二次應(yīng)力狀態(tài)，它與巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)、洞室斷面形狀及巖體特性等因素有關(guān)。 開挖后，由于洞室周圍巖體失去了原有的支撐，破壞了原來的受力平衡狀態(tài)，圍巖將向洞內(nèi)產(chǎn)生松脹位移，從而引起洞周圍一定范圍內(nèi)巖體的應(yīng)力重新調(diào)整，形成新的應(yīng)力狀態(tài)。 地應(yīng)力分布規(guī)律： 三、圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律 圍巖 ：工程開挖后，應(yīng)力變化范圍內(nèi)的巖體。 總之大量實測資料表明，世界上大多數(shù)地區(qū)巖體內(nèi)的天然應(yīng)力狀態(tài)是 以水平應(yīng)力為主 。 第二節(jié) 圍巖的初始應(yīng)力場 一、地應(yīng)力的概念 地應(yīng)力：指存在于地殼巖體中的原始應(yīng)力，又叫天然應(yīng)力。 6 塑性變形： （ 1）塑性擠出： 軟弱巖體在洞室開挖后，當圍巖應(yīng)力超過其屈服強度時，向洞內(nèi)產(chǎn)生的塑性擠出的現(xiàn)象。 （ 3）彎折內(nèi)鼓： 徑向應(yīng)力擠壓薄層圍巖，使之向洞內(nèi)彎折內(nèi)鼓，甚至坍倒的現(xiàn)象。 彎曲折斷破壞： （ 1）張裂塌落： 拱頂張應(yīng)力超過巖石抗拉強度，引起巖石破裂，導至洞頂塌落的現(xiàn)象。 四、地下工程圍巖破壞特征 脆性破裂 ——巖爆： 巖爆 ：在高應(yīng)力地 區(qū)，洞室開挖后，圍巖因彈性應(yīng)變能突然釋放而發(fā)生的巖石彈射或拋出的現(xiàn)象。 3）碎裂結(jié)構(gòu)巖體：巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，常有泥質(zhì)充填，結(jié)合力不強，有平行層面的軟弱結(jié)構(gòu)面，完整性差。 三、巖體結(jié)構(gòu)類型 不同結(jié)構(gòu)類型巖體的工程地質(zhì)性質(zhì) 1）整體、塊狀結(jié)構(gòu)巖體：成分單一、結(jié)構(gòu)面稀疏延伸較長，層間有一定結(jié)合力，力學強度高、抗變形能力強，可視為均質(zhì)、各向同性體。 巖體 =結(jié)構(gòu)面 +結(jié)構(gòu)體 工程巖體 ：與工程建筑物應(yīng)力影響范圍內(nèi)的那部分巖體。 第四節(jié) 地下空間的開發(fā)利用 開發(fā)和利用地下空間是城市建設(shè)的迫切需求 波士頓地下空間開發(fā)利用 國外城市地下空間的開發(fā)利用趨勢主要有兩個方面： 一是大型建筑物向地下的自然延伸發(fā)展到復(fù)雜的地下綜合體（地下連接通道，地下車庫，地下商業(yè)，休閑娛樂等），進而發(fā)展到地下城（與地下快速軌道交通系統(tǒng)相結(jié)合的地下街系統(tǒng)）； 二是 地下市政設(shè)施的建設(shè)從地下供、排水管網(wǎng)發(fā)展到地下大型供水系統(tǒng)，地下大型能源供應(yīng)系統(tǒng)，地下大型排水及污水處理系統(tǒng)，地下生活垃圾的清除、處理和回收系統(tǒng)和地下綜合管線廊道（共同溝）。 襯砌結(jié)構(gòu)的作用：承受巖（土）層和爆炸等靜力和動力荷載，并防止地下水和潮氣的侵入。但地質(zhì)條件要求較高，施工困難、投資較高。阿萊廣場地下綜合體。其次，廣場和街道的地下空間比較容易開發(fā)，尤其是廣場，建筑物和地下管、線的拆遷問題和對地面交通的影 響都較小。 (3)城市廣場和街道下的地下綜合體 在城市的中心廣場、文化休息廣場、購物中心廣場和交通集散廣場，以及交通和商業(yè)高度集中的街道和街道交叉口，都適合于建設(shè)地下綜合體。 (2)與高層建筑群結(jié)合的地 下綜合體 附建在高層建筑地下室中的綜合體，其內(nèi)容和功能多與該高層建筑的性質(zhì)和功能有關(guān)，可視為地面建筑功能向地下空間的延伸。 這種地下綜合體布置緊湊，使用方便，地面和地下空間融為一體，很受居民的歡迎。 f、為綜合體本身使用的通風、空調(diào)、變配電、供水排水等設(shè)備用房和中央控制室、防災(zāi)中心、辦公室、倉庫、衛(wèi)生間等輔助用房，以及備用的電源、水源、防護設(shè)施等。 c、地下公共停車庫 3 d、商業(yè)設(shè)施和飲食、休息、等服務(wù)設(shè)施，文娛、體育、展覽等設(shè)施，辦公、銀行、郵局等業(yè)務(wù)設(shè)施。 地下綜合體一般包括以下內(nèi)容： a、地下鐵道、公路隧道，以及地面上的公共交通之間的換乘樞紐，由集散廳和各種車站組成。 三、我國可供有效利用的地下空間資源 從上表可以看出，以目前技術(shù)水平完全能夠達到的開發(fā)深度 30m 計，可提供建筑面積 6 萬億 m2；當 2050年我國生活空間用地占國土面積的 %時，則這部分土地的面積為 70 萬平方千米；假定在這些土地上的平均建筑密度為 30%，平均建筑層數(shù)為 4 層，則可容納的建筑總量為 8400 億 m2，與地下空間所能提供的相比僅為 14%，可見地下空間在擴大我國生活空間容量上有著巨大的潛力 。則在當前和今后一段時間內(nèi)的技術(shù)條件下，地球上可供合理開發(fā)利用的地下空間資源總量為 ；實際可供有效利用的地下空間資源為 。 二、地下空間資源蘊藏總量及可供合理開發(fā)利用的地下空間資源總量 地球上地下空間資源蘊藏總量 地球上地下空間資源蘊藏總量為 ，理論上講，為整個巖石圈。 50 多年來，隧道及地下工程在中國得到了很大的發(fā)展，共建成：鐵路隧道 6876 座，總長度 3670km，居世界第一；公路隧道（包括水底隧道） 1972 座，總長度 835km，是世界上公路隧 道最多的國家；各類水工隧洞近 1000 座；城市地下鐵道近 300km；以及一大批其它用途的地下工業(yè)與民用建筑。 歐美產(chǎn)業(yè)革命，諾貝爾發(fā)明黃色炸藥，成為開發(fā)地下空間的有力武器。 世界范圍礦石開采技術(shù)出現(xiàn)，推進了地下工程的發(fā)展。我國秦漢時期的陵墓和地下糧倉，已具有相當技術(shù)水準和規(guī)模。 地下空間開發(fā)利用的歷史 與人類的文明史相呼應(yīng)，可分 4 個時代： 第 1 時代：從出現(xiàn)人類至公元前 3000 年的遠古時期 第二時代 :從公元前 3,000 年至 5 世紀的古代時期。 《地下工程》 課件內(nèi)容 中國礦業(yè)大學 1 第一章 緒論 一、地下工程學科的性質(zhì)和任務(wù) 地下工程的含義 地下工程：地下工程是建造在地層環(huán)境中（巖體或土體）的工程結(jié)構(gòu)物；有廣義和狹義地下工程。 二、地下空間開發(fā)利用的歷史 地下空間的含義 地下空間：在巖層或土層中天然形成或經(jīng)人工開發(fā)形成的空間稱為地下空間。埃及金字塔、古代巴比 倫引水隧道，均為此時代的建筑典范。 第三時代從 5 世紀至 14 世紀的中世紀時代。 第四時代從 15 世紀開始的近代與現(xiàn)代。日本明治時代，隧道及鐵路技術(shù)開始引進并得到發(fā)展。 三、地下工程分類 按地下工程的功能分類 工業(yè)、交通、民用、倉儲、市政、軍事地下工程等 按地下工程的存在環(huán)境分類 巖石地下工程、土體地下工程 按地下工程的建造方式分類 按施工大類分為明挖、暗挖地下工程 按埋置的深度分類 淺埋、深埋地下工程2 第二章 地下空間資源及開發(fā)利用價值 第一節(jié) 地下空間資源 一、基本含義 地下空間是一種總量有限的自然資源 地下空間資源： 包括三個方面的含義： 1）天然存在的資源蘊藏總量； 2）一定技術(shù)條件下可供合理開發(fā)的資源總量； 3）一定歷史時期內(nèi)可供有效利用的地下空間總量。 可供合理開發(fā)利用的地下空間資源總量 合理開發(fā)深度以 2020m 計。 因 此，可供有效利用的地下空間資源的絕對數(shù)量仍十分巨大，從開拓人類生存空間的意義上看，無疑是一種具有很大潛力的自然資源。 第二節(jié) 城市地下綜合體 一、地下綜合體定義 地下綜合體 是由日本首先提出的，指由城市中不同功能的地下空間建筑共同組合而形成的大型地下空間工程。 b、地下過街人行橫道、地下車站間的連接通道、地下建筑之間的連接通道、出入口的地面建筑、樓梯和自動扶梯等內(nèi)部垂直交通設(shè)施等。 e、市政公 用設(shè)施的主干管、線。 二、地下綜合體的類型 （ 1）新建城鎮(zhèn)的地下綜合體 在新建城鎮(zhèn)或大型居住區(qū)的公共活動中心，與地面公共建筑相配合，將一部分交通、商業(yè)等功能放到地下綜合體中，可節(jié)省土地，使中心區(qū)步行化并克服不良氣候的影響。如圖為巴黎德方斯衛(wèi)星城地下綜合體。如圖為與紐約市羅切斯特大樓結(jié)合的地下綜合體。首先，在這些地點，各種城市矛盾，特別是交通矛盾較為突出，因而也是城市再開發(fā)的主要位置 。如圖為巴黎列 三、地下綜合體的特點 可作為有效的防空、防炸設(shè)施，形成恒溫恒濕防震防振的環(huán)境，并能節(jié)約地面建筑占地。 四、地下綜合體的結(jié)構(gòu)特點 與巖（土）接觸處必須有襯砌結(jié)構(gòu)。 第三節(jié) 地下空間的防災(zāi)特性 一、地下空間的防災(zāi)性能 地下空間的抗爆性能 地下空間的抗震性能 地下空間對城市大火的防護能力 地下空間的防毒性能 地下空間對風災(zāi)的減災(zāi)作用 地下空間 在城市的防洪作用 4 二、地下空間在城市綜合防災(zāi)中的作用 為在地面空間中難以抗御的災(zāi)害作好防災(zāi)準備； 在地面上受到嚴重破壞后保存部分城市功能和災(zāi)后恢復(fù)的潛力； 與地面防災(zāi)空間配合，實現(xiàn)防災(zāi)功能的互補。 5 第三章 地下工程地質(zhì)環(huán)境與圍巖分級