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地下建筑解析.doc
第一章 概 述
地下建筑曾经是建筑类型中最原始、最古老的一种。由于历史的原因,相当一段时期以来,对地下建筑存在一些狭隘的甚至是片而的认识,认为只是一种构筑物(如防空洞、下水道等),或者认为不过是建筑的一种类型,与同类地面建筑相比,质量和环境都差得多。这种看法不足为怪,因为地下建筑在发展的低级阶段,的确曾给人们留下了这样的印象。但是现在情况已有了很大的变化,不但地下建筑物的质量已大大提高,地下环境已大有改善。现代地下建筑已远远不是为了避风雨、防寒暑的原始洞穴,也不仅仅是一些散埋在地下的孤立建筑物、构筑物;而是承担了部分城市功能,由点(单体建筑)、线(交通线、物流线等)、体(综合体)组合而成的城市空间以及一些其他特殊用途空间的一部分。而且地下空间的开发利用己成为人类在有限的地球上扩大生存空间唯一现实的途径,对人类社会未来的发展,有着难以估量的重要意义。
第一节 地下建筑结构体系的组成
在保留上部地层(山体或土层)的前提下,在开挖出能提供某种用途的地下空间内修筑的建筑结构物,通称为地下结构。地下建筑应当包括岩层地下建筑和土层地下建筑两大类,而这两类建筑工程无论在规划设计方面,还是在施工方面,既相类似,又有显著区别。
地下结构和地面结构物,如房屋、桥梁、水坝等一样,都是一种结构体系,但两者之间在附存环境、力学作用机理等方面都存在着明显的差异。地面结构体系一般都是由上部结构和地基组成。地基只在上部结构底部起约束或支承作用,除了自重外,荷载都是来自结构外部。如人群、设备、列车、水力等(图1.1(a))。而地下结构是埋入地层中的,四周都与地层紧密接触。结构上承受的荷载来自于洞室开挖后引起周围地层的变形和坍塌而产生的力,同时结构在荷载作用下发生的变形又受到地层给予的约束。在地层稳固的情况下,开挖出的洞室中甚至可以不设支护结构而只留下地层,如我国陕北的黄土窑洞,证实了在无支护结构的洞室中,围岩本身就是承载结构。
由于地下结构周围的地层是千差万别的,洞室是否稳定不仅取决于岩石强度,而且取决于地层构造的完整程度。相比之下,周围地层构造的完整性对洞室稳定更有影响。各类岩土地层在洞室开挖后,都具有一定程度的自稳能力。地层自稳能力较强时,地下结构将不受或少受地层压力的荷载作用,否则地下结构将承受较大的荷载直至必须独立承受全部荷载作用。因此,周围地层能与地下结构一起承受荷载,共同组成地下结构体系。地层既是承载结构的基本组成部分,又是形成荷载的主要来源(图1.1(b)),且洞室周围的地层在很大程度上是地下结构体系中承载的主体。地下结构的安全度首先取决于地下结构周围的地层能否保持持续稳定,并且应充分利用和更好地发挥围岩的承载能力。在需要设置支护结构时,支护结构能够阻止围岩的变形,使其达到稳定的作用,这种合二为一的作用机理与地面结构是完全不同的。
除在坚固、完整而又不易风化的稳定岩层中可以只开成毛洞外,其他在所有地层中的坑道都需要修建支护结构,即衬砌或称为被覆。它是在坑道内部修建的永久性支护结构。因此,支护结构有两个最基本的使用要求:一是满足结构强度、刚度要求,以承受诸如水、土压力以及一些特殊使用要求的外荷载;二是提供一个能满足使用要求的工作环境,以便保持隧道内部的干燥和清洁。这两个要求是彼此密切相关的。
支护结构即是我们所要研究的地下结构物。有时衬砌内部还设有为分割不同使用空间的梁、板、柱等内部结构。所以地下结构包括衬砌结构和内部结构两部分,内部结构的设计和计算与地面结构相同。表1列出不同的地下建筑结构的作用功能
表1 各类地下建筑结构的功能与要求
地下建筑结构 一般功能与要求 输水隧道 维护围岩稳定,保证通水能力,连通时无有害水力冲击,水流速度平稳,无渗出、渗入和气穴现象 水力隧道 有些输水隧道要求不出现急拐弯或交叉点;洞内衬砌必须保证无大的动力损失,这类损失由有害水力或流动造成 储藏洞室 维护围岩稳定,提供合适的储藏空间,无损失、污染和变质现象,空间无渗漏 铁路隧道 维护围岩稳定,提供合适的通风、照明和排水系统;线路拐弯半径大,坡度平缓,并使两者与列车能力匹配 公路隧道 维护适宜的运营通风系统,使车辆废气有效排除;提供合适照明系统,线路坡度和拐弯半径与行驶的车辆相适应;内衬材料无需经常维修 竖 井 保证竖井口在垂直和水平方向上的稳定性,维护围岩稳定,提供所需的通风、排水和照明设施
第二节 地下建筑结构的结构形式和适应环境
因为地下结构周围的介质是千差万别的,所以不同地质条件需要的支护结构形式会有很大的不同,它直接影响到地下结构上的荷载。因此,结构形式首先由受力条件来控制。通常按其使用目的有如下基本类型:
(1)防护型支护
如顶部防护,这是开挖支护中最轻型者,它既不能阻止围岩变形,又不能承受岩体压力,而且仅用封闭岩面,防止坑道
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