1、第四章第四章 地下工程的基础技术地下工程的基础技术第一节第一节 规划和调查技术规划和调查技术一、规划技术一、规划技术 （一）地下设施规划的特征（一）地下设施规划的特征 地下空间利用规划的特点有：地下空间利用规划的特点有：公共利用性公共利用性：土木设施共有的，与个人及集团生活的便利等相联系。：土木设施共有的，与个人及集团生活的便利等相联系。空间固定性空间固定性：土木设施共有的，意味着巨额投资，及物理上的寿命：土木设施共有的，意味着巨额投资，及物理上的寿命长。长。空间闭锁性空间闭锁性：地下工程所特有的，充分地考虑其安全性是极为重要：地下工程所特有的，充分地考虑其安全性是极为重要的。的。（二）、规划
2、的构成（二）、规划的构成 规划的构成要素有：规划的构成要素有：“主体、对象、目的、手段主体、对象、目的、手段”四个静态要素和四个静态要素和一个动态要素一个动态要素“构成构成”。规划包含两层含义：规划包含两层含义：一是形成一个怎样的规划：即规划应达到怎样的目的、要求一是形成一个怎样的规划：即规划应达到怎样的目的、要求 二是进行规划的过程，形成方案二是进行规划的过程，形成方案-初步设计初步设计-施工设计施工设计-施工施工-运营管理运营管理-工程废弃。工程废弃。（五）、城市地下空间利用规划的编制原则和方法（五）、城市地下空间利用规划的编制原则和方法（六）、评价表的构成及分析（六）、评价表的构成及分析
3、二、调查技术二、调查技术（一）、概（一）、概 述述 地层的调查流程，一般分为下述几个阶段。地层的调查流程，一般分为下述几个阶段。规划阶段的调查（规划阶段的调查（概略调查概略调查）；主要以收集地形、地质资料，判读）；主要以收集地形、地质资料，判读航空照片，进行地表勘察为主。必要时还可进行弹性波测定和少数航空照片，进行地表勘察为主。必要时还可进行弹性波测定和少数的钻孔调查。的钻孔调查。设计阶段的调查（设计阶段的调查（精密调查精密调查）；使用机具进行详细的调查，获取力）；使用机具进行详细的调查，获取力学性能参数学性能参数 施工阶段的调查（施工阶段的调查（施工中调查施工中调查）；）；岩体和地下水位、水
4、质等变化的岩体和地下水位、水质等变化的长期观察。长期观察。维修、管理阶段的调查（维修、管理阶段的调查（施工后的调查施工后的调查）。主要实施岩体和地下水）。主要实施岩体和地下水位、水质等变化的长期观测，结构的安全性和损伤。位、水质等变化的长期观测，结构的安全性和损伤。（二）、现（二）、现 状状 地层分为土体和岩体两大类，其调查是为了收集从规划到设计、施工、维地层分为土体和岩体两大类，其调查是为了收集从规划到设计、施工、维修管理各阶段所需的情报，修管理各阶段所需的情报，1、调查目的：隧道位置、工期、工程费用、施工方法，运营和维修提供基、调查目的：隧道位置、工期、工程费用、施工方法，运营和维修提供基
5、础资料础资料2、调查内容：、调查内容：自然概况自然概况：地形、地貌特征；：地形、地貌特征；地质条件地质条件：工程地质特征和水文地质特征；：工程地质特征和水文地质特征；影响隧道洞口安全或洞身稳定的不良地质和影响隧道洞口安全或洞身稳定的不良地质和特殊地质现象特殊地质现象,判明其对判明其对隧道影响程度；隧道影响程度；有害气体和矿体有害气体和矿体：应查明其分布范围、成份和含量；：应查明其分布范围、成份和含量；地震地震：查明基本烈度等级；：查明基本烈度等级；气象资料气象资料：气温、气压、风向、风速以及雨量、雪量、寒冷和严寒：气温、气压、风向、风速以及雨量、雪量、寒冷和严寒地区的冻结深度等；地区的冻结深度
6、等；施工条件施工条件：建筑材料、水电可资供应情况，交通运输现状，施工场：建筑材料、水电可资供应情况，交通运输现状，施工场地及弃碴条件等。地及弃碴条件等。3、调查重点：地质调查、调查重点：地质调查规划阶段、设计阶段、施工阶段和维修管理规划阶段、设计阶段、施工阶段和维修管理阶段的地质调查。阶段的地质调查。（1）规划阶段调查规划阶段调查：地质图（：地质图（1/500001/10000）手段：地质踏勘手段：地质踏勘 地质踏勘地质踏勘根据露头的情况获取地质学情报和土木工程地质。根据露头的情况获取地质学情报和土木工程地质。1.地质学情报：岩质、层理走向、倾斜、断层、褶皱构造等地质学情报：岩质、层理走向、倾
7、斜、断层、褶皱构造等2.土木工程地质：岩石的软硬、裂隙状态、风化程度、变质土木工程地质：岩石的软硬、裂隙状态、风化程度、变质程度、破碎程度。程度、破碎程度。（2）设计阶段调查设计阶段调查：围岩的物性指标，：围岩的物性指标，手段：精密地质调查、弹性波勘探、钻孔调查手段：精密地质调查、弹性波勘探、钻孔调查弹性波勘探弹性波勘探调查地下结构和物性（围岩的级别）。弹调查地下结构和物性（围岩的级别）。弹性波速度与地层的物理强度成正比性波速度与地层的物理强度成正比1.分析地下构造，地层的固结度、裂隙程度、风化程度、分析地下构造，地层的固结度、裂隙程度、风化程度、变质程度变质程度2.分主测线和副测线（洞口附近
8、或预计有断层、破碎带分主测线和副测线（洞口附近或预计有断层、破碎带地区，与主测平行或斜交）地区，与主测平行或斜交）钻孔调查钻孔调查采集岩心观察，物理实验和化学试验和钻进采集岩心观察，物理实验和化学试验和钻进记录分析。（岩体的物理力学指标）记录分析。（岩体的物理力学指标）1.强度、硬度、矿物组成，含水状态，空隙率等，每一强度、硬度、矿物组成，含水状态，空隙率等，每一地点做地点做23个以上的实验。个以上的实验。（3）施工阶段调查：）施工阶段调查：手段：开挖工作面直接观察，或利用超前钻孔、辅助导坑、试手段：开挖工作面直接观察，或利用超前钻孔、辅助导坑、试验坑道方法进行；验坑道方法进行；1.根据对围岩
9、性质的直接观察和量测、试验结果、核定岩层根据对围岩性质的直接观察和量测、试验结果、核定岩层构造、岩性、地下水等情况；构造、岩性、地下水等情况；2.及时预测和解决施工中遇到的工程地质和水文地质问题；及时预测和解决施工中遇到的工程地质和水文地质问题；3.为验证或修改设计提供依据。为验证或修改设计提供依据。（4）维修管理阶段调查维修管理阶段调查1.主要实施岩体和地下水位、水质等变化的长期观测。主要实施岩体和地下水位、水质等变化的长期观测。2.结构的安全性和损伤结构的安全性和损伤4、铁路隧道围岩分级、铁路隧道围岩分级（1）基本概念基本概念 1）围岩）围岩 地壳中受开挖影响的岩体。地壳中受开挖影响的岩体
10、。范围：范围：从力学角度分析，围岩边界应划在因开挖应力变化可以忽略不记从力学角度分析，围岩边界应划在因开挖应力变化可以忽略不记的地方。的地方。从变形角度分析，围岩边界上因开挖而产生的位移为零的地方。从变形角度分析，围岩边界上因开挖而产生的位移为零的地方。经验上，围岩边界在横断面上约为经验上，围岩边界在横断面上约为6-10倍洞径。倍洞径。2）隧道围岩分级）隧道围岩分级 隧道围岩分级（隧道围岩稳定性分级）：根据一个或几个主要指标隧道围岩分级（隧道围岩稳定性分级）：根据一个或几个主要指标将无限的岩体序列划分为具有不同稳定程度的有限个类别。将无限的岩体序列划分为具有不同稳定程度的有限个类别。（2）、影
11、响围岩稳定性的因素）、影响围岩稳定性的因素 地质因素：岩体结构类型、结构面性质和空间的组合、岩石的力学地质因素：岩体结构类型、结构面性质和空间的组合、岩石的力学性质、围岩的初始应力场、地下水状况性质、围岩的初始应力场、地下水状况 人为因素：如隧道的形状、跨度、施工方法、隧道轴线与岩层产状人为因素：如隧道的形状、跨度、施工方法、隧道轴线与岩层产状的关系等等。的关系等等。分级的本身则主要从地质因素考虑。分级的本身则主要从地质因素考虑。（3）、）、围岩分级的指标围岩分级的指标 作为隧道围岩分级的指标，大体上有以下几种：作为隧道围岩分级的指标，大体上有以下几种：单一的岩性指标单一的岩性指标 单一的综合
12、岩性指标单一的综合岩性指标 多因素定性和定量的指标相结合多因素定性和定量的指标相结合 多因素组合的复合指标多因素组合的复合指标（4）、铁路隧道围岩分级）、铁路隧道围岩分级 分级思路：铁道隧道围岩分级方法是根据地质勘分级思路：铁道隧道围岩分级方法是根据地质勘察资料，对察资料，对岩石坚硬程度岩石坚硬程度和和围岩完整程度围岩完整程度两个因素应两个因素应采用定性划分和定量指标两种方法确定。在此基础上采用定性划分和定量指标两种方法确定。在此基础上确定围岩的基本分级，再结合隧道工程的特点，考虑确定围岩的基本分级，再结合隧道工程的特点，考虑地下水和初始地应力的状态等因素进行修正。地下水和初始地应力的状态等因
13、素进行修正。1）围岩的围岩的基本质量分级基本质量分级岩石类别 单轴饱和极限抗压强度Rb(Mpa)代表性岩石 极硬岩 60 硬硬质岩 硬 岩 3060 1.花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩 2.硅质、钙质胶结的砾岩及砂岩、石灰岩、白云岩等沉积岩 3.片麻岩、石英石、大理岩、板岩、片岩等变质岩 软 岩 530 软软质岩 极软岩 10(L/min10m)级：经常渗水,涌水量:25125(L/min10m)围岩基本分级 初始应力状态 极高应力 或 高应力 或 围岩岩体为较破碎的极硬岩、较完整的硬岩时，定为围岩岩体为较破碎的极硬岩、较完整的硬岩时，定为级，围岩岩体为完级，围岩岩体为完整的较软岩、较完整的软
14、硬互层时，定为整的较软岩、较完整的软硬互层时，定为级；级；围岩岩体为破碎的极硬岩、较破碎及破碎的硬岩时，定为围岩岩体为破碎的极硬岩、较破碎及破碎的硬岩时，定为级，围岩岩体级，围岩岩体为完整的较完整软岩、较完整及较破碎的较软岩时，定为为完整的较完整软岩、较完整及较破碎的较软岩时，定为级。级。（四）、地下埋设物调查（四）、地下埋设物调查调查包括以下内容：调查包括以下内容：地上结构物地上结构物 供给设施和通信电缆供给设施和通信电缆 井和古井井和古井文物和古迹文物和古迹 临时工程遗迹临时工程遗迹（五）、环境保护调查（五）、环境保护调查 噪声和振动噪声和振动 地层变异地层变异 地下水和有害气体地下水和有
15、害气体 药液压浆药液压浆 施工废弃物施工废弃物 (六六)、调查结果整理、调查结果整理1.勘测结果是工程规划、设计、施工等的重要资料，故应有效地利用并整勘测结果是工程规划、设计、施工等的重要资料，故应有效地利用并整理。地质学、工程学理。地质学、工程学2.地质平面图及地质纵剖面图：其比例尺通常为地质平面图及地质纵剖面图：其比例尺通常为1/10001/5000，洞口附，洞口附近及坑道采用近及坑道采用1/1001/500较好。较好。3.各种试验结果的综合分析各种试验结果的综合分析一、概一、概 述述 所谓设计就是为了最优的实现规划的构思，而进行的耐久性、安全性、所谓设计就是为了最优的实现规划的构思，而进
16、行的耐久性、安全性、使用性、经济性的研究，具体地决定实施的形态、尺寸、使用材料、施使用性、经济性的研究，具体地决定实施的形态、尺寸、使用材料、施工方法等的行为。工方法等的行为。安全性设计技术安全性设计技术:指地下设施的设计，是保证在使用期内对预测的指地下设施的设计，是保证在使用期内对预测的外因是安全可靠的。外因是安全可靠的。基础资料基础资料分析方法分析方法分析结果分析结果判定结果可靠性判定结果可靠性 使用性设计技术使用性设计技术:指地下设施的的设计是按其使用性为目的进行的，指地下设施的的设计是按其使用性为目的进行的，一般决定于设施的功能外，还牵涉到社会的各个方面。一般决定于设施的功能外，还牵涉
17、到社会的各个方面。经济性评价技术经济性评价技术:各项费用总和来判断的。使之为最小值就是最优设各项费用总和来判断的。使之为最小值就是最优设计。在设计中，主要是根据建设费作为判断基准。在这种评价中，计。在设计中，主要是根据建设费作为判断基准。在这种评价中，也有采用概率方法对危险补偿费加以计算或对舒适、美观等方面进也有采用概率方法对危险补偿费加以计算或对舒适、美观等方面进行评价的。行评价的。1地下结构的设计流程地下结构的设计流程 特点：边设计边施工，在实际施工过程中观测其动态，根据观测结特点：边设计边施工，在实际施工过程中观测其动态，根据观测结果的分析，修正施工方法的设计流程，就成为地下结构物设计的
18、主果的分析，修正施工方法的设计流程，就成为地下结构物设计的主要手段。要手段。流程：流程：概略设计：概略设计：基础：规划及调查、结构要求的功能（安全、适用、经济）基础：规划及调查、结构要求的功能（安全、适用、经济）达到要求：方案选择，材料、形状、尺寸、施工方法的确定达到要求：方案选择，材料、形状、尺寸、施工方法的确定和各费用的计算（建设、维修、危险补偿），编制设计图。和各费用的计算（建设、维修、危险补偿），编制设计图。详细设计：详细设计：基础：施工调查，概略设计基础：施工调查，概略设计 达到要求：修正设计，方案选择，材料、形状、尺寸、施工达到要求：修正设计，方案选择，材料、形状、尺寸、施工方法的
19、修正和各费用的计算（建设、维修、危险补偿），编方法的修正和各费用的计算（建设、维修、危险补偿），编制设计图。经济性研究，编制设计图制设计图。经济性研究，编制设计图2地下工程的解析技术地下工程的解析技术 结构解析技术：结构解析技术：研究空洞本身的力学稳定性。研究空洞本身的力学稳定性。地下水解析技术：地下水解析技术：安全修建结构物并长期保持结构的功能。安全修建结构物并长期保持结构的功能。地下洞室抗震解析技术地下洞室抗震解析技术：地下结构物的抗震性能都比较好。地下结构物的抗震性能都比较好。热解析技术热解析技术：了解结构的热应力和作用在结构上的冻结土压。：了解结构的热应力和作用在结构上的冻结土压。环境
20、影响解析技术：环境影响解析技术：环境的影响。环境影响的预测、评价以环境的影响。环境影响的预测、评价以及对策等。及对策等。三、地下结构的设计方法三、地下结构的设计方法 地下结构：地下结构：泛指在地下修筑的各种结构物。地下结构是由周边围岩和泛指在地下修筑的各种结构物。地下结构是由周边围岩和支护结构两者组成共同的并相互作用的结构体系，即地下结构支护结构两者组成共同的并相互作用的结构体系，即地下结构支护结构周边围岩；围岩既是地下结构承载的主体，又是支护结构周边围岩；围岩既是地下结构承载的主体，又是造成荷载的主要来源；支护仅用来约束地层，不使它产生过大造成荷载的主要来源；支护仅用来约束地层，不使它产生过大变形而破坏坍塌。变形而破坏坍塌。1.地下结构体系的计算模型地下结构体系的计算模型 ahqahS1.790.41ah1245.0Sah)5(1Bictgtgfm00mhfbh hhq 2452102tgHqehqhh)5.22(1h1h1h1h1h
