浅埋式地下结构设计

3　浅埋式地下结构设计

本章导读:

●内容　浅埋式地下结构的概念、特点和分类;浅埋式地下结构的形式;矩形闭合结构的设计要点和构造要求。

●基本要求 了解浅埋式地下结构的概念、特点和分类;熟悉浅埋式结构的形式、适用场合和设计要求;掌握矩形闭合结构的设计要点和构造要求。

●重点　浅埋式地下结构形式和矩形闭合结构的设计要点和构造要求。

●难点　矩形闭合结构的设计要点。

3.1　概　述

所谓浅埋式地下结构,是指其覆盖层厚度较薄,不满足压力拱成拱条件或软土地层中覆盖层厚度小于结构尺寸的地下结构。

影响地下结构采用浅埋式还是深埋式的因素很多,包括地下结构的使用要求、地质条件、防护等级以及现有的施工技术等。根据我国的工程经验,埋深在5～10 m的浅埋式地下结构采用明挖法施工是经济合理的,但有时受条件限制,也可采用暗挖法施工,如城市交通繁忙路段的地下人行通道、地铁等工程,其造价明显高于明挖法施工的浅埋式地下结构。

3.2　浅埋式地下结构的分类

按不同的指标,浅埋式地下结构主要分为以下几类:

1)按使用功能分类

①地下生活设施建筑:主要包含地下住宅、地下储藏室等。

②地下城市设施建筑:主要包含引道结构(城市道路系统中立交地道、水底隧道的硐门与地面间的连接段,是一种纵向变高度的堑壕)、地铁车站、地铁通道、地下人行通道、地下医院等。

③地下生产设施建筑:主要包含地下工厂、地下核电站等。

④地下防灾设施建筑:主要包含防空地下室(为防空要求而修建的地下建筑物),地下防灾、减灾指挥所及避难所等。

2)按结构形式分类

(1)圆形结构

圆形结构的断面形式为圆形,该地下结构形式可以均匀地承受各方向外部压力。尤其在饱和含水软土地层中修建地下工程,由于顶压和侧压较为接近,更可显示出圆形结构断面的优越性。目前在地下铁路、市政管道、地下物流运输通道和水利水电引水和排水引道中,圆形结构较为常见。该结构施工时主要采用盾构法、掘进机法和顶管法等。

(2)拱形结构

根据衬砌与围岩体之间结合的紧密程度,拱形结构分为贴壁式拱形结构和离壁式拱形结构。

①贴壁式拱形结构。它是指衬砌结构与围岩之间的超挖部分应进行回填的衬砌结构,包括半衬砌结构、厚拱薄墙衬砌结构、直墙拱形衬砌结构及曲墙拱形衬砌结构。

a.半衬砌结构[图3.1(a)]。在岩层较坚硬,岩石整体性好而节理又不发育的稳定或基本稳定的围岩,通常采用半衬砌结构,即只做拱圈,不做边墙。

图3.1　拱形结构

b.厚拱薄墙衬砌结构[图3.1(b)]。厚拱薄墙衬砌结构构造形式的特点是它的拱脚较厚,边墙较薄,这样,可将拱圈所受的力通过拱脚大部分传给围岩,充分利用了围岩的强度,使边墙受力大为减少,从而减少了边墙的厚度。

c.直墙拱形衬砌结构[图3.1(c)]。直墙拱形衬砌结构由拱圈、竖直边墙和底板组成,衬砌结构与围岩的超挖部分都进行密实回填。该形式一般适用于洞室口部或有水平压力的岩层中,在稳定性较差的岩层中亦可采用。

d.曲墙拱形衬砌结构[图3.1(d)]。当遇到较大的垂直压力和水平压力时,可采用曲墙式衬砌。若洞室底部为较软弱地层,有涌水现象或遇到膨胀性岩层时,则应采用有底板或带仰拱的曲墙式衬砌。

②离壁式拱形衬砌结构(图3.2)。它是指与岩壁相离,其间空隙不做回填,仅拱脚处扩大延伸与岩壁顶紧的衬砌结构。离壁式衬砌结构的防水、排水和防潮效果均较好,一般用于防潮要求较高的各类贮库,稳定的或基本稳定的围岩均可采用离壁式衬砌结构。

(3)矩形闭合结构

由于浅埋式矩形闭合结构具有空间利用率高、挖掘断面经济且易于施工等优点,在地下结构中应用较为广泛,特别是城市过街通道、车行立交地道、地铁通道、车站等。矩形闭合结构的顶、底板为水平构件,其承受的弯矩较拱形结构大,故一般做成钢筋混凝土结构。根据地下结构的使用要求、跨度大小和上覆荷载的多少,矩形闭合结构可以设计成单跨、双跨或多跨的形式。

①单跨矩形闭合结构。当跨度较小(一般小

图3.2　离壁式衬砌结构

于6 m),可采用单跨矩形闭合结构,如地铁车站、大型人防工程的出入口通道、城市过街通道等(图3.3)。

图3.3　单跨矩形闭合结构

②双跨或多跨矩形闭合结构。当结构的跨度较大,或为了满足使用和工艺要求时,可以采用双跨或多跨矩形闭合结构。有时为了改善通风条件和节约材料,中间隔墙还可开设孔洞,或用梁、柱代替,如图3.4所示。

③多层多跨矩形闭合结构。有些地下厂房(例如地下热电站)由于工艺要求必须做成多层多跨的结构,如图3.5所示。地铁车站部分,为了达到换乘的目的,局部也做成双层多跨的结构。

(4)梁板式结构

浅埋式地下结构中也常采用梁板式结构,如地下商场、地下车站、医院、厂房、车库等。这种结构形式在地下水位较低的地区,或在要求防护等级较低的工程中,顶、底板做成现浇钢筋混凝土梁板式结构,而围墙和隔墙则为砖墙;在地下水位较高或防护等级要求较高的工程中,一般除内部隔墙外,均做成箱形闭合框架钢筋混凝土结构。

图3.4　双跨或多跨矩形闭合结构

图3.5　双层多跨矩形闭合结构

(5)壳体结构或折板结构

该结构形式主要适用于一些大跨度的地下建筑,如地下停机场、地下礼堂、地下仓库等。

3.3　矩形闭合结构设计

矩形闭合结构在地下建筑中的应用非常广泛,特别在浅埋式地铁通道以及车站中最为适合。本节主要介绍浅埋式地下结构形式中矩形闭合结构的设计要点。

矩形闭合结构是由钢筋混凝土墙、柱、顶板和底板整体浇筑的方形空间结构。此结构的顶板和底板均为水平构件,侧墙为竖向构件。根据水平构件尺寸将此类结构划分为两种结构体系:一种是框架结构体系,另一种是箱形结构体系,两种结构体系采用不同的分析方法进行设计。

浅埋式地下结构的设计计算通常包括三方面的内容:荷载计算、内力计算和截面验算。下面以图3.6所示的地铁通道为例,介绍矩形闭合结构的设计计算内容。

图3.6　地铁通道断面图

3.3.1　荷载计算

地下结构所受的荷载可分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载三类。对于地铁通道而言,其永久荷载主要为结构自重、地层压力及水压力等;可变荷载主要为地面车辆荷载及其动力作用、地铁车辆荷载及其动力作用、人群荷载和施工荷载等;偶然荷载主要为车辆爆炸等灾害性荷载以及地震影响。

根据《地铁设计规范》(GB 50157—2003)中的有关规定,地铁通道矩形闭合结构荷载如图3.7所示。

1)顶板上的荷载

作用于顶板上的荷载,包括有顶板以上的地层压力、水压力、顶板自重、路面活荷载以及特殊荷载(常规武器作用或核武器作用)。

(1)地层压力

(2)水压力

(3)顶板自重

图3.7　地铁通道计算模型

(4)地面活载q活

(5)顶板所受的特殊荷载q t

顶

将上面的结果总和起来即得到顶板上所受的荷载

2)底板上的荷载

一般情况下,人防工程中的结构刚度都较大,而地基相对来说较松软,所以假定地基反力为直线分布。作用于底板上的荷载可按下式计算

3)侧墙上的荷载

侧墙上所受的荷载有土层的侧向压力、水压力及特殊荷载。

(1)土层侧向压力

(2)侧向水压力

所以,作用于侧墙上的荷载为

4)其他荷载

其他荷载包括沉降变化、材料收缩、结构收缩、温度变化等产生的作用。但是由于要精确地考虑温度变化、沉陷不匀、材料收缩等因素产生的结构内力很困难的,通常只在构造上采取适当措施。例如,加配一些构造钢筋,设置伸缩缝和沉降缝等。

5)地震作用

处于地震区的地下结构,还可能受到地震荷载的作用。

3.3.2　内力计算

1)计算简图

(1)框架结构计算简图

地铁通道其横向断面比纵向短得多,且结构所受的荷载沿纵向的大小近乎不变,如纵向长度为L,横向宽度为B,当L/B> 2时,因端部边墙相距较远,对结构内力的影响很小,因此不考虑结构纵向不均匀变形时,把结构受力问题视为平面变形问题。计算时可沿纵向截取单位长度(1 m)的截条作为闭合框架的计算单元,如图3.8所示。以截面形心连线作为框架的轴线,当作闭合框架来计算,计算简图如图3.8(a)所示。

图3.8　闭合框架结构计算简图

同时由于框架结构的顶、底板的厚度比中隔墙大得多,故中隔墙的刚度相对较小。此时,当侧力不大时,将中隔墙看成只承受轴力的二力杆,误差也并不大,如图3.8(b)所示。

此外,有些闭合框架结构由于功能要求,中间需设柱和梁,梁支承框架,柱支承梁,这种情况下的计算简图如图3.8(c)所示。

(2)箱形结构计算简图

如果矩形闭合结构的横向宽度和纵向长度接近,就不能忽略两端部墙体影响,因而应视为空间的箱形结构。当采用近似方法对箱形结构进行计算时,顶板、底板和侧墙均可视为弹性支承条件板。

2)截面选择

超静定结构的内力计算,须先知道各杆件截面的尺寸,至少也要知道各杆件截面惯性矩的比值,否则无法进行内力计算。但是确定截面尺寸,只有知道内力之后才能进行,这就构成矛盾。克服这一矛盾的办法是:在进行内力计算之前,先根据以往的经验(参照已有的类似的结构)或近似计算方法假定各个杆件的截面尺寸,经内力计算后,再来验算所设截面是否合适。否则,重复上述过程,直至所设截面合适为止。

3)计算方法

(1)框架结构内力近似计算

①当地下结构刚度较大,而地基相对来说较松软时,可假定地基反力为线性分布,按荷载作用下的钢筋混凝土结构计算内力,如图3.9所示。内力解法一般采用位移法,当不考虑线位移影响时,可用力矩分配法较为简便。

②当地下结构跨度较大(刚度较小),而地基较硬时,宜将静荷载作用下地层中的闭合框架按弹性地基上的框架进行计算。弹性地基可按温克尔地基考虑,也可将地基视为弹性半无限平面,如图3.10所示。这种弹性地基上的框架,由于底板承受未知的地基弹性反力,使内力分析更加复杂,但与实际的受力情况更吻合,且比将底板反力按线性分布计算要经济。

图3.9　地基反力线性分布时框架计算简图　

图3.10　弹性地基上框架计算简图

下面以单层单跨对称框架为例介绍弹性地基上闭合框架的计算方法。框架的内力分析可采用如图3.11所示的计算简图,其内力计算仍可采用结构力学中的力法,只是需要将底板按弹性地基梁来考虑。如图3.11(a)所示为一平面闭合框架,承受均布荷载q。用力法计算内力时,可将横梁在中央处切开,如图3.11(b)所示,并写出典型方程为

bij——底板按弹性地基梁在单位力xj作用下算出的切口处xi方向的位移;

Δ′iP——框架基本结构在外荷载作用下产生的位移(不包括底板);

biq——底板按弹性地基梁在外荷载q作用下算出的切口处xi方向的位移。

将所求到的系数及自由项代入典型方程,解出未知力xi,并进而绘出内力图。

图3.11　计算简图

(2)箱形结构内力近似计算

将顶板、底板、侧墙均可视为弹性支承条件板,各块板的荷载性质相同,因此各块板的跨中和支座弯矩计算如下

表3.1　系数m

4)设计内力

用位移法或力矩分配法解超静定结构时,直接求得的是节点处的内力(即构件轴线相交处的内力),然后利用平衡条件可以求得各杆任意截面处的内力。

(1)设计弯矩

由图3.12(a)看出,节点弯矩(即构件轴线相交处的内力)比附近截面的弯矩大,此弯矩称为计算弯矩。但其对应的截面高度是侧墙的高度,按照最不利的截面为弯矩大而截面高度小的原则,侧墙边缘处的截面应为最不利截面,该截面所对应的弯矩称为设计弯矩。

图3.12　设计弯矩计算示意图

对于如图3.12(b)所示的隔离体,依据平衡条件,设计弯矩计算如下:

设计中为了简便起见,式(3.16)可近似计算如下

(2)设计剪力

由上述理论可知,设计剪力的不利截面处于支座边缘,如图3.13所示。根据隔离体平衡条件可知,可得设计剪力为:

(3)设计轴力

由静荷载引起的设计轴力

由特殊荷载引起的设计轴力

故设计轴力为

图3.13　设计剪力计算示意图

提示:用位移法或力矩分配法求得计算内力值(弯矩、剪力、轴力),然后利用上述关系式由计算内力求设计内力,用设计内力进行承载力验算。

3.3.3　截面计算

地下结构的截面选择和承载力计算,一般以《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)为准,同时还应注意以下几点:

①地下矩形闭合框架结构的构件(顶板、底板、侧墙)均按偏心受压构件进行截面承载力验算。

图3.14　截面计算高度

②在特殊荷载与其他荷载共同作用下,按弯矩及轴力对构件进行强度验算时,要考虑材料在动载作用下的强度提高;而按剪力和扭力对构件进行强度验算时,则材料的强度不提高。

③在设有支托的框架结构中,进行构件截面验算时,杆件两端的截面计算高度采用。h为构件截面高度,s为平行于构件轴线方向的支托长度。同时,的值不得超过杆端截面高度h1,即(图3.14)。

④当沿车站纵向的覆土厚度、上部建筑物荷载、内部结构形式变化较大时,或地层有显著差异时,还应进行结构纵向受力分析。

3.3.4　抗浮验算

当地下工程位于水位较高的土层中,为了保证结构不致因为地下水的浮力而浮起,在设计完成后,尚需进行抗浮验算,其计算式为

当箱体已经施工完毕,但未安装设备和回填土时,计算Q重时只应考虑结构自重。

3.3.5　构造要求

1)配筋形式

闭合框架的配筋形式如图3.15所示,它由横向受力钢筋和纵向分布钢筋组成,为便于施工,常常预先焊成钢筋网。

为减少应力集中问题、改善闭合框架的受力条件,在闭合框架角部常设置支托,并配支托钢筋。当荷载较大时,需验算抗剪强度,并配置箍筋和弯起筋。

对于考虑动载作用的地下结构物,为提高构件的抗冲击动力性能,构件断面上宜配置双筋。

图3.15　闭合框架配筋形式

2)混凝土保护层

地下结构的特点是外侧与土、水相接触,内侧相对湿度较高。因此,受力钢筋的保护层最小厚度(从钢筋的外边缘算起)比地面结构增加5～10 mm,且应遵守表3.2的规定。例如,某越江工程混凝土保护层为35 mm,某地铁工程中周边构件保护层为50 mm。

表3.2　混凝土保护层最小厚度

3)横向受力钢筋

横向受力钢筋的配筋百分率不应小于表3.3中的规定。计算钢筋百分率时,混凝土的面积要按计算面积计算。

受弯构件及大偏心受压构件受拉主筋的配筋率,一般应不大于1.2%,最大不得超过1.5%。

配置受力钢筋要求细而密。为便于施工,同一结构中选用的钢筋直径和型号不宜过多。通常,受力钢筋直径d≤32 mm,对于以受弯为主的构件,d≥10～14 mm,对于以受压为主的构件, d≥12～16 mm。

受力钢筋的间距应不大于200 mm,不小于70 mm,但有时由于施工需要,局部钢筋的问题也可适当放宽。

4)分布钢筋

由于考虑混凝土的收缩、温差影响、不均匀的沉陷等因素的作用,必须配置一定数量的构造钢筋。

纵向分布钢筋的截面面积,一般应不小于受力钢筋截面积的10%。同时,纵向分布钢筋的配筋率对顶、底板不宜小于0.15%,对侧墙不宜小于0.20%。

注:①受压构件全部纵向钢筋最小配筋百分率,当采用HRB400级、RRB400级钢筋时,应按表中规定减小0.1,当混凝土强度等级为C60及以上时,应按表中规定增大0.1;
②偏心受拉构件中的受压钢筋,应按受压构件一侧纵向钢筋考虑;
③受压构件的全部纵向钢筋、一侧纵向钢筋的配筋率以及轴心受拉构件和小偏心受拉构件一侧受拉钢筋的配筋率应按构件的全截面面积计算;受弯构件、大偏心受拉构件一侧受拉钢筋的配筋率应按全截面面积扣除受压翼缘面积(b′f- b)h′f后的截面面积计算;
④当钢筋沿构件截面周边布置时,“一侧纵向钢筋”是指沿受力方向两个对边中的一边布置的纵向钢筋。

纵向分布钢筋应沿框架周边各构件的内、外两侧布置,其间距可采用100～300 mm。框架角部,分布钢筋应适当加强(如加粗或加密),其直径不小于12～14 mm。

5)箍筋

地下结构断面厚度较大,一般可不配置箍筋,如计算需要时,可参照表3.4的规定配置。

表3.4　箍筋的最大间距　单位:mm

①框架结构的箍筋间距在绑扎骨架中不应大于15d,在焊接骨架中不应大于20d(d为受压钢筋中的最小直径),同时不应大于400 mm。

②在受力钢筋非焊接接头长度内,当搭接钢筋为受拉筋时,其箍筋间距不应大于5d,当搭接钢筋为受压筋时,其箍筋间距不应大于10d(d为受力钢筋中的最小直径)。

③框架结构的箍筋一般采用[_]形直钩槽形箍筋,这种钢筋多用于顶、底板,其弯钩必须配置在断面受压一侧。L形箍筋多用于侧墙。

6)刚性节点构造

框架转角处的节点构造应保证整体性,即应有足够的强度、刚度及抗裂性,除满足受力要求外,还要便于施工。

当框架转角处为直角时,应力集中较严重。为缓和应力集中现象,在节点可加斜托,斜托的坡度控制在1∶3左右为宜。斜托的大小视框架跨度大小而定。

框架节点处钢筋的布置(图3.16)。

①沿节点内侧不可将水平构件中的受拉钢筋随意弯曲,而应沿斜托另配直线钢筋,或将此钢筋直接焊在侧墙的横向焊网上。

②沿着框架转角部分外侧的钢筋,其弯曲半径R必须为所用钢筋直径的10倍以上, 即R≥10d。

图3.16　转角钢筋锚固

③为避免在转角部分的内侧发生拉力时,内侧钢筋与外侧钢筋无联系,使表面混凝土容易剥落,因此最好在角部配置足够数量的箍筋(图3.17)。

7)变形缝的设置及构造

为防止结构由于不均匀沉降、温度变化和混凝土收缩等引起破坏,沿结构纵向,每隔一定距离需设置变形缝。变形缝的间距为30 m左右。

变形缝分为两种:一种是防止由于温度变化或混凝土收缩而引起结构破坏所设置的缝,称为伸缩缝;另一种是防止由于不同的结构类型(或结构相邻部分具有不同荷载),或不同地基承载力而引起结构不均匀沉陷所设置的缝,称为沉降缝。

图3.17　转角附加箍筋

变形缝为满足伸缩和沉降需要,缝宽一般为20～30 mm,缝中填充富有弹性的材料。

变形缝的构造方式很多,主要分三类:嵌缝式、贴附式和埋入式。

(1)嵌缝式

图3.18(a)表示嵌缝式变形缝,材料可用沥青砂板、沥青板等。为了防止板与结构物间有缝隙,在结构内部槽中填以沥青胶或环煤涂料(即环氧树脂和煤焦油涂料)等以减少渗水可能,也可在结构外部贴一层防水层,如图3.18(b)所示。

图3.18　嵌缝式变形缝(单位:mm)

嵌缝式的优点是造价低、施工易,但它在有压水中防水效能不良,仅适于地下水较少地区,或用在防水要求不高工程中。

(2)贴附式

图3.19表示贴附式变形缝,将厚度6～8 mm的橡胶平板用钢板条及螺栓固定结构上。

这种方式亦称为可卸式变形缝。其优点是橡胶平板年久老化后可以拆换,缺点是不易使橡胶平板和钢板密贴。这种构造可用于一般地下工程中。

图3.19　贴附式变形缝

(3)埋入式

图3.20(a)表示埋入式变形缝。在浇灌混凝土时,把橡胶或塑料止水带埋入结构中。其优点是防水效果可靠,但橡胶老化问题需待改进,这种方法在大型工程中普遍采用。

在有水压,而且表面温度高于50℃或受强氧化及油类等有机物质侵蚀的地方,可在中间埋设紫铜片,但造价高[其做法如图3.20(b)所示]。

图3.20　埋入式变形缝(单位:mm)

当防水要求很高,承受较大的水压力时,可采用上述三种方法的组合,称为混合式,此法防水效果好,但施工程序多,造价高。

3.4 设计实例

一单跨闭合的钢筋混凝土框架通道,置于弹性地基上,其几何尺寸如图3.21(a)所示,横梁承受均布荷载20 kN/m2,材料的弹性模量E= 1.4×104 MPa,泊松比μ=0.167,地基的形变模量E0=50 MPa,泊松比μ0= 0.3,设为平面变形问题,绘制框架的弯矩图。

图3.21　计算简图及基本结构

【解】 取基本结构如图3.21(b)所示,因结构对称,故x3=0,可写出典型方程为

首先,求系数δij与自由项ΔiP,因框架为等截面直杆用图乘法求得(图3.22)。

图3.22

再求bij和biq。为此,需计算出弹性地基梁的柔度指标t。

在单位力x1= 1作用下, A点产生弯矩m A= 3 kN·m(顺时针向)。根据m A,按照弹性地基梁计算,在α= 1,ξ= 1产生的转角θA按下式计算

代入数字,则

在x1=1作用下,由于弹性地基梁的变形,使框架切口处沿x1方向产生的相对线位移为

同理,在x1= 1作用下,使框架切口处沿x2方向产生的相对角位移为

在x2=1作用下,框架切口处沿x2方向的相对角位移为

在外荷载作用下,弹性地基梁(底板)的变形使框架切口处沿x1及x2方向产生位移,计算时应分别考虑外荷载传给地基梁两端的力R及弯矩M的影响,计算由两个对称弯矩引起A点的角变方法同前,而计算两个对称反力R引起A点的角变值为

由外荷载q引起弹性地基梁的变形,致使沿x1及x2方向产生的相对位移为

将以上求出的相应数值叠加,得系数及自由项为

代入典型方程为

解得 x1=1.58 kN,x2= 24.08 kN·m。

已知x1和x2,即可求出上部框架的弯矩图。底板的弯矩可根据A点及O点的力R和弯矩M,按弹性地基梁方法算出,如图3.23所示。

对弹性地基框架的内力分析,还可以采用超静定的上部刚架与底板作为基本结构。将上部刚架与底板分开计算,再按照切口处反力相等[图3.24(b)]或变形协调[图3.24(c)],用位移法或力法解出切口处的未知位移或未知力,然后计算上部刚架和底板的内力。采用这种基本结构进行分析的优点,可以利用已有的刚架计算公式,或预先计算出有关的常数使计算得到简化。

图3.23　弯矩M图

图3.24　计算简图

本章小结

(1)浅埋式地下结构是指其覆盖层厚度较薄,不满足压力拱成拱条件(H＜2.0～2.5 h1,h1为压力拱高度)或软土地层中覆盖层厚度小于结构尺寸的地下结构。其结构形式主要分为直墙拱形结构、矩形闭合结构和梁板式结构。

(2)矩形闭合结构设计要点包括计算简图、内力计算、截面计算、抗浮验算等;构造要求主要涉及配筋形式、混凝土保护层、受力与构造钢筋、箍筋、刚性节点构造和变形缝的设置及构造。

思考题

3.1　何谓浅埋式地下结构?其主要结构形式有哪些?在什么条件下适宜采用明挖法施工?

3.2　直墙拱结构有何特点?常用建筑材料由哪些?各自适用性如何?

3.3　矩形闭合结构有何特点?有哪些具体形式?可用于哪些地下建筑?

3.4　地下结构的设计计算包括哪些方面的内容?分别阐述其设计要点。

3.5　矩形闭合结构有哪些主要构造要求?