重庆大学版《地下结构设计》1-10章习题答案

1.简述地下结构的概念和特点。

概念：地下结构是指在保留上部地层（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。

特点：

（1）地下空间内建筑结构替代了原来的地层，结构承受了原本由地层承受的荷载。在设计和施工中，要最大限度发挥地层自承能力，以便控制地下结构的变形，降低工程造价。

（2）在受载状态下构建地下空间结构物，地层荷载随着施工进程发生变化，因此，设计时要考虑最不利的荷载工况。

（3）作用在地下结构上的地层荷载，应视地层介质的地质情况合理概化确定。

（4）地下水状态对地下结构的设计和施工影响较大，设计前必须弄清地下水的分布和变化情况。

（5）地下结构设计要考虑结构物从开始构建到正常使用以及长期运营过程的受力工况，注意合理利用结构反力作用，节省造价。

（6）在设计阶段获得的地质资料，有可能与实际施工揭露的地质情况不一样。因此，地下结构施工中应根据施工的实时工况动态修改设计。

（7）地下结构的围岩既是荷载的来源，在某些情况下又与地下结构共同构成承载体系。

（8）当地下结构的埋置深度足够大时，由于地层的成拱效应，结构所承受的围岩垂直压力总是小于其上覆地层的自重压力。

2.简述地下结构的分类与形式。

按断面形式分类：1）矩形2）圆形3）拱形4）其他形式

按使用功能分类：可分为生活设施、城市设施、生产设施、储藏设施、输送设施和防灾设施等

按结构形式及施工方法分类：（1）喷锚结构（2）复合衬砌结构（3）盾构结构（4）沉管结构（5）沉井结构（6）地下连续墙结构（7）其他结构

按与地面结构联系情况分类（1）附建式结构（2）单建式结构 按埋置深度分类1）浅埋地下结构 2）深埋地下结构

3.简述地下结构计算理论的发展阶段和代表理论

1.刚性结构阶段：压力线理论

该理论认为地下结构是由一些刚性块组成的拱形结构，所受的主动荷载是地层压力，当地下结构处于极限平衡状态时，它是由绝对刚体组成的三铰拱静定体系，铰的位置分别假设在墙底和拱顶，其内力可按静力学原理进行计算。这种计算理论认为，作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重力 2.弹性结构阶段：松动压力理论

该计算理论认为当地下结构埋置深度较大时，作用在结构上的压力不是上覆岩层的重力而只是围岩坍落体积内松动岩体的重力—松动压力。 3.连续介质阶段：连续介质力学理论

该理论以岩体力学原理为基础，认为坑道开挖后向洞室内变形而释放的围岩压力将由支护结构与围岩组成的地下共同承受。一方面围岩本身由于支护结构提供了一定的支护阻力，从而引起它的应力调整达到新的平衡;另一方面，由于支护结构阻止围岩变形，它必然要受到围岩给予的反作用力而发生变形。 4.现代支护理论阶段：新奥法设计理论

该理论认为围岩本身具有“自承”能力，如果能采用正确的设计施工方法，最大限度地发挥这种自承能力，可以达到最好的经济效果。

4.简述地下结构设计程序及内容。

1）初步设计

初步设计内容：（1）工程等级和要求，以及静、动荷载标准的确定；（2）确定埋置深度和施工方法；（3）初步计算荷载值；（4）选择建筑材料；（5）选定结构形式和布置；（6）估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等主要尺寸；（7）绘制初步设计结构图；（8）估算工程材料数量及财务概算。

2）技术设计

技术设计内容为：（1）计算荷载（2）计算简图（3）内力分析（4）内力组合（5）配筋设计（6）绘制结构施工详图（7）材料、工程数量和工程财务预算。

第二章 地下机构的荷载计算

1． 地下建筑荷载分为哪几类？其组合形式有哪些？

答：地下结构所承受的荷载，按其作用特点及使用中可能出现的情况分为：永久荷载、可变荷载和偶然荷载。

根据各种荷载的重要性，荷载的组合分为六类:

组合Ⅰ：基本可变荷载（平板挂车或履带车除外）的一种或几种，与永久荷载的一种或几种相组合；

组合Ⅱ：基本可变荷载（平板挂车或履带车除外）的一种或几种，与永久荷载的一种或几种和其它可变荷载的一种或几种相组合；

组合Ⅲ：平板挂车或履带车，与结构重量、预加应力、土的重力及土侧压力的一种或几种相组合；

组合Ⅳ：基本可变荷载（平板挂车或履带车除外）的一种或几种，与永久荷载的一种或几种和偶然荷载中的船只或漂流物的撞击力相组合；

组合Ⅴ：桥涵在进行施工阶段的验算时，根据可能出现的施工荷载（如结构重力、脚手架、材料机具、人群、风力以及拱桥的单向推力等）进行组合；构件在吊装时，其自重应乘以动力系数1.2或0.85，并可视构件具体情况适当增减；

组合Ⅵ：结构重力、预加应力、土重及土侧压力中的一种或几种与地震力相组合。

2． 土压力可分为几种形式？其大小关系如何？

答：土压力是土与挡土结构之间相互作用的结果，它与结构的变位有着密切关系。以挡土墙为例，作用在挡土墙墙背上的土压力可以分为静止土压力、主动土压力和被动土压力三种，其中主动土压力值最小，被动土压力值最大，而静止土压力值介于两者之间。

3． 库伦理论的基本假设是什么？并给出一般土压力计算公式。

答：库伦理论的基本假设为：

① 挡土墙后土体为均质各向同性的无黏性土； ② 挡土墙是刚性的且长度很长，属平面应变问题；

③ 挡土墙后土体产生主动土压力或被动土压力时，土体形成滑动楔体，滑裂面位通过墙踵的平面；

④ 墙顶处土体表面可以是水平面，也可以为倾斜面，倾斜面与水平面的夹

角为β角；

⑤ 在滑动面BC和墙背面AB上的切向力分别满足极限平衡条件。 土压力计算公式即：

1Pah2Ka

21Pph2Kp

22sin（+） Ka=2sin()sin()sin2sin2()1sin()sin()sin()sin()sinsin()1sin()sin()其中γ是土体的重量；h是挡土墙的高度；Ka是库伦主动土压力系数；Kp是库伦被动土压力系数。

22Kp=2sin（-）2

4． 简述郎肯土压力理论的基本假定。

答：郎肯理论的基本假定为：

(1) 挡土墙背竖直，墙面为光滑，不计墙面和土层之间的摩擦力；

(2) 挡土墙后填土的表面为水平面，土体向下和沿水平方向都能伸展到无穷，即半无限空间；

(3) 挡土墙后填土处于极限平衡状态。

5． 简述围岩压力的概念及其影响因素。

答：围岩压力就是指位于地下结构周围变形或破坏的岩层，作用在衬砌结构或支撑结构上的压力。它是作用在地下结构的主要荷载。

影响围岩压力的因素很多，主要与岩体的结构、岩石的强度、地下水的作用、洞室的尺寸与形状、支护的类型和刚度、施工方法、洞室的埋置深度和支护时间等因素相关。

6． 简述弹性抗力的基本概念，其值大小与哪些因素有关？

答：在靠边拱脚和边墙位置，结构产生压向地层的变形，由于结构与岩土体紧密接触，则岩土体将制止结构的变形，从而产生了对结构的反作用力，对这个反作用力习惯上称弹性抗力，地层弹性抗力的存在是地下结构区别与地面结构的显著特点之一。

既然弹性抗力是由于结构与地层的相互作用产生的，所以弹性抗力大小不仅

决定于结构的变形，还与地层的物理力学性质有着密切的关系。

7． 简述衬砌结构拱圈自重的计算方法。

答：(1) 将衬砌结构自重简化为垂直均布荷载

(2) 将结构自重简化为垂直均布荷载和三角形荷载

8． 地下结构基本的计算方法有哪些？

答：地下结构基本的计算方法有：工程类比法、荷载结构法、地层结构法。

第三章 浅埋式地下结构设计

9． 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？

答：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。

浅埋式地下结构按不同的指标主要分为以下几类： （1）按使用功能分类

①地下生活设施建筑：地下住宅、地下储藏室等；

②地下城市设施建筑：引道结构（城市道路系统中立交地道、水底隧道的峒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：地下工厂、地下核电站等；

④地下防灾设施建筑：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 ②拱形结构 ③矩形闭合结构 ④梁板式结构 ⑤壳体结构或折板结构

根据我国的工程经验，埋深在5~10m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，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。

10． 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？

答：直墙拱形结构由拱圈、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。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。

11． 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？

答：浅埋式矩形闭合结构具有空间利用率高，挖掘断面经济，且易于施工等特点。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矩形闭合结构、双跨或多跨矩形闭合结构、多层多跨矩形闭合结构的形式。应用于城市过街通道、车行立交地道、地铁通道、车站等。

12． 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。

答：地下结构的设计计算通常包括三方面的内容，即：荷载计算、内力计算、截面验算。

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。在计算时根据荷载作用在地下结构的不同位置分别计算顶板上的荷载、底板上的荷载、侧墙上的荷载。有时还要考虑由于沉降变化、材料收缩、结构收缩、温度变化等产生的荷载作用。处于地震区的地下结构，还可能受到地震荷载的作用。

内力计算：先根据地下结构的结构和所受荷载的特点确定计算简图，再根据以往的经验(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，选择合适的计算方法设计内力。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。

截面验算：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》（GB50010-2010）为准。

13． 矩形闭合结构有哪些主要构造要求？

答：①配筋形式：闭合框架的配筋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，并配置钢箍和弯起筋。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。

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5~10mm，应遵守表3.2的规定。

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 32mm，对于以受弯为主的构件d 10～14mm；对于以受压为主的构件d 12～16mm。受力钢筋的间距应不大于200mm，不小于70mm，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：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l0％，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％。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100~300mm。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12~14mm。

⑤箍筋：参照表3.4，按下述规定配置。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400mm。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)。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。

⑦变形缝的设置与构造：变形缝的间距为30m左右。为满足伸缩和沉降需要，缝宽一般为20~30mm，缝中填充富有弹性的材料。

第四章

1.何谓附建式地下结构？附建式地下结构的形式和特点有哪些？

附建式地下结构是指根据一定的防护要求修建于较坚固的建筑物下面的地下室，又称“防空地下室”或“附建式人防工事”。此外，在已建成的掘开式工事上方修建地面建筑物或在已有的地面建筑内构筑掘开式工事所形成的地下结构，也可称为附建式地下结构。

附建式地下结构的主要形式1）梁板式结构2）板柱结构3）箱形结构4）框架结构5）拱壳结构

附建式地下结构的特点 （1）节省建设用地和投资；

（2）便于平战结合，人员和设备容易在战时迅速转入地下；

（3）增强上层建筑的抗地震能力，在地震时附建式地下结构尚可作为避震室之用；

（4）上层建筑对战时核爆炸冲击波、光辐射、早期核辐射以及炮（炸）弹有一定的防护作用；

（5）附建式地下结构的造价比单建式防空地下室要低；

（6）结合基本建设同时施工，便于施工管理，同时也便于使用过程中的维护。

2.防空地下室的荷载包括哪些？在承受动荷载情况下有哪两种荷载组合？

具有战时防空功能的附建式地下结构一般既要抗御常规武器又要抗御核武器的作用，因此结构所承受的荷载包括静荷载（结构自重、土压力、水压力等）、常规武器爆炸动荷载的等效静荷载（把动荷载转化为静荷载）和核爆炸压缩波动荷载的等效静荷载。

结构在承受动荷载情况下有两种荷载组合：①常规武器爆炸动荷载的等效静荷载与静荷载的组合；②核爆炸压缩波动荷载的等效静荷载与静荷载的组合。

3.简述附建式地下结构其设计要点。

1.按平时和战时两种条件作为设计依据 2.允许结构出现塑性变形，按弹塑性理论设计 3.只进行结构的强度验算 4.不必单独进行地基变形验算

5.贯彻平战结合的原则，尽量为平时使用创造条件

4.简述附建式地下结构的口部结构的重要性及特点。

附建式地下结构的口部，是整个建筑物的一个薄弱部位，又是一个很重要的部位。

在战时它比较容易摧毁，造成口部的堵塞，影响整个工事的使用和人员的安全。因此，设计中必须给予足够的重视。 特点

（1）为使附建式地下建筑结构与地面建筑的联系畅通，特别是为平战结合创造条件，每个的具有战时防空的附建式地下结构至少要有一个室内出入口。 （2）每一个的具有战时防空功能的地下建筑结构（包括人员掩蔽室的每个防护单元）应设有一个室外出入口，作为战时的主要出入口，室外出入口的口部应尽量布置在地面建筑的倒塌范围以外。

（3）为给平时使用所需自然通风和天然采光创造条件，可在地下室侧墙开设通风采光洞，但必须在设计上采取必要的措施，保证地下室防核爆炸冲击波和早期核辐射的能力。

5简述附建式地下结构主要构造要求。

1）建筑材料强度等级相应要求

2）结构防水宜选用“自防水+附加防水层”的双层做法，其中地下结构混凝土是最重要的一道防线，其最低抗渗标准不应小于0.6MPa，具体的设计抗渗等级可根据工程的埋置深度按规定选用

3）结构构件的最小厚度，应不低于规定值

4）附建式地下结构受力钢筋的混凝土保护层最小厚度，应比地面结构增加一些，因为地下结构的外侧与土壤接触，内侧的相对湿度较高。混凝土保护层的最小厚度（从钢筋的外边缘算起），可按规定取值 5）变形缝按照规定设置 6）圈梁按照规定设置

7）构件相接处的锚固按照规定设置

第五章 新奥法隧道支护结构设计

14． 简述新奥法结构设计的概念和特点。

答：新奥法是六十年代奥地利专家L v．Rabcewicz总结前人在隧道工程中累积的经验后所提出来的一套隧道设计、施工的新技术。

新奥法摒弃了传统隧道工程中应用厚壁混凝土结构支护松动围岩的理论。把岩体视为连续介质，在粘、弹、塑性理论指导下，根据在岩体中开挖隧道后从变位产生到岩体破坏要有一个时间效应的性质，适时地构筑柔性、薄壁、能与围岩贴紧的支护结构来保护围岩的天然承载力。变围岩本身为支护结构的重要成分，使围岩与构筑的支护结构共同形成为坚固的支承环，共同形成一个长期稳定的洞室。新奥法所采用的主要支护手段是喷混凝土结构和锚杆。

1990年，奥地利土木工程学会地下空间利用分会把新奥法定义为：“在岩质、土沙质介质中开挖隧道，以使围岩形成一个小空简状支承环结构为目的的隧道设计施工方法”。

新奥法构筑隧道的主要特点是通过许多量测手段对开挖后隧道围岩的动态进行监测，以此来指导隧道支护结构的设计和施工。

15． 简述超前支护的分类。

答：由于初期锚喷支护强度的增长速度不能满足洞体稳定的要求，可能导致洞体失稳，或由于大面积淋水，涌水地段，难以保证洞体稳定时，可采用超前锚杆、超前小钢管、管棚、地表预加固地层和围岩预注浆等辅助施工措施，对地层进行预加固，超前支护或止水。

因此隧道超前支护分类主要有： (1)超前锚杆、超前小钢管。 (2)管棚。

(3)地面砂浆锚杆。

(4)超前小导管注浆、深孔预注浆。

16． 简述单层衬砌的构造原理。

答：对于钢纤维混凝土单层衬砌，在普通喷混凝土的组成成分中渗入富于延性的钢纤维，可以改变喷混凝土的物理力学性能，可以使喷混凝土结构的抗裂隙能力、耐冲击能力、抗拉强度、抗挠强度、抗剪强度、耐冻融性、耐磨耗性都得到相应的提高。但是，由于掺入钢纤维，会使喷射机械管路的磨损率增加，并且

提高了喷射混凝土造价。目前，在隧道工程中，使用钢纤维喷混凝土的实例已逐渐增多。

对于模筑混凝土单层衬砌，运用传统松弛荷载理论设计，并采用传统矿山法施工的隧道，其支护结构均采用就地模筑混凝土“单层衬砌”。就地模筑混凝土单层衬砌结构，是在坑道内设置模板架和模板，然后浇灌混凝土而成。它是作为一种永久性支护结构，从外部支撑着坑道围岩。混凝土的就地模筑工艺对各种不同的地质条件适应性强，易于按需要成形，而且适用于多种施工方法，因而，在我国各类隧道工程中广泛采用。

17． 单层衬砌的类型有哪些？

答：单层衬砌结构类型包括钢纤维混凝土单层衬砌与模筑混凝土单层衬砌。模筑混凝土单层衬砌又分为直墙式衬砌与曲墙式衬砌。

18． 单层衬砌和复合衬砌的本质区别是什么？

答：复合衬砌本质不同于单层衬砌之处是支护结构分成多层，在不同的时间先后施作的。顾名思义，它可以分为二层、三层或更多的层，但目前一般将其分为“初期支护”和“后期支护”，即“内层衬砌”和“外层衬砌”两部分，所以也称之为“双层衬砌”。

6．复合衬砌的优缺点有哪些？

解：根据铁道科学研究和隧道工程局共同进行的模型试验和有限元分析，以及多年拥有和研究结构表明，复合衬砌是比较合理的结构型式。其优缺点表现在：

① 复合衬砌是将整个人工支护结构分解为“初期支护”和“内层衬砌”两大部分，各部分分别起到不同的作用，两部分分别参与并与围岩共同工作，但其直接目的又各有侧重。

② 复合衬砌结构形式既能充分调动并利用围岩自我承载自我稳定的能力，又可充分发挥支护结构的承载能力和支护材料的力学性能。

③ 复合衬砌比较符合隧道－－地下工程结构体系的力学变化过程，尤其是能接受力合变形的规律，调整各项参数。

④ 复合衬砌的极限承载能力比同等程度的单层衬砌的极限承载能力可以提高20﹪~30﹪。而且，如果调整好内层衬砌的施作时间，还可以改善结构的受力条件。

⑤ 有研究资料显示，在Ⅳ~Ⅴ级围岩的隧道中，采用锚喷作为“初期支护”加上模筑混泥土“内层衬砌”构成“复合衬砌”，与传统的模筑混泥土单层衬砌相比，能节约工程投资约5﹪~10﹪.

⑥ 但是，复合衬砌尤其是初期支护的施工工艺特别复杂，要从概念上理解其作用比较困难，从技术上掌握其设置则也比较困难，不像单层衬砌那样简单直观，容易理解。

7．初期支护中径向锚杆的作用机理是什么？

解：锚杆或锚素是用金属或其他高抗拉性能的材料制作的一种杆状构件，并使用某些机械装置或粘土介质，通过一定的施工操作，将其安置在隧道及地下工程的围岩体中或其他工程结构中，利用杆端锚头的膨胀作用，或利用灌浆黏结，增加岩体的强度和抗变形能力,从而提高了围岩的自稳能力，实现对围岩体或工程结构体的加固。

锚杆的作用效果归纳起来有如下几个方面：

① 加固围岩作用。围岩多数处于受剪破坏状态，由于锚杆的抗剪能力从而提高了围岩锚固区的c、值，尤其是在节理发育的岩体中，加固作用更为显著。

② 加固不稳定岩体。局部锚杆一般是用于加固不稳定块体，如利用锚杆的悬吊作用阻止拱顶不稳定块体的塌落，利用锚杆的抗剪作用阻止变强不稳定块体的滑落。显然，锚杆加固软弱结构面的作用是极为卓越的。

③ 形成沿开挖面的受力环区，将开挖面处的高应力延伸到岩体深处。 ④ 改善“岩石—混凝土结构体系”的承重效果，起到锁定岩石共同受力的作用。

⑤ 围岩位移，部分减少开挖过程中引起的松动。

⑥ 梁作用。在层状岩体中，其作用如叠合梁一样，由于锚杆使用使层间紧密，使之能传递剪力，具有组合梁的效果。

第六章

1.盾构法隧道的适用条件和特点？

适用条件：1.在松软含水地层，相对均质的地质条件。

2.盾构法施工隧道应有足够的埋深，覆土深度宜不小于6m。隧道覆土太浅，盾构法施工难度较大；在水下修建隧道时，覆土太浅盾构施工安全风险较大。 3.地面上必须有修建用于盾构进出洞和出土进料的工作井位置。

4.隧道之间或隧道与其他建(构)筑物之间所夹土(岩)体加固处理的最小厚度为水平方向1.0m，竖直方向1.5m。

5.从经济角度讲，连续的盾构施工长度不宜小于300m。

特点：1、在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能教经济合理地保证隧道安全施工

2、盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、智能化和施工远程控制信息化，掘进速度较快，施工劳动强度较低。

3、地面人文自然景观收到良好的保护，周围环境不受盾构施工的干扰；在松软地层中，开挖埋置深度较大的长距离、大直径隧道，具有经济、技术、安全、军事等方面的优越性

2.盾构法隧道衬砌管片形式有哪些？举出三种常见型号并简述其各自特点和使用条件？

（1）钢筋混凝土管片

箱形管片一般用于较大直径的隧道。单块管片重量较轻，管片本身强度不如平 板形管片，特别在盾构顶力作用下易开裂。

平板形管片用于较小直径的隧道，单块管片重量较重，对盾构千斤顶顶力具有 较大的抵抗能力，正常运营时对隧道通风阻力较小。 （2）铸铁管片

在饱和含水不稳定地层中修建隧道时较多采用铸铁管片，其延性和强度接近于钢材，因此管片就显得较轻，耐蚀性好，机械加工后管片精度高，能有效地防渗抗漏。缺点是金属消耗量大，机械加工量也大，价格昂贵。 （3）钢管片

优点是重量轻，强度高。缺点是刚度小，耐锈蚀性差，需进行机械加工以满足防水要求。成本昂贵，金属消耗量大，在使用钢管片的同时，再在其内浇注混凝土或钢筋混 凝土内衬。 （4）复合管片

外壳采用钢板制成，在钢壳内浇注钢筋混凝土，组成一复合结构，这样其重量比钢筋混凝土管片轻，刚度比钢管片大，金属消耗量比钢管片小，缺点是钢板耐蚀性差，加工复杂冗繁。

3.盾构法隧道结构计算模式有那几种？各有何优劣？如何考虑接头的影响？

隧道衬砌设计方法可分为四大类型： （1）基于过去隧道建设的经验设计法； （2）基于原位测试和实验室实验的设计方法； （3）圆环-弹性地基梁法；

（4）连续介质模型法，包括理论分析法和数值法。

上述方法有不同的特点，他们已经应用于各类工程中。第一种方法很简单，但是会引起很大的误差。第二种方法虽然看上去更合理，但是值只能根据在各种不同地层的经验得到一个定性的值。最后的方法似乎是最全面的，它可以用来研究不同土壤侧压力下接头刚度对内力和位移的影响，进而模拟不同的地层响应条件。

考虑接头的影响：

（1）圆环的抗弯刚度被认为是整个衬砌均质环。存在接头但刚度没有折减，即衬砌与刚性环管片自身具有相同刚度；

（2）由于接头的存在而导致的刚性降低在整个刚性衬砌中用折减系数来考虑； （3）衬砌被简化为铰接的圆环。接头的刚度被忽略，接缝被假定为完全的铰接。衬砌形成一个超静定结构，承受周围的压力，包括衬砌结构周围的土壤侧压力。 （4）考虑接头刚度的且衬砌假定是一个铰接环。接缝被模拟为具有恒定刚度值的弹性铰。

上述方法有不同的特点，他们已经应用于各类工程中。第一种方法很简单，但是会引起很大的误差。第二种方法虽然看上去更合理，但是值只能根据在各种不同地层的经验得到一个定性的值。最后的方法似乎是最全面的，它可以用来研究

不同土壤侧压力下接头刚度对内力和位移的影响，进而模拟不同的地层响应条件。

gh(kN/m2)4.盾构法隧道结构的水土荷载如何计算？试分析地层抗力对隧道结

构内力的影响？

1.自重: 2.竖向土压

3．拱背土压 4．地面超载

当隧道埋深较浅时必须考虑地面荷载的影响，一般取20kN/m2

22pqtg(45)2ctg(45)(kN/m)15．侧向均匀主动土压 22 p22RHtg2(45)(kN/m2)6．侧向三角形主动土压 2Pkky(kN/m2)7．侧向土壤抗力

8．水压 : 按静水压考虑 pRqg0.2146RHRH(kN/m2)9．拱底反力 2隧道衬砌结构在到达基本使用阶段前，已经历了一系列的施工阶段荷载的考验。 衬砌结构在施工阶段有可能碰到比基本使用阶段更为不利的工作条件，产生了极为不利的内力状态，导致出现了衬砌结构的开裂、破碎、变形、沉陷和、漏水等严重情况。这种情况尤以在盾构推进过程为甚，必须进行现场观测和相应的附加验算，并提出改进措施。

ghni1(kN/m2)qihi(kN/m2)22G2(1)RH0.43RH4(kN/m)5.盾构法隧道衬砌结构的防水、抗渗都可以采取那些措施。

1.衬砌埋设在含水地层内，承受着一定静水压力，衬砌在这种静水压的作用下必须具有相当的抗渗能力，衬砌本身的抗渗能力在下列几个方面得到满足后才能具有相应的保证

2.从已有国内外隧道施工实践情况来看，管片制作精度对于隧道防水效果具有很大的影响。

3.环、纵缝上的防水密封垫除了要满足上述的基本要求外，还得按各自所承担的工作效能相应提出不一样的要求

4.在目前隧道接缝防水尚未能完全满足要求情况下，在地铁区间隧道内较多的是用双层衬砌。

5.隧道防水还有其它的一些附加措施可以采用，诸如隧道外围的压浆，以及地层注浆等，视不同情况予以采用。

第七章 掘进机法隧道支护结构设计

19． 简述TBM法与钻爆法相比的优点与缺点。

答：在隧道施工方法上，TBM法和钻爆法都是隧道施工的成熟工法。钻爆法较TBM法工序多，施工组织复杂，工期较长，超欠挖量大、安全性差，但地质适应能力较好。TBM法与钻爆法比较的优势在于工序简单、施工速度快、安全性好。从技术上比较，TBM法适用于工期要求紧、且以硬质岩为主的圆形长隧道，而钻爆法则适用于短隧道、地质条件较复杂的且不适合TBM法快速施工的工程。

20． 简述TBM的类型及其适用范围。

答：TBM一般可分为开敞式TBM和护盾式TBM两大类型，护盾式TBM又有双护盾TBM和单护盾TBM之分。

开敞式和护盾式掘进机的区别在于开敞式掘进机在开挖中依靠撑于岩璧上的水平支撑提供设备推力和扭矩的支撑反力，开挖后的围岩暴露于机械四周。而护盾掘进机则可在掘进中利用尾部已安装的衬砌管片作为推进的支撑，围岩由于有护盾防护，在护盾长度的范围内不暴露。因此护盾掘进机更适用于软岩，而岩石稳定性好、软弱围岩较少的隧道一般选用开敞式。此外，还要根据工程设计、工期及工程造价进行综合分析确定。

开敞式掘进机配置了钢拱架安装器和喷锚等辅助设备，适用于岩石不易坍塌和地层比较稳定的软硬岩隧道。在较为破碎的地层中掘进时，需要在刀盘护盾后及时进行喷网支护。由掘进机刀盘后的指形条格姗板支撑，在安装有喷网格栅拱架的保护下进行，必要时贴近指形条格栅板支撑下部安装钢拱架，指形条格栅板支撑随掘进机推进前移后，即进行喷射混凝土初期支护。

与开敞式掘进机不同的是，单护盾式掘进机配置有完整的圆形护盾，推进则依靠推进缸支撑在安装好的管片获得支反力。单护盾式掘进机由于掘进和安装管片不能同时进行，进度较慢。单护盾式掘进机适用于中等长度隧道。

双护盾式掘进机配置有前后护盾，在前后护盾之间有伸缩护盾，后护盾配置有一套支撑靴。在地质条件良好时，双护盾式掘进机掘进和安装管片可同时进行，有较快的进度。在地质条件较差时，双护盾式掘进机采用单护盾模式推进。双护盾掘进机在软岩及硬岩中都可以使用，当它在自稳条件不良的地层中施工时，其优越性更突出。

21． 简述TBM的构造及其工作原理。

答：以秦岭隧道使用的德国维尔特公司制造的直径8.8m的TB880E型掘进

机为例，介绍开敞式掘进机的结构。

TB880E掘进机是在我国铁路隧道施工中首次成功应用的大型成套设备，该机主要适用于硬岩隧道掘进施工，对局部断层地带也具有一定的通过能力。该机主要由主机、后配套系统及辅助施工设备三大部分组成。

掘进机主机主要由刀盘、刀盘护盾、刀盘主轴承与刀盘驱动器、辅助液压驱动、主轴承密封与润滑、内部凯氏、外部凯氏与支撑靴、推进油缸、后支撑、液压系统、电气系统、操作室、变压器、行走装置等组成。

外凯氏机架上装有X形支撑靴；内凯氏机架前面安装主轴承与刀盘驱动，后面安装后支撑。刀盘与刀盘驱动由可浮动的下护盾、可伸缩的顶部护盾、侧护盾包围并支承。刀盘驱动安装于前后支撑靴之间，以便在刀盘护盾的后面提供尽量大的空问，来安装锚杆钻机和钢拱架安装器。刀盘是中空的，其上装有盘形滚刀、刮刀和铲斗，将石渣送到置于内凯氏机架中的皮带输送机上。

掘进及换步循环如下：

撑靴外伸，撑紧在洞壁上，后支撑油缸缩回，准备开挖→推进油缸推进，刀盘旋转开挖→推进油缸推进一个行程后，掘进停止→换步行程，后支撑伸出，支撑在洞底侧，撑靴缩回，外凯向前滑移一个行程长度→前后外凯撑靴重新撑紧在洞壁上，后支撑缩回，开始新的掘进循环。

后配套设备的技术参数、功能、形式在很大程度上影响着主机能力的发挥。在掘进机施工中与其他设备的匹配组合，是为了充分发挥掘进机的优势，保证工程顺利完成，应适当扩大配套设备的生产能力，核算其设备数量，以满足正常施工讲度和可能扩大的施工进度需要，要考虑留有适当余地，即允许有一定的不均衡状况。设备选型时应尽量统一同类设备型号，特定工序所用设备应选用专用设备，为发挥出群机效应应选用质优的匹配设备。 22． 简述TBM法隧道的复合式衬砌是如何实施的。

答：使用开敞式掘进机，可以先施作初期支护，然后浇灌二次模筑混凝土永久性衬砌，即复合衬砌。由于掘进机的掘进速度很快，不可能使二次模筑混凝土衬砌作业与开挖作业保持一样的进度，当衬砌作业落后较多时，就依靠初期支护来稳定围岩。初期支护以锚杆、挂网和喷混凝土支护为主，地质条件较差时还可设置钢拱架。掘进机上可设置前后两排共4台锚杆钻机，以满足对围岩进行锚杆支护作业的需要。拱部的锚杆作业是非常必要的，锚杆作业应能与掘进开挖同时进行。

根据地质条件也有用喷射混凝土作为二次混凝土衬砌的，就是采用二次喷射混凝土作为永久衬砌。在喷射混凝土中安装了钢筋网，还加入了钢钎维。但普遍的做法是采用模筑混凝土衬砌作为二次衬砌，使用模板台车进行混凝土灌注。

23． 雪山隧道的TBM法的工程实践有哪些经验和教训。

答：雪山隧道长约12.9km，是完成北宜高速公路建设计划的关键工程。该条隧道由东行线和西行线两条主隧道和一条“导坑”隧道组成，中间有三对通风用的竖井，最深的超过500m；两条主隧道之间，有28座人行联络隧道和8座车行联络隧道。发生紧急情况时，人员可从联络隧道向导坑隧道撤离，这也是当时世界上独一无二的设计。为缩短工期，减少环境污染，降低劳工需求压力，主隧道采用2台当时技术装备最先进的双护盾掘进机施工。TBM的开挖断面直径约为11.74m，开挖后岩壁支撑以混凝土管片为主，隧道洞口段先行以钻炸法施工。导洞采用直径4.8m双护盾掘进机施工。

对于这座长12.9km的坪林隧道，原来设想会以较快速度掘进。因为现代化的掘进机技术具备掘进速度快这一优点，同时还具备劳动力要求少的特点。

在坪林隧道开挖中遇到的主要问题与隧道东口最初2～3km极为复杂的地质状况有关。然而，在设计阶段没有对这一极为复杂的地质状况进行充分评估。岩体由极硬的砂岩（石英含量达98％）组成，为有薄黏土夹层的层状构造体。由于存在黏土夹层，该岩体有时为松散岩层，有时为挤压地层。岩体中的孤立带、断层带和破碎带（地下水库）有大量地下水突然涌入。

小直径TBM是专门用来在良好岩体中开挖平导的，并且预计施工进度很高。但这台TBM在不良地质条件下遇到了严重问题（在一公里多一点儿的隧道掘进中，掌子面坍损多达10次，造成TBM受阻）。

由于岩体的强度和耐磨性很高，已经证明，在平导掘进中钻勘探孔和防排水孔很困难，且耗时费钱；同样，为了改善岩体性质，以便以后大直径TBM进行正洞开挖，需沿平导断面圆周钻注浆孔也很困难，且耗时费钱。

以预测的不良地质情况为基础,2台大直径TBM是以当时最先进的技术制造的。但是，这两台却是在极为不利的岩层中掘进，且这种极为不利的岩层不能像当初预计的那样从平导内进行注浆改良。

考虑到上述因素，可能会出现以下问题：

（1）由于岩石的耐磨性极高，对整个刀盘的磨损很快，因此，不能给刀盘施加足够的推力，从而造成掌子面不稳定，且难以控制。

（2）隧道拱顶和边墙不稳定，从而造成对混凝土衬砌和隧道开挖断面之间的环形间隙进行的日常注浆难以实施。

（3）由于盾壳与围岩之间可能的相互作用（如岩块对盾壳造成的摩擦），盾壳可能会被卡住，且由于不能对较薄的混凝土衬砌施加足够高的轴向推力，因此盾壳脱困困难。

TBM在东线的施工中，下述问题严重影响了TBM的正常掘进：

（1）由于盾壳周围围岩的变形，盾壳常被卡住，当加大油缸推力使护盾前移时，管片的强度又不能提供足够的反力。

（2）刀盘没有足够的推力顶住掌子面，造成掌子面的坍塌而无法控制。 （3）拱顶和边墙的变形使管片和隧道开挖间隙的注浆充填无法进行。 （4）超前支护也受干扰。

在掘进过程中，由于掌子面崩塌而卡住切削头的状况已经发生有10次之多。每次崩塌发生后，都需要人工开挖绕行洞绕过掘进机盾壳，以清出被卡住的刀头。最初施工人员认为掘进机的功率及扭矩过小而不足以使切削头切削钻进，并且在切削头被岩块卡住时不能使切削头转动。

导洞TBM受困停机之后，需要从机尾处另行挖掘迂回导洞，绕行至TBM机头处，挖掘的同时还需要灌浆止水，然后将机头位置坍塌的渣料挖除，检查修复TBM受损的部分。

导洞TBM受困的主要原因是页岩受地质构造作用后，剪裂带多呈破碎且部分含“剪磨泥\一旦开挖至此地质软弱带时，开挖面围岩容易崩塌。大量土石渣料挤入刀盘及盾体内，造成TBM刀盘受阻，且渣料输送系统来不及处理而受困。在遭遇涌水地点，属于页岩中的较透水的破碎带，其汇集的水量较大，当开挖此软弱带时，开挖面先发生坍塌，水也随即由松动的破碎带中涌出。

因此，为了克服沿隧道方向的不良地质条件带来的不利影响，拟采用向掌子面前方进行系统、持续的预处理方案，但由于该方案预计费用较高、需用时间较长而排除在外。最后决定采用钻爆法穿过这一石英岩层区，然后回过头来在地质情况良好的地段再使用两台大直径TBM进行机械化开挖。

第八章 沉井结构设计

24． 简述沉井结构的特点及适用范围。

答：沉井施工法是深基础施工中采用的主要施工方法之一。它不需要板桩围护，施工操作简便，技术安全可靠；比敞口明挖占地面积小、挖土量少、对邻近建筑物的影响较小、产生的地表沉降和位移较小；同时，由于沉井基础埋置较深，稳定性好，能够支持较大的荷载。加之沉井施工技术的不断发展和日臻完善，只要施工措施选择恰当，它几乎可适用于任何环境和地质条件。目前，沉井施工方法已广泛应用于桥梁墩台基础、取水构筑物、排水泵站、地下油库、大型排水窨井、盾构或顶管的工作井等工程。

25． 沉井结构都由哪几部分组成？各有什么构造要求？

答：沉井一般由井壁、顶板、封底、内隔墙、取土井、凹槽和刃脚等部分组成。

⑴井壁。井壁即沉井外壁，是沉井重要的结构构件。在施工下沉阶段，井壁承受周围水、土压力所引起的弯曲应力，同时要有足够的自重以克服井筒外壁与土的摩擦力和刃脚踏面底部土的阻力，使沉井能够下沉到设计标高；施工完成后，井壁成为传递上部荷载的基础或基础的一部分。因此，井壁应有足够的厚度与强度。此外，井壁内根据需要还常埋设有射水管、探测管、泥浆罐和风管等。

井壁厚度应根据结构强度、施工下沉需要的重力、便于取土和清基等因素而定。设计时通常先假定井壁厚度，再进行强度验算。井壁厚度一般为0．4～1．2m。有战时防护要求的，井壁厚度可达1．5～1．8m。但钢筋混凝土薄壁沉井及钢模薄壁浮式沉井的壁厚不受此。为了承受在下沉过程中各种最不利的荷载组合(水、土压力)所产生的内力，在钢筋混凝土井壁中一般应配置两层竖向钢筋及水平钢筋，以承受弯曲应力。

⑵刃脚。井壁最下端一般都做成刀刃状的“刃脚”，其主要作用是减少下沉阻力。刃脚还应具有一定的强度，以免下沉过程中损坏，一般采用不低于C20的钢筋混凝土制成。刃脚底的水平面称为踏面。踏面宽度b一般为10~30cm，视所通过土质的软硬及井壁厚度而定。沉井重，土质软时，踏面要宽些；相反，沉井轻，又要穿过硬土层时，踏面要窄些，有时甚至要用角钢加固的钢刃脚。刃脚内侧的倾角（刃脚斜面与水平面的夹角）一般应不小于45°。刃脚的高度应视井壁厚度而定，同时应考虑方便抽拔垫木和挖土。

⑶凹槽。为了使封底混凝土和底板与井壁间有更好的联结，以传递基底反力，

使沉井成为空间结构受力，常于刃脚上方的井壁上预留凹槽。此外，如施工中遇到特殊困难，还可在凹槽处浇筑钢筋混凝土盖板，改为压气沉箱施工。凹槽底面距刃脚踏面的高度h一般在2.5m以上，凹入深度c约0.15~0.25m，槽高d约1.0m，近于封底混凝土的厚度，以保证封底工作顺利进行。

⑷内隔墙和底梁。当沉井平面尺寸较大时，应在其内部设置内隔墙。内隔墙的主要作用是增加沉井在下沉过程中的刚度并减小井壁跨径，同时又把整个沉井分隔成多个施工井孔（取土井），使挖土和下沉可以较均衡地进行，也便于沉井偏斜时的纠偏。内隔墙的间距一般不大于5~6m，厚度一般为0.5~1.0m。为避免土体顶住内墙妨碍沉井下沉，内隔墙的底面一般应比井壁刃脚踏面高出0.5~1.0m。但当穿越软土层时，为了防止沉井“突沉”，也可与井壁刃脚踏面齐平。内隔墙下部应设过人孔，供施工人员于各取土井间往来之用。人孔的尺寸一般为0.8×1.2m~1.1×1.2m左右。

在某些大型的沉井中，由于使用要求，不能设置内隔墙，则可在沉井底部增设底梁，并构成框架以增加沉井在施工下沉阶段和使用阶段的整体刚度。有的沉井因高度较大，常于井壁不同高度设置若干道由纵横大梁组成的水平框架，以减少井壁的跨度，使整个沉井结构布置合理、经济。

⑸取土井。取土井是沉井下沉施工过程中挖土、排土的工作场所和通道，在平面上应沿沉井的中轴线对称布置，以利于沉井均匀下沉和纠偏。取土井孔尺寸视挖土方法而定，除应满足使用要求之外，还应保证挖土机具可在井孔中自由升降，不受阻碍。用挖土斗取土时，取土井孔的最小边长一般不小于2.5m。

⑹封底。当沉井下沉到设计标高，经过技术检验并对坑底清理后，即可封底，以防止地下水渗入井内。封底可分湿封底(即水下浇筑混凝土)和干封底两种，若井中的水可以排干（渗水量上升速度不大于6mm/min），排水后用C15或C20普通混凝土浇筑封底；若井中是渗水量大于6mm/min时，宜采用导管法浇筑C20水下混凝土封底。封底混凝土厚度按照承载力条件计算确定，一般其顶面应高出凹槽顶面0.5m。封底完毕，待混凝土结硬后即可在其上方浇筑钢筋混凝上底板。

⑺顶板。在沉井下沉完毕并封底后，如作基础用，则取土井可用素混凝土、片石混凝土或片石填充，此时沉井可采用素混凝土顶板。但在其他情况下，若条件允许，为节约工期和造价、减轻结构自重，可做成空心沉井或以其他松散料（粗砂或砂砾）填心，此时沉井顶部须设置钢筋混凝土顶板，顶板厚度一般为1.0~2.0m，配筋由承载力计算和构造要求确定。

26． 沉井下沉施工中引起土体移动的因素有哪些？如何防止？

答：(1)沉井下沉施工引起土体移动的主要因素：

①沉井下沉时，对粘性土来说,主要由于井内、外土面的高差，使井外土柱自重压力和下沉时摩擦力的影响，造成井周的土体产生侧向变形，以致井外的土体沿刃脚底部不断被挤入井内；②在沉井下沉时，除了上述应力的作用外，主要是由于地下水的渗流作用，使土大量随水涌入井内，对于粉细砂而言，还会产生流砂现象；③沉井在下沉过程中，由于倾斜、位移和多次纠偏，使井外土体松动，以及一些沉井结构为了减少井壁与土之间的摩擦力，立面形状设计为下大上小等情况，这些原因都促成了沉井周围土体破坏和坍塌；④沉井下沉后期，由于下沉系数减少，下沉力接近于摩擦力，这时须用人工或潜水员掏挖刃脚才能使沉井下沉，因为刃脚不再埋入土层中，所以增加了井外泥砂涌入井内的数量，这也是造成周围地面坍陷的原因之一。

(2)防止措施：

沉井下沉对四周土体的破坏不可能完全避免，但可采取如下措施尽量减少坍陷范围：①最大沉井的下沉系数，在软土中下沉沉井时，可使沉井刃脚埋入土中1.5~3.0m，以阻碍土体从井外向井内涌入,这样对稳定井外的土体有利；②在粉、细砂土层中下沉沉井时，为避免产生管涌现象和流砂大量流入井内，关键在于降低沉井四周地下水位，从根本上截断井内地下水位的补给来源；③在沉井四周如坍陷严重时，应及时进行回填，特别对四周不均匀坍陷更应注意，以免由于沉井四周土压力不均匀而引起沉井发生过大的倾斜；④下沉坍陷范围内不允许堆载，如有堆载会加剧坍陷。

27． 如何计算作用于沉井井壁上的土压力？

答：取刃脚根部以上高度等于该处井壁厚度t的一段井壁进行土压力计算，如题图8-4所示。图中E即表示该段段井壁上的土压力。

te'（井壁厚）AEBe''t刃脚根部刃脚刃脚底面

题图8-4 刃脚根部以上等井壁厚一段井壁土压力计算图

e'e''t 显然： E2其中：e'—作用在A截面处土的压强（kPa）； e''—作用在B截面处土的压强（kPa）。

土压力E的作用点距离刃脚根部

e'2e''t处。 e'e''3其余各段井壁的计算，可按井壁断面的变化，将井壁分成数段，取每一段中控制设计的井壁（位于每一段最下端的单位高度）进行计算，最后将各分段土压力进行力的合成即可得到最终的土压力。

28． 简述沉井结构设计的一般要求及施工步骤。

答：沉井结构在施工阶段必须具有足够的强度和刚度，以保证沉井能稳定、可靠地下沉到拟定的设计标高。待沉到设计标高，全部结构浇筑完毕并正式交付使用后，结构的传力体系、荷载和受力状态均与沉井在施工下沉阶段大不相同。因此，在沉井结构的设计与计算时，必须兼顾施工阶段和使用阶段的各项要求。

沉井结构设计主要包括如下内容： ⑴ 沉井建筑平面布置的确定

⑵ 沉井主要尺寸的确定和下沉系数的验算

①参考已建类似的沉井结构，初定沉井的平面尺寸、高度、井孔尺寸及井壁厚度等几个主要尺寸，并估算下沉系数，以控制沉速；

②估算沉井的抗浮系数，以控制底板的厚度等。 ⑶ 施工阶段强度计算 ①井壁板的内力计算； ②刃脚的挠曲计算；

③底横梁、顶横梁的内力计算，等等。 ⑷ 使用阶段的强度计算

按封闭框架(水平或垂直方向)或圆形结构来计算井壁并配筋； ②顶、底板的内力计算及配筋。

沉井施工步骤：施工时先在建筑地点整平地面，制作第一节沉井，接着在井壁的围护下，从井底挖土，随着土体的不断挖深，沉井因自重作用克服井壁土的摩阻力而逐渐下沉。当第一节井筒露出地面不多时停止开挖下沉，接高井筒，待到达规定强度后再挖土下沉。这样交替操作一直下沉到设计标高，然后封底，浇筑钢筋混凝土底、顶板等工作，做成地下建筑物。

6．某矩形沉井封底前自重2600t,沉井的长为25m，宽为20m，高为

11m，一次下沉。假定踏面宽a=25cm，b=35cm，刃脚高为65cm，试求沉井刚开始下沉时刃脚所需配置的钢筋数量。

解：求单位周长上沉井的自重： 根据公式（8-8）及（8-9）可得：

求作用在斜面上的水平反力：

则：

对截面m—n中点O点的弯矩M为

由于弯矩甚小，仅需按构造配筋即可，选用20@200'。

第九章 沉管结构设计

1． 简述沉管施工的工艺和特点。

答：（一）沉管隧道施工工艺。沉管法施工，又称为预制管段施工法、沉放施工法等。施工时，先在隧址以外建造临时干坞，在干坞内制作钢筋混凝土的隧道管段（道路隧道用的管段每节长60～140m，目前最长可达300m，但多数在100m左右），两端用临时封墙封闭起来。制成后向临时干坞内灌水，使管段逐节浮出水面，并用拖轮拖运到指定位置上去。这时于设计隧位处，已预先挖好一个水底沟槽。待管段定位就绪后，向管段里灌水压载，使之下沉至水底沟槽内指定位置。然后把这些沉设完毕的管段在水下联接起来。最后进行基础处理，经覆土回填后，便筑成了隧道。

（二）沉管法施工的特点

与其他水底隧道施工方法相比，沉管法施工有其自身独有的特点。 其主要优点是：

⑴ 隧道的施工质量容易控制； ⑵ 建筑单价和工程总价均较低； ⑶ 隧位现场的施工期短； ⑷ 操作条件好；

⑸ 对地质条件的适应性强，能在流砂层中施工，不需特殊设备或措施； ⑹ 适用水深范围几乎是无的，在实际工程中曾达到水下60m，如以潜水作业的最大深度作为限度，则沉管隧道的最大深度可达70m； ⑺ 断面形状选择的自由度较大，断面空间的利用率较高。一个断面内可容

纳4～8个车道。 其主要缺点是：

⑴需要一个站用较大场地的干坞，这在市区内有时很难实施，需在远离市区较远的地方建造干坞。

⑵基槽开挖数量较大且需进行清淤，对航运和市区环境的影响较大。另外，河（海）床地形地貌复杂的情况下，会大幅增加施工难度和造价。

⑶管段浮运、沉放作业需考虑水文、气象条件等的影响。

⑷水体流速会影响管段沉放的准确度。水流较急时，沉设困难，须用作业台

施工；超过一定的流速可能导致沉管无法施工。

⑸施工时须与航道部门密切配合，采取措施（如暂时的航道迁移等）以保证航道畅通，有时需短期局部封航。

2． 分析比较圆形和矩形两种截面形式沉管的优缺点。

答：⑴圆形沉管

圆形沉管施工时大多利用船厂的船台制作钢壳，制成后沿着船台滑道滑行下水，然后在漂浮状态下系泊于码头边上，进行水上钢筋混凝土作业。此类沉管的横断面，内部均为圆形，外部可为圆形、八角形或花篮形。

其主要优点是：①由于圆形断面受力性能好，结构弯矩较小，在隧址处水位较深时相比其他断面形式能够节省材料，更为经济；②沉管的底宽较小，基础处理相对容易；③钢壳既是浇筑混凝土的外膜，又是隧道的防水层，这种防水层不会在浮运过程中被碰损；④当具备利用船厂设备的条件时，工期较短，尤其是当管段用量较大时更为明显。

其主要缺点是：①圆形断面空间，常常无法充分利用；②车道上方必定余出一个净空限界以外的空间（在采用全横向通风方式时，可作为排风道使用），使车道路面高程压低，从而增加了隧道全长以及挖槽土方数量；③浮于水面进行浇筑混凝土时，整个结构受力复杂，应力很高，故耗钢量巨大，沉管造价高；④钢壳制作时的焊接质量难以保证，一旦出现渗漏，难以弥补和截堵；⑤钢壳本身的长期耐久性（防锈抗蚀能力）问题迄今未得到令人满意的解决；⑥圆形沉管只能容纳两个车道，若需要多个车道，必须另行沉管。因此，自20世纪50年代后，圆形沉管很少被采用。

⑵矩形沉管

此类沉管多在临时干坞中制作钢筋混凝土管段，管段内可同时容纳2~8个车道。

其主要优点是：①不占用造船厂设备，不妨碍造船工业生产；②车道上方没有非必要空间，空间利用率较高；③车道最低点的高程较高，隧道全长较短，挖槽土方量少；④建造4~8个车道的多车道隧道时，工程量与施工费用均较省；⑤一般不需钢壳，可大量节省钢材。

其主要缺点是：①必须建造临时干坞；②由于矩形沉管干舷较小，因此在浇筑混凝土及浮运工程中，必须有一系列严格的控制措施。

通过上述比较可见，矩形沉管隧道的优势非常明显，因此，目前的工程中多采用矩形断面沉管。

3． 沉管的浮力设计包括哪些内容？简述干舷在管段运输中的作

用。

答：在沉管结构设计中，有一个与其它地下建筑迥然不同的特点，就是必须处理好浮力与重量间的关系，这就是所谓的浮力设计。浮力设计的内容包括干舷的选定和抗浮安全系数的验算，其目的是最终确定沉管结构的高度和外轮廓尺寸。

管段在浮运时，为了保持稳定，必须使管顶露出水面，露出的高度就称作为干舷。具有一定干舷的管段，遇到风浪而发生倾侧后，便会自动产生一个反倾力矩，使管段恢复平衡。

4． 简述沉管结构的荷载、沉管结构的设计内容。

答：作用在沉管结构上的荷载计有：结构自重、水压力、土压力、地基反力、浮力、施工荷载、预应力、沉降摩擦力、波浪和水流压力、车辆活载、沉船荷载、混凝土收缩影响、变温影响、不均匀沉陷影响、地震荷载等，其中只有结构自重及其相应的地基反力是恒载。具体荷载类型见题表9-4所示。

题表9-4 沉管结构荷载 荷载作用方向 横 向 ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ 纵 向 ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ 荷载名称 荷载类型 基本荷载 基本荷载 基本荷载 基本荷载 附加荷载 附加荷载 偶然荷载 偶然荷载 水土压力、结构自重、管段内外压载重 管内建筑及车辆荷载 浮力、地基反力 混凝土收缩应力 施工荷载、温差应力 不均匀沉降产生的应力 沉船抛锚及河道疏浚产生的特殊荷载 地震荷载 注：表中“▲”标记表示该方向作用有此种荷载。

管段荷载计算应根据管段在预制、浮运、沉设和运营等各不同阶段进行荷载组合，荷载组合一般考虑以下三种：

A 基本荷载；

B 基本荷载+附加荷载； C 基本荷载+偶然荷载。

沉管结构设计内容主要包括横向结构分析、纵向结构分析、配筋以及预应力的应用等。

5． 简述沉管管段沉设方法以及沉设作业的主要步骤。

答：⑴沉设方法

预制管段沉设是沉管隧道施工中的重要环节之一，它不仅受气候与河流等自

然条件的直接影响，还受到航道、施工设备等条件的制约。在沉设施工时应根据自然条件、航道情况、管段规模以及设备条件等因素，因地制宜选用最经济的沉设方案。

目前的沉设方法主要包括吊沉法（又分为分吊法、扛吊法和骑吊法）和拉沉法两大类。

⑵沉设作业。管段沉设作业大体可以分为下列几个步骤： 沉设准备；②管段就位；③管段下沉；④水下连接。

6． 简述水力压接法的主要原理及其施工工序。

答：管段沉设完毕后，须与既设管段或竖井接合起来，这项工作在水下进行，故称水下连接。水力压接法就是利用作用在管段上的巨大水压力使安装在管段前端面（即靠近既设管段或竖井的端面）周边上的一圈胶垫发生压缩变形，形成一个水密性相当良好可靠的管段间接头。

水力压接法进行沉管隧道水下连接的主要工序是：对位——拉合——压接——拆除端封墙。在管段下沉就位完毕后，先将新设管段拉向既设管段并靠紧，这时胶垫产生了第一次压缩变形，并具有初步止水作用。此后随即将既设管段后端的端封墙与新设管段前端的端封墙之间的水（此时这部分水已与河水隔离）排走。排水之前，作用在新设管段前、后两端封墙上的水压力是相互平衡的；排水之后，作用在前端封墙上的水压力变成一个大气压力的空气压力，于是作用在后端封墙上的巨大水压力就将管段推向前方，使胶垫产生第二次压缩变形。经二次压缩变形后的胶垫，使管段接头具有非常可靠的水密性。

7．简述沉管基础的特点、基础处理的目的以及不同地质条件下的沉管基础的处理措施。

答：在一般地面建筑中，如果建筑物基底的地质条件差，就需要做适当的基础，否则就会发生有害的沉降，甚至有坍塌的危险。如遇流砂层，施工时还必须采取疏干或其他特殊措施。在水底沉管隧道中，情况就完全不同。首先，不会产生由于土壤固结或剪切破坏所引起的沉降。因为作用在沟槽底面的荷载，在设置沉管后非但未增加，反倒减小了，因此沉管隧道很少需要构筑人工基础以解决沉降问题；此外，沉管隧道施工时是在水下开挖沟槽的，没有产生流砂现象的可能，所以沉管隧道对各种地质条件的适应性很强。因此，一般水底沉管隧道施工前，不必像其它水底隧道施工法那样，必须进行大量的水上钻探工作。

沉管隧道对各种地质条件的适应性都很强，一般不需构筑人工基础，但施工时仍须进行基础处理。不过其目的不是为了应对地基土的沉降，而是为了解决开槽作业后的槽底不平整问题。

沉管隧道的基础处理方法，大体上可分为先铺法和后填法两大类。先铺法包括刮砂法和刮石法，是在管段沉设之前，先在槽底上铺好砂、石垫层，然后将管段沉设在这垫层上，这种方法适用于底宽较小的沉管工程；后填法是在管段沉设完毕之后，向管段底部空间回填垫料以进行垫平作业，主要包括灌砂法、喷砂法、

灌囊法、压砂浆法压混凝土法，该法大多（灌砂法除外）适用于底宽较大的沉管工程。沉管隧道的各种基础处理方法，概以消除底部不利空隙为目的，各种不同处理方法之间的差别，仅是“垫平”的手段不同而己。尽管如此，对于不同的“垫平”方式，其效率、效果以及经济上的差别却很大，因此在设计时必须详细比较、审慎选取。

第十章地下连续墙结构设计

29． 试述地下连续墙结构的优点及适用条件。

答：地下连续墙，是指利用挖槽机械，借助于泥浆的护壁作用，在地下挖出窄而深的沟槽，并在其内浇注混泥土而形成一道具有防渗（水）、挡土和承重功能的连续的地下连续墙体。

其优点在于：1）施工时对环境影响小，特别在软土地层施工时没有噪音、无振动、不必放坡、省去支模、有时甚至可免去井点排水装置；2）可紧邻相邻的建筑和地下设施施工，对相邻工程结构和地下设施影响极微；3）墙体刚度大，整体性好，结构和地基变形都较小，既可用于超深围护结构，也可用作主体结构，具有多功能，适用多种用途等；4）对地面交通影响较小；5）适用于多种地质情况；6）单体造价有时可能较高，但在密集建筑群的城市中采用该法，可减少对附近建筑物的加固费用。这样，其总造价可能反而降低；7）连续墙为整体连续结构，耐久性和抗渗性好；8）可实行逆作法施工，有利于施工安全，加快施工进度。

主要适用场合：1）基坑深度大于10m；2）软土地基或砂土地基；3）在密集的建筑群和重要的地下管线条件下施工，对基坑工程周围地面沉降和位移值有严格的地下工程；4）围护结构与主体结构相结合，对抗渗有严格要求时；5）采用逆作法施工，内衬与护壁形成复合结构的工程。

30． 地下连续墙壁构包括哪些设计内容？

答：地下连续墙设计计算的主要内容包括以下几方面：

1）确定荷载，包括土压力、水压力等。2）确定地下连续墙的入土深度。3）槽壁稳定验算。根据已选定的地下连续墙入土深度，假定槽段长度，即可进行槽壁稳定验算。4）地下连续墙静力计算。5）配筋计算，构件强度验算，裂缝开展验算，垂直接头计算。

31． 导墙作用是什么？如何确定导墙的深度与宽度？

答：导墙是指地下连续墙开槽施工前，沿连续墙轴线方向全长周边设置的导向槽，通常作为建造地下连续墙必不可少的临时构造物，一般为了方便做防水收口和防止渗水而设计，同时也是地下连续墙开挖的导向槽。

32． 地下连续墙结构作为围护结构和主体结构一部分的设计计算

有何不同之处？

答：地下连续墙的设计一般包括：槽壁稳定及槽幅设计、槽段划分、导墙设计、连续墙内力计算及配筋设计，连续墙接头设计等内容。把地下连续墙用作主体结构物的一部分来设计时，除上述设计外，必须验算如下两种应力：在结构物完成之后，作用在墙体上的土压力、水压力以及作用在主体结构物上的垂直、水平荷载等产生的应力；在施工阶段，由作用在临时挡土墙上的土压力、水压力产生的应力。

33． 地下连续墙槽段划分的依据是什么？槽段长度对槽壁稳定性

有何影响？

答：槽段划分应结合成槽施工顺序、连续墙接头形式、主体结构布置及设缝要求等确定。由于槽段划分确定了连续墙接头位置，因此该位置应避开预留钢筋或接驳器位置，并应尽量与结构缝位置吻合。另外还应考虑地下连续墙分期施工的接头预留位置的影响等。在采用公母槽段前后连续相接的连续墙施工中，往往第一副槽段的确定较为重要。从本章公式10-1至10-5可见，槽段长度L对坍塌系数和横向变形系数均有明显影响。

34． 地下连续墙结构槽段间接头形式有哪几种？其适用条件如

何？

答：地下连续墙的接头形式较多，可分为两类：施工接头和结构接头。施工接头即是浇注地下连续墙时连接两相邻单元墙间的接头，包括直接连接构成接头、使用接头管建成的接头、使用接头箱建成的接头、用隔板建成的接头、用预制构件建成的接头。适用条件参见10.4节。

35． 作为主体结构一部分的地下连续墙结构与主体结构的连接有

哪些方式？其各自特点及适用条件如何？

答：结构接头是已竣工的地下连续墙与地下结构其他构件（粱、柱、楼板）相连接的接头，包括直接连接成的接头和间接连接成的接头，其中间接连接成的结构又包含铁板媒介连接和剪刀块连接。适用条件参见10.4节。