地下建筑结构论文

地下建筑结构的理念内容与发展概述

（建筑行业）

地下建筑结构的理念内容与发展概述

摘要：本文作者通过对地下建筑结构相关论文的查找，向读者阐述了地下建筑结构设计的理念与新进展。在文中分别介绍地下建筑结构设计的内容、设计的原则和设计方法，并详细地介绍地下建筑节能设计理念、结构设计中的防潮设计理念、结构防震设计理念、通风与照明设计理念以及结构抗浮设计理念，使读者对地下建筑结构的设计理念有初步的了解，最后对地下建筑结构的发展历史及新发展也做了简要的介绍。

关键字：地下结构 ；设计理念；新发展

ENDERGROUND ARCHITECTURAL STRUCTURE OF DESIGN CONCEPTS AND NEW PROGRESS

Abstract:The author of the underground structure relevant thesis search, expounded the reader to underground architectural structure design and the concept of new progress. In this paper are introduced the underground structure design of content, design principle and design method, and detailed introduction to underground building energy efficiency design concept, structure design of the moistureproof design concept, structure shockproof design concept, ventilation and lighting design concept and structure anti-uplift design concept, make the reader to underground architectural structure design concept to have a preliminary understanding, finally to underground architectural structure and history of new development also gives a brief introduction.

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Keywords: Underground structure;Design concept; New development

引 言

地下建筑是修建在地层中的建筑物，它可以分为两大类：一类是修建在土层中的地下建筑结构；另一类是修建在岩层中的地下建筑结构。地下建筑通常包括在地下开挖的各种隧道与洞室。铁路、公路、矿山、水电、国防、城市地铁、人行通道、立交地道及城市建设等许多领域，都有大量的地下工程。随着科学技术和国民经济的发展，地下建筑将会有更为广泛的新用途，如地下储气库、地下储热库及地下废料密闭储藏库等。

地下建筑结构，即埋置于地层内部的结构。修建地下建筑物时，首先按照使用要求在地层中挖掘洞室，然后沿洞室周边修建永久性支护结构——衬砌。为了满足使用要求，在衬砌内部尚需修建必要的梁、板、柱、墙体等内部结构。所以，地下建筑结构包括衬砌结构和内部结构两部分[1]。

地下建筑结构分为两大类：岩石地下建筑结构和土层地下建筑结构。岩石地下建筑指在岩体中人工开挖的地下洞室或利用天然溶洞修建的地下厂房、电站、仓库、人防工程等工业与民用建筑，其结构型式包括拱形衬砌结构、锚喷衬砌结构、弯顶衬砌结构。此外，尚有梁、板、柱、墙体等内部结构；土层地下结构型式有地下梁板结构，无梁楼益结构、矩形框架结构、单栱和多跨连拱结构 、圆形结构等[2]。随着土木工程的发展，特别是岩土工程的发展。地下建筑结构在设计理念、施工方法上都有很多新的突破，新的发展。本片论文将在地下建筑结构的设计理念，及新的进展方面向读者进行介绍。

地下建筑结构的设计理念

一、地下建筑结构设计内容

修建地下建筑结构，必须按基本建设的程序进行勘测、设计和施工。设计分工艺设计、规划设计、建筑设计、防护设计、结构设计、设备设计和概预算设计

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等。每一个工程经过结构方案比较，选定了结构形式和结构平面布置后，再进行结构设计。与本课程相关的是建筑结构形式的选择和结构设计。地下建筑结构设计的主要内容如下： (1)初步拟定截面尺寸

根据施工方法选定结构形式和结构平面布置，根据荷载和使用要求估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等主要尺寸。

初步拟定地下建筑结构形状和尺寸需要考虑以下三个方面：

1）衬砌的内轮廓必须符合地下建筑使用的要求和净空限界，同时要选择符合施工方法的结构断面形式。

2）构轴线应尽可能与在荷载作用下所决定的压力线重合。

3）截面厚度是结构轴线确定以后的重点设计内容，要判断设计厚度的截面是否有足够的强度 (2)确定结构上作用的荷载

根据荷载作用组合的要求确定荷载，必要时要考虑工程的防护等级、三防要求(防核武器、防化学武器、防生物武器)与动载标准。 (3)结构内力计算 (4)结构的稳定性验算

地下结构埋深较大又位于地下水位以下时，要进行抗浮验算；对于明挖深基坑文档结构要进行抗倾覆、抗滑动验算。

选择与工作条件相适宜的计算模型和计算方法，得出各种控制截面的结构内力。 (5)内力组合

在各种荷载作用下分别计算结构内力，在此基础上对最不利的可能情况进行内力组合，求出各控制截面的最大设计内力值，并进行截面强度验算。 (6)配筋计算

核算截面强度和裂缝宽度得出受力钢筋并确定必要的构造钢筋。 (7)安全性评价

如果结构的稳定性或截面强度不符合安全度的要求时，需要重新拟定截面尺寸，并重复以上各个步骤，直至截面均符合稳定性和强度要求为止。

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(8)绘制施工设计图

并不是所有的地下建筑结构设计都包括上述各项内容，要根据具体情况加以取舍。

地下建筑结构设计中，一般先采用经验类比或推论的方法，初步拟定衬砌结构截面尺寸。按照这个截面尺寸计算在荷载作用下的截面内力，并检验其强度。如果截面强度不足或是截面富裕太多，就得调整截面尺寸重新计算，直至合适为止。

结构设计要考虑什么?结构设计必须将荷载考虑完全，结构强度计算正确，安全风险评估合理，并且符合国家及每个工程项目的相关规范。1994年，西非石油储罐的设计是失误的设计。每个石油储罐高15m，6个安装储罐中的2个在施工过程中由于突发风暴而破坏(图2—1)。这个偶然荷载(突发风暴)在设计阶段已经预示了，但是没有考虑风载压在有扣的储油罐上的情况，致使储油罐惨遭破坏，损失100万美元。另一个实例是由于设计失误导致涡轮发电机组爆炸(图2—2)，设计阶段由于应力分析不精确，600MW涡轮发电机在安全测试时粉碎。主轴有11处遭到了破坏，有3t材料抛射穿过隔离墙，电站列车85％被破坏，损失近4000万美元。1995年，日本神户——大板高速公路由于地震抗力设计可行性研究不足，虽然知道地震可能发生，但是并没有估计，导致在40s地震(里氏7．2)时间里，高速公路基础校剪切破坏，高速公路坍塌(图2—3)，损失l00亿美元。众所周知，对于协和式飞机(图2—4)潜在的爆胎、油箱爆裂等问题，都是由于风险估算不足，导致114人死亡。

伦敦地铁和英吉利海峡隧道是地下建筑结构著名设计。伦敦地铁是世界上第一条地铁。地铁挖掘方法采用明挖法施工，先挖掘了一个宽10m、深6m的深基坑，再建成拱形的砖顶，然后将土回填，在地面上重建道路和房屋。

经过100多年，伦敦地铁随着城市一起不断地扩建，几乎所有的线路都建设了延长线。12条地铁线在城市的地下纵横交错，构成密集的城市轨道交通网，使伦敦成为世界上地铁最发达的城市之一。伦敦地铁设计也因此成为设计最成功的范例之一。

英法海峡隧道长48km，大约有35km是在水下，成为世界上最长的水下隧道[3]。

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二、地下建筑结构设计原则

由于地下建筑结构的建设费用昂贵，在施工过程中，又受许多不确定性因素影g向，任何疏忽都有可能导致设计的失败。所以要求地下建筑结构设计必须按照安全可靠、技术可行、经济合理的原则进行。

地下建筑结构设计应按相关的行业规范执行。如《混凝土结构设计规范》(GB 50010一2002)、《铁路隧道设计规范》(TBloo03—2005)、《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)、《地铁设计规范》(GB50157—2003)、《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB 50086—2001)和《水工隧洞设计规范》(SL 279—2002)等。

三、地下建筑结构设计方法

1、工程类比设计方法

地下建筑结构的工程类比设计方法就是将拟建地下工程的自然条件和工程条件与已建成的类似工程相比较，将已建成工程的稳定状况、影响因素及工程设计等方面的有关经验，应用到类似的所要建设的地下工程中去，进而确定有关设计参数的一种方法。

地下建筑结构工程类比设计的基础是充分掌握和占有已往类似工程的资料和成功经验，前提是正确地对地下工程围岩进行分级。对于用工程类比法设计的地下工程，成功建造的关键是做好施工过程的监控量测和信息反馈。

工程类比设计方法的优点是能综合考虑多种非确定性影响因素，快速地对拟建地下建筑结构的设计参数作出估算和评价。该方法的主要缺点是进行工程类比时往往以人的经验为主，解决地下建筑结构设计问题的范围较窄并带有很大的主观性。

2、力学模型设计方法

进行地下建筑结构设计之前，首先要根据具体工程的特点，抽象出合理的力学结构模型，然后基于力学模型进行地下建筑结构设计。地下建筑结构设计一般为超静定结构，结构内力只有在拟定了结构的尺寸、材料和构造并确定地下工程的荷载类型和大小后，才能计算出结构的内力，验算结构的强度、刚度和稳定性。如果满足结构设计的要求，则选定初设的结构尺寸、材料和构造；否则，重复上述过程反复迭代计算，直到满足设计要求。

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对于混凝土梁、板、柱、拼装的弧板、复合衬砌等地下建筑结构，根据确定的荷载可以按容许应力法、破损阶段法和极限状态法进行验算分析。 3、结构可靠度设计方法

地下建筑结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性，综合考虑各砷影响因素以后，可以用“失效概率”或“可靠度”来定量地描述。

四、地下建筑节能设计理念

地下建筑节能和建筑设计类似公共建筑节能设计标准,规定性指标可进一步分为建筑节能设计、室内环境节能设计计算参数和内部设备[4]。在此主要结合地下建筑的特点探讨建筑节能设计方面的有关问题。作为地下建筑,即使是浅埋类型,其围护结构的热工性能也要优于地面的保温建筑,这是地下建筑在节能方面的优势。此外,地下建筑也不用考虑遮阳设计。

地下建筑的节能设计应当充分考虑自然通风的有效利用。地下建筑的节能设计还必须针对工程潮湿的特点采取有效的措施。 1、地下建筑自然通风

自然通风是对自然能源的有效开发和利用。与机械通风相比,自然通风具有系统简单、管理方便、不用动力设备、节省钢材和运行费用以及无噪声污染等优点,对于节能有重要的意义。一切有条件利用自然通风的地下建筑,都应在满足室内空气参数的前提下,合理利用自然通风。建筑设计与自然通风关系十分密切。建筑的平面布局、风井的位置、风口的形式和尺寸都将直接影响到建筑自然通风的实际效果。

2、建筑平面布局和风井设计

地下建筑平面布局应保证自然通风气流能通畅地流经每个房间,并且气流阻力要小。高、低风井位置的确定,应注意能控制全局,避免出现气流短路,并使各房间气流均匀。同时还要考虑能利用地形、地物,有利于利用风压等因素。 1)平面布置

坑道式地下建筑的平面形式一般应布置成:通道式(通室式)、多巷式、回廊式和平行通道式[6]。

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图2 自然通风平面布置

Fig.2 Layout plan of natural ventilation

2)高、低口布置因为形成自然通风的原因有热压和风压两种,所以,使热压作用的方向与风压作用的方向一致,是自然通风设计的关键环节。 a.组织半定向式自然通风

热压作用所形成的气流,夏季高口进、低口排,冬季则相反。所以,建筑设计时,有目的地将水平出入口设在山体的两侧,并造成两口间适当的高差,使高口朝向夏季的主导风向,低口朝向冬季主导风向,将垂直出入口设在山体迎向夏季主导风向的一侧,使其成为高风井。专设高风井的,一般将高风井设在工程通风房间的中部。如果被覆层中间部位太厚,打风井造价过高时,可在朝向夏季主导风向的一端设高风井。如工程内外没有余热可以利用的,可根据季节改变风口形式。夏季,将高口改为进风型风口,低口改为排风型风口,使风压作用产生的气流方向与热压作用所产生的气流方向一致;冬季则相反。

b.组织定向自然通风当工程内有余热时,可以利用余热加热高风井排风,使该排风温度始终高于夏季室外气温。这样可以使热压作用产生的气流方向始终是低口进风、高口排风。 2、风口设计

风口的设计包括两部分:

1）房间隔墙及天花弧上的自然通风口房间隔墙上的风口要求:

a·风口装置阻力小,风口面积尽量大;

b·孔口气流速度一般应小于0·5 m/s;c·设百叶的铝板网风口时,注意竖百叶的安装角度,应顺向气流方向,起到导流作用。百叶角度以0~30°为宜。铝板网安装时,也要注意铝条的倾斜角度,使其顺向气流方向。 2）气流方向。

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风井上室内风口和风井上地面风口:风井上室内风口面积应当等于或大于风井的断面积。对于防护工程,风口应当具备防护功能。风井上地面风口的设计主要应注意两点:a.阻力小;b.利用风压。对于常用的百叶型风口,为减少百叶对气流的阻力,应在条件允许的情况下,尽可能地加大百叶的间距,将百叶厚度减薄,并使百叶表面尽量光滑。地下建筑自然进、排风井口宜设置风帽以利用风压,风帽应当严格区分进风型和排风型[5]。

五、地下建筑结构设计中的防潮设计理念

地下建筑与地面建筑相比,很大的一个特点就是潮湿,特别是在夏季。地下建筑潮湿的原因主要有四个方面: 1)被覆层漏水； 2)施工余水； 3)工程内部的散湿； 4)潮湿空气带进的湿量。

其中第1)、2)、3)条属于“内扰”,第4)条属于“外扰”。解决潮湿问题的措施一方面是防潮,一方面除湿。防潮主要是对内部湿源进行控制,具体来说就是防止工程周围的裂隙水进入内部。除湿则是利用建筑设备使工程内空气的含湿量降低。除湿实际上是对内外扰动的一个补偿过程,是以一定的建筑运行能耗为代价的。因此,实施严格的防潮措施,尽量减少除湿设备负荷也是地下建筑节能的重要途径。地下建筑的防潮措施归纳起来可从下面三方面来把握[2]:总体布局、土建设计和工艺布置。 1、总体布局 1)洞址选择。

要选择山形完整、岩性均一、节理裂隙不发育、无断层、地下水少和覆盖层厚的地段布置地下建筑。洞轴走向要尽量沿山脊布置并尽量避开山体表面外露岩石突出、破碎、构造差异大的地段,以减少山体裂隙水向洞室内渗漏。地下建筑上面的山体表面不应有大面积的坑洼,以免下雨后积水渗漏。 2)山体表面水的疏导。

地下建筑范围内的山体表面,结合地质情况,有条件应及时进行整修,使地表水不至滞留在地下建筑附近。地质调查遗留的深坑,以及影响地下建筑的溶洞、

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大裂隙等,应尽可能地回填密实,防止地表水大量渗入地下,给地下建筑防排水工程带来困难。地下建筑范围内如有农业灌溉水渠或水管通过时,要特别注意水渠、水管的防水问题,以免漏水对地下建筑的危害。地下建筑附近的山顶,不宜设置蓄水池。当地下建筑范围内可能汇集部分山体地表水时,应设置截水沟,将地表水引至地下建筑范围外。为确保洞口安全和截住仰坡流下的地表水,地下建筑的引洞部分宜延伸出山体一段距离,并设置挡碴墙和截水沟。 3)平面布局考虑自然通风的利用。 2、土建设计

对土建最基本的要求是围护结构无渗漏[6]:1)作好地坪防排水处理,确保地坪无渗漏;2)建筑内排水沟应确保排水通畅,必须做成暗沟形式;3)采用密闭门、防护密闭门;4)采用合理的、技术上成熟的围护结构形式,必须做到密闭、隔潮,并根据需要采取保温措施。地下建筑的土建工程完工后,应及时排除土建施工用水,并对洞室进行全面烘烤,烘烤后应立即投入使用,并保证通风系统正常运行。 3、工艺布置 工艺布置要求:

1)应尽量减少建筑内工作人员。

2)对防潮要求高的设备采取局部防潮措施。

3)减少和杜绝建筑内的湿源,对于必需在洞室内设置的生产、生活用水点宜做到。 a.厕所、洗手间宜放在洞口或在洞室内只设小便池; b.尽量不用消火栓;

c.尽量减少用水点,并应做好用水点的排水系统,严防堵塞。 4)雨具存放间布置在洞口。

5)对可能结露的冷水管及其他冷表面作保温处理。

六、地下建筑结构防震设计理念

地下结构抗震研究的主要方法地下结构的抗震研究主要是通过地震观测、实验研究和理论分析。地震观测主要是通过实测发生地震时地下结构的动力特性,进一步了解地下结构的地震反应。

1970年,日本首先利用松花群发地震,测定了地下管线动态应变,通过研究发现地下管线和周围地基一起振动,而地下结构本身并不发生振动。随后,人们有

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对沉埋隧道、盾构隧道和地下隧道等进行了地震观测,掌握了地下结构的动力特性,由此得出了地下结构地震反应的因素是地基变形而不是地下结构的惯性力。实验研究主要分人工震源实验和振动台实验。人工震源实验由于启振力较小很难真实地反应出地下结构的地震反应特性,一般不宜采用。振动台实验能够较好地把握地下结构的地震反应特性以及地下结构与地基之间的相互作用特性,是在实验室研究结构地震反应和破坏机理的最直接的方法,这种设备还可以用于研究结构动力特性、设备抗震性能以及检测结构抗震措施等内容。但是振动台实验法对实验区域的选择和地基特性的模拟等关键问题还存在不同程度的困难。波动理论和有限元法是分析地下结构抗震的两种主要理论分析方法。近年来的研究结果表明,研究地层运动对地下结构的影响总的可分为两种方法:一种是相互作用法,它是以求解结构运动方程为基础,把介质的作用等效为弹簧和阻尼,再将它作用于结构,然后如同分析地面结构模型一样进行分析;另一种是波动法,以求解波动方程为基础,把地下结构视为无限线弹性(或弹塑性)介质中孔洞的加固区,将整个系统(包括介质和结构)作为对象研究,不单独研究荷载,以求解其波动场和应力场[7]。

2、几种主要的地下结构抗震设计方法 1）静力法

把地震作用当作等效的静力荷载进行抗震计算。它通常应用于地下管线、洞道的横截面抗震设计,它把地震时的土压力和结构物以及结构物以上覆土层作为外力考虑。这种方法的缺陷在于没有考虑土层与结构各自的振动特性及其相互间的关系。 2）反应位移法

70年代,日本学者从地震观测入手,提出了地下线状结构抗震设计的反应位移法。其基本原理就是用弹性地基上的梁来模拟地下现状结构,把地震时地基的位移当作已知条件作用在弹性地基上,以求解在梁上产生的应力和变形,从而计算地下结构(隧洞、管道、竖井等)地震反应,公式可以简化为拟静力计算公式,

K{U}=Ks{Ug}

式中的矩阵K包括地下结构的刚度Kt和地基抗力Ks。

本方法的关键是确定地基变位{Ug}和抗力系数Ks,通常将Ks取为对角阵,则

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Ks相当于文科尔弹簧常数或地基土介质的弹簧常数。这种方法的理论基础是基于地震时支配地下结构地震反应的是地基变形而不是结构物的惯性力。近年来,大多数地下结构,尤其是地下管线都把这种方法作为其抗震设计方法。但是,这种方法把不规则地震波的传播看作为同一周期和同一方向的地震波,从而与实际相去甚远;另外该法只适用于线形地下结构的抗震研究,用于大断面地下结构的抗震分析时需要进一步探讨、完善和修改[8]。 2.3 动力反应分析法

主要适用于结构物形状和地质条件比较复杂时的地下结构抗震反应分析。它是采用有限元理论,将地震记录直接输入结构模型求得结构的动力反应。这种方法不仅可以求得结构受地震作用时反应的最大值,而且也可以观察到结构反应的全过程,同时也使结构的弹塑性反应分析成为可能。动力反应分析法又可细分为两种:一种是考虑土—结构的相互作用;另一种是不考虑土—结构的相互作用。前者将土与结构当作由一定的边界条件联系起来的整体系统来考虑,后者即不考虑结构的存在,把自由场的地震位移反应当作相应的结构地震位移反应。这种方法适用于任意的地下结构类型,也可以考虑地基土的具体性质和结构的非线性,但是应用不方便,难以得到规律性的结论,且其结果需要得到实验或理论解析解的验证[9]。

七、地下建筑结构的通风与照明设计理念

1、通风

通风设计是地下建筑总体设计的重要环节之一。通风设计需考虑的主要问题有：空气中有害物质的容许浓度，新风量的确定方法，判断自然通风的能力，机械通风方式的讨论，通风设备的选择以及经济性等。

通风有自然通风和机械通风两大类，并根据长度和交通条件，同时考虑气象、环境、地形以及地质等条件来选择并划分若干个送排风段。在选择通风方式时，首先需要确定隧道内所需风量，然后讨论自然风和活塞风能否满足需要，如果不能满足需要或者缺乏可靠性，就应当采用机械通风。

自然风的变化是复杂而不稳定的，用它来作为通风计算的依据，其可靠性很差。对于隧道长度在200m以下，甚至200—500m的对向交通，在一定的交通量下可以考虑用自然通风。自然风作为机械通风时的辅助作用，却也不可忽视，它

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至少可以调节通风机的转数，有利于节能。

机械通风又分纵向式、半横向式、全横向式。风机有离心式和轴流式，轴流式风机满足风量大、风压低的要求，但其价格高、噪音大，而离心式风机的风压高，其价格低，噪音相对较小。关于风机部位的设置问题，采用拱形顶板隧道结构，以增加净空，安装风机。为满足废气排放，各排风点设风塔；送风不设风塔，可采用卧式钢筋混凝土框架进风，风口设栅栏。在通风机及风塔、进风口之间由水平风道相联。

在单向行车的正常交通情况下，可利用汽车行驶产生的交通风(或称交通风)来冲谈有害气体，可不开风机。在车流量增大时可只开排风机，当出现意外不利的自然风或在交通阻塞、火灾时则开动风机通风。 2、照明

隧道照明的设计，考虑以下事项：隧道附近的环境、隧道状况、交通状况、附属设备状况以及维护管理状况。隧道照明一般由两路独立的混合式低压380V／220V电源供电。照明灯具采用高压钠灯，两端加强加密。由于驾驶员进出隧道有一视觉机能的适应过程，为保证行车安全，两端洞口段均加设一段遮阳棚，再配合灯光过渡等措施，以改善行车条件[10].

八、地下建筑结构抗浮设计理念

对地下建筑结构抗浮桩进行设计,应做到既安全又经济合理。首先应慎重分析工程地质和水文地质资料,针对地下水位可能的丰水期和枯水期分别考虑,并且区别施工阶段和竣工后使用阶段的不同工况。软土地基中的抗浮桩一般既是丰水期的抗浮桩,又是枯水期的抗压桩,两者应综合应用合理设计。 1、以地下建筑结构自重作为抗浮力

地下建筑结构抗浮设计的前提是分析清楚浮力与抗浮力。地下建筑结构的浮力等于地下水位以下至地下建筑结构底板底这部分等体积的水重量。地下水位一般取水文地质资料提供的50年一遇的最高地下水位,若无此水位资料,应以室外地坪标高为最高水位。地下建筑结构的抗浮力只计永久荷载,包括地下建筑顶板上的填土荷载,根据国家标准《建筑结构荷载规范GB 50009-2001》(2006年版)第3. 2. 5条规定。浮力S与抗浮永久荷载G应满足公式(1): γ0·S≤G(1)

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式中γ0为地下建筑结构的重要性系数,对安全等级为二级或设计使用期为50年的地下结构取1. 0;对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的取1. 1。 地下建筑结构在使用期间不同程度地存在活荷载,此活荷载只作为抗浮设计的安全储

备,而不列入计算。当计算结果不满足公式(1)时,则应采取永久性的抗浮桩或锚杆构造。 2、抗浮桩的设计

作为地下建筑结构的抗浮桩,应满足国家行业标准《建筑桩基技术规范(JGJ94-2008)》的要求,并按公式(2)、(3)计算。 NK≤Tuk2+Gp(2) Tuk=∑λiqsikUili(3)

式中:Nk—按荷载效应标准组合计算的单桩拔力; Tuk—单桩的抗拔极限承载力标准值; Gp—桩基自重,地下水位以下取浮重度,对于 扩底桩按文献[2]另行计算;

λi—抗拔系数,对砂土取0.50~0.70,对黏性土和粉土取0.70~0.80,当桩长l与桩径之比小于20时,λ取小值;

qsik—桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值;

Ui—桩侧周长,对于等直径桩取U=πd,d为桩径,对于扩底桩按文献[11]另行计算;

li—桩周第i层土的厚度。

按公式(3)确定的基桩极限抗拔承载力适用于丙级建筑桩基;对于甲级和乙级建筑桩基,则应通过现场单桩上拔静载荷试验确定。基桩的抗拔侧阻力和抗压侧阻力是有区别的,随着上拔量的增加,其侧阻力会因土层松动及侧面积减少等原因而低于抗压侧阻力,故在利用一般工程地质勘察报告所提供的抗压侧阻力来确定抗拔侧阻力时,需引入拔压的侧阻力比例系数,即抗拔系数λ,也称拔压比。抗拔侧阻力取决于桩周土层的力学性质,其拔压比λ根据试验,灌注桩高于预制桩,长桩高于短桩。上拔荷载下群桩的破坏模式因桩距大小不同而呈基桩分离的非整体拔出破坏和桩土呈整体拔出破坏,故规范JGJ94-2008第5. 4. 6条规定了群桩

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抗拔效应公式。换言之,从经济合理角度分析,适当扩大抗拔桩的间距是有利的。 3、抗拔桩的桩型选择

地下建筑结构底板下的桩,应视不同的地质条件因地制宜地选择。当底板下为淤泥质黏土、黏土类地基时,利用配筋到底的沉管灌注桩是一种比较经济合理的方法。当沉管灌注桩(挤土桩)不适用时,或当底板下为粉土、砂土时,可利用配筋到底的钻孔灌注桩作抗浮桩。当底板下为硬可塑类黏土或风化基岩时,可利用人工挖孔桩。为了提高基桩的抗拔承载力,采用扩底桩是有效的途径。例如人工挖孔灌注桩和钻孔灌注桩均可施工为扩底桩。扩底桩的抗拔承载力破坏模式,随土的摩擦角大小而变,内摩擦角越大,受扩底影响的破坏柱体越长。桩底以上长度在4~10d(桩径)范围内,破坏柱体直径增大至扩底的直径D,按此模型并经过试验,文献[11]给出扩底桩抗拔承载力计算周长Ui,见表1。

若地下建筑结构底板下的地质条件不宜设置抗浮桩,可采用抗浮注浆锚杆。注浆锚杆的间距常为2m,且应大于6d1(锚杆孔直径)或按设计,以防止“群锚”效应,即多根锚杆的锚固效率低于单根锚杆锚固力之和。锚杆常用Ⅱ、Ⅲ级,钢筋直径d=φ25~φ40,钻孔直径d1常为100~200mm,且宜取3倍锚杆直径,但不应小于1倍锚杆直径加50mm,岩石抗浮锚杆详见文献[12]。土层中的抗浮锚杆目前尚无专门针对抗浮锚杆的设计和施工规范,可参见文献[13]。锚杆长度应满足锚固要求,锚杆深入基岩长度应大于40d。注浆常用掺有早强剂的高标号水泥浆、水泥砂浆或细石混凝土,其抗压强度标准值不得低于30MPa,注浆压力不低于0. 5MPa,设计为二次重复高压的注浆压力不宜低于2MPa。对设计等级为甲级的建筑物,抗浮锚杆的抗拔承载力应通过现场试验确定。

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地下建筑的抗浮构造及措施应根据工程水文地质资料、施工条件、地下结构等具体情况进行周密的设计计算和精心施工。设计中应考虑工程造价的经济合理性,并尽量利用一些简易的临时抗浮措施,以达到降低工程造价的目的。施工中还应考虑地下建筑不同工况下的浮力与抗浮力,并采取相应的对策。地下建筑结构不仅在竣工使用期安全抗浮,还应保证施工期也安全抗浮。地下建筑物均为抗渗混凝土结构,除确保其强度要求外还应确保其抗渗要求,故应按设计和施工规范的要求,精心施工[14]。

地下建筑结构的发展历史及新发展

一、地下建筑的发展历史

人类对地下空间的利用经历了一个从自发到自觉的漫长过程。推动这一过程的，一是人类自身的发展，如人口的繁衍和智能的提高；二是社会生产力的发展和科学技术的进步。从历史的角度出发，可以将人类对地下空间的利用史划分为以下四个时代：

第一时代，从人类出现至公元前3000年的远古时期。人类利用天然洞穴作为群居和活动场所。考古学家发现，距今10000年前，被称为“新洞人”和“山顶洞人”的两种古人类居住地址就在北京周口店龙骨山自然条件较好的天然岩洞中。黄河流域已发现公元前8000一公元前3000年的洞穴遗址7000余处。在日本、欧洲、美洲、西亚、中东、北非等地也都发现了这一时期的古人类居住洞穴，说明这种原始居住方式在当时已被广泛采用。

第二时代，从公元前3000年至公元5世纪的古代时期。公元前3000年以后，世界进入了铜器和铁器时代，劳动工具的进步和生产关系的改变，导致生产力有

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很大发展。古埃及、巴比伦、印度及中国先后建立了奴隶制国家。随着生产关系的改变和劳动工具的进步，人类开始把开发地下空间用于满足居住以外的多种需求。埃及金字塔、巴比伦幼发拉底河引水隧道，均为这一时代的建筑典范。

第三时代，从公元5世纪至14世纪的中世纪时期。欧洲在中世纪经历了封建社会的最黑暗的千年文化低潮，地下空间的开发利用也基本上处于停滞状态。在这一时期，我国地下空间的开发多用于建造陵墓和满足宗教建筑的一些特殊要求。相继建成的云冈石窟、龙门石窟(北魏)，敦煌莫高窟(从北魏到隋、唐、宋、元各朝)，以及甘肃麦积山和河北邯郸响堂山石窟(北齐)等，这些石窟的形成和加工与以佛教故事为题材的浮雕艺术和壁画艺术融为一体，使石窟逐渐由单一的佛殿加僧房功能发展为集建筑和壁画于一体的佛教石窟文化综合体，成为人类文化宝库中极为珍贵的部分。这时期，用于屯兵和储粮的地下空间也有建造。如隋朝(7世纪)在洛阳东北建造了面积达600m×700m的近200个地下粮仓，其中第160号仓直径Um，深11m，容量445m2，可存粮2500—3000t；宋朝在河北峰峰建造的军用地道，约长40km。

第四时代，从15世纪开始的近代和现代。14世纪至16世纪出现的欧洲文艺复兴，促进了社会生产力的提高和资本主义生产关系的萌芽。从此，欧洲的产业革命、科学技术开始走在世界的前列，地下空间的开发利用也进入了新的发展时期。17世纪火药的大范围应用，使人们在坚硬岩层中挖掘隧道成为可能，从而进一步扩大了开发利用地下空间的诸多领域。1613年建成伦敦地下水道，1681年修建了地中海比斯开湾长170m的连接隧道，1843年伦敦建成越河隧道，1863年伦敦建成世界第一条城市地下铁道，1871年穿越阿尔卑斯山，连接法国和意大利的全长12．8km的公路隧道开通。到本世纪初，世界上已有46个国家所属的126座城市建成了地下铁道，线路总长度达到6964km。我国大瑶山铁路隧道，长14295m，自1981年11月开始施工，于1987年5月建成。日本青函隧道连接北海道与本州，总长53850m，穿越律轻海峡，其海底长度达13．3km，青函隧道工程自1939年开始规划，1946年实施调查，1971年正式施工，至l 988年3月投入运营，经历了半个世纪。英法海峡隧道总长50km，海底长度37km，于1987年动工，1994年5月投入运营。各类地下电站也迅速增长，其中地下水力发电站的数目，全世界已超过400座，其发电量达45亿W以上。地下电站的建设是

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十分庞大的地下工程，原苏联的罗戈水电站，土石方量5lo万m3，混凝土用量160万m3，开凿的隧道、洞室294个，总长度达62km[15]。

第二次世界大战期间，参战国的地面工厂和民用建筑都遭到了严重破坏，而构筑在隧道、岩洞和矿井内的地下工厂、军事设施等则安然无悲。战后，许多国家都有计划地把一些重要工业和军事工程转入地下。特别是在20世纪70年代的冷战时期，各国为了防御核战争的袭击，修建了大量的地下防御工事和民防建筑。 近年来，世界各国对于地下空间的开发利用都十分重视。城市地下空间的开发利用，已经成为城市建设的一项重要内容，一些工业发达国家，逐渐将地下商业街、地下停车场、地下铁道及地下管线等连为一体，成为多功能的地下综合体。国际上有许多专家称“2l世纪是人类开发利用地下空间的新时代”。预计2l世纪的城市在向高空发展的同时，也将加大开发地下空间的力度和深度，向地下索取更大的空间，以期创造更加美好的地下世界[16]。

二、地下建筑的发展前景

随着社会生产力的巨大发展，人口出现快速增长，城市化的进程也在不断加剧，由于城市人口密度的增加和城市建设的扩容，可利用的地面空间越来越趋于紧张，城市建设对土地需求的增长与地面土地资源日益紧张之间的矛盾越来越显得突出，因此，探索开拓新的生存空间的途径，已成为城市建设者们的一项重要的研究课题。

地下空间是迄今尚未被充分利用的一种自然资源，具有很大的开发潜力。以目前的施工技术和维持人的生存所需花费的代价来看，地下空间的合理开发深度以2km为宜。考虑到在实体岩层中开挖地下空间，需要一定的支承条件，即在两个相邻岩洞之间应保留相当于岩洞尺寸1一1．5倍的岩体；以1．5倍计，则在当前和今后一段时间内的技术条件下，在地下2km以内可供合理开发的地下空间资源总量为4．12×lo’y m：。由于人类的生存与生活主要集中在陆地表面积20％左右的可就地、城市和村镇用地的范围内，因此，可供有效利用的地下空间资源应为2．40×10’e m：。在我国，可耕地、城市和乡村居民点用地的面积约占国土总面积的15％，按照上面的计算方法，我国可供有效利用的地下空间资源总量接近1．15×10“m3。由此可见，可供有效利用的地下空间资源的绝对数量十分巨大，从拓展人类生存空间的意义上看，无疑是一种具有很大潜力的自然资源。

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开发城市地下空间以满足未来城市发展的需要，是解决城市发展与土地资源紧张矛盾的最现实的途径。可以预言，对地下空间的开发利用将成为21世纪的重大技术领域。

结 语

人类从利用天然洞穴，到人工构筑地下洞室，从观察、体验和推理中，逐步对地下结构的工作特性有所了解。本文也是通过相关论文的查找，对地下建筑结构的设计理念与新发展做了简要的介绍，相信随着人们对地下未知世界的探索，地下建筑结构会有更好的发展。

参考文献

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[2] 《土木工程专业毕业设计指南隧道及地下工程分册》 张庆贺 朱合华 第32页

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[5] 地下建筑节能设计浅析 刘文杰、缪小平、程宝义《工业建筑》 2009年第39卷第二期

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[12]黄熙龄,滕延京,王铁宏,等.GB 50007-2002建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2002.

[13]程良奎,郑生庆,贾金青,等. CEC S22: 2005岩土锚杆(索)技术规程[S].北京:中国计划出版社, 2007.

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[15]门玉明 王启耀主编.高等学校规划教材 地下建筑结构.人民交通出版社,2007年08月第1版.

[16]《高等学校规划教材 地下建筑结构》 作者: 门玉明 王启耀主编

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