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摘要：本文分析了现代地下工程的发展背景及力学特点，简单介绍了现代地下工程的类型，结合工程实践，提出了地下工程的设计方法。
关键词：地下工程；结构类型；设计方法
Abstract: this paper analyzes the background of the development of modern underground engineering and mechanics characteristics, and introduced the modern type of underground engineering, combined with the engineering practice, this paper puts forward the design method of the underground engineering.
Keywords: underground engineering; Structure types; Design method
中图分类号： TV554 文献标识码：A 文章编号：
引言
地下工程的英文是Underground engineering，是建筑在岩石中、土中或水底以下的工程设施的统称。它的设施可以构筑成隧道形式，也可以和地面房屋相似，在平面布局上采用棋盘式和房间式的设置。并可建成多层多跨的网架结构。人类在原始时期就利用天然洞穴作为群居、活动场所和墓室，但基本局限于帝王贵人的陵墓和人类居住的窑洞。工业革命以后，随着各种工程技术手段的不断提高，人类开始大规模开发地下空间。近年来，由于城市化的快速发展，城市人口饱和。建筑空间拥挤和绿地减少，使高层建筑如雨后春笋，建筑越建越高．地下部分也越来越深。向地下发展是扩展城市空间一种有效的途径，地下工程在扩大城市空间容量和改善城市环境方面有着广泛的前景。
1现代地下工程的发展背景及力学特点
1．1现代地下工程的研究背景
现代地下工程发展迅速，各种典型工程著名浩瀚。世界已有数百个城市修建了地下铁路，我國大瑶山铁路隧道，长14，295m，历时6年建成；日本青函隧道，长53，850m，从规划到建成，历时半个世纪；英法海峡隧道，长50km，海底长度37km，历时7年建成；日韩隧道，长250km，采用分段施工方案其调查斜井已于1986年底动工。著名的公路隧道．如穿越阿尔卑斯山、连接法国和意大利的勃朗峰隧道和连通日本群马县和新泄县的关越隧道，它们的长度均超过10km。各类地下电站迅速增长，其中地下水力发电的项目，全世界已超过400座，其发电量达45亿瓦以上。地下电站的建设是个十分庞大的地下工程。原苏联的罗戈水电站，土石方量510万立方米，混凝土用量160万立方米，开凿的隧道、硐室294个，总长度达62km。世界各国修建了大量的地下贮藏室，其建造技术得到不断革新。目前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结为一体，成为多功能的地下综合体。
1．2现代地下工程的力学特点
1)工程受力特点不同。地面工程先有结构，后有荷载。地下结构先有荷载，后有结构。
2)工程材料特性的不确定性。地面工程材料多为人工材料：如钢筋混凝土、钢材、砖等。这些材料虽然在力学与变形性质等方面也存在变异性，但是，与岩土体材料相比，不仅变异性要小得多，而且人们可以加以控制和改变。地下工程材料所涉及的材料，除了支护材料性质可控制外，其工程围岩均属于难以预测和控制的地质体。地质体是经历了漫长的地质构造运动的产物，它不仅包含了大量的断层、节理、夹层等不连续介质，而且还存在着较大程度的不确定性，其不确定性主要体现在空间分布和随着时间的变化上。
3)工程荷载的不确定性。对于地面结构，所受到的荷载比较明显，虽然某些荷载也存在随机性，但其荷载值和变异性与地下工程比相对较小。对于地下工程，工程围岩的地质体不仅会对支护结构产生荷载，同时它又是一种承载体。因此，不仅作用到支护结构上的荷载难以估计，而且，此荷载又随着支护类型、支护时间与施工工艺的变化而变化。
4)破坏模式的不确定性。工程的数值分析与计算的主要目的在于为工程设计提供评估结构破坏或失稳的安全指标。这种指标的计算是建立在结构的破坏模式基础之上的。对于地面结构，其破坏模式一般比较容易确定，在结构力学和土力学中已经了解。例如强度破坏、变形破坏、扭转失稳破坏等。对于地下结构，其破坏模式一般难以确定，它不仅取决于岩土体结构、地应力环境、地下水条件，而且还与支护类型、支护时间与施工工艺密切相关。
5)地下工程信息的不完备性。地质力学与变形特性的描述或定量评价取决于所获得信息的数量和质量。然而，对于地下工程只能在局部的有限的工作面或露头获取。因此，所获取的信息是有限的、不充分的，还可能存在错误资料或信息。
2现代地下工程的类型
地下工程是土木工程的一个重要分支。按其工程的几何形状分为隧道工程和硐室工程。隧道工程是指结构长度尺寸远大于断面尺寸(最大跨度或高度)的结构，通常包括铁路隧道、公路隧道、煤炭运输巷道、矿山采场进路、水工引水涵洞、人防地下通道等。硐室工程一般是指长跨比较接近(一般小于10)的地下结构，如地铁车站、地下商场、水电站地下厂房、地下储气库、地下储热库、地下影剧院、地下展览馆、地下试验室、地下餐馆、地下停车场、变电站等。从力学计算模型上考虑，隧道工程可近似处理为平面应变问题，而硐室工程一般属于三维计算力学模型的范畴。
3地下工程的设计方法
3.1裂缝控制方法
3.1.1常用的裂缝控制方法
在民用建筑中普遍采用的裂缝控制方法是沿结构每30m左右设置收缩后浇带．并在其两侧混凝土早期收缩基本完成后（龄期60d早期收缩可完成70％左右）方浇筑收缩后浇带的微膨胀混凝土．后浇带施工时清缝困难，且容易于该处渗水。近几年来采用抗裂方法的工程实例也为数不少。抗裂方法主要可分为2种：(1)提高配筋率(或掺钢纤维)；(2)掺膨胀剂。掺钢纤维的方法可以从本质上提高混凝土的抗拉强度．从而提高其抗裂性能：但是其掺量如何确定有待研究，且造价也比较高昂。掺膨胀剂、设置膨胀加强带可以使混凝土产生微膨胀，以之补偿其早期收缩，该方法有不少成功的工程实例，有的工程甚至100m多长．通过设置多道膨胀加强带并在施工中采取一系列其它措施一次浇筑混凝土，而未留任何形式的缝；然而，因膨胀剂掺用不当而引起的工程事故同样应引起结构设计人员的深思。
3.1.2工程采用的方法
混凝土的收缩变形与结构材料的极限伸长值之间的关系十分重要．只要是二者相差足够小．则根据该式计算出的伸缩缝的间距就可以足够大，甚至趋于无穷大。缩小该差值办法可从提高材料本身极限伸长值和减少材料的收缩变形2方面人手。通过选取合理的配筋、混凝土配合比及施工养护方案，可以较大地提高混凝土的极限伸长值。混凝土结构的收缩变形基本上是由3部分组成，即混凝土的干缩、早期水化热引起的收缩和环境温差引起的收缩。该工程为地下工程，结构主体覆土厚度达1．5m，且受太阳直射的面积较小，因而环境温差引起的混凝土收缩并不大．这对该工程非常有利：而对于混凝土的干缩及早期水化热引起的收缩则可通过加强养护、降低混凝土本身的早期温升等措施加以减小，同时采取适当办法释放掉部分干缩和水化热引起的收缩．从而使未释放掉的干缩及水化热引起的收缩与环境温差引起的收缩之和与混凝土的极限伸长值相接近，以使理论计算出的伸缩缝的间距大于该工程的长度。因此，通过严格的理论计算，并考虑到超大面积混凝土施工的时空效应，该工程最终决定采用先放后抗、抗放相结合的跳仓法综合技术措施来解决混凝土的裂缝控制问题，即：混凝土先分块施工．经过一段时间后，可释放掉大部分混凝土的于缩和早期水化热引起的收缩，然后连成整体并尽快回填土，以整体结构抵抗剩余的收缩应力。
3.2抗浮措施
地下室的抗浮措施可分2种：配重平衡法和附加锚固法。对于浮力与原建筑自重较接近者，可考虑增加配重平衡浮力；而对于相差较大者．则采用附加锚固法更为可行。附加锚固法具体又可分为抗拔桩（含钻孔桩、人工挖孔桩、预应力管桩等)和抗拔锚杆(含预应力锚杆、非预应力锚杆等)。钻孔桩的特点是机械化程度高．无需降水．对周边建筑和环境影响小，但场地较脏乱。由于普通钻机在较硬的岩石上钻进困难，因此采用该桩型时应合理选取锚固岩(土)层。人工挖孔桩属劳动密集型，条件允许时可大面积同时开挖．适合于中国国情．但应充分考虑降水对周围建筑物和管线的不利影响。因人工挖孔桩的桩径一般不宜小于1200mm，且还要另做护壁，所以该种桩型会使总造价有所提高，但会大大缩短工期。预应力管桩为摩擦桩，桩尖无法进入较硬质岩，单桩抗拔承载力较低。抗拔锚杆施工时无需降水，机械化程度较高，其中预应力锚杆需要张拉．相当于预先附加了配重与浮力相平衡，而非预应力锚杆则不需张拉．仅当浮力真正出现时锚杆才被动抵抗拉力．其施工更简便．造价更低。
结束语
地下工程设计是一项包含多种因素的工作。只有设计人员具备扎实基础知识，掌握基本的设计方法及丰富的实践经验，其设计的地下工程结构在稳定性、安全性和经济效益3个方面才能达到理想的效果。
参考文献：
[1]李宏蜓．城市地下空间的开发和利用【J】．城市，2004，(6)．
[2]高谦，乔兰，吴顺川．地下工程系统分析与设计【M】．北京：中国建材工业出版社．2005．
[3]胡振瀛，朱作荣．岩石地层地下结构的设计方法【J】．地下空间，1999，19(1)：13—18．
关键词：地下工程；结构类型；设计方法
Abstract: this paper analyzes the background of the development of modern underground engineering and mechanics characteristics, and introduced the modern type of underground engineering, combined with the engineering practice, this paper puts forward the design method of the underground engineering.
Keywords: underground engineering; Structure types; Design method
中图分类号： TV554 文献标识码：A 文章编号：
引言
地下工程的英文是Underground engineering，是建筑在岩石中、土中或水底以下的工程设施的统称。它的设施可以构筑成隧道形式，也可以和地面房屋相似，在平面布局上采用棋盘式和房间式的设置。并可建成多层多跨的网架结构。人类在原始时期就利用天然洞穴作为群居、活动场所和墓室，但基本局限于帝王贵人的陵墓和人类居住的窑洞。工业革命以后，随着各种工程技术手段的不断提高，人类开始大规模开发地下空间。近年来，由于城市化的快速发展，城市人口饱和。建筑空间拥挤和绿地减少，使高层建筑如雨后春笋，建筑越建越高．地下部分也越来越深。向地下发展是扩展城市空间一种有效的途径，地下工程在扩大城市空间容量和改善城市环境方面有着广泛的前景。
1现代地下工程的发展背景及力学特点
1．1现代地下工程的研究背景
现代地下工程发展迅速，各种典型工程著名浩瀚。世界已有数百个城市修建了地下铁路，我國大瑶山铁路隧道，长14，295m，历时6年建成；日本青函隧道，长53，850m，从规划到建成，历时半个世纪；英法海峡隧道，长50km，海底长度37km，历时7年建成；日韩隧道，长250km，采用分段施工方案其调查斜井已于1986年底动工。著名的公路隧道．如穿越阿尔卑斯山、连接法国和意大利的勃朗峰隧道和连通日本群马县和新泄县的关越隧道，它们的长度均超过10km。各类地下电站迅速增长，其中地下水力发电的项目，全世界已超过400座，其发电量达45亿瓦以上。地下电站的建设是个十分庞大的地下工程。原苏联的罗戈水电站，土石方量510万立方米，混凝土用量160万立方米，开凿的隧道、硐室294个，总长度达62km。世界各国修建了大量的地下贮藏室，其建造技术得到不断革新。目前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结为一体，成为多功能的地下综合体。
1．2现代地下工程的力学特点
1)工程受力特点不同。地面工程先有结构，后有荷载。地下结构先有荷载，后有结构。
2)工程材料特性的不确定性。地面工程材料多为人工材料：如钢筋混凝土、钢材、砖等。这些材料虽然在力学与变形性质等方面也存在变异性，但是，与岩土体材料相比，不仅变异性要小得多，而且人们可以加以控制和改变。地下工程材料所涉及的材料，除了支护材料性质可控制外，其工程围岩均属于难以预测和控制的地质体。地质体是经历了漫长的地质构造运动的产物，它不仅包含了大量的断层、节理、夹层等不连续介质，而且还存在着较大程度的不确定性，其不确定性主要体现在空间分布和随着时间的变化上。
3)工程荷载的不确定性。对于地面结构，所受到的荷载比较明显，虽然某些荷载也存在随机性，但其荷载值和变异性与地下工程比相对较小。对于地下工程，工程围岩的地质体不仅会对支护结构产生荷载，同时它又是一种承载体。因此，不仅作用到支护结构上的荷载难以估计，而且，此荷载又随着支护类型、支护时间与施工工艺的变化而变化。
4)破坏模式的不确定性。工程的数值分析与计算的主要目的在于为工程设计提供评估结构破坏或失稳的安全指标。这种指标的计算是建立在结构的破坏模式基础之上的。对于地面结构，其破坏模式一般比较容易确定，在结构力学和土力学中已经了解。例如强度破坏、变形破坏、扭转失稳破坏等。对于地下结构，其破坏模式一般难以确定，它不仅取决于岩土体结构、地应力环境、地下水条件，而且还与支护类型、支护时间与施工工艺密切相关。
5)地下工程信息的不完备性。地质力学与变形特性的描述或定量评价取决于所获得信息的数量和质量。然而，对于地下工程只能在局部的有限的工作面或露头获取。因此，所获取的信息是有限的、不充分的，还可能存在错误资料或信息。
2现代地下工程的类型
地下工程是土木工程的一个重要分支。按其工程的几何形状分为隧道工程和硐室工程。隧道工程是指结构长度尺寸远大于断面尺寸(最大跨度或高度)的结构，通常包括铁路隧道、公路隧道、煤炭运输巷道、矿山采场进路、水工引水涵洞、人防地下通道等。硐室工程一般是指长跨比较接近(一般小于10)的地下结构，如地铁车站、地下商场、水电站地下厂房、地下储气库、地下储热库、地下影剧院、地下展览馆、地下试验室、地下餐馆、地下停车场、变电站等。从力学计算模型上考虑，隧道工程可近似处理为平面应变问题，而硐室工程一般属于三维计算力学模型的范畴。
3地下工程的设计方法
3.1裂缝控制方法
3.1.1常用的裂缝控制方法
在民用建筑中普遍采用的裂缝控制方法是沿结构每30m左右设置收缩后浇带．并在其两侧混凝土早期收缩基本完成后（龄期60d早期收缩可完成70％左右）方浇筑收缩后浇带的微膨胀混凝土．后浇带施工时清缝困难，且容易于该处渗水。近几年来采用抗裂方法的工程实例也为数不少。抗裂方法主要可分为2种：(1)提高配筋率(或掺钢纤维)；(2)掺膨胀剂。掺钢纤维的方法可以从本质上提高混凝土的抗拉强度．从而提高其抗裂性能：但是其掺量如何确定有待研究，且造价也比较高昂。掺膨胀剂、设置膨胀加强带可以使混凝土产生微膨胀，以之补偿其早期收缩，该方法有不少成功的工程实例，有的工程甚至100m多长．通过设置多道膨胀加强带并在施工中采取一系列其它措施一次浇筑混凝土，而未留任何形式的缝；然而，因膨胀剂掺用不当而引起的工程事故同样应引起结构设计人员的深思。
3.1.2工程采用的方法
混凝土的收缩变形与结构材料的极限伸长值之间的关系十分重要．只要是二者相差足够小．则根据该式计算出的伸缩缝的间距就可以足够大，甚至趋于无穷大。缩小该差值办法可从提高材料本身极限伸长值和减少材料的收缩变形2方面人手。通过选取合理的配筋、混凝土配合比及施工养护方案，可以较大地提高混凝土的极限伸长值。混凝土结构的收缩变形基本上是由3部分组成，即混凝土的干缩、早期水化热引起的收缩和环境温差引起的收缩。该工程为地下工程，结构主体覆土厚度达1．5m，且受太阳直射的面积较小，因而环境温差引起的混凝土收缩并不大．这对该工程非常有利：而对于混凝土的干缩及早期水化热引起的收缩则可通过加强养护、降低混凝土本身的早期温升等措施加以减小，同时采取适当办法释放掉部分干缩和水化热引起的收缩．从而使未释放掉的干缩及水化热引起的收缩与环境温差引起的收缩之和与混凝土的极限伸长值相接近，以使理论计算出的伸缩缝的间距大于该工程的长度。因此，通过严格的理论计算，并考虑到超大面积混凝土施工的时空效应，该工程最终决定采用先放后抗、抗放相结合的跳仓法综合技术措施来解决混凝土的裂缝控制问题，即：混凝土先分块施工．经过一段时间后，可释放掉大部分混凝土的于缩和早期水化热引起的收缩，然后连成整体并尽快回填土，以整体结构抵抗剩余的收缩应力。
3.2抗浮措施
地下室的抗浮措施可分2种：配重平衡法和附加锚固法。对于浮力与原建筑自重较接近者，可考虑增加配重平衡浮力；而对于相差较大者．则采用附加锚固法更为可行。附加锚固法具体又可分为抗拔桩（含钻孔桩、人工挖孔桩、预应力管桩等)和抗拔锚杆(含预应力锚杆、非预应力锚杆等)。钻孔桩的特点是机械化程度高．无需降水．对周边建筑和环境影响小，但场地较脏乱。由于普通钻机在较硬的岩石上钻进困难，因此采用该桩型时应合理选取锚固岩(土)层。人工挖孔桩属劳动密集型，条件允许时可大面积同时开挖．适合于中国国情．但应充分考虑降水对周围建筑物和管线的不利影响。因人工挖孔桩的桩径一般不宜小于1200mm，且还要另做护壁，所以该种桩型会使总造价有所提高，但会大大缩短工期。预应力管桩为摩擦桩，桩尖无法进入较硬质岩，单桩抗拔承载力较低。抗拔锚杆施工时无需降水，机械化程度较高，其中预应力锚杆需要张拉．相当于预先附加了配重与浮力相平衡，而非预应力锚杆则不需张拉．仅当浮力真正出现时锚杆才被动抵抗拉力．其施工更简便．造价更低。
结束语
地下工程设计是一项包含多种因素的工作。只有设计人员具备扎实基础知识，掌握基本的设计方法及丰富的实践经验，其设计的地下工程结构在稳定性、安全性和经济效益3个方面才能达到理想的效果。
参考文献：
[1]李宏蜓．城市地下空间的开发和利用【J】．城市，2004，(6)．
[2]高谦，乔兰，吴顺川．地下工程系统分析与设计【M】．北京：中国建材工业出版社．2005．
[3]胡振瀛，朱作荣．岩石地层地下结构的设计方法【J】．地下空间，1999，19(1)：13—18．