內容簡介
《地下結構設計理論與方法及工程實踐》為國傢科學技術學術著作齣版基金、上海科技專著齣版資金、同濟大學學術專著(自然科學類)齣版基金資助項目。
《地下結構設計理論與方法及工程實踐》係統總結瞭孫鈞院士學術團隊近十年來主持承擔各類重大地下工程結構設計理論與方法研究的若乾創意性成果,包括:海底隧道製定*小埋深及其襯砌結構設計、軟基盾構法越江隧道縱嚮三維數值計算、水工輸水隧洞預應力混凝土復閤襯砌相互作用及其深大竪井基坑圍護結構靜動力分析、地下工程施工變形預測與控製的人工智能方法、地下水封油庫圍岩塊體穩定分析與滲流控製等方麵所作的較深入細緻的探討;在一些地下結構設計關鍵技術與工程應用方麵,也體現瞭多項學術上新的突破,如:橋梁樁基礎的群樁效應和工後沉降、樁基三維非綫性抗震動力分析與試驗颱試驗、江床淺層砂土局部液化動三軸試驗及其對大橋樁基承載力的影響、懸索大橋錨碇結構計人土體流變響應的時效數值分析與相關非常規土工試驗以及選用多個根鍵式小沉井的組閤式錨碇方案、飛機跑道軟基土縱嚮差異沉降的固結與蠕變三維黏彈塑性耦閤效應,等等;*後,搜集瞭近年來作者在國內多次專業研討會議、論證會議以及與專業媒體訪談中所提的書麵意見,並進行瞭摘引。
《地下結構設計理論與方法及工程實踐》可供各類地下工程和隧道業界廣大設計科研人員以及高校相關專業的老師與研究生們參考閱讀。
作者簡介
孫鈞,岩土力學與工程、隧道與地下建築工程專傢。1949年春畢業於上海國立交通大學土木工程學係,1956年隨蘇聯專傢CHI/ITKO教授攻讀鋼橋工程副博士學位,1980年美國北卡州立大學從事“博士後”研究。現任同濟大學地下建築工程係資深榮譽一級教授,1991年當選中國科學院(技術科學部)學部委員/院士。曆任國際岩石力學學會副主席暨中國國傢小組主席、中國土木工程學會副理事長(現學會顧問、名譽理事)、中國岩石力學與工程學會理事長(現名譽理事長);全國“博士後”管委會專傢委員會土建學科評審組召集人,國傢自然科學奬評委,國內外若乾所知名大學和研究院所的名譽教授、客座研究員。在隧道與地下結構學科領域建立並開拓瞭新的學科分支——地下結構工程力學,是國內外該子學科的主要奠基人和開拓者之一。在岩土材料工程流變學、地下結構黏彈塑性理論、地下防護工程抗震抗爆動力學、城市環境土工學和軟科學理論與方法在岩土力學與工程中的應用等學科領域有深厚學術造詣並作齣瞭重要貢獻。20世紀80年代初葉起,承擔並完成瞭國傢重點科技攻關項目,國傢咱然科學基金重大、重點和麵上項目,省、部(上海市)級重大研究項目以及各項重點工程研究課題約70項。參與許多國傢重大工程建設項目,諸如:長江三峽工程,南水北調工程,港珠澳大橋島隧工程,京珠高速、秦嶺高速、蘭武客運專綫等越嶺公路、鐵路隧道群;廈門、青島和長江口海底隧道,多座跨越長江/黃浦江/錢塘江水底隧道;北京、上海、南京、廣州、深圳、天津、杭州、青島等諸大城市的地下鐵道和城市地下空間的規劃與建設;魯布革、天生橋、天荒坪、拉西瓦、小灣和漫灣等水電地下工程,大亞灣核電站廣州從化抽水蓄能電站地下廠房;淮南、淮北大型煤礦山巷峒工程;以及長江中、下遊和跨越珠江若乾座特大跨懸索大橋和斜拉大橋工程(陽邏、潤揚、蘇通、泰州、虎門一橋)等等,不一而足。科研成果應用於生産實際,取得瞭巨大的技術、經濟效益。在國內外發錶學術論文380餘篇,並專著10部、參著3部學術著作。
內頁插圖
目錄
第1章 海底隧道襯砌結構設計若乾技術關鍵研究
1.1 引言
1.2 抗外水壓力海底隧道圍岩最小覆蓋層厚度研究
1.2.1 研究內容和目的
1.2.2 最小覆蓋層厚度和圍岩壓力計算
1.2.3 海底隧道的最小覆蓋層厚度
1.2.4 海底隧道圍岩壓力、
1.2.5 對海底隧道滲水圍岩承載圈的論證
1.2.6 本節小結
1.3 海底隧道圍岩抗力係數的理論分析及其設計應用
1.3.1 研究意義和內容
1.3.2 圍岩抗力係數的理論與方法
1.3.3 利用有限環理論的圍岩抗力係數計算
1.3.4 海底隧道各區段圍岩抗力係數計算
1.3.5 本節小結
1.4 海底隧道鋼筋混凝土襯砌結構的限裂設計與分析
1.4.1 概述
1.4.2 海底隧道鋼筋混凝土襯砌結構的限裂設計
1.4.3 海底隧道鋼筋混凝土襯砌裂縫控製
1.4.4 本節小結
1.5 海底隧道襯砌結構運營期可靠性研究
1.5.1 概述
1.5.2 海底隧道運營期可靠性分析
1.5.3 對研究方法變更的說明及運營期隧道可靠性監測
1.5.4 本節小結
1.6 海床下岩體風化囊區段考慮圍岩流變時效特性的數值分析
1.6.1 概述
1.6.2 海底隧道穿越風化囊區段圍岩的流變屬性
1.6.3 海底隧道圍岩-襯護係統相互作用的流變時效數值分析
1.6.4 本節小結
參考文獻
第2章 越江軟基盾構法隧道管片襯砌結構縱嚮三維數值分析
2.1 引言
2.1.1 問題的提齣
2.1.2 研究內容與預期成果
2.2 盾構法隧道管片襯砌結構縱嚮分析計算的理論和方法
2.3 越江軟基盾構法隧道管片襯砌結構的縱嚮數值分析計算
2.3.1 基於雙麵彈性地基梁法分析的管片結構縱嚮沉降縫設置計算
2.3.2 計入結構與土體相互作用管片襯砌縱嚮沉降三維數值計算分析
2.4 本章主要結論
參考文獻
第3章 過江盾構法輸水隧洞預應力混凝土復閤襯砌的相互作用分析
3.1 引言
3.1.1 問題的提齣
3.1.2 結構受力特徵與復閤襯砌力學機理
3.1.3 主要研究內容
3.2 研究工作的總體考慮和要求
3.2.1 管片接頭模型的考慮
3.2.2 關於管片接頭剛度的認識
3.2.3 對方案1(不設防水膜),內外襯上下層間的接觸單元
3.2.4 對加設防水膜方案,考慮內外襯“單獨”受力情況
3.2.5 按摺綫多邊形雙層疊閤框架梁模擬計算
3.2.6 二次內襯施加預應力的計算
3.2.7 溫度應力計算時的各項基礎資料
3.2.8 復閤襯砌接觸界麵的數值模擬
3.2.9 其他相關方麵的問題
3.2.10 內襯施加預應力階段,內襯與外襯管片的聯閤受力問題
3.2.11 對幾處尚待商榷問題的進一步認識
3.3 工況1:單層管片圓環獨自受力工況
3.3.1 計算條件
3.3.2 荷載及土層參數
3.3.3 管片接頭力學性能
3.3.4 計算結果分析
3.4 工況2:預應力鋼絞綫有效應力計算
3.4.1 概述
3.4.2 內襯預應力張拉階段工況計算
3.5 工況3:單層管片的初始狀態計算
3.5.1 計算條件
3.5.2 計算結果分析
3.6 工況4:復閤襯砌隧洞內全壓通水運營工況,結構選型方案1,第一種工作條件
……
第4章 過江輸水隧道盾構始發深大竪井結構靜動力分析
第5章 大型地下水封儲油洞庫硬岩塊體穩定分析與滲流控製
第6章 橋梁樁基群樁效應及其承載力與沉降研究
第7章 橋梁樁基三維非綫性抗震動力分析與實驗
第8章 中等烈度地震江床淺層砂土局部液化及對樁基工程的影響研究
第9章 地下工程施工變形的智能預測與控製
第10章 懸索大橋錨碇結構數值計算與土工參數流變試驗
第11章 懸索大橋選用多個根鍵式小沉井的組閤式錨碇方案初探
第12章 飛機跑道軟基土沉降的固結與流變耦閤三維黏彈塑性分析
附錄 作者近年來在各地重大橋、隧工程評審會議上的書麵意見等摘引
前言/序言
自20世紀90年代中葉始,作者及其團隊成員先後承擔並完成瞭十多項國傢重大和特大型地下工程、各類隧道和橋梁深水基礎方麵的科學研究任務,所進行的各項研究均以這些工程項目為背景和技術依托,通過研究使之在學科理論層麵得到進一步的升華,運用工程地質、岩土力學、地下結構、計算機技術,乃至軟科學(側重智能科學)的理論與方法等手段,試從問題的本質和機理上為眾多技術難題得到其優化解決,此處將所得成果匯撰成這本書作。本書素材多摘取自上述各該工程科學研究項目的成果總結報告,經過精選和提煉並著力深化到理論高度來理解和認識,進而作齣較為詳細深入的剖析而形成這一專著性文稿。
作者從多年來的科研實踐中深切體會到,作為一本為工程技術服務的學科理論性專著,其研究內容必須既富學術內涵又有重要的工程實用價值。本書選題源自於近年來兩屆國傢五年計劃的科技攻關項目和863項目,以及由國傢自然科學基金資助的重點和麵上項目,部委和省市委托下達的行業攻關與工程研究課題。書中研究成果都已分彆通過瞭查新檢索、結題驗收和項目鑒定,其中的絕大多數已為工程納用,成為各該工程項目設計施工中的重要參考,並取得瞭相當的技術效益和經濟效益。
在學術創意性進取方麵,本書內容經作者歸納整理後得到以下各項,它們是(按書中所在各章的位次排序):
(1)在海底隧道設計中,對抗受高水頭外水壓力下隧道圍岩沿縱嚮的最小覆蓋層厚度,大跨麯牆扁坦拱形隧道其周圈各類彆圍岩對約束隧道襯砌變形的抗力係數,鋼筋混凝土襯砌結構為抗受海水腐蝕和高圍壓要求的限裂設計、其日後運營期的使用可靠性,以及海床下岩體風化囊區段計入圍岩流變時效特性的分析計算等,均是隧道設計施工上的重要技術關鍵。本書這方麵的研究成果不僅富含學術內涵,在工程實用上也極具價值。
(2)埋置於軟黏性地基內的盾構法長大越江水底隧道的結構設計,一般多側重於其襯砌管片橫剖麵的內力和變形分析,而對沿隧道軸嚮縱長的設計計算則常有忽視,這是不夠完整的。隧道的縱嚮受力和變形在管片錯縫拼裝條件下,要求涉及三維問題;在深埋情況下,還必須改用雙麵地基梁的理論和方法進行。這些都在一定程度上增加瞭設計計算上的難度和復雜性。在隧道縱嚮設計中,為瞭優化結構縱嚮受力條件,還要求妥慎考慮縱嚮沉降縫的設置,它的設縫間距問題已成為業界探討的熱點。以上這些問題在本書中均有詳盡細緻的研究,這在當今的已有文獻中尚少見報道。
(3)對大直徑輸水有壓水工盾構法隧洞設計,在國內首次采用瞭預製管片外襯與現澆預應力鋼筋混凝土內襯構成的復閤式襯砌結構,就其內、外襯層間界麵設置防排水墊層與否的各種不同工況條件,著重對墊層與襯護新老混凝土間存在的不同粘結強度和摩擦阻力從而形成的界麵剪應力傳遞及其分布情況,進行瞭細緻周詳的數值分析,論證瞭設置上述墊層與否的兩種方案在受力上各自的優缺點與存在的問題。上項成果經工程竣工後現場測試,情況良好,成果應用於南水北調中綫一期穿黃隧洞工程,研究水平可暫居當今國際領先前沿。
《城市地下空間開發利用與工程實踐》 內容簡介 本書深入探討瞭城市地下空間開發的理論基礎、關鍵技術和工程實踐。隨著城市化進程的加速和土地資源的日益緊張,充分挖掘和利用地下空間已成為現代城市可持續發展的重要戰略。本書旨在為城市規劃者、土木工程師、岩土工程師、建築師、項目管理者以及相關研究人員提供一個全麵、係統的知識框架,以指導和優化地下結構的規劃、設計、施工和運營。 第一部分:城市地下空間開發概論 本部分首先闡述瞭城市地下空間開發的曆史淵源、發展現狀及其在全球範圍內的趨勢。通過對國內外典型地下空間利用案例的分析,揭示瞭其在緩解地麵交通擁堵、擴大公共服務空間、提升城市韌性、促進經濟發展以及改善人居環境等方麵的顯著效益。接著,本書詳細介紹瞭地下空間開發麵臨的挑戰,包括但不限於復雜的地質條件、地下水環境的影響、現有地下管綫協調、環境保護要求、安全風險管控以及高昂的建設與維護成本等。在此基礎上,本書強調瞭城市地下空間開發利用的意義,從戰略層麵論證瞭其對於提升城市綜閤競爭力和實現可持續發展的必要性。 第二部分:地下空間規劃與選址 本部分聚焦於地下空間開發的宏觀層麵的規劃與選址問題。首先,本書係統梳理瞭城市地下空間規劃的理論依據和方法論,包括土地利用規劃、交通規劃、市政基礎設施規劃與地下空間開發的整閤。重點介紹瞭如何根據城市功能分區、人口密度、交通需求、地質條件及生態敏感性等因素,科學閤理地進行地下空間的功能定位和開發強度預測。 在選址方麵,本書詳細闡述瞭影響地下空間選址的關鍵因素,包括但不限於: 地質與水文地質條件評估: 詳細講解瞭如何進行區域性的地質調查、岩土工程勘察,特彆是對斷層、溶洞、地下水位、滲透係數、土體強度及變形特性等進行深入分析,以規避不良地質風險。 現有地下管綫與基礎設施的協調: 強調瞭對現有地下電纜、給排水管道、燃氣管道、通訊綫路等進行精確普查和信息集成,以避免施工衝突,並為管綫遷改或保護提供技術方案。 環境影響評估: 探討瞭地下空間開發對周邊環境可能産生的影響,如對現有建築物基礎、地下水補給與排泄、土壤侵蝕、噪音與振動等,並提齣瞭相應的評估方法和減緩措施。 社會經濟因素分析: 考量瞭項目投資迴報、公眾接受度、交通可達性、與地麵功能的協同效應以及對區域經濟的帶動作用等。 場地限製與可達性: 分析瞭場地形狀、麵積、地形以及施工場地進入的便利性等對設計和施工方案選擇的影響。 本書還介紹瞭多種常用的地下空間選址決策支持工具和方法,如GIS(地理信息係統)的空間分析、多準則決策分析(MCDA)等,以幫助決策者在眾多備選方案中,基於科學的評估體係,選擇最優的開發區域和具體場地。 第三部分:地下結構設計理論與技術 本部分深入探討瞭各類地下結構的結構設計理論和關鍵技術。 圍護結構設計: 支護體係分類與選擇: 詳細介紹瞭地下連續牆、排樁、SMW工法樁、高壓鏇噴樁、水泥土樁牆、鋼闆樁等不同類型圍護結構的構造形式、適用範圍、優缺點,以及如何根據地下水位、土體性質、開挖深度、周邊環境敏感性等因素進行閤理選擇。 土壓力與水壓力計算: 闡述瞭主動土壓力、被動土壓力、靜止土壓力以及地下水壓力在不同地質條件和支護結構形式下的計算方法,包括朗肯法、庫侖法、以及考慮土拱效應和內摩擦角的修正方法。 支護結構的穩定性分析: 重點講解瞭側嚮變形控製、抗傾覆穩定性、抗滑穩定性、抗管湧和流砂的穩定性等分析方法,以及如何通過數值模擬軟件(如FLAC, PLAXIS)進行更精細的分析。 錨杆、支撐與內襯設計: 介紹瞭錨杆、水平支撐(鋼支撐、混凝土支撐)、頂托、以及防滲止水等配套構件的設計原則和計算方法。 主體結構設計: 頂闆、側牆與底闆設計: 講解瞭地下結構的頂闆、側牆和底闆的荷載計算(恒荷載、活荷載、土壓力、水壓力、車輛荷載、設備荷載等),闆式結構、框架結構、箱型結構的設計方法,以及鋼筋混凝土結構、鋼結構和組閤結構的應用。 防水與排水設計: 強調瞭地下結構防水的重要性,詳細介紹瞭各種防水材料(如捲材防水、塗膜防水、砂漿防水、膨脹止水條等)的選用原則、施工工藝及質量控製。同時,闡述瞭被動防水與主動防水相結閤的理念,以及地下結構內部排水係統的設計,包括集水井、排水溝、水泵等。 防腐與耐久性設計: 討論瞭地下結構混凝土耐久性設計,如抗硫酸鹽侵蝕、抗凍融、抗氯離子侵蝕等,並介紹瞭對鋼筋、鋼結構等構件的防腐蝕措施。 特殊結構設計: 涵蓋瞭地鐵車站、隧道、地下商場、地下停車場、人防工程、倉儲設施等不同功能地下結構的設計特點和技術要求。 施工技術與方法: 盾構法與明挖法: 詳細闡述瞭盾構法在大型地下隧道和地鐵建設中的應用,包括盾構機選型、掘進參數控製、管片拼裝、盾尾密封等。同時,介紹瞭明挖法在車站、地下空間主體結構施工中的應用,包括放坡開挖、放坡加擋土牆開挖、蓋挖法、逆築法等。 逆築法與蓋挖法: 重點介紹瞭蓋挖法(Top-down construction)在密集城市區域建造大型地下空間中的優勢,包括減少對地麵交通影響、與主體結構同步施工、便於控製地下水等。詳細講解瞭蓋挖法的施工流程、結構受力分析、支撐體係設計及施工控製要點。 注漿與加固技術: 介紹瞭針對不良地質條件或滲漏問題的注漿技術,如帷幕注漿、封堵注漿、固結注漿、溶洞處理注漿等,以及地基加固、圍岩加固等相關技術。 地下水控製技術: 詳細講解瞭降水(明降、井點降水)、截水(止水帷幕、注漿)等地下水控製措施,以及它們在不同工況下的適用性。 第四部分:地下結構工程實踐與案例分析 本部分通過大量實際工程案例,將理論知識與工程實踐緊密結閤,為讀者提供直觀的學習體驗。 典型工程案例解析: 精選瞭國內外具有代錶性的地下工程項目,如大型城市地下綜閤交通樞紐、超深基坑工程、大型地下商業空間、軌道交通車站、過江隧道、大型儲液罐基礎等。對每個案例,都從項目背景、地質條件、設計理念、關鍵技術選擇、施工過程中的難點與創新、以及項目成果與經驗教訓等方麵進行詳細剖析。 工程風險管理與安全控製: 深入探討瞭地下結構工程中常見的風險類型,包括地質風險、設計風險、施工風險、環境風險、運營風險等,並介紹瞭風險識彆、評估、預警和應對策略。重點闡述瞭地下工程施工安全管理的關鍵環節,如基坑支護監測、地下水位監測、變形監測、結構監測、施工過程中的安全技術措施等。 質量控製與驗收: 強調瞭地下結構工程質量控製的重要性,詳細介紹瞭從材料采購、施工過程到最終驗收的各個環節的質量標準和檢驗方法,包括混凝土強度、防水層性能、止水效果、結構變形、尺寸精度等。 運營與維護: 探討瞭地下結構的長期運營和維護問題,包括結構病害的診斷與修復、防水係統的維護、排水係統的保養、結構監測的持續進行等,以確保地下空間的長期安全與有效使用。 第五部分:未來發展趨勢與展望 本部分對城市地下空間開發的未來發展方嚮進行展望。 智能化與數字化設計: 探討瞭BIM(建築信息模型)、參數化設計、AI輔助設計等技術在地下空間設計中的應用前景,以及如何通過數字化手段提升設計效率和精度。 綠色與可持續發展: 關注地下空間開發過程中的環境友好性,如節約能源、減少碳排放、利用可再生材料、以及地下空間與綠色基礎設施的融閤。 多功能與復閤化利用: 展望瞭地下空間嚮多功能、復閤化利用的發展趨勢,如結閤能源存儲、數據中心、地下農業、垂直交通係統等,進一步拓展地下空間的價值。 地下空間利用的社會化與人性化: 強調瞭在地下空間開發中融入更多人性化設計理念,提升使用者體驗,並促進地下空間的社會參與和公眾教育。 本書內容豐富,理論與實踐並重,圖文並茂,旨在為從事城市地下空間開發相關工作的專業人士提供一本實用、權威的參考指南。通過對本書的學習,讀者能夠掌握地下結構設計的基本原理、前沿技術和工程實踐經驗,從而更好地應對復雜多變的地下工程挑戰,為建設更美好、更可持續的城市貢獻力量。