第一章 概 述
地下建筑曾经是建筑类型中最原始、最古老的一种。由于历史的原因，相当一段时期以来，对地下建筑存在一些狭隘的甚至是片而的认识，认为只是一种构筑物(如防空洞、下水道等)，或者认为不过是建筑的一种类型，与同类地面建筑相比，质量和环境都差得多。这种看法不足为怪，因为地下建筑在发展的低级阶段，的确曾给人们留下了这样的印象。但是现在情况已有了很大的变化，不但地下建筑物的质量已大大提高，地下环境已大有改善。现代地下建筑已远远不是为了避风雨、防寒暑的原始洞穴，也不仅仅是一些散埋在地下的孤立建筑物、构筑物；而是承担了部分城市功能，由点(单体建筑)、线(交通线、物流线等)、体(综合体)组合而成的城市空间以及一些其他特殊用途空间的一部分。而且地下空间的开发利用己成为人类在有限的地球上扩大生存空间唯一现实的途径，对人类社会未来的发展，有着难以估量的重要意义。
第一节 地下建筑结构体系的组成
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物，通称为地下结构。地下建筑应当包括岩层地下建筑和土层地下建筑两大类，而这两类建筑工程无论在规划设计方面，还是在施工方面，既相类似，又有显著区别。
（a）地面结构 （b）地下结构 图1.1 地下结构与地面结构的区别 地下结构和地面结构物，如房屋、桥梁、水坝等一样，都是一种结构体系，但两者之间在附存环境、力学作用机理等方面都存在着明显的差异。地面结构体系一般都是由上部结构和地基组成。地基只在上部结构底部起约束或支承作用，除了自重外，荷载都是来自结构外部。如人群、设备、列车、水力等（图1.1（a））。而地下结构是埋入地层中的，四周都与地层紧密接触。结构上承受的荷载来自于洞室开挖后引起周围地层的变形和坍塌而产生的力，同时结构在荷载作用下发生的变形又受到地层给予的约束。在地层稳固的情况下，开挖出的洞室中甚至可以不设支护结构而只留下地层，如我国陕北的黄土窑洞，证实了在无支护结构的洞室中，围岩本身就是承载结构。
由于地下结构周围的地层是千差万别的，洞室是否稳定不仅取决于岩石强度，而且取决于地层构造的完整程度。相比之下，周围地层构造的完整性对洞室稳定更有影响。各类岩土地层在洞室开挖后，都
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具有一定程度的自稳能力。地层自稳能力较强时，地下结构将不受或少受地层压力的荷载作用，否则地下结构将承受较大的荷载直至必须独立承受全部荷载作用。因此，周围地层能与地下结构一起承受荷载，共同组成地下结构体系。地层既是承载结构的基本组成部分，又是形成荷载的主要来源（图1.1（b）），且洞室周围的地层在很大程度上是地下结构体系中承载的主体。地下结构的安全度首先取决于地下结构周围的地层能否保持持续稳定，并且应充分利用和更好地发挥围岩的承载能力。在需要设置支护结构时，支护结构能够阻止围岩的变形，使其达到稳定的作用，这种合二为一的作用机理与地面结构是完全不同的。
除在坚固、完整而又不易风化的稳定岩层中可以只开成毛洞外，其他在所有地层中的坑道都需要修建支护结构，即衬砌或称为被覆。它是在坑道内部修建的永久性支护结构。因此，支护结构有两个最基本的使用要求：一是满足结构强度、刚度要求，以承受诸如水、土压力以及一些特殊使用要求的外荷载；二是提供一个能满足使用要求的工作环境，以便保持隧道内部的干燥和清洁。这两个要求是彼此密切相关的。
支护结构即是我们所要研究的地下结构物。有时衬砌内部还设有为分割不同使用空间的梁、板、柱等内部结构。所以地下结构包括衬砌结构和内部结构两部分，内部结构的设计和计算与地面结构相同。表1列出不同的地下建筑结构的作用功能
表1 各类地下建筑结构的功能与要求
地下建筑结构 输水隧道 入和气穴现象 有些输水隧道要求不出现急拐弯或交叉点；洞内衬砌必须保证无大的动力损失，这类水力隧道 损失由有害水力或流动造成 储藏洞室 铁路隧道 使两者与列车能力匹配 维护适宜的运营通风系统，使车辆废气有效排除；提供合适照明系统，线路坡度和拐公路隧道 弯半径与行驶的车辆相适应；内衬材料无需经常维修 保证竖井口在垂直和水平方向上的稳定性，维护围岩稳定，提供所需的通风、排水和竖 井 照明设施
维护围岩稳定，提供合适的储藏空间，无损失、污染和变质现象，空间无渗漏 维护围岩稳定，提供合适的通风、照明和排水系统；线路拐弯半径大，坡度平缓，并一般功能与要求 维护围岩稳定，保证通水能力，连通时无有害水力冲击，水流速度平稳，无渗出、渗
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第二节 地下建筑结构的结构形式和适应环境
因为地下结构周围的介质是千差万别的，所以不同地质条件需要的支护结构形式会有很大的不同，它直接影响到地下结构上的荷载。因此，结构形式首先由受力条件来控制。通常按其使用目的有如下基本类型：
（1）防护型支护
如顶部防护，这是开挖支护中最轻型者，它既不能阻止围岩变形，又不能承受岩体压力，而且仅用封闭岩面，防止坑道周围岩体质量的进一步恶化。它通常是采用喷浆、喷混凝土或局部锚杆来完成的。
（2）构造性支护
在基本稳定的岩体中，如大块状岩体，坑道开挖后的围岩可能出现局部掉块或崩塌，但在较长时间内不会造成整个坑道的失稳或破坏。支护结构的构造参数应满足施工及构造要求。构造型支护通常采用喷混凝土、锚杆和金属网、模筑混凝土等支护类型。
（3）承载型支护
承载型支护是坑道支护的主要类型。视坑道围岩的力学动态，它可分为轻型、中型及重型等。对于承载型结构，其断面形式主要由使用、地质和施工三个因素综合决定。要注意到施工方法对地下结构的形式会起到重要影响，并且会影响到支护结构的计算方法。
衬砌结构的断面型式主要由使用、地质和施工三个因素来综合决定。要注意到施工方法对地下结构
地下结构断面型式 （a）落地拱 （b）直墙拱形衬砌 （c）曲墙拱形衬砌 图1.2 拱形衬砌 的型式会起重要影响。结构型式首先由受力条件来控制，即在一定地质条件的土水压力和一定的爆炸与地震等动裁下求出最合理和经济的结构型式。地下结构断面可以有如图1.3的几种型式：矩形结构，适
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宜于工业、民用、交通等建筑物的使用限界，但直线构件不利于抗弯，故在荷载较小，即地质较好、跨度饺小或埋深较浅时常被采用。圆形隧道，当受到均匀径向压力时，弯矩为零可充分发挥混凝土结构的抗压强度，当地质较差、围岩压力较大，特别是承受较大静水压力时，应优先采用圆形结构。其余四种型式系介于以上两者的中间情况，按具体荷载和尺寸决定，如以竖直压力为主时，则用直墙拱形结构为宜；跨度较大时，可用落地拱结构，且底板常做成倒拱形。
地层性质的这种差别不仅影响地下结构的选型，而且影响施工方法的选择。因地下结构在施工阶段同样必须安全可靠，故采用不同的施工方法是决定地下结构形式的重要因素之一，在使用及地质条件相同的情况下，施工方法不同也会采用不同的结构形式。
此外，地下结构的选型还与工程的使用与要求有关。如人行通道，可做成单跨矩形或拱形结构；地下铁道车站或地下医院等应采用多跨结构，既减少内力，又利于使用；飞机库则中间不能设柱，而常用大跨度落地拱；在工业车间中，矩形隧道接近使用限界；当欲利用拱形空间放置通风等管道时，亦可做成直墙拱形或圆形隧道。
综合地质、使用、施工因素，衬砌的制造方式可归纳为下列几种结构形式： （1）就地灌注整体式混凝土衬砌
适用于矿山法施工，且围岩可以在短时间内稳定，也适用于采用明挖法施工的衬砌形式。用模板灌注，衬砌的表面整齐美观，进度快，质量容易控制。
采用矿山法施工时常用拱形结构形式，这种结构大多数由上部拱圈、两侧边墙和底部仰拱（或铺底）
组成。其上部拱圈的轴线多采用多心圆或半圆形，边墙可做成直边墙或曲边墙；当底部压力较大或有地下水时，应做成带仰拱的封闭式结构，如图1.2所示。根据地质条件的不同或者说是由于所受到的荷载不同，常需要不同的结构形式。
在岩层较坚硬、整体性较好的稳定或基本稳定的围岩中，可采用半衬砌，边墙只设防护，施工时应保证拱脚岩层的稳定性。当使用要求较大跨度时，可以做成落地拱（图1.2（a））。
对水平压力较小的洞室可采用厚拱薄墙衬砌，其受力特点是可将拱圈所受的荷载通过扩大的拱脚传给岩层，使边墙受力减小，以节省建筑材料和减少土石方开挖量。
以竖直压力为主，而水平压力不大的洞室，一般采用直墙拱形衬砌（图1.2（b））。衬砌与围岩间的空隙应密实回填，使衬砌与围岩能整体受力。
对于岩层松散破碎、易于坍塌、具有较大的竖直压力和水平侧压力等情况，应采用曲墙拱形衬砌。遇洞室底部地层软弱或为膨胀性地层时，应采用底部结构为仰拱的曲墙拱形衬砌，将整个衬砌围成封闭形式（图1.2（c）），以加大结构的整体刚度。
此外，两隧道垂直相接时的衬砌，称交叉段衬砌（图1.3）；从一个双线隧道逐步拉开距离成两个单线隧道的过渡段部位称为连拱隧道（图1.4）。这些类型的隧道结构在计算时，应考虑空间效应。当图1.4中的两条隧道逐渐分离到Ⅲ～Ⅲ断面时，就成为两条近距离隧道。此时一条隧道的施工会对另一
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条隧道产生非对称的荷载效应，引起它的应力和位移状态发生不利的变化，在设计和施工中都要考虑这种不利的荷载状态。
图1.3交叉段衬砌 图1.4 连拱衬砌 采用明挖法施工常用的结构形式是矩形框架，其内部根据使用目的设有梁、柱或中墙，将整体框架分成多跨和多层。施工时常用桩或墙式支挡结构作为施工时的临时支护，它们也可作为地下结构墙体的一部分。在遇到施工场地狭窄时，特别是在交通繁忙的市区修建地铁车站，可优先考虑采用地下连续墙，之后，可在墙体的保护下明挖基坑，修筑结构；或用逆作法施工，先修建顶板，回填路面，再开挖内部土体和修建边墙、内部结构及底板。
沉埋法施工（亦称水下明挖法）的衬砌结构形式，是在专门
的制造场地预制的，其结构形式与制造方式有关。干船坞形的结构形式一般是多跨的钢筋混凝土管段（图1.6（a））；船台形一般外形为八角形，用钢板焊接而成，内轮廓一般为单圆或双圆（图1.6（b））。
图1.5 某地下铁道车站 用明挖法施工修建的地下构筑物，需要有和地面连接的通道，它是由浅入深的结构，称为引道，在
无法修筑顶盖的情况下通常都做成开敞式的。图1.7为水底隧道引道采用开敞式结构时的断面示意图。遇地下水压较大时，开敞式结构一般均应考虑采取抗浮措施。
（a）干船坞形结构形式 （b）船台形结构形式 图1.6 沉埋法施工的结构形式
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