由于地下结构的力学性态受到多种复杂因素的影响，如：岩土性态及其非均匀性和各向异性、结构面（见岩体结构）、地下水、围岩初应力（见岩体中应力）、结构形状和尺寸、材料性态、施工工艺和步骤以及运营环境等，现有的计算理论还难以全面地考虑上述所有因素。可以认为，地下结构设计计算理论尚未臻完善。

国际隧道协会于1978年成立了结构设计模型研究组(Working Group on Structure Design Models),其任务在于收集各会员国采用的结构设计模型的资料。据该研究组统计、归纳为以下四种设计方法。

经验法

以工程类比法为主，根据以往类似工程的实际经验，确定隧道与地下结构的形状、主体尺寸和衬砌厚度。

收敛－约束法

也称特性曲线法。是一种采用测试数据反馈于设计的实用方法，通常以施工中隧道断面的变形量测值为依据。其要点为测绘洞室壁面径向压应力与径向位移的关系曲线与洞壁位移-时间曲线,它反映四个阶段：①围岩无约束自由变形;②从初期支护开始,变形由于受支护约束抗力的反作用而减缓；③从仰拱完成开始，由于形成了封闭结构使变形速度大为降低；④最后变形稳定。若所采用的支护刚度较大，则地压急剧增长，若支护时间过晚，则出现松动地压。由此可见，支护时间和支护自身刚度及其与围岩接触好坏均影响到围岩的稳定和支护所受地层压力的大小。收敛变形曲线可供判断支护是否适当和变形是否趋于稳定。此外，尚可配合现场和实验室的岩土力学试验和应力与应变测试以及实验室模型试验等，作为设计计算的依据(见新奥法)。

作用－反作用模型

也可归之为隧道计算的一种结构力学法。其特点是考虑地下结构朝向围岩变形的区段上将受到围岩的被动压力（弹性抗力）的作用。其中局部变形理论（温克勒假定）认为地基的沉陷仅与该点的应力成正比。属于这类模型的计算方法有：①圆形隧道衬砌按弹性地基圆环的计算方法。②按假定抗力图形计算圆形衬砌和马蹄形衬砌的方法。③伴随电子计算机的发展而出现的矩阵力法。

连续介质模型

也可归之为连续介质力学法。包括解析法和数值法。解析法中有封闭解和近似解。如圆形洞室的弹性力学解──基尔施解和圆形洞室的弹塑性解──芬纳－塔洛布公式。数值法以有限元法为主，尚有差分法、边界积分法等。有限元法将结构离散化为有限个单元，各相邻单元在共同的节点上为铰结，建立结构体系的总体刚度矩阵和平衡方程，按各节点位移推求各单元的应力。

中文名：地下结构设计计算理论

英文名：theory and design of underground structure

定义：普遍把地下结构理解为支护和地层（围岩）的结合体。支护是临时和永久支护的通称，而永久支护又通常理解为衬砌。地下结构的设计计算理论在许多情况下可以称为衬砌设计计算理论。

地下结构的设计计算理论经历了几个主要的发展阶段。最初阶段以砖石为材料的隧道衬砌，模仿石拱桥进行设计，要求拱轴线尽量与推力曲线相重合。这种方法始于19世纪末期，其特点是只考虑衬砌承受其周围岩土所施加的主动荷载，而不计围岩对衬砌变形的约束和由此产生的围岩被动抗力。在一般情况下设计的衬砌厚度偏大。

发展到第二阶段，是考虑地层对衬砌变形的约束，但仍按各种地压理论确定作用在衬砌上的主动荷载。如O.科默雷尔分析整体式隧道衬砌时，考虑刚性边墙上呈直线分布的地层被动抗力。其后，很多学者相继提出了假定抗力图形的计算方法，并采用了局部变形的温克勒假定。苏联地下铁道设计局(1936，1939年)和有些学者，均曾提出过局部变形弹性地基圆环理论，以计算圆形隧道衬砌。C.C.达维多夫等曾企图用弹性介质共同变形理论来分析地下结构。该理论以共同变形的弹性地基梁为基础，认为一点的作用力，不仅引起该点地基沉陷，而且引起邻近范围内其他点地基沉陷。此外，苏联地下铁道设计局还曾研究过按极限状态计算衬砌的方法。

第三阶段将衬砌和地层结合体按连续介质模型进行分析。不少研究者从弹性力学理论出发曾得出圆形衬砌的弹性解。其后有人提出和发展了圆形衬砌的简化弹性解，假定衬砌变形后的形状和与之相适应的径向应力分布规律。J.塔洛布于1957年和H.卡斯特纳于1960年曾得到圆形洞室的弹塑性解。国际上有些研究者近年来还采用岩土的各种流变模型进行了圆形隧道衬砌与围岩的粘弹性分析。

50年代以来，喷射混凝土和锚杆被用作隧道支护。人们逐渐认识到，喷锚支护能够在保证围岩稳定的前提下，允许其变形得到一定程度的发展，使围岩内部应力得以调整，充分发挥其自持作用，因而有可能将二次衬砌的厚度减至最小。

60年代，随着电子数字计算机的推广和岩土本构关系（应力-应变关系）研究的进展,以有限元法为主的地下结构计算数值方法，使设计理论进入了一个新的时期。早在1966年便有人应用德鲁克—普拉格屈服准则进行了圆形洞室的弹塑性有限元分析。O.C.津凯维奇按无拉力分析研究过隧道的应力和变形，提出了模拟开挖效应的初应力释放法，还曾利用弹粘塑性模型计算隧道衬砌。E.L.威尔孙等进行过地下结构的有限元抗震和抗爆分析，还曾采用有限元分析探讨了各种因素对地下洞室和围岩受力的影响,节理围岩洞室的稳定问题,施工顺序对洞室稳定的影响，以及开挖面附近三维应力状态等问题。近年来，国际上许多学者都在隧道和地下结构的有限元静、动力分析方面做过许多工作。

上述的几个发展阶段，从时间上讲并不是截然分开的。有些较早时期采用的设计方法,例如工程类比法,仍然被广泛采用。

《地下结构设计原理与方法》作 者：李志业 曾艳华

出 版 社：西南交通大学出版社 出版日期：2003-09

ISBN：781057704 版 次：1

包 装：平装 开 本：16开

页 数：314页 印 张：1次

所属分类：图书 >建筑> 建筑设计 >地下建筑> (分类细分与勘误) 内容介绍

《地下结构设计原理与方法》系统地介绍了地下结构设计的基本理论与计算方法，突出了现代支护结构理论，形成了以理论计算和经验设计为基础，并以施工量测信息反馈设计来指导施工的现代地下结构设计体系。 《地下结构设计原理与方法》重点阐述了现代支护原理与方法、结构力学的计算方法、连续介质力学的计算方法和信息反馈设计方法。同时，为说明这些计算原理与方法，还撰写了有关的基础知识，列举了大量的工程实例，并辅以算例，做到理论与实践相结合。每章后附有思考题和习题。 《地下结构设计原理与方法》可作为高等院校地下工程专业本科学生的教材，亦可供从事相关工程工作的科研、设计和施工技术人员参考。 编辑2100433B

《地下结构抗浮理论与技术应用》重点阐述地下结构抗浮理论、关键技术和应用。全书共四篇17章。其中，第1章为绪论，理论篇（第2～4章）论述地下水浮力初步探讨试验和模型试验、抗浮的基本思路和计算方法，技术篇（一）（第5～9章）重点阐述微型桩抗浮技术、FRP混凝土抗拔桩抗浮技术、伞状锚抗浮技术、自张式人字形抗拔桩抗浮技术和配重法抗浮技术，技术篇（二）（第10、11章）主要叙述排水减压法抗浮技术和静水压力释放抗浮技术，应用篇（第12～17章）主要介绍各类工程案例。

《地下结构抗浮理论与技术应用》可供土木工程、岩土工程和水利工程等领域的科研人员及高等院校相关专业的师生参考。

设计计算内容

1．内力计算

加固前，在荷载作用下结构构件按原结构构件采用手算或电算分析方法，运用力学知识进行内力计算；加固后将预应力视为外荷载作用在原结构或构件上，同时考虑其余的外荷载，结构构件仍按原结构构件进行内力计算。预应力筋的内力包括有效预张力和荷载在预应力筋中引起的内力增量值。

2．有效预应力的确定

因为在预应力加固钢结构中预应力筋的内力增量必须考虑，所以张拉控制应力宜定得低一些，具体计算时，可按加固前后的承载力差值和预应力筋在预应力阶段的稳定性进行初步确定。将张拉控制应力减去预应力损失即为有效预应力。

3．构件计算的内容

（1）强度计算，所有受力构件均需满足强度，包括局部承压强度的要求。

（2）稳定计算，受压、受弯和压弯构件应满足稳定要求。稳定包括整体稳定和局部稳定。

（3）刚度计算，即为挠度计算，属正常使用极限状态。对受弯构件应进行挠度计算。

（4）疲劳计算，对直接承受动力荷载重复作用的构件，当其荷载产生的应力循环次数 n≥10⁵时，如工业厂房内的重级工作制吊车梁、桥梁构件，应进行疲劳验算。

构件的分类及需要进行的计算

1． 轴心受拉构件应进行强度计算。

2．轴心受压构件应进行强度、整体稳定和局部稳定计算。

3． 受弯构件，包括简支梁和连续梁应进行强度、整体稳定、局部稳定和挠度计算。

4． 压弯构件应进行强度、整体稳定（弯矩作用平面内和平面外）和局部稳定计算对于结构体系，如桁架（屋架），除组成杆件应分别按轴心拉压构件进行计算外，还应进行整体结构的挠度计算。

分阶段加固设计

预应力加固钢结构或构件的设计可分为两阶段加固设计和三阶段加固设计。当完全卸载时，预应力加固钢结构构件的计算与预应力钢结构的两阶段设计计算基本相同。当部分卸（负）载或完全负载（不卸载）时，则与预应力钢结构的三阶段设计计算类似。完全卸载时，预应力的施加为预应力阶段，加固后应承受的荷载作用为荷载作用阶段。部分卸（负）载或完全负载（不卸载）时，未卸除的荷载作用为初始荷载作用阶段，加固后应承受的荷载与未卸除的荷载之差值荷载作用为续加荷载阶段。但应注意，在初始荷载作用阶段，未卸除的荷载仅有恒载。

地铁地下结构是重要的生命线工程，其抗震问题日益受到重视。本项目拟以地铁车站为重点，采用理论分析、动力离心试验和数值模拟手段对地铁地下结构抗震问题进行深入研究。发展同时适用于静力和动力无限域问题分析的静-动力统一人工边界；建立可考虑结构材料非线性、结构-地基动态接触非线性、近场地基非线性及远场地基非线性的地下结构-地基系统地震反应分析模型；进行三组不同埋深的地铁车站及周围地基系统的动力离心模型试验，研究地铁车站在地震作用下的动力反应和破坏过程；开展系统的数值模拟分析，研究不同类型强地震场作用下地铁地下结构动力反应的规律和特点；基于理论分析与试验研究的成果，提出适用于地铁地下结构的Push-over分析方法；针对地铁结构的抗震构造措施及地铁区间隧道跨越地震活断层的设计方案及工程措施进行应用研究。项目工作对发展合理而可靠的地铁地下结构抗震设计理论和方法，完善地下结构抗震构造措施均有重要意义。 2100433B