《地下结构设计》考卷及答案.doc

A卷一 填空题（2分/每空，共30分）1、 地下结构按结构形式分类，可以分为 和 、沉管结构、 、地下连续墙结构和其他结构。2、 地下结构所承受的荷载，按其作用特点及使用中可能出现的情况可分为 、 和偶然荷载三大类。3、 附建式地下结构的主要形式有： 、板柱结构、 、 框架结构和 。4、 新奥法设计包括 和 两个阶段。5、 盾构机按功能分类可分为 、 、和 。6、 全断面掘进机的类型一般可分为 和 。二 名词解释（3分/每题，共12分）1、地下结构；2、围岩压力；3、浅埋式地下结构；4、新奥法三 简答题（第1和5题7分，其余为4分/每题，共30分） 1、地下结构设计一般分为哪两个阶段，其中第一个阶段的设计内容包括哪些 2、矩形闭合结构设计计算内容包括哪些，其主要构造要求有哪些3、附建式地下结构的口部结构主要包括哪些各有什么形式4、隧道进行超前支护的目的是什么超前支护结构主要有哪些形式5、盾构隧道衬砌设计方法可分为哪几类其中最常用的是哪一种其是如何考虑管片接缝的影响 6、简述掘进机法和钻爆法各有哪些特点和适用范围四 分析计算题（共28分）1、如图1所示，求作用在挡土墙上（墙背光滑，墙后的填土为砂土）的总侧压力（包括主动土压力和水压力），并绘图侧压力分布示意图。（14分）图1 土层分布及性质指标图2、某公路隧道采用直墙拱结构，开挖宽度为14.0 m，隧道净高7.0 m。经勘探，隧址区以VI级围岩为主，容重为20kN/m3，计算摩擦角为。隧道埋深为26 m。该隧道采用矿山法施工，请判断隧道是深埋还是浅埋，计算隧道垂直围岩压力和水平围岩压力，并绘出隧道围岩压力示意图。（14分）A卷答案一 填空题（2分/每空，共30分）7、 喷锚结构、复合衬砌结构、沉井结构8、 永久荷载、可变荷载9、 梁板式结构、箱型结构、拱壳结构10、 施工前预设计阶段、信息反馈修改设计阶段11、 土压平衡盾构、泥水平衡盾构、混合盾构12、 开敞式掘进机、护盾式掘进机二 名词解释（3分/每题，共12分）1.地下建筑结构：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。2.围岩压力：是指位于地下结构周围变形或破坏的岩层，作用在衬砌结构或支撑结构上的压力。3.浅埋式地下结构：浅埋式地下结构是指其覆盖层厚度较薄，不满足压力拱成拱条件或软土地层中覆盖层厚度小于结构尺寸的地下结构。4.新奥法：在岩质、土沙质介质中开挖隧道，以使围岩形成一个小空简状支承环结构为目的的隧道设计施工方法。三 简答题（第1和5题7分，其余为4分/每题，共30分） 1.设计工作一般分为初步设计和技术设计（包括施工图）两个阶段。初步设计中的结构设计部分，主要是在满足使用要求下，解决设计方案技术上的可行性与经济上的合理性，并提出投资、材料、施工等指标。初步设计的内容主要包括：（1） 工程等级和要求，以及静、动荷载标准的确定；（2） 确定埋置深度与施工方法；（3） 初等荷载值；（4） 选择建筑材料；（5） 选定结构型式和布置；（6） 估算结构跨度、高度、顶底板及边墙厚度等主要尺寸；（7） 绘制初步设计结构图；（8） 估算工程材料数量及财务概算。2. 矩形闭合结构设计要点包括计算简图、内力计算、截面计算、抗浮验算等；构造要求主要涉及配筋形式、混凝土保护层、受力与构造钢筋、箍筋、刚性节点构造和变形缝的设置及构造。3. 附建式地下结构的口部结构主要包括室内出入口、室外出入口和通风采光洞。室内出入口有阶梯式和竖井式、室外出入口有阶梯式和竖井式。4. 由于初期锚喷支护强度的增长速度不能满足洞体稳定的要求，可能导致洞体失稳，或由于大面积淋水，涌水地段，难以保证洞体稳定时，可采用超前锚杆、超前小钢管、管棚、地表预加固地层和围岩预注浆等辅助施工措施，对地层进行预加固，超前支护或止水。因此隧道超前支护主要有：（1）超前锚杆、超前小钢管；（2）管棚；（3）地面砂浆锚杆；（4）超前小导管注浆、深孔预注浆。5. 盾构隧道衬砌设计方法可分为四大类型：（1）基于过去隧道建设的经验设计法；（2）基于原位测试和实验室实验的设计方法； （3）圆环-弹性地基梁法；（4）连续介质模型法，包括理论分析法和数值法。第三种方法是迄今为止最常采用的设计方法。这种方法也可以按照混凝土管片接缝的处理方法被分为以下几类：（1）圆环的抗弯刚度被认为是整个衬砌均质环。存在接头但刚度没有折减，即衬砌与刚性环管片自身具有相同刚度；（2）由于接头的存在而导致的刚性降低在整个刚性衬砌中用折减系数来考虑；（3）衬砌被简化为铰接的圆环。接头的刚度被忽略，接缝被假定为完全的铰接。衬砌形成一个超静定结构，承受周围的压力，包括衬砌结构周围的土壤侧压力。（4）和第三种方法类似，考虑接头刚度的且衬砌假定是一个铰接环。接缝被模拟为具有恒定刚度值的弹性铰。6、在隧道施工方法上，TBM法和钻爆法都是隧道施工的成熟工法。钻爆法较TBM法工序多，施工组织复杂，工期较长，超欠挖量大、安全性差，但地质适应能力较好。TBM法与钻爆法比较的优势在于工序简单、施工速度快、安全性好。从技术上比较，TBM法适用于工期要求紧、且以硬质岩为主的圆形长隧道，而钻爆法则适用于短隧道、地质条件较复杂的且不适合TBM法快速施工的工程。四 分析计算题（共28分）1、（14分）解： 土层分布及性质指标图 土压力分布图 （1）第一层土A点：B点：（2）第二层土B点：C点：D点：水压力：土压力：主动土压力和水压力分布图如图4所示，主动土压力的合力（即图形面积）为：Ea×（）×2×（）×2×（）×2（KN/m）水压力合力：Ew=××10×2220（KN/m）总压力为：EEaEw20（KN/m）2、（14分）解：（1） （3分）（2）在矿山法施工条件下，VI级围岩取临界高度为： （2分）（3）H=26 m<<,所以该隧道为浅埋隧道。 （2分）（4）竖直荷载：2 水平荷载： （3分）（5）荷载示意图 （4分） B卷一 填空题（2分/每空，共30分）13、 地下结构按使用功能不同可分为 、 、生产设施、 储藏设施和 。14、 浅埋式地下结构的设计计算通常包括 、 和 三个方面的内容。15、 附建式地下结构的室内出入口分为 和 两种形式。16、 地下结构设计模型可分四种，即经验类比模型、荷载结构模型、 、和 。17、 复合式衬砌结构的构造包括 、二次衬砌和 。18、 盾构机按功能分类，可分为 、 和 。 二 名词解释（3分/每题，共12分）1、弹性抗力；2、附建式地下结构；3、掘进机法；4、地下结构三 简答题（5分/每题，共30分） 1、地下结构设计分为初步设计和技术设计，其中技术设计阶段的主要内容包括哪些2、何谓浅埋式地下结构其主要结构形式有哪些在什么条件下适宜采用明挖法施工3、附建式地下结构设计的特点主要有哪些4.、新奥法隧道支护结构设计基本程序是什么5、盾构法隧道衬砌管片按材料可分为哪些形式并简述其各自特点和使用条件6、全断面隧道掘进机可以分为哪两类它们之间有哪些区别四 分析计算题（共28分）1、如图1所示，求作用在挡土墙上（墙背光滑，墙后的填土为砂土）的总侧压力（包括主动土压力和水压力），并绘出侧压力分布示意图。（14分）图1 土层分布及性质指标图2、某公路隧道采用直墙拱结构，开挖宽度为12.0 m，隧道净高7.0 m。经勘探，隧址区以V级围岩为主，容重为21kN/m3，计算摩擦角为。隧道埋深为12m。该隧道采用矿山法施工，请判断隧道是深埋还是浅埋，计算隧道垂直围岩压力和水平压力值，并绘出隧道围岩压力示意图。（14分）B卷答案一 填空题（2分/每空，共30分）19、 生活设施、生产设施、防灾设施20、 荷载计算、内力计算、截面验算21、 阶梯式、竖井式22、 地层结构模型、收敛限制模型23、 初期支护、防水层24、 土压平衡盾构机、泥水平衡盾构机、混合盾构机二 名词解释（4分/每题，共8分）1.弹性抗力：在拱顶，其变形背向地层，在此区域内岩土体对结构不产生约束作用，所以成为脱离区，而在靠边拱脚和边墙部位，结构产生压向地层的变形，由于结构与岩土体紧密接触，则岩土体将制止结构的变形，从而产生了对结构的反作用力，这个反作用力称为弹性抗力2.附建式地下结构：是指根据一定的防护要求修建于较坚固的建筑物下面的地下室，又称“防空地下室”或“附建式人防工事”。3.掘进机法：是利用岩石隧道掘进机在岩石地层挖掘隧道的一种施工方法。4.地下建筑结构：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。三 简答题（8分/每题，共32分）1、技术设计主要是解决结构的强度、刚度和稳定、抗裂性等问题，并提供施工时结构各部件的具体细节尺寸及连接大样。技术细节的主要内容是：（一）计算荷载：按地层介质类别、建筑用途、防护等级、地震级别、埋置深度等求出作用在结构上的各种荷载值；（二）计算简图：根据实际结构和计算工具情况，拟出恰当的计算图式；（三）内力分析：选择结构内力计算方法，得出结构各控制设计截面的内力；（四）内力组合：在各种荷载内力分别计算的基础上，对最不利的可能情况进行内力组合，求出各控制界面的最大设计内力值；（五）配筋设计：通过截面强度和裂缝计算得出受力钢筋，并确定必要的分布钢筋与架立钢筋；（六）绘制结构施工详图：如结构平面图、结构构件配筋图、节点详图，还有风、水、电和其他内部设备的预埋件图；（七）材料、工程数量和工程财务预算。2、答：浅埋式地下结构是指其覆盖层厚度较薄，不满足压力拱成拱条件或软土地层中覆盖层厚度小于结构尺寸的地下结构。其结构形式主要分为圆形结构、拱形结构、矩形闭合结构、梁板式结构和壳体结构或折板结构。根据我国的工程经验，埋深在510m的浅埋式地下结构采用明挖法施工是经济合理的。3、（1）地上地下综合考虑，使地上与地下部分的建筑材料、平面布置、结构形式、施工方法等尽量取得一致。（2）附建式地下结构的侧墙与上部地面建筑的承重外墙相重合，要尽量不做或少做局部地下室，要修全地下室。（3）根据核爆炸、化学生物武器的杀伤作用与因素确定对附建式地下结构的要求。（4）对附建式地下结构中的钢筋混凝土结构，可按弹塑性阶段设计。（5）附建式地下结构以平时设计荷载和战时设计荷载两者中的控制状况作为设计的依据。（6）附建式地下结构的设计要做到平战结合。4、新奥法设计的基本程序为：（1）研究实测资料；（2）掌握围岩的各种性状和隧道的环境条件；（3）施工前预设计；（4）隧道开挖与开挖工作面地质调查、现场监控量测。5、（1）钢筋混凝土管片 箱形管片一般用于较大直径的隧道。单块管片重量较轻，管片本身强度不如平板形管片，特别在盾构顶力作用下易开裂。2)平板形管片用于较小直径的隧道，单块管片重量较重，对盾构千斤顶顶力具有较大的抵抗能力，正常运营时对隧道通风阻力较小。（2）铸铁管片国外在饱和含水不稳定地层中修建隧道时较多采用铸铁管片。管片显得较轻，耐蚀性好，机械加工后管片精度高，能有效地防渗抗漏。缺点是金属消耗量大，机械加工量也大，价格昂贵。近十几年来已逐步由钢筋混凝土管片所取代。由于铸铁管片具有脆性破坏的特性，不宜用作承受冲击荷重的隧道衬砌结构。（3）钢管片 优点是重量轻，强度高。缺点是刚度小，耐锈蚀性差，需进行机械加工以满足防水要求。成本昂贵，金属消耗量大，国外在使用钢管片的同时，再在其内浇注混凝土或钢筋混凝土内衬。（4）复合管片外壳采用钢板制成，在钢壳内浇注钢筋混凝土，组成一复合结构，这样其重量比钢筋混凝土管片轻，刚度比钢管片大，金属消耗量比钢管片小，缺点是钢板耐蚀性差，加工复杂冗繁。6、TBM一般可分为开敞式TBM和护盾式TBM两大类型，护盾式TBM又有双护盾TBM和单护盾TBM之分。开敞式和护盾式掘进机的区别在于开敞式掘进机在开挖中依靠撑于岩璧上的水平支撑提供设备推力和扭矩的支撑反力，开挖后的围岩暴露于机械四周。而护盾掘进机则可在掘进中利用尾部已安装的衬砌管片作为推进的支撑，围岩由于有护盾防护，在护盾长度的范围内不暴露。因此护盾掘进机更适用于软岩，而岩石稳定性好、软弱围岩较少的隧道一般选用开敞式。此外，还要根据工程设计、工期及工程造价进行综合分析确定。四 分析计算题（共30分）1、（14分）解： 土层分布及性质指标图 土压力分布图 （1）第一层土A点：B点：（2）第二层土B点：C点：D点：水压力：土压力：主动土压力和水压力分布图如图4所示，主动土压力的合力（即图形面积）为：Ea×（）×2×（）×2×（）×2（KN/m）水压力合力：Ew=××10×2220（KN/m）总压力为：EEaEw20（KN/m）2、（16分）解：（1） （3分）（2）在矿山法施工条件下，V级围岩取临界高度为： （3分）（3）H=12m<<,所以该隧道为浅埋隧道。 （3分）（4）竖直荷载：2 水平荷载：=m2 （3分）（5）荷载示意图 （4分）