地下结构方法：与地上结构优化的联系与区别

本书主要探讨地下结构最优化问题，在建立数学模型和求解时需要考虑地下结构的特点。虽然地下结构与地上结构在优化过程中所采用的优化方法相同，但地下结构因赋存于岩土体中使得问题不确定因素多，结构模型需要考虑岩土体与结构相互作用，岩土体中参数变化大，且难以确定。地下结构具有以下典型特点。

1.地层自稳能力

地下结构处在地层之中，不像地面结构处在空气介质之中，修建中和建成后要受到地层的作用，受到地层的自重、变形和振动的作用，粗看起来地层是个荷载，但观察大量天然洞室和模型实验，表明地层不单纯是荷载，各类地层有不同程度的自承载能力。当洞室形成时，地层在垂直和水平方向出现临空面，在两个方向均有一定的自稳范围和自稳时间，随着地层种类和构造的不同，其自稳范围和自稳时间在一个很大范围内变化，地下结构如何形成，就是要充分利用或改善地层的自稳范围和自稳时间的大小。

2.在受荷状态下建造

地下结构不同于地面结构的另一个突出之点，是地面结构建好后受载，地下结构是在受载状态下构筑。地下结构虽在总体上讲是在受载下构筑，而在每一个部件形成时，仍然是构筑后受载。地下工程往往是一个大的空间体系，承受地层实体对人工开挖形成地下空间的作用，在形成过程中都是与地层共同作用构成小空间体系，由小的逐步变化为大的工程要求的空间体系，每一小阶段地下结构修建时都要利用地层的自承载能力。另一方面要说明的是地下结构替代地层实体形成地下空间时，洞室上层的岩体自重产生变形将其作用通过两侧岩体传递到洞室的下部地层，这实际上表明在洞室周围存在着围岩承载环。

3.地下结构替代地层实体

由于地下工程是以地下结构内含空间替代地层实体，在替代过程中是在某一范围和时间内依赖地层的自承载力逐步实现的，地下结构的刚度无论如何都没有地层实体大，而且中间还要进行由实体到空间的转换，所以这一过程不可避免地要使围岩产生变形。建设者的任务就是将这一变形控制在允许的范围内，完全不变形是不可能的，过小的变形也会带来造价的增高。

4.松散的连续体

地层包含土体和岩体，除特别软弱的土层需要予以加固之外，考虑它的自承载能力，和围岩承载环特性，一般看成为松散的连续体，进行地下结构的设计计算需有足够的安全度。不利组合可能形成局部的大位移和大应力，不能按连续体处理。(www.xing528.com)

5.地下含水层对地下结构的影响

含水地层的状态往往对地下建筑和结构产生巨大的影响，绝大部分塌方和滑坡都与水有关，要了解地下水的分布情况，弄清水压和水量，注意地下水状况的变化而带来地层参数的变化，特别是岩体夹层参数的变化，采取相应的结构和防排水措施。

6.锚喷承载环

锚喷结构的出现，带来地下结构设计和施工的巨大变革，它的重要特点是及时和深入到岩层内加固围岩。锚杆初始的概念是锚头伸入全承载环内，垫板在围岩表面，松动圈或塌落拱内的岩体通过喷射混凝土层—锚杆—承载环。可以说新奥法和挪威法都是在这种结构基础上发展的。锚喷结构的发展，实际中也出现全长灌浆的短而密的锚杆，锚杆的长度没有伸入到承载环内；它是通过改善松动圈或塌落拱内岩体的参数使围岩稳定的。

7.严格的施工程序

考虑到上述特点，地下结构的形成过程，是一个逐步的、有序的替代过程，因此地下结构的施工步骤要有严格的工程程序。

8.设计和施工模式

地下结构处在地层中，地质条件在设计时只能提供一个概略资料，许多因素是未知的，只有在施工过程中才能逐步揭露和了解地质状况。另外还有些因素随着施工进程变化，如地层位移、流变和地壳运动（如地震）等，都随时间有一个明显或不明显的变化。因此地下结构的设计和施工一般有一个特殊的模式，即设计→施工及监测→信息反馈→修改设计→修改或加固施工→建成后还需有一段时间的监测。