住房和城乡建设部 “十四五”规划教材

高等学校土木工程学科专业指导委员会城市地下空间工程指导小组规划教材

“十三五”江苏省高等学校重点教材 （编号：２０１９２２９０）

城市地下空间工程设计方法及案例分析

（毕业设计指导用书）

主 编 高洪梅 王志华

副主编 申志福 李富荣 李 明 毛昆明

住房和城乡建设部 “十四五”规划教材

高等学校土木工程学科专业指导委员会城市地下空间工程指导小组规划教材

“十三五”江苏省高等学校重点教材 （编号：２０１９２２９０）

城市地下空间工程设计方法及案例分析 （毕业设计指导用书）

主 编 高洪梅 王志华

副主编 申志福 李富荣 李 明 毛昆明



中国建筑工业出版社出版、发行（北京海淀三里河路９号）

各地新华书店、建筑书店经销

北京红光制版公司制版

印刷



开本：７８７毫米×１０９２毫米 １／１６ 印张：１３ 字数：３３７千字

２０２３年８月第一版 ２０２３年８月第一次印刷

定价：４９００元 （赠教师课件）

ＩＳＢＮ９７８７１１２２８９４６２

（４１２３６）

版权所有 翻印必究

如有内容及印装质量问题，请联系本社读者服务中心退换

电话：（０１０）５８３３７２８３ ＱＱ：２８８５３８１７５６

（地址：北京海淀三里河路９号中国建筑工业出版社６０４室 邮政编码：１０００３７）

图书在版编目 （犆犐犘）数据

城市地下空间工程设计方法及案例分析 ：毕业设计

指导用书／高洪梅，王志华主编 ；申志福等副主编．—

北京 ：中国建筑工业出版社，２０２３．９

住房和城乡建设部 “十四五”规划教材 高等学校土

木工程学科专业指导委员会城市地下空间工程指导小组规

划教材 “十三五”江苏省高等学校重点教材

ＩＳＢＮ９７８７１１２２８９４６２

Ⅰ．①城… Ⅱ．①高… ②王… ③申… Ⅲ．①城市空

间－地下建筑物－建筑设计－高等学校－教材 Ⅳ．

①ＴＵ９２

中国国家版本馆ＣＩＰ数据核字（２０２３）第１３３８３９号

当前，城市地下空间的开发已进入快速发展时期，地下建筑结构设计急需一本理论与实践结

合的参考教材。本教材除绪论外共６章，涵盖了几类主要的地下建筑结构形式，主要包括：地下

结构荷载与设计方法、基坑工程设计、地铁车站设计、地铁区间盾构隧道设计、人防地下室结构

设计以及地下综合管廊设计。本教材除了对设计理论、方法的介绍外，还加入了对工程案例设计

和分析，可参考性强。

本教材既可作为高等学校城市地下空间工程、土木工程 （地下或岩土方向）等专业的教材，

也可作为与地下建筑结构相关的课程设计、毕业设计等实践环节的教学指导用书。此外，本教材

也可供从事基坑等地下建筑结构设计工作的工程技术人员参考使用。

为了更好地支持相应课程的教学，我们向采用本书作为教材的教师提供课件，有需要者可与出

版社联系。建工书院：ｈｔｔｐ：／／ｅｄｕ．ｃａｂｐｌｉｎｋ．ｃｏｍ，邮箱：ｊｃｋｊ＠ｃａｂｐ．ｃｏｍ．ｃｎ，电话：（０１０）５８３３７２８５。

责任编辑：仕 帅 吉万旺

文字编辑：卜 煜

责任校对：姜小莲

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党和国家高度重视教材建设。２０１６年，中办国办印发了 《关于加强和改进新形势下

大中小学教材建设的意见》，提出要健全国家教材制度。２０１９年１２月，教育部牵头制定

了 《普通高等学校教材管理办法》和 《职业院校教材管理办法》，旨在全面加强党的领导，

切实提高教材建设的科学化水平，打造精品教材。住房和城乡建设部历来重视土建类学科

专业教材建设，从 “九五”开始组织部级规划教材立项工作，经过近３０年的不断建设，

规划教材提升了住房和城乡建设行业教材质量和认可度，出版了一系列精品教材，有效促

进了行业部门引导专业教育，推动了行业高质量发展。

为进一步加强高等教育、职业教育住房和城乡建设领域学科专业教材建设工作，提

高住房和城乡建设行业人才培养质量，２０２０年１２月，住房和城乡建设部办公厅印发

《关于申报高等教育职业教育住房和城乡建设领域学科专业 “十四五”规划教材的通知》

（建办人函 〔２０２０〕６５６号），开展了住房和城乡建设部 “十四五”规划教材选题的申报

工作。经过专家评审和部人事司审核，５１２项选题列入住房和城乡建设领域学科专业

“十四五”规划教材 （简称规划教材）。２０２１年９月，住房和城乡建设部印发了 《高等教

育职业教育住房和城乡建设领域学科专业 “十四五”规划教材选题的通知》 （建人函

〔２０２１〕３６号）。为做好 “十四五”规划教材的编写、审核、出版等工作， 《通知》要

求：（１）规划教材的编著者应依据 《住房和城乡建设领域学科专业 “十四五”规划教材

申请书》（简称 《申请书》）中的立项目标、申报依据、工作安排及进度，按时编写出高

质量的教材；（２）规划教材编著者所在单位应履行 《申请书》中的学校保证计划实施的

主要条件，支持编著者按计划完成书稿编写工作；（３）高等学校土建类专业课程教材与

教学资源专家委员会、全国住房和城乡建设职业教育教学指导委员会、住房和城乡建设

部中等职业教育专业指导委员会应做好规划教材的指导、协调和审稿等工作，保证编写

质量；（４）规划教材出版单位应积极配合，做好编辑、出版、发行等工作；（５）规划教

材封面和书脊应标注 “住房和城乡建设部 ‘十四五’规划教材”字样和统一标识；

（６）规划教材应在 “十四五”期间完成出版，逾期不能完成的，不再作为 《住房和城乡

建设领域学科专业 “十四五”规划教材》。

住房和城乡建设领域学科专业 “十四五”规划教材的特点：一是重点以修订教育部、

住房和城乡建设部 “十二五”“十三五”规划教材为主；二是严格按照专业标准规范要求

编写，体现新发展理念；三是系列教材具有明显特点，满足不同层次和类型的学校专业教

学要求；四是配备了数字资源，适应现代化教学的要求。规划教材的出版凝聚了作者、主

３

审及编辑的心血，得到了有关院校、出版单位的大力支持，教材建设管理过程有严格保

障。希望广大院校及各专业师生在选用、使用过程中，对规划教材的编写、出版质量进行

反馈，以促进规划教材建设质量不断提高。

住房和城乡建设部 “十四五”规划教材办公室

２０２１年１１月

４

! #

国家最高科学技术奖获得者钱七虎院士说： “２１世纪是地下空间开发利用的世纪”。

为满足地下空间开发和利用对高级专业技术人才的需求，作为高等学校土木工程特设专业

的城市地下空间工程专业应运而生。自２００１年城市地下空间工程专业首次获批设立以来，

全国已有近９０所高校开设了该专业。与土木工程专业不同的是，城市地下空间工程专业

具有多领域、多学科交叉的特点，涉及规划、建筑、土建以及暖通等方面知识，国内开设

该专业的高校所依托的学科和专业类型也不尽相同，有房建市政类、采矿资源类以及水利

工程类等。因此，各高校的城市地下空间工程专业定位、课程设置以及实践环节的教学存

在较大的差异。本教材主要聚焦于房建市政类地下空间工程，重点介绍地铁车站、区间隧

道、人防地下室结构、地下管廊等典型的城市地下建筑结构的设计理论和方法，并结合工

程案例详细讲解设计过程。本教材可作为城市地下空间工程专业课程设计、毕业设计等实

践教学环节的指导用书，也可供从事地下建筑结构设计的工程技术人员参考使用。

本教材共分７章。第１章绪论；第２章地下结构荷载与设计方法；第３章基坑工程设

计，侧重于排桩＋内支撑＋水泥土搅拌桩支护结构形式；第４章地铁车站设计，侧重于明

挖法施工的框架式车站主体结构设计；第５章地铁区间盾构隧道设计，侧重于土层中闭胸

式盾构衬砌管片的设计，并重点介绍结构的防水设计；第６章人防地下室结构设计，侧重

于人防功能的设计；第７章地下综合管廊设计，侧重于装配式结构设计。

本书编写及审定工作分工如下：编写大纲由南京工业大学高洪梅和王志华制订，第１

章由王志华和南京工业大学刘璐编写，第２章由南京工业大学申志福编写，第３章由高洪

梅和南京工业大学张鑫磊编写，第４章由高洪梅和金陵科技学院毛昆明编写，第５章由盐

城工学院李富荣编写，第６章和第７章由申志福和吉林建筑大学李明撰写。王志华负责全

书的审校工作，高洪梅负责全书的修改、定稿和校对工作，南京工业大学胡庆兴、盛俭副

教授对部分章节进行了指导和修改。此外，衣睿博、杨洋、赵逸昕、董俊鹏、李甜甜等研

究生为本书文稿的编辑和插图的制作付出了辛勤劳动，在此表示衷心感谢。

教材编写过程中，编者与北京城建集团、中铁第六勘察设计院集团有限公司、南京市

测绘勘察研究院股份有限公司、中国电建中国水利水电第七工程局有限公司、中铁一局集

团有限公司、中铁二十四局集团有限公司等单位技术人员进行了多次交流和讨论，得到许

多宝贵的意见和建议，在此一并表示感谢。

由于编者水平和能力所限，书中难免有错误与不足之处，敬请读者批评指正，不胜感

激。编者邮箱为：ｈｏｎｇｍｅｉ５４＠１６３．ｃｏｍ。

编者

２０２３年３月

５

( )

第１章 绪论…………………………………………………………………………………… １

１．１ 地下结构的特点及类型 ……………………………………………………………… １

１．２ 地下结构的设计程序及内容 ………………………………………………………… ２

１．３ 城市地下空间工程专业毕业设计目的及要求 ……………………………………… ２

１．４ 城市地下空间工程专业毕业设计流程及成果要求 ………………………………… ３

第２章 地下结构荷载与设计方法…………………………………………………………… ４

２．１ 极限状态设计原则 …………………………………………………………………… ４

２．２ 荷载种类与组合 ……………………………………………………………………… ５

２．２．１ 荷载种类 …………………………………………………………………………… ５

２．２．２ 荷载组合 …………………………………………………………………………… ６

２．３ 荷载分析与计算方法 ………………………………………………………………… ８

２．３．１ 结构自重 …………………………………………………………………………… ８

２．３．２ 地层压力 …………………………………………………………………………… ８

２．３．３ 地表超载…………………………………………………………………………… １２

２．３．４ 使用荷载…………………………………………………………………………… １２

２．３．５ 施工荷载…………………………………………………………………………… １４

２．３．６ 偶然荷载…………………………………………………………………………… １４

２．３．７ 地层抗力…………………………………………………………………………… １４

２．３．８ 其他未详述作用 …………………………………………………………………… １５

２．４ 地下结构设计方法…………………………………………………………………… １５

２．４．１ 工程类比法 ………………………………………………………………………… １５

２．４．２ 荷载—结构法 ……………………………………………………………………… １５

２．４．３ 地层—结构法 ……………………………………………………………………… １７

第３章 基坑工程设计 ……………………………………………………………………… １８

３．１ 概述…………………………………………………………………………………… １８

３．２ 设计原则及依据……………………………………………………………………… ２０

３．２．１ 设计原则…………………………………………………………………………… ２０

３．２．２ 设计依据…………………………………………………………………………… ２１

３．３ 排桩围护结构设计…………………………………………………………………… ２１

３．３．１ 桩体平面布置 ……………………………………………………………………… ２１

３．３．２ 入土深度确定 ……………………………………………………………………… ２２

３．３．３ 水平荷载及强度指标选用…………………………………………………………… ２３

３．３．４ 围护结构内力计算方法 …………………………………………………………… ２４

６

３．３．５ 桩体配筋及构造要求 ……………………………………………………………… ２７

３．４ 内支撑结构设计……………………………………………………………………… ２８

３．４．１ 支撑的结构形式及特点 …………………………………………………………… ２８

３．４．２ 支撑的布置形式 …………………………………………………………………… ３０

３．４．３ 支撑结构内力变形计算 …………………………………………………………… ３０

３．４．４ 支撑结构截面设计及承载力验算 …………………………………………………… ３１

３．４．５ 支撑体系构造要求 ………………………………………………………………… ３１

３．４．６ 拆撑与换撑 ………………………………………………………………………… ３２

３．５ 基坑地下水控制……………………………………………………………………… ３３

３．５．１ 截水方法…………………………………………………………………………… ３４

３．５．２ 排水方法…………………………………………………………………………… ３６

３．５．３ 降水方法…………………………………………………………………………… ３６

３．６ 基坑监测内容及要求………………………………………………………………… ４０

３．６．１ 基坑监测的内容 …………………………………………………………………… ４０

３．６．２ 基坑监测的预警值 ………………………………………………………………… ４１

３．７ 设计案例———某复建房基坑工程设计……………………………………………… ４３

３．７．１ 工程概况…………………………………………………………………………… ４３

３．７．２ 排桩围护结构设计 ………………………………………………………………… ４６

３．７．３ 支撑结构设计 ……………………………………………………………………… ５６

３．７．４ 地下水控制 ………………………………………………………………………… ６４

３．７．５ 监测方案…………………………………………………………………………… ６５

３．７．６ 电算结果…………………………………………………………………………… ６６

３．７．７ 总体支护方案 ……………………………………………………………………… ７０

３．７．８ 案例总结…………………………………………………………………………… ７２

第４章 地铁车站设计 ……………………………………………………………………… ７３

４．１ 概述…………………………………………………………………………………… ７３

４．２ 地铁车站建筑设计…………………………………………………………………… ７３

４．２．１ 车站类型…………………………………………………………………………… ７３

４．２．２ 车站规模计算 ……………………………………………………………………… ７４

４．２．３ 车站总平面布置 …………………………………………………………………… ７５

４．２．４ 车站建筑布置 ……………………………………………………………………… ７６

４．２．５ 车站相关尺寸确定 ………………………………………………………………… ７７

４．３ 地铁车站主体结构设计……………………………………………………………… ７７

４．３．１ 拟定结构尺寸 ……………………………………………………………………… ７７

４．３．２ 荷载种类及组合 …………………………………………………………………… ７７

４．３．３ 计算模型及内力计算方法…………………………………………………………… ８０

４．３．４ 配筋及裂缝控制验算 ……………………………………………………………… ８１

４．３．５ 抗浮验算…………………………………………………………………………… ８２

４．４ 设计案例———某地铁车站结构设计………………………………………………… ８３

７

４．４．１ 工程地质及水文地质条件…………………………………………………………… ８３

４．４．２ 车站主体结构形式及尺寸…………………………………………………………… ８４

４．４．３ 荷载计算及组合 …………………………………………………………………… ８４

４．４．４ 标准断面内力计算及设计…………………………………………………………… ８９

４．４．５ 车站标准段侧墙、（顶、中、底）板、柱配筋计算 ………………………………… １０３

４．４．６ 车站标准段侧墙、板、柱裂缝控制验算 …………………………………………… １０７

４．４．７ 车站标准段纵向结构 （纵梁）内力与配筋计算 …………………………………… １０９

４．４．８ 抗浮稳定性验算 ………………………………………………………………… １１４

４．４．９ 案例总结 ………………………………………………………………………… １１６

第５章 地铁区间盾构隧道设计…………………………………………………………… １１７

５．１ 概述 ………………………………………………………………………………… １１７

５．２ 盾构机选型 ………………………………………………………………………… １１８

５．２．１ 选型步骤 ………………………………………………………………………… １１８

５．２．２ 选型方法 ………………………………………………………………………… １１８

５．３ 管片构造设计 ……………………………………………………………………… １１９

５．３．１ 衬砌管片结构类型………………………………………………………………… １１９

５．３．２ 管环的构成 ……………………………………………………………………… １１９

５．３．３ 管环的分块 ……………………………………………………………………… １２０

５．３．４ 管片宽度及厚度 ………………………………………………………………… １２０

５．３．５ 管片的拼装及接头方式 …………………………………………………………… １２１

５．４ 管片结构内力计算 ………………………………………………………………… １２２

５．４．１ 管片设计模型 …………………………………………………………………… １２２

５．４．２ 管片设计方法 …………………………………………………………………… １２４

５．４．３ 盾构隧道荷载 …………………………………………………………………… １２５

５．４．４ 基于均质圆环法管片内力计算 …………………………………………………… １２８

５．５ 管片配筋设计与分析 ……………………………………………………………… １２９

５．５．１ 配筋设计 ………………………………………………………………………… １３０

５．５．２ 配筋分析 ………………………………………………………………………… １３０

５．６ 管片防水设计 ……………………………………………………………………… １３３

５．６．１ 防水设计原则 …………………………………………………………………… １３３

５．６．２ 防水等级标准及防水措施 ………………………………………………………… １３３

５．６．３ 结构自防水及外防水材料 ………………………………………………………… １３４

５．６．４ 隧道管片环接缝设计水压 ………………………………………………………… １３４

５．６．５ 密封垫设计 ……………………………………………………………………… １３４

５．６．６ 嵌缝设计 ………………………………………………………………………… １３５

５．７ 设计案例———某地铁区间盾构隧道设计 ………………………………………… １３６

５．７．１ 工程概况 ………………………………………………………………………… １３６

５．７．２ 荷载计算 ………………………………………………………………………… １３６

５．７．３ 内力计算 ………………………………………………………………………… １３８

８

５．７．４ 配筋计算 ………………………………………………………………………… １４０

５．７．５ 案例总结 ………………………………………………………………………… １４３

第６章 人防地下室结构设计……………………………………………………………… １４５

６．１ 概述 ………………………………………………………………………………… １４５

６．２ 人防地下室结构设计规定 ………………………………………………………… １４６

６．２．１ 结构形式 ………………………………………………………………………… １４６

６．２．２ 防护等级 ………………………………………………………………………… １４６

６．２．３ 设计内容 ………………………………………………………………………… １４６

６．２．４ 动荷载作用下的材料参数 ………………………………………………………… １４６

６．２．５ 爆炸动荷载作用下结构等效静荷载………………………………………………… １４７

６．２．６ 人防地下室结构荷载组合 ………………………………………………………… １５３

６．２．７ 承载能力极限状态设计表达式 …………………………………………………… １５４

６．２．８ 结构构件的允许延性比 …………………………………………………………… １５５

６．２．９ 结构构件设计基本规定 …………………………………………………………… １５５

６．２．１０ 构造规定 ………………………………………………………………………… １５７

６．３ 人防地下室结构构件设计要点 …………………………………………………… １５８

６．３．１ 楼盖设计 ………………………………………………………………………… １５８

６．３．２ 承重内墙 （柱）设计 ……………………………………………………………… １６５

６．３．３ 外侧墙设计 ……………………………………………………………………… １６６

６．３．４ 基础与底板设计 ………………………………………………………………… １６７

６．３．５ 地基承载力与变形验算 …………………………………………………………… １６８

６．３．６ 平战转换设计 …………………………………………………………………… １６８

６．４ 设计案例———某人防地下商场结构设计 ………………………………………… １６９

６．４．１ 建筑概况及设计依据 ……………………………………………………………… １６９

６．４．２ 工程地质及水文地质条件 ………………………………………………………… １６９

６．４．３ 人防地下结构建筑设计 …………………………………………………………… １６９

６．４．４ 结构方案 ………………………………………………………………………… １６９

６．４．５ 无梁楼盖设计 …………………………………………………………………… １７１

６．４．６ 柱帽抗冲切验算 ………………………………………………………………… １７４

６．４．７ 中柱设计 ………………………………………………………………………… １７４

６．４．８ 外侧墙设计 ……………………………………………………………………… １７５

６．４．９ 案例总结 ………………………………………………………………………… １７８

第７章 地下综合管廊设计………………………………………………………………… １７９

７．１ 概述 ………………………………………………………………………………… １７９

７．２ 综合管廊规划与总体设计要点 …………………………………………………… １８０

７．２．１ 综合管廊规划 …………………………………………………………………… １８０

７．２．２ 平面布置 ………………………………………………………………………… １８１

７．２．３ 断面布置 ………………………………………………………………………… １８１

７．２．４ 口部布置 ………………………………………………………………………… １８３

９

７．２．５ 覆土埋深 ………………………………………………………………………… １８３

７．３ 结构设计 …………………………………………………………………………… １８３

７．３．１ 常见结构形式 …………………………………………………………………… １８３

７．３．２ 结构设计一般规定………………………………………………………………… １８４

７．３．３ 荷载作用 ………………………………………………………………………… １８５

７．３．４ 结构分析模型 …………………………………………………………………… １８５

７．３．５ 构造要求 ………………………………………………………………………… １８７

７．３．６ 防水设计 ………………………………………………………………………… １８７

７．４ 设计案例———某装配式地下综合管廊结构设计 ………………………………… １８９

７．４．１ 工程概况 ………………………………………………………………………… １８９

７．４．２ 设计依据 ………………………………………………………………………… １９０

７．４．３ 设计标准与说明 ………………………………………………………………… １９０

７．４．４ 断面尺寸 ………………………………………………………………………… １９１

７．４．５ 内力计算 ………………………………………………………………………… １９１

７．４．６ 配筋计算 ………………………………………………………………………… １９５

７．４．７ 节段连接 ………………………………………………………………………… １９５

７．４．８ 抗浮验算 ………………………………………………………………………… ２０１

７．４．９ 防水方案 ………………………………………………………………………… ２０１

７．４．１０ 案例总结 ………………………………………………………………………… ２０３

参考文献……………………………………………………………………………………… ２０４

１０

第１章 绪 论

１１ 地下结构的特点及类型

地下结构是指在地表以下开挖岩土体形成的空间中修建的各类结构。相比地上结构，

地下结构承受的荷载更加复杂，周围岩土体不仅作为荷载作用于地下结构，而且会约束结

构的移动和变形。所以，在地下结构设计中除了要计算复杂多变的岩土体压力外，还要考

虑结构与岩土体的共同作用。地下结构往往位于地下水位以下，因此还要考虑水的不良作

用，比如水压力、水的渗透以及浮力作用等。当前，城市地下空间开发和利用正处于快速

发展时期，并呈现出 “深”“大”“挤”的趋势。因此，地下结构设计中对于周边环境影响

的考虑显得尤为重要。例如，周边复杂的地下管线、房屋建筑以及近距离下穿既有地下结

构等问题在设计中需要考虑专门的保护措施。

城市地下结构形式按照使用功能可分为城市公共服务设施、城市地下交通设施以及城

市地下基础设施等，进一步的分类如图１１所示。

图１１ 城市地下结构分类

本教材限于篇幅，不能面面俱到，故主要介绍有代表性的几类地下结构，包括地铁车

站结构、地铁区间盾构隧道、人防地下室结构以及地下综合管廊等。地铁车站侧重于明挖

法施工的框架式车站主体结构设计；地铁区间盾构隧道侧重于土层中闭胸式盾构衬砌管片

的设计，并重点介绍结构的防水设计；人防地下室结构侧重于人防功能的设计；地下综合

管廊侧重于装配式结构设计。另外，地下结构的施工方法特别是明挖法，必然涉及基坑工

程。因此，本教材还加入了基坑支护设计的内容，侧重于排桩＋内支撑＋水泥土搅拌桩支

护结构形式。以上内容基本涵盖了图１１中的各类设施，对其他没有讲述的结构形式的设

１

计也有借鉴意义。另外，要说明的是，本教材所讲述的均为土层中的地下结构，对于岩层

中的地下结构的设计可参考其他相关教材。

１２ 地下结构的设计程序及内容

地下结构设计应做到安全可靠、经济合理、技术先进、环境友好。一般分为初步设计

和施工图设计两个阶段。

初步设计中的结构设计部分，主要是在满足使用要求的前提下，确保设计方案在技术

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）初步设计荷载值。

（４）选择建筑材料。

（５）选定结构形式和布置。

（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。

结构形式及主要尺寸的确定，一般可通过工程类比法，吸取国内外已建工程的经验，

提出设计数据。必要时可用近似计算方法求出内力，综合经济和安全考虑初步配置钢筋。

将初步设计图纸附以说明书，送交有关主管部门审定批准后，才可进行施工图设计。

施工图设计主要解决结构的承载力、刚度和稳定等问题，并提供施工时结构各部件的具体

细节尺寸及连接大样。施工图设计的主要内容包括

（１）计算荷载：按建筑用途、设计等级、埋置深度、工程地质条件、水文地质条件以

及周边环境等计算作用于结构上的各种荷载值。

（２）计算简图：根据实际结构和计算的具体情况，给出计算图式。

（３）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。

（４）内力组合：在分别计算各种荷载内力的基础上，对最不利的可能情况进行内力组

合，求出各控制截面的最大设计内力值。

（５）配筋设计：通过截面承载力和裂缝计算得到受力钢筋，并确定钢筋等级、数量及

分布。

（６）绘制结构施工详图：如结构平面图、结构构件配筋图及节点详图。

（７）材料、工程数量和工程财务预算等。

１３ 城市地下空间工程专业毕业设计目的及要求

城市地下空间工程专业作为土木类特设专业，其主要目的是培养具有扎实的数学、力

学与工程结构等理论知识基础，面向城市地下空间开发领域的工程规划、勘察、设计、施

工和管理的专业技术人才。城市地下空间工程专业毕业设计是本专业人才培养的最后，也

２

城市地下空间工程设计方法及案例分析 （毕业设计指导用书）



是最关键的实践性环节，要求学生能够综合运用所学基本理论与技能系统地解决本专业领

域复杂工程问题，同时也是对学生专业素质与能力的全面检验，做好毕业设计工作对培养

具有创新精神和实践能力的高素质人才具有极其重要的意义。

城市地下空间工程专业毕业设计的选题，可以参考本教材的几种典型结构形式进行施

工图设计。针对实际工程情况，进行设计方案的比选，给出详细的设计计算书以及施工图

纸，并进行工程财务预算。

毕业设计中需对学生着重以下七方面能力的培养。

（１）检索专业相关的中、外文文献资料，阅读后能够针对地下空间结构设计方面给出

文献综述。

（２）具有良好的逻辑思维能力，能够综合运用所学专业知识分析与解决复杂工程

问题。

（３）掌握设计参数的获取方法和合理性与可靠性判断，并能够准确应用。

（４）熟练运用计算机绘图 （ＡＵＴＯＣＡＤ）、ＯＦＦＩＣＥ办公软件以及图表制作等软件。

（５）掌握至少一款电算设计软件，如ＰＫＰＭ、ＳＡＰ、ＭＩＤＡＳ、理正、启明星等。

（６）掌握地下空间工程领域的英文专业术语，能够较熟练并且准确地翻译科技英文

资料。

（７）具备良好的专业写作能力，能够撰写设计计算报告，并进行熟练的口头表达与

沟通。

１４ 城市地下空间工程专业毕业设计流程及成果要求

毕业设计的流程及成果要求主要包括

（１）课题双选：指导教师提交毕业设计选题供学生进行选择。课题信息主要包括课题

名称、题目分类 （工程实际、设计型）、题目来源 （生产实践）、上机时数、工作量大小、

题目难易程度、课题简介、课题要求 （包括所具备的条件）以及课题工作量要求等。

（２）下达任务书：选题确定后，指导教师要提供设计课题的相关资料，包括工程项目

概况以及岩土工程勘察报告等。对于基坑设计，还需要提供建筑平面及结构基础资料等。

任务书主要包括毕业设计内容与要求、毕业设计图纸内容及张数、试验内容及要求、参考

文献以及工作进展与安排等。另外，在下达任务书的同时要求学生翻译一篇与设计课题紧

密相关的英文文献，以提高学生对专业外语的综合运用能力。

（３）完成开题报告：学生针对设计课题内容，查阅相关文献资料，撰写２０００字左右

的文献综述；针对课题具体情况给出设计方案的比选，并提出初步设计方案。指导教师对

文献综述进行点评，并对课题的深度、广度、工作量以及设计结果的预测给出评价。

（４）完成设计计算书及施工图纸：在指导教师确定初步方案可行之后，学生按照地下

结构的设计程序，完成设计计算书，形成设计报告 （包括中、英文摘要、目录、正文、结

论、参考文献以及致谢）并绘制施工图纸。

（５）毕业设计答辩：提交上述的所有设计资料，完成毕业设计答辩。

（６）资料归档：将全部的毕业设计资料以及答辩相关记录整理好进行归档。

３

第１章 绪



论

第２章 地下结构荷载与设计方法

２１ 极限状态设计原则

极限状态法是指不使结构超越某种规定的极限状态的设计方法。《工程结构可靠性设

计统一标准》ＧＢ５０１５３—２００８规定：工程结构设计宜采用以概率理论为基础、以分项系

数表达的极限状态设计方法。目前我国规范多采用极限状态法进行地下结构的设计。

地下结构设计要求在施工期和正常使用条件下满足下列预定功能并具有最佳经济

效果。

（１）安全性，即结构能承受可能出现的各种作用 （如荷载、温度改变、基础不均匀沉

降等引起的内力和变形，且在强震、爆炸以及台风等偶然事件发生时和发生后，结构仍然

能保持必要的整体稳定性，不致倒塌）。

（２）适用性，即结构具有良好的工作性能，不产生影响使用的过大变形、振幅和裂缝

宽度。

（３）耐久性，指结构在正常维护条件下具有足够的耐久性能，如混凝土不得脱落、风

化、腐蚀，钢筋不因保护层厚度不够或混凝土裂缝过宽而锈蚀。值得注意的是，地下结构

设计既涉及基坑围护桩墙等临时结构，也涉及地铁车站、隧道、地下综合管廊等永久结

构，前者使用期限多则数年、少则数月，后者使用年限一般在７０～１００年，两者相差甚

远，在设计时应注意区别。

安全性、适用性、耐久性三者统称为结构的可靠性，结构能够满足这些功能要求则称

为结构可靠，反之则结构失效；结构由可靠转为失效的分界点称为结构的极限状态。整个

结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态

称为该功能的极限状态。从结构设计角度，结构或构件的极限状态有两种：承载能力极限

状态和正常使用极限状态。

承载能力极限状态指结构或构件达到最大承载力，出现疲劳破坏或不适于继续承载的

变形状态。结构或构件一旦超过承载能力极限状态，就不能满足安全性的功能要求，会产

生重大经济损失和人员伤亡，因此应把这种情况的发生概率控制得非常小。当结构或构件

出现下列情况之一时，即认为超越了承载能力极限状态。

（１）结构、构件或其间的连接因材料超过其强度而破坏 （含疲劳破坏），或因产生过

度塑性变形而不能继续承载，如盾构隧道管片之间的连接螺栓屈服。

（２）结构由几何不变体系变成几何可变体系，如地下室顶板支座或跨中形成塑性铰。

（３）结构或构件丧失稳定，如细长压杆失稳导致结构破坏。

（４）结构或构件发生滑移或倾覆而丧失平衡，如基坑围护结构的各类失稳模式。

正常使用极限状态指结构或构件达到正常使用和耐久性能的某项规定限值的状态。结

４

构或构件超过正常使用极限状态时，其适用性、耐久性无法满足功能要求，但一般不会造

成人员伤亡或重大经济损失，因此可把这种情况发生的概率控制得略大一些。当结构或构

件出现下列状态之一时，即认为超越了正常使用极限状态。

（１）发生影响正常使用或外观的过大变形，如盾构隧道管片之间张开引起渗水、

漏泥。

（２）发生影响正常使用或耐久性能的局部损坏 （包括裂缝宽度达到限值），如地下结

构外墙开裂导致渗水。

（３）发生影响正常使用的振动，如盾构隧道不均匀沉降引起的列车振动。

（４）发生影响正常使用的其他特定状态。

地下结构设计需按照上述规定对结构的承载能力极限状态和正常使用极限状态进行逐

项验算，验算内容在各类具体地下结构设计规范中有详细规定。

２２ 荷载种类与组合

２２１ 荷载种类

作用在地下结构上的荷载，按其存在状态可以分为永久荷载、可变荷载、偶然荷载三

大类，此外还应考虑一些间接作用。常见荷载如表２１所示。

永久荷载 （恒载）：长期作用在结构上，在结构使用期间其值不随时间变化，或其变

化与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。在结构施工和使

用期间都必须考虑永久荷载作用。

可变荷载 （活载）：在结构施工和使用期间其大小、方向和作用点可能发生不可忽略

的变动的荷载。

偶然荷载：在结构设计使用年限内不一定出现，而一旦出现其量值很大，且持续时间

很短的荷载。如具有一定防护能力的地下建筑物，需考虑原子武器和常规武器 （炸弹、火

箭）爆炸冲击波压力荷载 （人防荷载）；在抗震区进行地下结构设计时，应计算地震作用

引起的动荷载；对可能承受局部冲击作用的结构需考虑冲击荷载，如越江沉管隧道可能承

受的沉船荷载、地下铁路隧道可能承受的车辆撞击荷载。偶然荷载的确定及其荷载效应一

般需要专门设计论证。

其他间接作用：使结构产生内力和变形的各种因素中，除有以上直接作用在结构上的

荷载外，通常还需考虑以下间接作用引起的效应：混凝土材料收缩 （包括早期混凝土的凝

缩与后期的干缩）受到约束而产生的内力；温度变化使地下结构产生内力 （如浅埋结构受

土层温度梯度的影响），浇筑混凝土时水化热反应的温升和散热阶段的温降；新浇筑混凝

土与既有混凝土间收缩差异导致的内力 （如地下连续墙作为主体结构外墙一部分的情况）；

软弱地基中的结构，当结构刚度差异较大时，由于不均匀沉降而引起的内力。这些作用有

些属于永久荷载，有些则属于可变荷载。然而，这些作用往往难以确切计算，一般以加大

安全系数、采取构造措施的方式来考虑。

５

第２章

地下结构荷载与设计方法

作用于地下结构上的荷载种类 表２１

荷载分类 荷载名称

永久荷载

结构自重

地层压力

结构上部和破坏棱体范围内的设施及建筑物压力

水压力及浮力

混凝土收缩及徐变影响

预加应力

设备重量

地基下沉影响

可变

荷载

基本可变

荷载

其他可变荷载

地面车辆荷载及其动力作用

地面车辆荷载引起的侧向土压力

地铁车辆荷载及其动力作用

人群荷载

温度变化影响

施工荷载

偶然荷载

地震作用

沉船、抛锚或河道疏浚产生的撞击力等灾害性荷载

人防荷载

２２２ 荷载组合

上节讲述的几类荷载对结构可能不是同时作用，故需进行不同的荷载组合，即不是将

所有的可变荷载与偶然荷载同时施加到结构上，因为这在实际中几乎不会发生。此外，根

据验算内容和目的的不同，也需要进行荷载组合。一般地下建筑结构设计至少需进行承载

能力极限状态和正常使用极限状态验算，可参照 《建筑结构荷载规范》ＧＢ５０００９—２０１２，

具体验算工况及荷载组合如表２２所示。

地下结构验算工况及荷载组合 表２２

计算内容 设计状况 荷载组合

承载能力极限状态验算

１．短暂设计状况 （施工／维修）

２．持久设计状况 （长期使用） 基本组合

偶然设计状况 偶然组合

地震设计状况 地震组合

正常使用

极限状态

验算

变形 （挠

度）验算

１．持久设计状况 （长期使用）

２．短 暂 设 计 状 况 （施 工／维

修）有必要时

准永久组合或标准组合１，并考虑长期作用影响

裂缝宽度

验算

１．持久设计状况 （长期使用）

２．短 暂 设 计 状 况 （施 工／维

修）有必要时

一、二级裂缝控制等级 （不允许出现裂缝）：标

准组合

三级裂缝控制等级 （允许出现裂缝）：准永久

组合２

注：１．对于钢筋混凝土构件按荷载准永久组合，对于预应力混凝土构件按荷载标准组合。

２．地下结构一般均允许出现裂缝。

６

城市地下空间工程设计方法及案例分析 （毕业设计指导用书）



当结构处于弹性状态时 （地下结构一般都可按照弹性状态分析），叠加原理适用，可

以先计算各个荷载单独作用下的结构效应，再进行最不利的内力组合，得出各设计控制截

面的最大内力，此时内力组合与荷载组合是等效的。当结构处于弹塑性状态时 （如偶然设

计状况和地震设计状况中考虑塑性铰和内力重分配），叠加原理不适用，应严格按照 “先

组合荷载，再分析结构效应”的顺序进行结构分析。

根据 《工程结构通用规范》ＧＢ５５００１—２０２１，荷载的五种组合形式如下。

基本组合表示为

∑犻≥１

γＧ犻

犌犻ｋ＋γＰ犘＋γＱ１

γＬ１

犙１ｋ＋∑

犼＞１

γＱ犼ψｃ犼

γＬ犼

犙犼ｋ （２１）

准永久组合表示为

∑犻≥１

犌犻ｋ＋犘＋∑

犼≥１

ψｑ犼

犙犼ｋ （２２）

标准组合表示为

∑犻≥１

犌犻ｋ＋犘＋犙１ｋ＋∑犻＞１

ψｃ犼

犙犼ｋ （２３）

偶然组合表示为

∑犻≥１

犌犻ｋ＋犘＋犃ｄ＋ ψｆ１

（ 或ψｑ ）１犙１ｋ＋∑

犼＞１

ψｑ犼

犙犼ｋ （２４）

地震组合表示为

∑犻≥１

γＧ犻

犌犻ｋ＋∑

犼＞１

ψｑ犼

犙犼ｋ＋γＥｈ犃Ｅｈｋ＋γＥｖ犃Ｅｖｋ （２５）

式中 γＧ犻

、γＰ、γＱ犼

———第犻个永久荷载、预应力、第犼个可变荷载的分项系数；

ψｃ犼

、ψｑ犼

、ψｆ１

———第犼个荷载的组合值系数、准永久值系数、第１个荷载的频遇值

系数；

γＬ犼

———第犼个可变荷载的设计年限调整系数；

γＥｈ、γＥｖ ———水平、竖向地震作用分项系数；

犌犻ｋ、犙犼ｋ ———第犻个永久荷载、第犼个可变荷载的标准值；

犘———预应力的有关代表值；

犃ｄ ———偶然作用的代表值；

犃Ｅｈｋ、犃Ｅｖｋ ———水平、竖向地震作用标准值。

其中，组合值系数、准永久值系数的选择参见 《建筑结构荷载规范》ＧＢ５０００９—

２０１２。结构设计年限调整系数按表２３插值确定。

结构设计年限调整系数 表２３

结构设计使用年限 （年） ５ ５０ １００

设计年限调整系数 ０．９ １．０ １．１

值得注意的是，以上荷载效应组合适用于一般地下建筑结构，包括地铁车站、地下综

合管廊、盾构隧道、地下商场、地下车库以及地下停车场等。而对于地基、基础承载力与

变形计算，挡土墙、地基或边坡稳定性以及基础抗浮稳定性验算时，荷载组合效应不同，

具体可参见 《建筑地基基础设计规范》ＧＢ５０００７—２０１１等。我国当前规范体系中，结构

设计采用基于概率极限状态的设计方法，而地基、基础部分多采用安全系数设计方法。

７

第２章

地下结构荷载与设计方法

２３ 荷载分析与计算方法

荷载的确定一般按其所在行业的规范和设计标准确定。涉及的规范包括但不限于 《建

筑结构荷载规范》ＧＢ５０００９—２０１２、 《混凝土结构设计规范》ＧＢ５００１０—２０１０ （２０１５年

版）、 《地铁设计规范》ＧＢ５０１５７—２０１３、 《建筑地基基础设计规范》ＧＢ５０００７—２０１１、

《公路桥涵设计通用规范》ＪＴＧＤ６０—２０１５、《铁路桥涵设计规范》ＴＢ１０００２—２０１７、《铁

路隧道设计规范》ＴＢ１０００３—２０１６、《地下结构抗震设计标准》ＧＢ／Ｔ５１３３６—２０１８以及

各相关地方规范。以下根据各规范条文，对地下结构主要荷载的选取进行简要介绍。

表２１基本涵盖了城市地下建筑结构的主要荷载，对未包含的其他地下结构荷载取值

可参考本节内容确定。荷载的作用位置、作用范围参照各结构形式计算简图确定。此外，

沉管、沉井、沉箱、顶管等特殊施工方法伴随的荷载在此不再详述。对于兼作上部建筑基

础的地下结构，上部建筑传下来的荷载由上部结构分析确定，在此不详述。

２３１ 结构自重

结构自重按照钢筋混凝土重度与结构尺寸确定，竖向构件自重一般简化为作用在结构

节点处的集中荷载，而水平或倾斜构件自重一般简化为沿杆件的均匀分布荷载。根据 《建

筑结构荷载规范》ＧＢ５０００９—２０１２第４．０．３条，一般材料和构件的单位自重可取其平均

值，钢筋混凝土重度可取２５ｋＮ／ｍ３。

２３２ 地层压力

地层压力 （包括围岩压力和土压力）对大多数地下结构而言是最为关键的永久荷载。

围岩压力通常指岩体中的地下结构受到的荷载，与结构跨度和围岩等级密切相关，可依据

现行行业标准 《铁路隧道设计规范》ＴＢ１０００３—２０１６的有关规定计算；土压力是结构受

到的周围土体施加的荷载，分为竖向土压力和侧向土压力，本节着重介绍土压力的计算。

图２１ 土压力与土—结构

相对位移的关系

竖向土压力一般是指作用在结构顶板上的竖向分布荷载，其计算方法为：（１）明挖、

盖挖、浅埋暗挖结构宜按计算截面以上全部土柱重量计算竖向荷载；（２）土质地层采用暗

挖法施工的隧道竖向压力，宜根据所处工程地质、水文地质条件和覆土厚度，并结合土体

卸载拱作用的影响计算竖向荷载； （３）竖向

荷载应结合地面及邻近的任何其他荷载对竖

向压力的影响进行计算。

侧向土压力是土与围护结构之间相互作

用的结果，它与土—结构相对位移密切相关。

以挡土墙为例，作用在挡土墙墙背上的土压

力可分为静止土压力、主动土压力和被动土

压力三种，其中主动土压力值最小，被动土

压力值最大，而静止土压力介于两者之间，

土压力与土—结构相对位移之间的关系如

图２１所示。

如果墙体的刚度很大，墙身不产生任何

移动或转动，这时墙后土对墙背所产生的土

８

城市地下空间工程设计方法及案例分析 （毕业设计指导用书）



压力称为静止土压力。如果刚性墙受墙后土的作用发生远离土体的转动或平移，作用在墙

背上的土压力从静止土压力逐渐减小，直至达到极限平衡状态，此时对应的土压力为主动

土压力；相反，如果墙身受外力作用挤压墙后土体，则土压力从静止土压力逐渐增大，直

至达到极限平衡状态，此时的土压力为被动土压力。土压力的精确计算是相当困难和复杂

的，工程设计计算时需引入必要的假定。

２３２１ 静止土压力

静止土压力可根据半无限弹性体的应力状态求解。在填土表面以下任意深度 犕 点处

取一微小单元体，其应力状态如图２２所示。其中竖向自重应力σ′ｃ 的计算公式为：

图２２ 静止土压力计算图

σ′ｃ＝∑γ犻狕犻 （２６）

式中 γ犻———计算点以上各土层的重度，

地下水位以上取天然重度，

地下水位以下取浮重度，

土层的重度值通常由岩土

工程勘察报告给出；

狕犻———计算点以上各土层的厚度。

此时，作用于地下结构侧墙上的压

力即为静止土压力狆０，通常为水平方向，

其计算公式为

狆０ ＝犓０σ′ｃ＝犓０∑γ犻狕犻 （２７）

式中 犓０———静止土压力系数。

静止土压力系数犓０ 与土的种类、孔隙比、含水量以及应力历史等诸多因素有关，一

般黏性土犓０＝０．５～０．７，砂土犓０＝０．３４～０．４５，也可根据以下经验公式计算。

犓０ ＝槡犗犆犚（α－ｓｉｎφ′） （２８）

式中 犗犆犚———土的超固结比；

φ′———土的有效内摩擦角；

α———经验系数，砂土、粉土一般取１．０，黏性土、淤泥质土一般取０．９５。

２３２２ 主、被动土压力

主、被动土压力可采用朗肯土压力理论或库仑土压力理论计算。

（１）朗肯土压力理论

朗肯土压力理论是英国科学家朗肯 （Ｒａｎｋｉｎｅ）于１８５７年提出的。朗肯土压力理论的

基本假定为：①挡土墙背竖直、墙面光滑，不计墙面和土体之间的摩擦力；②挡土墙后填

土面水平，土体向下以及沿水平方向都能伸展到无穷，即为半无限空间；③挡土墙后填土

处于极限平衡状态。

在朗肯主动土压力状态下，最大主应力为竖向压力σｚ，最小主应力即为主动土压

力狆ａ。

狆ａ＝σｚｔａｎ２ ４５°－φ （ ２）－２犮ｔａｎ４５°－φ （ ２） （２９）

式中 犮、φ———土的抗剪强度指标，根据 《建筑地基基础设计规范》ＧＢ５０００７—２０１１第

４．２．２条，抗剪强度指标应取标准值，一般由岩土工程勘察报告给出。

９

第２章

地下结构荷载与设计方法

同理，在朗肯被动土压力状态下，最大主应力为被动土压力狆ｐ，而最小主应力为竖向

压力σｚ，即

狆ｐ＝σｚｔａｎ２ ４５°＋φ （ ２）＋２犮ｔａｎ（４５°＋φ

２） （２１０）

引入主动土压力系数犓ａ和被动土压力系数犓ｐ，并令

犓ａ＝ｔａｎ２ ４５°－φ （ ２） （２１１）

犓ｐ＝ｔａｎ２ ４５°＋φ （ ２） （２１２）

则有

狆ａ＝σｚ犓ａ－２犮槡犓ａ （２１３）

狆ｐ＝σｚ犓ｐ＋２犮槡犓ｐ （２１４）

对于主动土压力，当狕≤狕０ ＝２犮

γ

ｔａｎ４５°＋φ （ ２）时，狆ａ≤０为拉力，一般不考虑墙背

与土体之间有拉应力存在的可能，故此时取狆ａ＝０。

（２）库仑土压力理论

库仑土压力理论是法国科学家库仑 （Ｃｏｕｌｏｍｂ）于１７７３年提出的，其基本假定为：

①挡土墙后土体为均质各向同性的无黏性土；②挡土墙刚性且长度很长，属于平面应变问

题；③挡土墙后产生主动土压力或被动土压力时，土体形成滑动楔形体，滑裂面为通过墙

踵的平面；④在滑裂面和墙背面上的切向力分别满足极限平衡条件。库仑土压力与朗肯土

压力的公式形式上相同，而土压力系数不同。

犓ａ＝ ｓｉｎ２（α＋φ）

ｓｉｎ２

αｓｉｎ（α－δ）１＋ ｓｉｎ（φ－β）ｓｉｎ（φ＋δ） ［ 槡ｓｉｎ（α＋β）ｓｉｎ（α－δ）］

２ （２１５）

犓ｐ＝ ｓｉｎ２（α－φ）

ｓｉｎ２

αｓｉｎ（α＋δ）１－ ｓｉｎ（φ＋β）ｓｉｎ（φ＋δ） ［ 槡ｓｉｎ（α＋β）ｓｉｎ（α＋δ）］

２ （２１６）

式中 α———墙背倾角；

β———地表倾角；

δ———墙土界面摩擦角。

库仑主动土压力系数犓ａ和被动土压力系数犓ｐ均为几何参数和土层物理性质参数的函

数。朗肯土压力公式可看作库仑土压力的特殊形式。库仑土压力理论是针对无黏性土提出

的，没有考虑黏性土的黏聚力犮。因此，当围护结构位于黏性土层时，应考虑黏聚力的有

利影响。在工程实践中可采用换算的等效内摩擦角进行计算，在此不再详述。

２３２３ 成层土侧向压力计算

如果挡土墙后为成层土，可利用朗肯土压力公式 （式２９或式２１０）计算土压力。但

应注意在土层分界面上，由于两层土的抗剪强度指标不同，土压力值会有突变。以主动土

压力为例，具体计算过程如下 （图２３）。

犪点 （土表面）：狆ａ１ ＝－２犮１槡犓ａ１

１０

城市地下空间工程设计方法及案例分析 （毕业设计指导用书）



犫点上 （第一层土底面）：狆′ａ２ ＝γ１犺１犓ａ１ －２犮１槡犓ａ１

犫点下 （第二层土顶面）：狆″ａ２ ＝γ１犺１犓ａ２ －２犮２槡犓ａ２

犮点 （地下结构底部）：狆ａ３ ＝ （γ１犺１ ＋γ２犺２）犓ａ２ －２犮２槡犓ａ２

其中犓ａ１ ＝ｔａｎ２ ４５°－ （ φ

２

１

）；犓ａ２ ＝ｔａｎ２ ４５°－ （ φ

２

２

）。

值得注意的是，如果计算得到的土压力为负值，表明产生了拉应力区，而土不能够承

受拉应力，因此拉应力区的土压力值应计为零。

图２３ 成层土主动土压力计算

２３２４ 侧向土压力取值原则

在地下结构的施工阶段，墙背土压力选用主动土压力至静止土压力之间的适宜值。

通常认为，地下结构采用逆作法施工时，由于采用刚度较大的顶板或楼板等水平构件

代替临时支撑，基坑开挖过程中墙体水平位移一般较小，墙背土压力可采用静止土压力。

顺作法施工的情况则较为复杂，上海市 《地基基础设计标准》ＤＧＪ０８—１１—２０１８规定，

视变形控制要求，墙背土压力可取０．５～１．０倍的静止土压力，并不得小于主动土压力。

在毕业设计中，若难以确定，施工阶段可简单取为主动土压力。

顺作法施工的结构在长期使用阶段承受的侧向土压力宜按静止土压力计算。此外，盾

构法施工的隧道土压力宜按静止土压力计算。

２３２５ 水土分算与合算问题

对于地下水位以下的侧向土压力计算有水土分算和水土合算两种。一般地，对于砂土层采

用水土分算；对于黏土层在地下结构施工阶段采用水土合算，在地下结构长期使用阶段采用水

土分算；而对于粉土层可视具体工程情况确定，为了设计安全考虑，通常采用水土分算。

采用水土分算时，作用于结构上的侧向土压力与水压力相加为

狆ａ＝σ′ｃ犓′ａ－２犮′槡犓′ａ ＋狌 （２１７）

狆ｐ＝σ′ｃ犓′ｐ ＋２犮′槡犓′ｐ ＋狌 （２１８）

式中 狌———水压力，不考虑渗流时，狌可由静水压力代替，即狌＝γｗ犺；

γｗ ———水的重度，通常取１０ｋＮ／ｍ３；

犺———计算点相对于地下水位的深度。

毕业设计中一般采用朗肯土压力理论，此时有

犓ａ＝ｔａｎ２ ４５°－φ′

（ ２） （２１９）

１１

第２章

地下结构荷载与设计方法

犓ｐ＝ｔａｎ２ ４５°＋φ′

（ ２） （２２０）

式中 犮′、φ′———土的有效应力抗剪强度指标。

采用水土合算时，作用于结构上的侧向水土压力为

狆ａ＝ （σ′ｃ＋狌）犓ａ－２犮ｃｕ槡犓ａ （２２１）

狆ｐ＝ （σ′ｃ＋狌）犓ｐ＋２犮ｃｕ槡犓ｐ （２２２）

毕业设计中一般采用朗肯土压力理论，此时

犓ａ＝ｔａｎ２ ４５°－φｃｕ

（ ２ ） （２２３）

犓ｐ＝ｔａｎ２

（４５°＋φ

２

ｃｕ

） （２２４）

式中 犮ｃｕ、φｃｕ ———土的固结不排水总应力抗剪强度指标。

剪切试验中的固结压力应涵盖土体工作状态可能涵盖的应力状态范围。若有条件，计

算主动土压力时，应采用三轴减载试验 （轴向应力不变，围压减小）结果；计算被动土压

力时，应采用三轴加载试验 （围压不变，轴向应力增加）结果。考虑地下水渗流的水土压

力计算参考相关教程或设计规范。

２３３ 地表超载

（１）结构上部和破坏棱体范围内的设施及建筑物压力

结构上部和破坏棱体范围内的设施及建筑物压力应考虑现状及以后的变化。凡规划明

确的，应依其荷载设计；凡不明确的，应在设计要求中规定。该压力通常适用于结构上部

近期及远期可能存在建 （构）筑物的情况，一般常见于地铁隧道沿线。

（２）地面车辆荷载及动力作用

《地铁设计规范》ＧＢ５０１５７—２０１３第１１．２．１条及其条文说明指出，地面车辆荷载及

其冲力一般可简化为与结构埋深有关的均布荷载，但覆土较浅时应按实际情况计算。在道

路下方的浅埋暗挖隧道，地面车辆荷载可按１０ｋＰａ的均布荷载取值，并不计动力作用的

影响。下穿 公 路 的 地 下 建 筑 结 构，应 按 现 行 行 业 标 准 《公 路 桥 涵 设 计 通 用 规 范》

ＪＴＧＤ６０—２０１５的有关规定确定地面车辆荷载及排列；下穿铁路的地下建筑结构，应按

现行行业标准 《铁路桥涵设计规范》ＴＢ１０００２—２０１７的有关规定执行。

如图２４所示，当可将上述地表超载视为大面积、均匀分布的连续荷载时，作用于地

下结构上的土压力应计入超载作用。以主动土压力为例，其计算公式为

狆ａ＝ （狇＋γ犎）犓ａ－２犮槡犓ａ （２２５）

狆ｐ＝ （狇＋γ犎）犓ｐ＋２犮槡犓ｐ （２２６）

式中 狇———作用于地表的大面积荷载。

对于局部均匀超载作用、不规则超载以及集中荷载作用产生的土压力可参考相关土力

学教程与设计规范。

２３４ 使用荷载

（１）设备重量

１２

城市地下空间工程设计方法及案例分析 （毕业设计指导用书）



图２４ 考虑地面超载时主动土压力计算图

设备区的计算荷载应根据设备安装、检修和正常使用的实际情况 （包括动力效应）确

定。例如，根据 《地铁设计规范》ＧＢ５０１５７—２０１３第１１．２．６条，设备荷载可按标准值

８．０ｋＰａ进行设计，重型设备尚应依据设备的实际重量、动力影响、安装运输途径等确定

其荷载大小与范围。

（２）车辆荷载及其动力作用

车辆荷载是指具有交通功能的地下结构受到的车辆运行产生的荷载。例如，根据 《地

铁设计规范》ＧＢ５０１５７—２０１３第１１．２．４条及其条文说明，当轨道铺设在结构底板上时

（较为常见的情形），一般来说，车辆荷载对结构应力影响不大，并且为有利作用，地铁车

辆荷载及其动力作用的影响可略去不计。而对于直接承受地铁车辆荷载的楼板等构件 （一

般出现于换乘站等较为复杂的地下结构），应按地铁车辆的实际轴重和排列计算其产生的

竖向荷载作用，并应计入车辆的动力作用，同时尚应按线路通过的重型设备运输车辆的荷

载进行验算。地铁列车的动力作用参数，可参照 《铁路桥涵设计规范》ＴＢ１０００２—２０１７

关于动力参数的计算公式来取值，并乘以０．８的折减系数。

（３）人群荷载

人群荷载是指地下空间使用者站立、移动、聚集产生的结构荷载，在人群所及之处都

１３

第２章

地下结构荷载与设计方法

需考虑人群荷载。例如，根据 《地铁设计规范》ＧＢ５０１５７—２０１３第１１．２．５条，车站站

台、楼板和楼梯等部位的人群均布荷载的标准值应采用４．０ｋＰａ。

２３５ 施工荷载

作用在结构上的施工荷载应根据施工阶段、施工方法、施工部位等因素具体确定，如

各类结构施工期都可能存在的设备运输及吊装荷载。施工机具荷载一般不宜超过１０ｋＰａ，

地面施工堆载一般宜采用２０ｋＰａ。而对于具体的施工方法，如盾构法隧道施工还需考虑千

斤顶施加在管片端部的推力、注浆所引起的附加荷载、盾构机及其配套设备的重量，再如

沉管法施工的隧道在沉管拖运、沉放和水力压接施工中产生的相应荷载。此外，相邻地下

结构相继施工的影响也是施工荷载的一种，如 《地铁设计规范》ＧＢ５０１５７—２０１３第

１１．２．７条指出，当两条隧道距离较近时应考虑邻近隧道开挖的影响。

２３６ 偶然荷载

偶然荷载引起的效应一般需要专门计算，毕业设计中基本不考虑，详细可参考相关规

范，如 《铁路工程抗震设计规范》ＧＢ５０１１１—２００６ （２００９年版）、 《地下结构抗震设计标

准》ＧＢ／Ｔ５１３３６—２０１８、《人民防空地下室设计规范》ＧＢ５００３８—２００５。

２３７ 地层抗力

地下建筑结构除了承受主动荷载外 （如围岩压力、结构自重等），还承受一种被动荷

载即地层抗力。地层抗力是各种荷载施加在结构上导致结构变形，地层因约束结构变形反

向作用在结构上的作用，是地层对结构的被动抵抗力。地层抗力的存在是地下结构区别于

地上结构的本质特点之一。由于地层抗力与结构变形的关系比较复杂，这无疑提高了地下

结构设计计算的复杂性。

地层抗力与结构施加给地层的荷载大小相等、方向相反。确定地层抗力的大小、作用

范围存在两种理论：（１）局部变形理论，即认为地层是弹性的，在某一点上结构对地层的

荷载只会引起地层中该点的变形，该点周围地层不变形；（２）共同变形理论，即在某一点

上结构对地层的荷载会引起地层中荷载作用点附近一定范围的地层发生变形。后一种理论

更为合理，但是前一种理论计算较为简单且能满足一般工程精度要求。因此在２．４．２节荷

载—结构法中多采用局部变形理论计算地层抗力，而地层—结构法由于考虑了结构和地层

的协调变形，已 “自然而然”地考虑了地层抗力。

无论是局部变形理论还是共同变形理论，常假定地层的变形与抗力是弹性关系，这种

假设在变形较小时能满足工程精度要求且能极大程度地简化计算难度。若需考虑地层的弹

塑性变形特点，则应采用２．４．３节介绍的地层—结构法并采用弹塑性有限元分析模拟地层

与结构的相互作用。

在局部变形理论中，使用最为广泛的是温克尔地基模型，其假设地层弹性抗力与结构

变形呈正比，即

σ＝犓δ （２２７）

式中 σ———地层弹性抗力；

犓———弹性抗力系数；

δ———结构变形。

各类地层的弹性抗力系数范围如表２４所示。

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城市地下空间工程设计方法及案例分析 （毕业设计指导用书）



各类地层的弹性抗力系数范围 表２４

地层类型 犓 值 （×１０３ｋＮ／ｍ３）

淤泥质土、有机质土或新填土 ０．１～０．５

软弱黏土 ０．５～１

黏土及粉质黏土，软塑 １～２

黏土及粉质黏土，可塑 ２～４

黏土及粉质黏土，硬塑 ４～１０

松砂 １～１．５

中密砂或松散砾石 １．５～２．５

密砂或中密砾石 ２．５～４

黄土及黄土性粉质黏土 ４～５

紧密砾石 ５～１０

硬黏土或人工夯实粉质黏土 １０～２０

软质岩石和中、强风化的坚硬岩石 ２０～１００

完好的坚硬岩石 １００～１５００

２３８ 其他未详述作用

混凝土收缩可按降低温度模拟，结构温度变化影响可采用考虑温度的结构分析方法进

行计算并确定其影响。当覆土荷载沿其纵向有较大变化时，结构直接承受建 （构）筑物等

较大局部荷载时，以及地基或基础有显著差异，沿纵向产生不均匀沉降时，可采用弹性地

基梁法进行纵向强度与变形验算。

２４ 地下结构设计方法

２４１ 工程类比法

工程类比法是参考已有的、类似的地下结构，依靠既有经验确定设计参数的方法。地

下结构的设计受到多种复杂因素的影响，即使采用了比较严密的理论，内力计算结果的合

理性也仍需借助经验类比予以判断和完善。因此，经验类比法仍得到一定的应用。该方法

首先判定地层环境、使用荷载等边界条件的相似性，然后依据类似的工程经验进行地下结

构设计。如在岩体中的隧道结构，初步设计时以围岩分类为依据确定断面形状、支护厚度

及施工方法，体现了同类围岩等级中的隧道结构工程类比法的思想。

２４２ 荷载—结构法

荷载—结构法认为地层对结构的作用只是产生作用在结构上的荷载 （包括主动地层压

力和被动地层抗力），结构在荷载的作用下产生内力和变形，主要按照 “确定荷载作用→

计算结构响应→设计抵抗响应”的流程进行结构设计。图２５为一些典型断面形式的地下

结构所受荷载的简化示意图。

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第２章

地下结构荷载与设计方法

图２５ 不同截面形式隧道的荷载简化示意图

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城市地下空间工程设计方法及案例分析 （毕业设计指导用书）



早年常用的弹性连续框架 （含拱形构件）法、假定抗力法和弹性地基梁 （含曲梁）法

等都可归属于荷载—结构法。其中假定抗力法和弹性地基梁法都形成了一些经典计算法，

而弹性地基梁法按照采用的地层变形理论的不同又可分为局部变形理论和共同变形理论计

算法，其中局部变形理论因计算过程较为简单而比较常用。当周围地层与地下结构的刚度

差别很大时 （如土层中的地下结构），采用荷载结构法是合适的；而在岩石地层中的地下

结构设计，只有当荷载明确时采用该方法才是合适的。

２４３ 地层—结构法

地层—结构法把地下结构与地层作为共同的受力变形整体，满足变形协调条件，按照

连续介质力学原理计算结构的内力及变形，据此进行截面的设计；还可以计算出周围地层

的应力与变形，据此进行地层变形与稳定性的验算。由于地层—结构法比较复杂，多利用

数值模拟软件实现。地层—结构法步骤一般包括：几何参数确定→本构模型与参数确定→

地层建模→结构建模→地层与结构模型组合及相互作用建模→施工过程模拟→结果分析。

图２６为岩体中模拟隧道开挖的有限元网格划分。

图２６ 岩体中模拟隧道开挖的有限元网格划分

当前，基于有限单元法的数值分析软件广泛可得、功能全面、使用方便、成本较低、

专业教育资源丰富，其应用范围越来越广。但是由于周围地层以及地层与结构相互作用模

拟的复杂性，地层—结构法目前还无法单独用于工程设计。地层—结构法的优势在于可以

提供其他方法难以得到的复杂条件下的地层、结构响应，宜与其他方法相结合，辅助工程

决策。

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第２章

地下结构荷载与设计方法