地下空间开发利用与国民经济可持续发展

通识课地下空间与未来世界——地下空间开发利用与国民经济可持续发展武汉大学土木建筑工程学院曾亚武博士/教授/博导高睿博士/副教授二OO八年三月第一讲绪论通识课的意义社会变革很快，就业压力增加，对高等教育的要求也在不断变化。高等教育不仅要培养专才，更要培养通才；利用高等教育通识课的机会，尽可能让学生获得各行各业的基本知识，非常必要！1.1引言：关于武汉市的交通湖北自古就有“九省通衢”之地的称谓，武汉则是湖北“九省通衢”的咽喉要道。在当今社会，人员、物资流通频繁的情况下，交通问题已经是一个大到影响社会经济发展、小到影响个人切身利益的非常重要的问题，这个问题在我们所在的武汉市尤其突出。解决这个问题的根本出路之一，就在于地下空间的开发利用。因此，我们的课程就从武汉市的交通问题开始。武汉六座长江大桥的位置及内环、中环、外环线示意图军山大桥白沙洲大桥长江大桥长江二桥天兴洲大桥阳逻大桥武汉市内环线的交通压力中心城区过江隧道主要问题1.武汉三镇之间交往频繁，过江车流、人流庞大，而两座大桥的承载能力有限，长期处于超负荷运行状态，如长江二桥通车仅十几年，中间进行过一次较大规模的维修，现正进行大规模的维修加固；2.为解决城市客运问题，武汉市最近十几年的公共交通得到快速发展，在一些主要干道上还划出了公交专用车道，但过江公共交通，虽然巴士很多，但速度很慢，尤其在交通高峰期，过江已成为公共交通快速发展的瓶颈；3.最近几年，随着我国经济水平的提高，以及汽车工业的快速发展，汽车已走进寻常百姓家，武汉市的汽车保有量已是成倍增加，给城市交通，尤其是过江交通带来了更大的压力，目前虽然两座大桥均实行单双号限制通行，但过江交通仍然越来越紧张；4.桥在不停地修，车在不停地增加，归根结底修桥速度没有汽车增加速度快，这一矛盾仅仅靠修桥没法根本解决。解决办法1.继续建设汽车过江通道（包括大桥、隧道）：只是解决问题的一种方法，但不是根本办法；2.限制汽车通行：也不是长久之计，目前已经限制单双号了，往后再怎么限制？3.建设快速过江通道，让大家不乘（或开）汽车，就能快速过江，我想到那时不用限制，又快又省钱的办法谁不愿意采纳？这里所谓的快速过江通道就是指轨道交通，尤其是地铁交通。试想一下，如果乘地铁从中南到武商，需要多少时间？我认为：5－10分钟。这才是解决武汉市过江交通压力的根本之道，世界上许多人口密集的大都市的经验已经证明了这一结论。轨道交通快捷、准时、环保，是唯一与小车有得一拼的公共交通方式。一组图片2006.09.09武汉长江二桥交通状况2006.10.07武昌火车站公交拥挤状况1.2地下空间的概念地下空间：在岩层或土层中天然形成或人工开挖形成的空间称地下空间。天然形成的地下空间有：喀斯特溶洞、熔岩洞、风蚀洞、海蚀洞等；人工形成的地下空间有：各种矿洞、工程建设需要开凿的地下洞室（如隧道、厂房等）。地下建筑：地下形成的建筑空间。地下工程：建造在地下的各种工程设施。1.3地下空间的用途地下空间有着广泛的用途。在远古时期，人类开始利用天然洞穴作为居住之用，以保护自己免遭自然灾害的威胁。北京西郊周口店，约50多万年前，北京猿人居住在自然条件较好的龙骨山天然溶洞中。在日本发现距今2万─3万年前的古人类居住洞穴。欧美、中东、北非等地都发现古人类穴居的遗迹。人类到地面居住以后，开始把开发地下空间用于满足居住以外的多种需求，如采矿、储存物资、水的输送及交通工程等，直到现在大型公用设施、城市地下空间的综合利用及地下工业、商业及军事设施等等，地下空间用途得到普遍重视。显然，人类对地下空间的开发利用，经历了从自发到自觉的漫长过程，推动这一过程的，一是人类自身的发展，如人口的繁衍和智能的提高，人类需求的扩展；二是社会生产力的发展和科学技术的进步。1.4地下空间的分类1、矿山巷道：包括各类矿物采掘后的洞室和输送矿石的巷道工程。2、地下储存：如粮食、油料、水果、蔬菜等的储存，汽车库、飞机库、舰艇库及核废料储存等。3、水工洞室：如各种输水隧道、水电站地下厂房、地下抽水蓄能电站、地下水库等。4、地下工厂：如各种轻重工业地下厂房、地下核电站、地下火电站等。5、地下民用与公共建筑：如地下商场、图书馆、体育场馆、展览馆、影剧院、医院、旅馆、住宅及其综合建筑体系─城市地下街道等。6、地下交通工程：如各种公路和铁路隧道、城市地铁、地铁站等。7、公用和服务性地下工程：如地下自来水厂、地下污水处理厂、给排水管道及煤气、供电、通讯管线的综合工程等。8、地下军事工程和防护工程：如各种野战工事、指挥所、通讯枢纽、人员和武器掩蔽所、军火和物资库等。1.5地下空间开发利用简况人类对地下空间的开发利用有着悠久的历史，经历了从自发到自觉的漫长历程。远古时代：利用天然洞穴作为防雨避风的住所铜器和铁器时代：地下空间的利用摆脱了单纯的居住要求，进入更广泛的领域。如古埃及金字塔，实际上是建于纪元前2650─前2500前后的一种用于墓葬的地下空间；再如前22世纪巴比伦幼发拉底河河底隧道，我国秦汉时期的地下陵墓及地下粮仓等。中世纪以后：地下空间的开发利用得到广泛的发展，如采矿、地下交通、市政建设、工业和水工地下工程等，1613年修建了伦敦水道；1681年修建了地中海比斯开湾的连接隧道；1845年英国建成第一条铁路隧道；1863年英国伦敦建成第一条城市地铁隧道；1871年建成穿越阿尔卑斯山连接法国和意大利的公路隧道等等。二战期间：由于地下建筑物在防护方面的优越性十分明显，许多国家都将一些军事设施和工厂、仓库、油库等修建在地下。另外，将生产一些尖端的产品的车间设在地下，能够满足恒温、恒湿、防震等生产工艺上的严格要求。战后：随着经济的发展，对能源的需求与日俱增，从而开始了大规模的水利水电建设。有时在高山峡谷中修建水电站，由于施工场地的局限或者为了不破坏植被和生态环境，通常将水电站厂房建于地下。随着世界人口的增长，城市面积扩大、土地减少、能源短缺、城市交通拥塞、环境污染及备战防灾诸方面的压力和问题，地下空间的开发和利用已成为建设现代化城市的重要标志。1.620世纪以来地下空间开发利用的成果20世纪以来，现代地下空间开发有了迅速发展，达到空前规模，主要用于建造各种隧道、水利水电地下工程、大型地下公用设施和地下能源储库等。特别是城市地下空间的开发利用成了人们关注的热点，视其为新的国土资源。典型工程：城市地铁、长大隧道、地下水电站、城市地下公用设施等。总长53.85km的日本青涵隧道；总长51km的英吉利海峡隧道；长13.32km的瑞士哥达隧道；长14.295km的大瑶山隧道（1980年代修建）；长18.4km的秦岭铁路隧道（1999年6月贯通）；亚洲最长的陆上隧道：长20.05km的乌鞘岭隧道（右线及左线分别于2006年3月和8月正式建成通车）；秦岭终南山公路隧道：长度18.02km，居世界第二、亚洲第一，建设规模世界第一，被誉为“天下第一隧”（2007年2月建成通车）。地下电站发展迅速：包括地下水电站、地下火电站、地下核电站和地下抽水蓄能电站等。其中全世界的地下水电站已超过400座，规模越来越大。加拿大丘吉尔瀑布电站地下厂房长296m、宽25m、高47m；长江三峡水利工程，其地下电站部分主厂房长311.3m，高87.24m，跨度为32.6m。城市地下空间的开发利用：在这一时期成为城市建设的重要内容。一些发达国家逐渐将地下商业街、地下停车场、地下铁道及地下综合管线工程等联为一体，成为多功能地下综合体。1.7我国地下空间开发利用的成就居住空间：数千年前我们的祖先就在我国北方的黄土高原建造了许多供居住的窑洞和地下粮食储备工程，至今仍有不少农民居住在不同类型的窑洞中。人防工程：采取平战结合的方式，既保证了战略效益、又获得了社会效益和经济效益。交通隧道工程：20世纪60年代开始的大规模三线建设，修建了为数众多的铁路、公路隧道。据相关资料统计，至2002年底，我国共有铁路、公路隧道8600多条，总长度约4370km，居世界第一。城市地铁建设：1965年在首都北京始建第一条城市地铁以来，已有天津、上海、广州、南京和武汉等城市建成营运或处于规划设计与施工准备阶段。水利水电建设：特别是大型地下水电站厂房的建设，说明我国已具备开发大型或超大型地下空间的技术水平和能力。城市地下商城、地下综合体等的建设：表明我国城市已经开始大规模开发利用地下空间。发展前景：三峡库区水下博物馆已经建成；北京中关村将投资数十亿元建设地下商城；故宫拟建一个现代化地下展厅；横穿万里长江的水下隧道也于2004年相继在南京和武汉破土动工。厦门、青岛、大连正在建设或即将建设海底隧道。可以预见，随着经济、科技的发展，我国地下空间的开发利用即将进入一个蓬勃发展的新时期。1.8关于地下建筑空间施工的几个概念明挖法：也称挖盖法暗挖法：也称矿山法，钻爆法等浅埋暗挖法：盾构法：沉井法：沉管法：顶管法：地下连续墙法：TBM法：(1)明挖法地下结构施工示意图挖建盖（填）武汉市的地下通道基本采用这种施工方法，如洪山广场地下通道、首义广场底下通道等。(2)暗挖法地下结构施工示意图一般坚硬岩层中的隧道均采用该方法施工，如大瑶山隧道、秦岭隧道等。挖衬埋深一般大于10m(3)浅埋暗挖法地下结构施工示意图初衬二衬超前支护锚杆、管棚或灌浆埋深一般小于5m一般用于城市交通繁忙地带，不允许中断交通，且地质条件又较差的地段，武汉市的地下过街通道大多采用该法施工。如武汉广场、武汉会展中心、洪山广场过街通道等(4)盾构法地下结构(隧道)施工示意图盾构法隧道施工适用于软土地区埋深大的隧道工程，可穿越江河、湖泊、海底、地面建筑物和地下管线密集区的下部。(5)沉井法地下结构施工示意图沉井结构用途十分广泛，主要用于点式地下建筑工程：如自来水厂、电厂和化工厂的水泵房、地下沉淀池和水池、地下热电站、地下油库、地下车间和地下仓库等。此外，也可用作地铁、水底隧道等各种设备井、通风井、盾构拼装井、车间和区间段连续沉井等。(6)沉管法地下结构施工示意图1(6)沉管法地下结构施工示意图2沉管法一般用于水下隧道施工，目前国内已建成的最大的沉管隧道是上海外环越江隧道，总长2880m（沉管段长736m），双向8车道。(7)顶管法地下结构施工示意图顶管法主要用于建造穿越城市交通繁忙地带的地下工程，其长度、断面尺寸均受到较大限制。国内最长的顶管隧道是西气东输工程穿越黄河的隧道，长度近3000m，直径约2m。(8)地下连续墙法施工示意图地下连续墙法可用于点式、条式地下工程的施工，如上海、广州大部分地铁车站均采用该法施工。其特点类似于明挖法，但比明挖法占用场地小，对周围环境影响较小，且造价相对较低。(9)TBM法地下结构施工示意图目前国内,习惯上将用于岩石地层的隧道掘进机称为TBM,将用于软土地层的隧道掘进机称为盾构机。归类还是同在掘进机门下。本讲完TheEnd