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地下工程概论史红工学博士研究方向：岩层动力灾害控制与微地震监测土木工程学院土木楼306绪论概述一、什么是地下工程？地下工程是建造在地层环境中的工程结构物。二、地下工程学科的性质和任务地下工程是研究各种型式的地下工程的规划、勘测、设计和施工的一门应用科学和工程技术，是土木工程的一个重要分支。三地下工程的发展阶段20世纪80年代国际隧道协会（ITA）提出“大力开发地下空间，开始人类新的穴居时代”的口号。顺应于时代的潮流，许多国家将地下开发作为一种国策，如日本提出了向地下发展，将国土扩大十倍的设想。从某种意义上来讲，地下空间的利用历史是与人类文明史相呼应的，它可以分为四个时代：第一时代从出现人类至公元前3,000年的远古时期。人类原始穴居，天然洞窟成为人类防寒暑、避风雨、躲野兽的处所。如：北京周口店的北京猿人洞穴是迄今所知世界上最早的与岩土工程有关的遗址。第二时代从公元前3,000年至5世纪的古代时期。埃及金字塔、古代巴比伦引水隧道，均为此时代的建筑典范。我国秦汉时期的陵墓和地下粮仓，已具有相当技术水准和规模。建造时间：大约公元前２７００－２５００年（这是一种公认的说法）,建造地点：埃及开罗附近的吉萨高原.第三时代从5世纪至14世纪的中世纪时代。世界范围矿石开采技术出现，推进了地下工程的发展。第四时代从15世纪开始的近代与现代。欧美产业革命，诺贝尔发明黄色炸药，成为开发地下空间的有力武器。日本明治时代，隧道及铁路技术开始引进并得到发展。东京火车站八重洲地下街该项目位于日本新干线东京车站地下，一期建成时间1964年，二期建成时间1973年，建设背景处于日本经济飞速发展时期，缘于东京奥运会的举办和新干线工程的启动。建成后，平均每天的人流量15万人，其中约四分之一约3.1万人会在地下商业街消费，主要以饮食为主，年营业额150亿日元，11年后收回投资。东京八重洲地下空间位于城市道路和广场下方，占地面积0.35公顷，建筑面积6.4万平方米，商业空间面积1.84万平方米，是日本至今为止最大的地下商业街之一，设置出入口总数42个，每个出入口平均服务面积435平方米，室内任何一点到出入口的最大距离30米。地下建设深度3层，地下一层主要以商业街为主，主要为出租店铺，店铺总数169个，其中服饰店95个，饮食店63个，休闲服务店11个；地下二层布置停车库，停车库被东京高速路分隔成2部分，均通过缓冲车道与高速路衔接，左进左出设置四个衔接出入口，设置停车位516个，日均停车数量1500个；地下三层主要为设备用房。整个地下空间与东京车站和周围16幢大楼相连通。日本1）国土面积小、城市用地紧张。现发展城市综合功能、交通、商业及其他设施的地下综合体；2）地下街快速发展，26个城市中建有146处地下街，日进出1200万人；3）兴建大量的地下共同沟。81年达到156.6km，按规划，21世纪达526km，4）名古屋、札幌等旧城改造中大规模利用地下空间；5）地下高速路、停车场、排洪蓄水、地下河川、地下热电站、防灾设施等。北美地区（美国、加拿大等）1）纽约地铁运营线路443km，车站504个，每天510万人次，每年接近20亿人次。2）地下步行街系统。洛克菲勒中心地下步行街系统将10个街区范围内的大型建筑连通。达拉斯建成29条地下步行街系统；休斯敦地下步行街4.5km，连接350座大型建筑；3）美国地下图书馆、办公楼、实验中心。哈佛大学、加洲大学、密执安大学等半地下图书馆、莫斯康尼地下会议展览中心、纽约的地下大型供水系统、4）加拿大的多伦多、蒙特利尔20世纪70年代建成4个街区宽、9个街区长的地下步行街，连接20多个地下停车库、1000多个商店、很多旅馆、电影院、购物中心、市政厅、火车站、证券交易所、5个地铁站、30座高层建筑的地下室。共100多个地面出入口。地下系统布置多处花园和喷泉；保证漫长寒冬下各种活动的正常进行。北欧和西欧1）瑞典南部大型地下供水系统，埋深30~90米，隧道长80km；大型储水库、斯德哥尔摩排水系统隧道200km，地下管道垃圾清运系统、地下供热系统、地下共同沟30km；2）芬兰地下供水系统隧道120km，地下游泳馆、运动中心、艺术中心、3）巴黎83座地下车库（43000多辆车）、卢浮宫地下扩建工程、四地下空间的利用形态五我国地下空间利用我国现代地下空间的开发和利用始于60年代。1965年北京建设地下铁道。一期工程自北京站至苹果园，24.17km，明挖法施工。二期工程为环线，于老城墙下修建，16.1km，浅埋明挖法施工。复兴门地铁车站及折返线，位于建筑物与地下管线密集的街区，采用了浅埋明挖法施工。60年代上海修建打浦路水底公路隧道。70年代，我国修建了大量地下人防工程，其中相当一部分目前已得到开发利用，改建为地下街、地下商场、地下工厂和贮藏库。80年代上海建成延安东路水底公路隧道，全长2,261m，采用直径11.3m的超大型网格水力机械盾构掘进机施工。自1984年开工，1989年5月竣工通车，建成了当时世界第三条盾构法施工的长大隧道。50多年来，隧道及地下工程在中国得到了很大的发展，共建成：铁路隧道6876座，总长度3670km，居世界第一；公路隧道（包括水底隧道）1972座，总长度835km，是世界上公路隧道最多的国家；各类水工隧洞近1000座；城市地下铁道300多km；以及一大批其它用途的地下工业与民用建筑。为什么进行地下空间开发按设施的水平划分：1个人水平的设施2城市水平的地下利用3国家水平的地下利用地下空间的作用：地下工程发展的重点地下电站一、地下水电站地下水电站划分为两种主要类型1、利用江河水源的地下水力发电站2、循环使用地下水的抽水蓄能水电站地下水电站包括水坝和电站两大部分龙滩水电站的地下厂房系统是目前国内最大、世界第二大的地下工程。2000年11月3日，龙滩水电站前期工程“场内右岸公路”开工。2001年7月1日，主体工程开工。2003年11月6日实现大江截流；2006年9月30日下闸蓄水，2007年7月1日第一台机组发电；2009年12月7台机组全部投产龙滩水电站的地下厂房系统是目前国内最大、世界第二大的地下工程。在0.5平方公里的山体内挖了119个隧洞，总长度36公里。二是主厂房的空间最大，地下厂房长388.5米，高74.4米，宽28.5米，9台发电机组全部安装在里面二、地下抽水蓄能水电具有地上、地下两个水库。供电时，水由地上水库、经水轮发电机发电后流入地下水库；供电低峰时，用多余的电力反过来将地下水库的水抽回原地面水库，以便循环使用。地下原子能发电站原子能发电站的优点1、选址容易2、岩体对地下放射物质有良好的遮蔽效果3、耐震、有良好的防护性原子能发电站的形式1、半地下式2、完全地下式地下仓库一、为何要建造地下仓库？1、地下环境对于许多物质的贮存有突出的优越性，地下环境的热稳定性、密闭性和地下建筑良好的防护性能，为在地下建造各种贮库提供了十分有利的条件。2、人口的增长、集中和都市化，世界各国都面临能源、粮食、水的供应和放射性以及其它废弃物的处理问题。二、地下燃料贮库可分为以下几种类型水封油库（变动水位法）1、开凿硐室贮库2、废旧矿坑油库3、其它油库储藏室地下仓库城市地下综合体一、地下综合体定义为建设沿三维空间发展的，地面地下连通的，结合交通、商业贮存、娱乐、市政等多用途的大型公共地下建筑。二、地下综合体特点多重功能、空间重叠、设施综合。上海人民广场地下综合体北京天外天地下商场主要采用了五连拱多跨梁柱结构施工方法。平顶直墙田字型开挖施工技术；暗挖拱型结构与明挖框架结构连接结构施工技术。四、地下综合体的特点可作为有效的防空、防炸设施，形成恒温恒湿防震防振的环境，并能节约地面建筑占地。但地质条件要求较高，施工困难、投资较高。地下街东京八重洲地下街。分三层，左右两侧上层为商场、中层为车库，底层为机房，中部为地下铁道。埋入土中的地下街道地下商场开封相国寺地下商场平剖面图地下停车场附建在高层住宅楼的装配式地下停车库地铁隧道工程一、概述1.概念是修筑在岩体、土体或水底的，两端有出入口的，供车辆、行人、水流及管线等通过的通道。包括交通运输方面的铁路、道路、水（海）底隧道和各种水工隧道等。杨浦电厂取水工程2.特点•是交通运输线路穿越天然障碍的有效方法。•穿越的地质条件复杂多变，工程定位、设计、施工方法要随时作相应调整。•施工作业面窄，劳力设备受到限制，工业化、机械化施工要求高。•造价昂贵。八达岭隧道口前石拱桥上海市大连路隧道工程，使用两台直径为11.22米的超大型盾构机施工。建成后为双向四车道，设计车速为每小时40公里，通行净高4.5米。隧道线路总长约2.5公里。施工中采用了冰冻法加固等新技术，日最大推进达15米。工程总投资16.55亿元。大阁山隧道全长496米，开挖高度18米，开挖跨度22米，净宽18米，单跨双向四车道，是目前国内单孔跨度最大的公路隧道。工程造价为3806.52万元。3.发展简况•世界第一座交通隧道是公元前2180~2160年在巴比伦城中幼发拉底河下修筑的人行通道。•我国古代（公元前8世纪~前3世纪）建造有深达40m以上的铜矿矿井（竖井和斜井）•19世纪20年代蒸汽机的出现以及铁路和炼钢工业的发展，促进了隧道工程的发展。1826~1830年英国在利物浦硬岩中修建了两座最早的铁路隧道。•1843年英国在泰晤士河修建了第一条水底道路隧道。（盾构法施工）•20世纪50年代，人们才总结出各种类型隧道工程规划、设计和施工的基本原理，在土木工程中逐渐形成了一个独立的工程领域。目前，全世界已建成和计划建设的海底隧道有20多条，主要分布在日本、美国、西欧、中国的香港九龙等地区。从工程规模和现代化程度上看，当今世界最有代表性的跨海隧道工程，莫过于英法隧道和日本青函隧道。英法隧道横贯英吉利海峡，从英国的福克斯通到法国的桑加特，把英伦三岛与欧洲大陆连接起来。隧道由两股火车隧道和一股工作隧道构成，全长53公里，海底部分37公里。该隧道已于1995年建成通车。由于英伦海峡隧道把欧洲大陆与英伦三岛联系起来,再乘座高速列车(Eurostar欧洲之星),从伦敦到巴黎仅需要3小时,穿越英吉利海峡仅需要20分钟.地下工程利用的预测1利用深度2地下空间利用调查地下工程的特性和利用第一节地下工程的空间种类一、按不同开挖方法分类1、开挖空间2、开挖后覆土3、明挖空间1、在建筑物上填土(一般高出地面)2、埋设在地层中⑴平埋二、按地下结构物与地表面的关系分类⑵利用倾斜地层三、开口部与地表面的关系1、密闭型所有的开挖空间，如地铁区间隧道、水底隧道、城市人防等2、天窗型可自然采光、感觉较好如成都市顺城街地下街盐市口段3、侧面开口型适合于倾斜地层4、半地下型第二节地下工程的空间特性一、构造特性由结构物及其所处的环境而形成的特性。1、环境特性1)空间性——空间的有限性，封闭空间2)密闭性——由于埋设在地层中，封闭3)隔离性——结构物间由于岩土的存在而相互隔4)耐寒性——2、力学特性耐压性抗震性3、物理特性隔热性、恒温性、恒湿性、遮光性、难透性、隔音性4、化学特性反应性：组成地层的化学成分复杂有可能与外界物质发生反应如地下贮库、粮食贮库、地下水库等第三节地下空间的优缺点一、地下空间的优点1、地面视觉不受影响1）为不影响地面自然景观，可修建地下建筑物2)为保护地面历史环境2、保留了地表面的开放空间如城市中心的地下停车场、地面部分为花园草坪城市中心多修地下通道而少修高架3、有效的土地利用把能够置于地下的建筑物设于地下则地面土地可作其他用途如：地面广场道路高层建筑地下停车场地下街、地铁停车场、地下室4、有效的往来和输送方式1)平面上：修建在地下的交通通道（地铁、地下通道、城市管网）对地表的障碍更小2)垂直距离：附建于高层建筑之下的停车场，也缩短了交通时间5、保护环境1）覆土结构，恢复地面植被可保水，减轻城市排水系统压力，保持地下水位，不至于水土流失、进而发生塌陷2)保护自然景观、改善水、空气质量6、节约能源、温湿恒定地下具有恒温、恒湿功能，可储存