地下工程绪论历史

1、第一章 绪 论1. 地下工程的涵义地下工程：地下工程：是从事研究和建造城市各种地下工程的规划、勘测、设计、施工和维护的一门综合性应用科学与工程技术，是土木工程的分支。 地下工程通常包括：交通运输方面的地下铁道、公路隧道、地下停车场及各种穿越障碍的地下通道；工业与民用方面的各种地下制作车间、电站、各种车房及商店；人防市政地下工程，以及文化、体育、娱乐、与生活等方面的联合体育建筑等。地下结构：与地下工程相关的结构；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建的结构物，统称为地下结构。2. 2. 地下工程的特征地下工程的特征A. 可为人类的生存开拓广阔的空间B. 具有良

2、好的热稳定性和密闭性C. 具有良好的抗灾和防护性能D. 社会、经济、环境等多方面的综合效益好E. 施工条件较复杂，造价较高 3. 3. 地下工程的历史沿革地下工程的历史沿革人类对地下空间利用大体可分为人类对地下空间利用大体可分为四个时期四个时期：A. 远古时期 从出现人类到公元前3000年。 初始人类利用天然洞穴作为防风雨、避暑寒的居住处所。巴比伦巴比伦人在幼发拉底河底挖出了一条长人在幼发拉底河底挖出了一条长3000英尺的隧道。英尺的隧道。B. 古代时期 公元前3000年至5世纪。公元前2200年的巴比仑河底隧道。公元前 312-226年罗马地下输水道及贮水池。公元前206年我国建成的秦始皇陵

3、，从已发掘出的兵马俑坑群看可能是我国历史上最大的地下陵墓工程。C.中世纪时期 5世纪至14世纪我国隋朝(7世纪)在洛阳东北建造了面积达600m700m的近200个地下搁仓，其中第160号仓直径11m， 深7m，容量145m3，可存粮25003000 t。宋朝在河北峰峰建造的军用地道，约长40km。自4世纪中叶佛教传人我国后，相继建成著名的云冈石窟、龙门石窟(北魏)，敦煌莫高窟(从北魏到元各朝)，以及甘肃麦积山和河北邯郸响堂山石窟等这些石窟岩洞形成一个大型的雕刻艺术空间。大型石窟由于室内空间高大，一般窟中又有大佛，往往成了一个容有大佛的空井。如北魏早期的云岗昙曜五窟，窟内空间高达20米左右。崩坍

4、与风化对石窟危害最大。导致崩坍与风化的主要原因是岩性和水。含碳酸钙（CaCO）的岩洞受水侵蚀能使岩石变成松散的粘土矿物，加速岩石解体，造成窟洞崩坍与风化。因此，必须解决好石窟的排水问题。唐代龙门奉先寺佛龛，曾在峭壁的上方与两则修筑了一条长120米，宽12米，深12米的排水沟，把窟顶的水引开，减少水对裂隙渗透，有效地保护了佛龛。乐山大佛在佛头的发髻里筑建了3条排水系统，让雨水从佛背后排掉，不流向面部。D. 近代时期(国外) 从15世纪开始至今:1613年英国建成伦敦地下水道。1681年修建地中海比斯开湾长170m的连接隧道。1843年伦敦，建成越河隧道。1863年英国在伦敦建成世界第一条城市地下

5、铁道。1871年穿越阿尔卑斯山，连接法国和意大利的长12.8km的公路隧道。20世纪90年代初，世界上已有遍100多个城市修建地下铁道，目前线路总长度将达5000km(地下线路近3000km)。 1867瑞典工程师瑞典工程师ALFRED NOBEL注册注册炸弹专利之后，隧道建设得以迅猛炸弹专利之后，隧道建设得以迅猛发展发展。1927荷兰隧道(Holland Tunnel)开始使用通风系统来排除废气。Hudson河的两岸，分别有位于4个不同建筑里的84枚风扇为隧道换风。隧道内空气每90秒钟完全更新一次。1952JAMES S. ROBBINS在修建南达科他州奥阿希大坝时想出了个绝好的点在修建南达

6、科他州奥阿希大坝时想出了个绝好的点子，于是设计了第一个现代意义上的隧道掘进机子，于是设计了第一个现代意义上的隧道掘进机。1963在以真实故事为原型的胜利大逃亡中，德国集中营的囚犯得以从挖掘出来的三条隧道逃脱。这三位英雄的名字分别是Tom、Dick和Harry。1962受到受到POPMECH杂志的启发，三名阿尔卡特拉斯监狱的囚犯杂志的启发，三名阿尔卡特拉斯监狱的囚犯用偷藏的汤勺挖出了一条逃生地道。他们用临时搭建的木用偷藏的汤勺挖出了一条逃生地道。他们用临时搭建的木筏漂到了旧金山，去向再也不为人知筏漂到了旧金山，去向再也不为人知。1988日本日本33英里长，连接了本州与北海道的青函隧道英里长，连接

7、了本州与北海道的青函隧道(SEIKAN TUNNEL)是世界上最长也是最深是世界上最长也是最深(位于海平面下位于海平面下787英尺英尺)的的隧道。可惜的是，很多时间隧道。可惜的是，很多时间宝贵，花钱宝贵，花钱精明的旅客坚持选精明的旅客坚持选择飞机择飞机。1994在192年的谋划以及6年的建设之后，海峡隧道(Channel Tunnel)终于贯通了英吉利海峡，连接了英国与法国。造价210亿美元的海峡隧道，是迄今成本最高的建设工程。2005走私者挖通了一条走私者挖通了一条360英尺英尺(110米米)长的隧道，隧道的一头长的隧道，隧道的一头连接加拿大境内一座半桶形房屋，另一头通到华盛顿州林连接加拿大

8、境内一座半桶形房屋，另一头通到华盛顿州林登市一间屋子的卧室。警方非常佩服其照明、通风系统与登市一间屋子的卧室。警方非常佩服其照明、通风系统与混泥土地板混泥土地板。2010为完成纽约地铁第二大道线(Second Avenue Subway)这个开工81年来一直未峻的工程，纽约开动了本市史上第一台隧道掘进机。随挖随填法与钻爆法也同时被采用。2013世界上最大的隧道掘进机宽57.5英尺，重7000吨，已经开始用于开凿一条隧道以替代西雅图的阿拉斯加路高架桥。这条隧道将成为北美最宽的隧道。4、地下空间利用现状地下电站地下煤矿地下储能深部矿山深海石油国防人防地下铁道地下停车场上下水道商业设施地下城市龚嘴电

9、站地下厂房地下停车场车站效果图地下结构明挖施工现场盖挖法施工（主体结构）盖挖法施工南京用的盾构机双圆盾构主机结构示意图DOT（双圆盾构）已建成异形隧道异形管片泥水盾构构造图西二环大盾构项目第二节 地下工程的基本属性A. 综合性规划、设计与施工需要运用工程测量、岩土力学、工程力学、工程设计、建筑材料、建筑结构、建筑设备、工程机械、技术经济等学科和洞室施工技术、施工组织等领域的知识以及电子计算机和工程测试等技术。B. 社会性 地下工程是伴随着人类社会发展需要而逐渐发展起来的，它所建造的工程设施应反映出各个不同年代社会经济、文化、科学技术发展的面貌与水平。C. 实践性 在某种意义上说地下工程的工程实

10、践常先行于理论。至今不少工程问题的处理，在很大程度上仍然依靠实践经验；即使衬砌结构的设计，以工程类比为主的经验法，至今仍在广泛应用。D. 技术、经济、建筑艺术和环境的统一性 人们力争最经济地建造既安全、适用又美观的地下建筑工程，但工程的经济性和各项技术活动密切相关。首先表现在工程选址、总体规划上，其次表现在工程设计与施工技术是否合理。工程建设的总投资、工程建成后的社会效益与经济效益以及使用期间的维护费用多少等，都是衡量工程经济性的重要依据，这些都与技术工作密切相关，必须综合全面考虑。第三节 地下工程的结构施工一. 地下工程的结构形式与衬砌A. 结构形式：常见的型式有以下几种（1） 附建式结构

11、（2） 浅埋式结构（3） 地道式结构（4） 沉井法结构 （5） 盾构法结构（6） 连续墙结构 （7） 顶管结构（8） 沉管法结构 附建式、单建式盾构地下连续墙顶管沉管二、地下工程的基本作业内容 基本作业包括：降水、开挖、支护、防水和衬砌等技术。 降水技术：降水技术：是确保地下工程在无水情况下作业施工所采取的技术措施。实施降水施工，必须按当地政府建设行政主管部门的规程和文件严格控制实施。 支护技术：是为了地下工程开挖的安全，一般分为临时支护和永久支护。形式上有钢支撑、混凝土支撑、钢格栅支撑、锚杆等等。B. 衬砌 衬砌是地下建筑物周边构筑的永久性支护结构。它的主要作用：一是承重，即承受臣岩压力、地

12、下水压力、结构自重以及其他荷载的作用；二是围护，除用来防止围岩风化与崩塌外，必须做到防水和防潮。根据施工方法的不同,大体可将衬砌分为下列四种：(1)模筑式衬砌 (2)离壁式衬砌 (围岩稳定、防潮要求高)(3)装配式衬砌 (4)锚喷衬砌 右图为管片安装模筑施工隧道衬砌断面 上海地铁隧道北京在建地铁隧道广州地铁隧道地铁工程建设特点 建设规模大、投资高、周期较长、技术复杂。对工程质量要求高，是土建及机电设备复杂的综合性系统工程。具有如下特点： （1）工程风险大（2）控制标准严（3）防水标准高（4）协调内容多地铁车站及分类 按地铁车站与地面位置关系分：地下站、浅埋车站、地面车站、高架车站。 按站台形式

13、分：岛式站台、侧式站台、混合式站台。 按施工方法划分：明挖法、盖挖法、暗挖法车站。 暗挖法中：矿山法、新奥法、盾构法根据2011年-2020年规划,北京轨道交通分为三个圈层,分别以地铁轻轨系统、市郊轨道系统、城际铁路和高速铁路为主体构建规划线网。到2020年,北京地铁轻轨线路将达30条,总长约1050公里,车站近450个。形成“中心城棋盘式+新城放射式”的线网格局。四环路内站点覆盖率将达95%,线网密度每平方公里1.4公里,居民步行10至15分钟就能到达一个地铁站。北京市目前编制的城市轨道交通建设规划，2015年底，北京将建成“三环、四横、五纵、七放射”的轨道交通网络。至2020年北京市的轨道

14、交通线路网将包括30条线路，总长约1050公里（含50公里轻轨），车站近450个。2012年底已完成，北京地铁累计运营里程442公里，基本实现中心城区轨道交通近期规划。未来几年，北京新线建设力度仍不减，预计到2015年底，轨道交通运营总里程达到660公里。目前，正在进行论证的初步方案计划北京全市新增10条轨道交通新线，约200公里。从外埠轨道交通建设来看，“十二五”期间各城市地铁、轻轨规划线路建设里程将达到3000公里，建设投资规划额将达1.27万亿元。总体规划到2020年，全国总规划里程达7000公里，是目前总里程的4.3倍。我国地铁建设热潮正在从中国大城市蔓延至二三线城市。目前已有32个城

15、市已在计划建设地铁，预计2020年将有40个城市建设地铁。2012年9月5日发改委密集公布批准和调整的25个城市轻轨（地铁）项目，涉及的城市包括苏州、杭州、成都、深圳、长春、天津、太原、兰州、沈阳、石家庄、厦门、常州等城市的轨道交通近期建设规划获批等。共计25个城市总投资共约涉及资金7007.7亿元。香港地铁线路世界地铁经营赢利最好的地铁。第五节 轨道交通设计及施工概述地下工程设计模型 地下工程的衬砌设计和施工的要旨在于尽可能地发在于尽可能地发挥和利用围岩的自持能力使衬砌设计更经济合理。挥和利用围岩的自持能力使衬砌设计更经济合理。衬砌设计计算理论经历了若干个发展阶段，目前衬砌设计计算方法可归纳

16、为四种方法：(1)荷载结构模型 （作用反作用模型）(2)地层结构模型（连续介质模型，也可归之为连续介质力学法，包括解析法和数值法 ）(3)以工程类比法为主的经验法 (4)收敛限制模型 （是柔性的支护与围岩共同变形、破坏的弹塑性理论 ）收敛约束模型 充分利用和发挥围岩的自承能力; 增强围岩的强度,均衡围岩应力的分布,并允许围岩有一定程度的变形,以减少对支护的围岩压力; 利用现场的监测值进行反馈施工。作用反作用模型 荷载结构模型 首先确定地层压力,然后计算衬砌结构在地层压力及其他荷载作用下的内力分布,最后根据内力组合进行衬砌结构断面设计和验算。连续介质模型 地层结构模型 地下结构周围的地层不仅能对

17、衬砌结构产生荷载,而且其自身也能承受荷载,地下结构是否安全可靠,首先取决于周围地层的稳定状态。地下工程的施工方法 城市地下工程成败的关键是施工方法。施工方法的选择 应根据工程性质、工程地质、水文地质、土岩层条件、环境条件、施工设备、工期要求等要素,经技术、经济比较后确定。应选用安全、适用，技术上可行，经济上合理的施工方法。明挖法施工 对埋置较浅的工程.在条件许可时，应优先采用。近年常采用“地下连续墙”支护，盖挖逆筑法施工，可避免打桩的噪声与振动，减少明挖法对地面的影响；暗挖法 当埋深超过一定限度后，常采用暗挖法施工，暗挖最初多用传统的矿山法，20世纪中叶创造了新奥法，该法是尽量利用围岩的自承能力，用柔性支护控制围岩的变形及应力重分布，使其达到新的平衡后再进行永久支扩，目前应用