T地下结构工程－教学

地下结构工程《地下结构工程》

2003年教学安排本课程的学习方式为讲课与自学讨论相结合，并结合专题组织地下工程的施工现场考察和参观，期末要求学生写出一篇不少于5000字、有一定创见和新观点的课程学习报告，并进行口试，根据该报告的质量及口试分数评定成绩。

讲课内容安排：1

地下结构工程发展简介2

地下结构工程与环境3

地应力问题4

地下结构工程设计与稳定问题5

地下结构工程数值模型及分析技术6

地下结构工程地质力学模型试验7

地下结构工程的施工新技术8

地下结构工程的量测技术专题总结报告题目（从以下专题中任选其一，也可以自定选题，但需经导师同意，字数不少于5000字，要求有新意）：l

地下结构工程的发展前沿状况l

地应力与地下结构的稳定l

地下结构工程分析中的力学模型l

数值分析方法在地下结构工程的应用l

地下结构工程现场测量和施工方法口试每人30分钟，接题后自行准备15分钟，回答问题15分钟。地下结构工程（第一讲）1、

地下结构工程发展简介2、

地下结构工程与环境1、地下工程发展简介

地下结构工程开发

在人类历史中的四个标志性阶段1.1第一阶段：人类历史初期的穴居生活特征：天然洞穴的利用和简单开发》

人类历史初期的穴居生活可以说是这一阶段的开始，它以对天然洞室的直接利用和简单的开发为特点。这是一个相当长的历史阶段，人类对地下洞室的认识还是一个必然王国的阶段，人类有意识寻找可利用的天然洞穴，因为它可以用来遮风避雨、储存食物、躲避敌人或野兽的袭击。随着人类进化，逐渐走出天然洞室，开始建造更为适于人类生活居住的房屋，直接利用天然洞室的情况越来越少，而为某种目的人工开挖的地下洞室则逐步增多。除了开采矿藏外，中国古代战争中已经有了利用人工开挖隧道攻击敌方的战例。

近年发现的浙江西部、钱塘江上游龙游县小南海附近的龙游人工洞室群，据考证已经有上千年的历史，是迄今为止发现的人类最早的有目的开发地下空间的例证。龙游石窟在方圆0.38km2的土丘上，，似有规律律地分布了了大小24个洞窟，，每个洞窟窟的面积1000～～3000m2不等，每个个洞窟从矩矩形洞口开开始垂直向向下延伸，，洞高约30m，顶部呈“倒倒斗形”，，洞内科学学地分布着着3～4根根巨大的““鱼尾形””石柱，与与洞顶浑然然一体。洞洞壁、洞顶顶和石柱上上都有古人人留下的带带有装饰意意图的凿痕痕。但是它它的开发目目的则仍是是千古之谜谜。地下结构工工程开发在在人类历历史中的四四个标志性性阶段1.2第第二阶段：：19世纪到到20世纪纪初的工业业大革命时时期，是人人类历史上上有目的大大规模开发发地下空间间的阶段。。这个阶段以以矿山工程程、交通工工程、水利利工程、地地下军事防防护工程、、城市供排排水工程以以及城市地地铁为代表表。这一阶阶段中，以以钢铁为核核心黑色金金属工业和和能源工业业的发展，，带动了大大量的铁矿矿、煤矿的的建设和开开采。运输输的需求又又促进了交交通工程的的发展和大大量铁路、、公路隧洞洞的开挖。。工业的发发展又造成成人口大量量向城市集集中，或新新城市的大大量出现。。工业和城市市发展的需需要也促进进了水利工工程的发展展。这些工工程中都需需要进行大大量的竖井井、隧道等等地下工程程的开挖和和建设。城城市地下工工程则以给给排水系统统为主，如如法国巴黎黎的下水道道规模相当当宏大。同同时最早的的城市地铁铁建设，如如伦敦地铁铁（1863年），也出现在在这一阶段段。地下工程开开发

在人人类历史中中的四个标标志性阶段段1.3第第三阶段：：20世纪中中叶到20世纪末特征：除第第二阶段的的生产类型型的工程之之外，一些些人类日常常生活类型型的设施开开始向地下下转移。20世纪中中叶到20世纪90年代，是是地下空间间的开发由由工业领域域向人类生生存、生活活的各个领领域扩展的的阶段，也也是地下工工程的新概概念、新理理论、新方方法不断提提出，新材材料、新技技术、新工工艺广泛应应用于地下下工程的阶阶段。它的特征是是，除第二二阶段的生生产类型的的工程，如如矿业、水水利、煤炭炭、铁路、、公路以及及军事工程程之外，城城市地下工工程也有了了更为广泛泛的发展。。不但城市市地铁在各各大城市普普遍建设，，一些人类类日常生活活类型的设设施开始向向地下转移移。包括地地下商业街街(1930年)，，地下停车车场、地下下仓库、地地下公共管管线隧道，，以及各种种地下文化化体育设施施，如艺术术展馆、音音乐厅、健健身房、游游泳馆、滑滑冰场等。。地下工程开开发

在人人类历史中中的四个标标志性阶段段1.4第第四阶段：：20世纪末末到今天特征：节约约资源、改改善环境、、保护生态态、可持续续发展。地地下工程已已经向环境境友好工程程发展。高高新技术进进入地下20世纪末末到现在，，由于人类类环境保护护以及资源源永续利用用意识的不不断提高，，联合国和和世界各国国可持续发发展战略的的制定，人人们对地球球只有一个个，人类生生活空间的的有限性、、大多数天天然资源不不可再生性性的认识的的不断深化化，推动地地下工程进进入了一个个更高阶段段。这个阶段的的特征是：：节约资源、、(economizeresources)改善环境、、(improveenvironment)保护生态、、(zoologyprotection)可持续发展展(sustainabledevelopment）地下工程以以环境友好好工程的姿姿态出现在在人们面前前。高新技技术进入地地下：进入20世世纪90年年代以来，，以1,激光导导向技术和GPS定位技术为代表的地地下施工定定向定位技技术、以2,遥感技技术与穿地地雷达技术术为代表的地地下勘察技技术和3,地下掘掘进及衬砌砌自动控制制施工技术术已在实际工工程中得到到了一定程程度的应用用，这一切切使得地下下空间开发发的第四个个标志性阶阶段，规模模更大，水水平更高。。2.地下工程与与资源环境境环视当今世世界，人口口锐增、资资源剧耗、、耕地和森森林骤减、、土地退化化、沙漠扩扩大、温室室效应、酸酸雨危害、、环境污染染……环境问题制制约着世界界经济的发发展，更是是我国经济济发展所面面临的突出出问题。我我国每年由由于环境污污染和生态态破坏造成成的损失达达2000多亿元。。2.1节约能源、、缓和温室室效应地下空间的的利用大有有可为据统计，在在欧美国家家中建筑能能耗约占全全国总能耗耗的30％％左右，而而建筑能耗耗中用于建建筑物的采采暖、通风风空调的能能耗约占全全国总能耗耗的19．．5％。地下空间由由于岩土具具有良好的的隔热性，，可防止风风、雨、日日晒等地面面温度变化化诸多因素素的影响。。测试表明明，地面以以下1m，日温几乎没没有变化，，地面以下下5m的室内气温温常年恒定定。2.2地下工程开开发与洁净净能源2.2.1大型地地下水力发发电站及抽抽水蓄能地地下发电站站将成为我我国水电资资源开发的的主要形式式到1999年底，全全国发电装装机容量达达29877kw，其中水电7297万万kw，仅次于美国国居世界第第二位。特特别是在改改革开放以以来，1986年至至1999年14年年间，全国国水电新增增装机容量量达到4655.5万kw，比1985年底全国国水电装机机总容量增增加了1.8倍。举举世瞩目的的长江三峡峡工程装机机1820万KW，其中地下电电站装机420万KW，将于2003年投产产发电。已已建成的小小浪底、二二滩水电站站，已开工工的龙滩、、小湾水电电站，设计计中的溪洛洛渡、锦萍萍水电站等等，都是地地下厂房。。水力发电是是一种最主主要的清洁洁可再生能能源。但是是在我国可可建造地面面厂房的各各大河流中中下游地区区的水能资资源，已大大多得到了了开发；而而由于我国国水电资源源主要集中中在西部高高山峡谷地地区，目前前其水电能能源开发比比例远低于于全国开发发比例的19％，仅仅有8％，，因而是新新世纪水电电开发的重重点地区。。在这些地地区开发水水电工程，，地下厂房房几乎成为为唯一的选选择。西部大开发发、西电东东送和可持持续发展战战略，为水水电开发提提供了不可可多得的发发展机遇。。根据国家家规划，新新世纪头十十年的“十十五”、““十一五””计划中，，全国将开开工建设的的大中型水水电站装机机达58000MW，其中超过50％为地地下水电站站。此外，在大大中城市等等能源消耗耗集中的经经济发达地地区，能源源结构成分分多不尽合合理。可以以“调峰填填谷”的水电比例例过低，严严重影响电电网的质量量。为解决决这一问题题就需要修修建一定数数量的抽水水蓄能电站站。由于这这种电站需需要工作在在发电和抽抽水的双重重工况下，，因而装机机高程要求求较低。如如果设计成成地面厂房房则要求很很大的挖深深，增加工工程造价，，且不安全全，而设计计成地下式式发电厂房房则是最佳佳选择。如如北京昌平平的十三陵陵抽水蓄能能电站、广广州抽水蓄蓄能电站等等。地下工程开发发与洁净能源源2.2.2地地下洞室储储存热、冷源源将为太阳能能的利用开辟辟有效的新途途径应特别指出的的是，地下空空间的开发利利用为自然洁洁净能源的利利用，特别是是可再生能源源的利用，开开辟了一条广广阔有效的途途径。太阳能能是巨大的洁洁净可再生能能源，但其来来源随季节有有很大的不稳稳定性。太阳阳辐射热一般般仅在夏季丰丰富，这就需需要季节性贮贮存。在地下下的水、岩石石、土壤介质质中贮存能量量往往是最佳佳的甚至是惟惟一的选择。。利用地下空空间在冬季将将天然冰块贮贮存于地下，，用于夏季环环境控制的蓄蓄冰空调，是是既经济又清清洁的再生冷冷源。由于岩、土的的热稳定性和和密闭性，使使热量损失很很少，不需要要保温材料。。岩石的自承承能力，使得得洞室结构简简单，维护保保养费用大为为降低。瑞典典在斯德哥尔尔摩西北约150km的阿累斯达建建造了一个150,000m3的岩洞热水库库，以废物焚焚烧为热源，，蓄热温度达达70C℃～150℃，通过一个换热热器与区域供供热系统联接接。工程投资资400万美美元，1982年建成，，1984年年完成试验投投产，用于当当地供热系统统，每年节油油400m3以上。在地下下建造冷藏库库，也可大为为节约能源，，少用或不用用隔热材料，，温度调节系系统也较地面面冷库简单，，运行和维护护费用比地面面冷库低得多多，据统计，，约低25％％—50％。。地下工程开发发与洁净能源源2.2.3地地下洞室工工程储存压缩缩空气作为蓄蓄能发电站的的另一种介质质德、日等国还还在开发地下下压缩空气贮贮库技术。如如德国已于1979年在在岩盐层中建建成一座地下下压缩空气储储库，功率为为29万KW，贮气压力为8Mpa。日本、美国正正在开发地下下超导磁贮电电库技术，该该库为螺旋状状排列的环形形洞室。这两两种技术都可可有效地贮存存低峰负荷时时的多余电能能，满足高峰峰供电需要。。地下工程开发发与洁净能源源2.2.4地地热能源开开发新技术---干热岩(HDR,hotdryrock)发电美国LosAlamos实验室在卡尔尔德拉的芬登登山于1984年6月建建成世界上第第一个10MW功率的干热岩岩电站。该电电站主要由两两个深度为4000多米米的钻孔及其其联通孔组成成，首先用水水力压裂法将将干热岩体压压出无数裂隙隙，形成裂隙隙通道和热储储空间。再用用地面冷水一一次灌入21300m3，形成孔底循环环，迅速将冷冷水变为高温温、高压蒸汽汽直接进入汽汽轮机发电。。2.3地下储水工程程除建设水库之之外,可利用用松散岩层、、裂隙岩体、、岩石洞穴建建造地下人工工河川、地下下蓄水池和融融雪槽，储存存丰水季节多多余的自然降降水供缺水季季节使用，可可获得可观的的水资源。我国水资源短短缺日益严重重。我国水资资源在时空分分布上极不均均匀是缺水的的重要原因。。我国许多地地方丰水季节节的大量淡水水因为没有足足够储存设施施白白流向大大海。除在大大江、大河上上中游建设水水库以外，也也可以利用地地下空间储存存水源。如挪挪威、芬兰等等国利用松散散岩层、岩层层裂隙和岩石石洞穴以及疏疏干了的地下下含水层，日日本，在东京京、横滨、名名古屋以及扎扎幌等地建造造地下人工河河川、蓄水池池和地下融雪雪槽，储存丰丰水季节中多多余的自然降降水、降雪供供缺水季节使使用，就可部部分改善缺水水的状况。雨水是一种重重要的淡水资资源。在城市市中如将雨水水部分储存起起来，则可获获得可观的水水资源，缓解解水资源危机机。在年降水水量为500mm的半干旱地区区，1km2年降水为50万m3，如以100km2市区面积计算算，年降水量量可达0.5亿m3。在城市住宅小小区或适当地地方储积雨水水，可用于浇浇灌绿地、水水景以及下渗渗补充地下水水，改善生态态环境。2.4地下交通和地地下停车场建设城市地铁铁交通网与地地下通道、地地下停车库、、郊区火车进进入城市中心心区相结合的的城市地下交交通体系是减减少城市中心心区汽车数量量，根治城市市大气污染的的有力措施。。解决汽车尾气气的根本措施施之一是减少少城市中心区区汽车总量。。蒙特利尔地下下有轨交通网网是由东西两两条地铁轴线线、南北二条条地铁轴线及及环形地铁线线和伸向城市市中心地下两两条郊区火车车道所组成。。城市中心的的60多个高高层商业、办办公及居住建建筑综合大厦厦通过150多个地下出出入口及相应应地下通道与与这个地下交交通网络的站站台相连。中心区区内人人流活活动大大都通通过地地下交交通，，中心心区以以外的的人流流上班班、进进行公公务及及商业业活动动时通通过郊郊区火火车，，或由由自备备轿车车到达达中心心区边边缘的的地铁铁车站站，轿轿车停停在附附近的的地下下停车车场，，然后后乘地地铁到到达目目的地地站台台，再再乘地地下通通道进进入各各高层层建筑筑。这这样城城市中中心区区的机机动车车数量量减少少到最最低限限度。。实际际情况况表明明，这这种交交通模模式和和措施施是有有效的的。2.5城市设设施转转入地地下，，地表表让给给绿地地，减减少热热岛效效应《中国国21世纪纪议程程》提提出：：““大大力发发展城城市绿绿化事事业，，到20m年，绿绿化覆覆盖率率达到到30％，，人均均公共共绿地地面积积达到到7m2左右的的目标标。””联联合合国建建议城城市公公共绿绿地应应达到到人均均40m2的水平平。为为此需需要腾腾出更更多的的地面面来进进行城城市绿绿化。。向地下下要土土地，，要空空间，，已成成为世世界城城市发发展的的趋势势，开开发利利用地地下空空间已已成为为衡量量城市市现代代化水水平的的重要要标志志。华盛顿顿人均均40m2分布均均匀的的绿化化，真真如城城市花花园一一般。。世界界“绿绿都””华沙沙，人人均绿绿地70m2，确实是是一座座生态态园林林化城城市。。在北方方缺雨雨地区区应以以立体体绿化化为主主，多多种树树少种种草坪坪。2.6地下污污水和和垃圾圾处理理厂城市水水环境境和垃垃圾环环境的的治理理也离离不开开地下下空间间的开开发与与利用用。我我国136条流流经城城市的的河流流中105条水水质污污染严严重超超标，，50％以以上的的城市市地下下水受受到污污染。。我国国城市市垃圾圾堆放放量高高达60多多亿吨吨，垃垃圾围围城现现象普普遍。。一些些发达达国家家的先先进城城市都都在地地下建建立污污水收收集、、输送送与处处理的的统一一系统统和垃垃圾废废物的的分类类、收收集、、输送送和处处理的的统一一设施施。前苏联联契尔尔诺贝贝利核核电站站发生生爆炸炸泄露露事故故后，，虽然然有不不少国国家已已经通通过立立法禁禁止修修建核核电站站，但但综合合评价价核电电站还还是利利大于于弊，，不能能完全全否定定。然然而核核废料料的处处理仍仍是一一个不不可忽忽视的的问题题，现现在采采用的的唯一一办法法仍是是深埋埋地下下。如如何保保证深深埋的的核废废料不不污染染地下下水资资源及及地下下环境境，还还需要要认真真研究究。城城市水水环境境和垃垃圾环环境的的治理理也离离不开开地下下空间间的开开发与与利用用。瑞典排排水系系统的的污水水处理理厂全全部设设在地地下，，仅斯斯德哥哥尔摩摩市就就有排排水隧隧道200km，拥有大大型污污染水水处理理厂6座，处处理率率为100％。其其他中中、小小城市市，也也都有有地下下污水水处理理厂，，保护护了城城市水水源，，还使使波罗罗的海海免遭遭污染染。瑞瑞典是是首先先试验验用管管道清清运垃垃圾的的国家家。我我国香香港特特区的的污水水处理理厂也也是全全地下下式的的。美美国佛佛罗里里达州州近年年来在在高层层建筑筑地下下室设设置垃垃圾自自然分分类收收集系系统。。由于于地下下空间间的封封闭性性，上上述的的收集集处理理统一一系统统，可可以把把污水水，垃垃圾废废物对对城市市的污污染减减少到到最低低限度度。2.7开发地地下空空间改改善地地面景景观地下空空间的的开发发使得得城市市三维维结构构更紧紧密，，城市市的集集约化化程度度提高高，降降低了了人们们对城城市中中交通通的需需求，，使得得城市市的服服务更更加接接近居居民，，创造造了更更加宜宜人和和舒适适的环环境。。发达达国家家成功功地利利用地地下空空间保保持了了城市市环境境宜人人、舒舒适，，保护护了历历史文文化景景观。。2.8减少地地下工工程的的环境境危害害地下工工程本本质上上说是是环境境友好好工程程，保保护地地面自自然生生态环环境。。但是是它又又改变变了原原来的的工程程地质质环境境，这这种改改变可可以是是有