第7章-地下工程

第7章地下工程地下工程：指地面以下土层或岩体中修建各种类型的地下建筑物或结构的工程。它包括：

交通运输方面的地下铁道、隧道、停车场、通道等；军事方面和野战军事的地下指挥所、通讯枢纽、掩蔽所、军火库等；工业与民用方面的地下车间、电站、库房、商店、人防与市政地下工程；文化、体育、娱乐与生活等方面的联合建筑体。7.1概述

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。

第三时代中世纪时代。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。新疆吐鲁番的坎儿井，有“地下长城”之美誉国外地下空间的发展情况我国地下空间利用最早始于西北黄土高原。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。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。90年代以来我国城市地下的交通与市政设施加快了速度修建。我国地下空间的发展情况我国地下工程的建设现状

我国地下空间开发尚处于开发阶段，一般高层建筑下设有地下室，有数层的多做地下停车场。在北京、天津、上海、香港、广州、台北等城市建有地铁。由此可见我国地下工程建设量与国外相比具有天壤之别。随着我国城市化的加剧，出路与节约城市土地资源，开发利用地下空间，我国必须大力发展地下工程建设。近现代地下空间的开发与利用

1.“人防”向“民防”转变2.改善交通，繁荣区域经济3.地下室利用4.旧城保护5.发展商业地下工程的类型

地下工程可根据建造环境和建造方式与用途的不同，分为隧道工程、地下建筑物、地下构筑物等类型。隧道工程主要是指铁路隧道、公路隧道、地下铁道、越江隧道、海底隧道以及水工、热力、电缆隧道等。

地下建筑物主要是指建筑物的地下室、地下厂房、地下仓库、地下车库、地铁车站、城市地道、地下商业街等。

地下构筑物主要是指军事、人防工程、城市共用沟、水工构筑物、贮水池、游泳池等。7.2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.发展概况

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。4、隧道结构隧道的的结构有主体构造物和附属构造物两大类组成，主体支护结构是洞身衬砌和洞门，附属建筑物有排水沟、通风设施、照明设施、电力设施等等洞身：隧道结构的主体部分。衬砌：承受地层压力，维持岩体稳定，阻止坑道周围地层变形的永久性支撑物。它由拱圈、边墙、托梁和仰拱组成。洞门：位于隧道出入口处，用来保护洞口土体和边坡稳定，排除仰坡流下的水。它由端墙、翼墙及端墙背部的排水系统所组成。洞身衬砌结构类型

隧道开挖后为了保持围岩的稳定性，一般需进行支护，也就是进行衬砌。衬砌的基本类型如下图所示。（1）直墙式衬砌通常用于以岩石地层垂直围岩压力为主要计算荷载、水平围岩压力很小的情况。直墙式衬砌结构的拱部，可以采用割圆拱、坦三心圆拱或尖三心圆拱

（2）曲墙式衬砌通常用于岩石地层，水平围岩压力较大，为了抵抗较大的水平压力把边墙也做成曲线形状。当地基条件较差时，为防止衬砌沉陷，抵御底鼓压力，使衬砌形成环状封闭结构，可以设置仰拱。（3）喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌要求用光面爆破开挖，使洞室周边平顺光滑，成型准确，减少超欠挖，适当的时间喷混凝土，即为喷混凝土衬砌。根据实际情况，需要安装锚杆的则先装设锚杆，再喷混凝土，即为喷锚衬砌。如果以喷混凝土、锚杆或钢拱支架的一种或几种组合作为初次支护对围岩进行加固，维护围岩稳定防止有害松动，待初次支护的变形基本稳定后，进行现浇混凝土二次衬砌，即为复合式衬砌。(4)偏压衬砌当山体地面坡陡于1：2.5，线路外侧山体覆盖较薄，或由于地质构造造成的偏压，为承受这种不对称围岩压力而采用的衬砌形式(5)喇叭口隧道衬砌在山区双线隧道，有时为绕过困难地形或避开复杂地质地段，减少工程量，可将一条双幅公路隧道分建为二个单线隧道，或两个单线并建为一条双幅的情况(或车站隧道中的过渡线部分)，衬砌产生了一个过渡区段，这部分隧道衬砌的断面及线间距均有变化，相应成了一个喇叭口型(6)圆形断面隧道为了抵御膨胀性围岩压力，山岭隧道也可以采用圆形或近似圆形断面，因为需要较大的衬砌厚度，所以多半在施工时进行二次衬砌。(7)矩形断面衬砌用沉管法施工时，其断面可以用矩形型式。明挖法施工时其断面广泛采用矩形，其回填土厚度一般较小。另外城市中的过街人道，其断面也是以矩形为基础组成

洞门的作用是减少洞口土石方开挖量、降低仰坡开挖高度，承受山体推力并支撑边仰坡的稳定，确保洞口行车安全。常见洞口类型有以下几种。

a.端墙式洞口适用于地质条件较好的洞口地段。

b.翼墙式洞口适用于地质条件较差的洞口地段。

c.柱式洞口适用于地质条件较差，且不便于设置翼墙的洞口地段。

d.台阶式洞口适用于地形等高线与线路中线斜交的洞口地段。

e.明洞口适用于明挖隧道的洞口地段。洞门形式洞门基本类型竖井、斜井

一般隧道开挖是从两洞口或从其中一个方向洞口进行，但对于长大隧道，因工期限制、经济、施工、地形、环境等条件，有必要分成几个工程区段进行施工，多数情况下要设工作坑道。

工作坑道按坡度区分为横洞、斜井、竖井和平行导坑。

竖井、斜井除作为施工作业坑道外，常使用于公路隧道的通风井，水底隧道的扬排水和维修保养通道，扬水式发电站的调压水槽和压力管道闸门等，最近还使用于石油和液化气的地下储藏的永久性洞库。竖井斜井用于通风的竖井5.隧道施工方法矿山法（适用于硬岩中开挖隧道）包括传统方法和新奥法。多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，又叫钻眼爆破法掘进机法，包括隧道掘进机法和盾构掘进机法。盾构法：盾构为一钢制圆筒，周边设置千斤顶推向前方。

沉管法：多用于水底隧道。注浆法。在施工范围布置注浆孔，灌人水泥砂浆或其他化学浆液，以使土层固结，故此法亦称为灌浆固结法。顶管法。当浅埋隧道穿越地面铁路、城市交通干线、交叉路口或地面建筑物密集、地下管线纵横地区时，为保证交通不致中断和行车安全，可采用顶管法施工。新奥法。新奥法的特征之一是采用现场监控、量测信息指导施工。

明挖法或围堤明挖法（敞口开挖基坑，修建隧道后覆填）常用的明挖法有三种:敞口放坡明挖板桩法地下连续墙施工法庞大的隧道施工设备6隧道通风与照明自然通风：不设专门的通风设备，利用洞口间的自然压力差或汽车行驶时活塞作用产生的交通风力达到通风目的机械通风：从一个洞口引进新鲜空气，由另一个洞口排出污染空气的方式。隧道照明：与一般部位的道路照明不同，其显著特点是昼间需要照明，防止司机视觉信息不足引发交通事故。应保证白天习惯于外界明亮宽阔的司机进人隧道后仍能认清行车方向，正常驾驶。隧道照明主要由人口部照明、基本部照明和出口部照明与接续道路照明构成。公路隧道空气污染造成危害的主要原因是一氧化碳，道路隧道要有较完善的通风、照明、防灾等附属设施。7.隧道的防水与排水

在隧道运营期间，地下水常从混凝土衬砌的施工缝、变形缝(伸缩缝和沉降缝)、裂缝甚至混凝土孔隙等通道，渗漏进隧道中。造成洞内通信、供电、照明等设备处于潮湿环境而发生锈蚀;使路面积水或结冰，造成打滑，危及行车安全;由于结冰膨胀和侵蚀性地下水的作用，不仅使衬砌受到破坏，而且使得以上危害更加严重。为避免和减少水的危害，我国隧道工作者已总结出“截、堵、排相结合”的综合治水原则，并以浇筑混凝土衬砌作为防水(堵水)的基本措施。截水措施堵水措施排水措施二、各类隧道简介1.铁路隧道

组成由洞口路堑（或引道）、洞门、洞身衬砌结构和隧道内外附属构筑物（道床、避车洞、水沟、照明、设置电气化设备的洞室等）组成。

大瑶山隧道是我国铁路隧道最长的,长14.295km.

隧道内的线路可用单向坡或双向坡

隧道衬砌的横断面2.公路隧道

类别：按隧道所处的位置分为山岭道路隧道；水底道路隧道；城市道路隧道。

道路隧道要尽量设计成直线。隧道内纵坡不宜大于3.5%,也不应小于0.3%。

道路隧道要有较完善的通风、照明、防灾等附属设施。

发展情况：据西欧、日本等13个国家的统计资料，长度超过3km的已有105座，最多的国家为日本，29座，最长的为瑞士与意大利间的穿越阿尔卑斯山的圣哥达隧道，长16.918km,单孔双车道。四川成渝高速公路隧道长5006m公路隧道的各种主要断面形状公路建筑限界公路隧道横断面净空铁路或公路遇到水面障碍物时，除可修建桥梁通过外，修建水底隧道可能是最佳方案。尤其在水面宽，航运繁忙，通过巨型船只较多，不宜建造高桥和长引桥的情况下。3.水底隧道

水底隧道一般分水底段和河岸段，后者又有暗埋、敞开及出口部分。

施工方法：盾构法、沉管法用盾构法建造的水底隧道，自两端至洞口，一般为槽形敞开式引道段，穿越水底的暗埋段，断面大多为圆形。引道段用沉管法建造水底隧道除有引道段外，穿越水底的沉管有时是由几个通道组成的矩形管段组成。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.一、地下水电站7.3地下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

地下水电站从枢纽布置来看又分为两类：地下式厂房位于首部枢纽地下室厂房远离首部枢纽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。地下水力发电站的特点利用地下空洞发电的设施有水力发电站和原子能发电站等。地下水力发电站多设在山区坚硬的岩石层中，其特点是:(1)不受地形的制约，可自由选择位置，能充分利用落差。

(2)不担心雪害、冰害以及落石的危害。

(3)构造物不露出地面，对自然环境损害小。

(4)与天气、气温无关，可全年进行施工。

(5)在地下修建大空洞，地质条件对建设费用影响很大。小浪底水利工程地下厂房二、地下抽水蓄能水电站通常设于地下千米左右的地下深处，具有地上、地下两个水库。供电高峰时时，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。抽水蓄能电站工程的特点:

不需要很大容量的水库，站址选择比常规电站的限制少抽水蓄能机组可以应用到相当高的水头范围，造价低，向高水头发展的趋势明显。可有效降低高水头输水管道的造价。宜建在地震稳定地带。淹没深度对地面厂房施工带来很大难度，因此更多地趋向于使用地下厂房。坝体和库坡的稳定性需要特别注意必须有可靠的防渗措施机电设备投资比重高。三、地下原子能发电站原子能发电站的形式1、半地下式2、完全地下式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7.4其他地下工程一、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。地下仓库的定义：修建在地下的贮品建筑物。根据贮品的不同分为：地下粮阵，油品、药品库，地下冷藏库，地下物资仓库，地下燃油、燃气库，地下军械、弹药库地下仓库水封油库（变动水位法）二、地下燃料贮库可分为以下几种类型1、开凿洞室贮库2、

岩盐溶淋洞室油库

3、废旧矿坑油库4、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三、结构形式地下建筑物可以构筑成隧道形式，也可以和地面房屋相似，在平面布局上采用棋盘式和房间式的布置，并可建成多层多跨的框架结构。平顶直墙式隧道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