《地下结构工程施工技术》第一章绪论培训

地下结构工程第01章1.绪论地下结构的定义：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。地下工程分类：交通隧道，水工隧洞、矿山巷道、地下仓库、地下工厂、地下民用与公共建筑、地下市政工程、人防工程、国防地下工程。1.1地下结构型式按相对地面位置分：水平，倾斜（斜井），竖直（竖井）；按水平坑道埋置深度的不同，又分成浅埋和深埋两种。结构型式首先由受力条件来控制，即在一定地质条件的土水压力下和一定的爆炸与地震等动载下求出最合理和经济的结构型式。图结构型式也受使用要求的制约；施工方案是决定地下结构型式的重要因素之一。返回图1-1地下结构型式北京地铁王府井车站广州地铁东（山口）~杨（箕）区间隧道综合地质、使用、施工三因素，地下结构常见的型式有以下几种：go地下结构常见的型式有以下几种（1）附建式结构图（2）浅埋式结构图（3）地道式结构图（4）沉井法结构（5）盾构法结构图（6）连续墙结构图（7）顶管结构图（8）沉管法结构图图1-2附建结构exit

图1-3浅埋式结构exit图1-4地道式结构图1-5沉井

exit图1-6盾构exit图1-7地下连续墙结结构exit图1-8顶管exit图1-9沉管exit1.2地下工程发展展简介地下结构工程程开发

在人人类历史中的的四个标志性性阶段1.2.1第一阶段：人类历史初期期的穴居生活特征：天然洞洞穴的利用和和简单开发人类历史初期期的穴居生活活可以说是这这一阶段的开开始，它以对对天然洞室的的直接利用和和简单的开发发为特点。这这是一个相当当长的历史阶阶段，人类对对地下洞室的的认识还是一一个必然王国国的阶段，人人类有意识寻寻找可利用的的天然洞穴，，因为它可以以用来遮风避避雨、储存食食物、躲避敌敌人或野兽的的袭击。随着人类进化化，逐渐走出出天然洞室，，开始建造更更为适于人类类生活居住的的房屋，直接接利用天然洞洞室的情况越越来越少，而而为某种目的的人工开挖的的地下洞室则则逐步增多。。除了开采矿矿藏外，中国国古代战争中中已经有了利利用人工开挖挖隧道攻击敌敌方的战例。。龙游石窟窟近年发现的浙浙江西部、钱钱塘江上游龙龙游县小南海海附近的龙游游人工洞室群群，据考证已已经有上千年年的历史，是是迄今为止发发现的人类最最早的有目的的开发地下空空间的例证。。在方圆0.38km2的土丘上，似似有规律地分分布了大小24个洞窟，每个个洞窟的面积积1000～3000m2不等，每个洞洞窟从矩形洞洞口开始垂直直向下延伸，，洞高约30m，顶部呈“倒倒斗形”，洞洞内科学地分分布着3～4根巨大的“鱼鱼尾形”石柱柱，与洞顶浑浑然一体。洞洞壁、洞顶和和石柱上都有有古人留下的的带有装饰意意图的凿痕。。但是它的开开发目的则仍仍是千古之谜谜。1.2.2第第二阶段：：19世纪到20世纪初的的工业大革命命时期，是人人类历史上有有目的大规模模开发地下空空间的阶段。。这个阶段以矿矿山工程、交交通工程、水水利工程、地地下军事防护护工程、城市市供排水工程程以及城市地地铁为代表。。这一阶段中中，以钢铁为为核心黑色金金属工业和能能源工业的发发展，带动了了大量的铁矿矿、煤矿的建建设和开采。。运输的需求求又促进了交交通工程的发发展和大量铁铁路、公路隧隧洞的开挖。。工业的发展展又造成人口口大量向城市市集中，或新新城市的大量量出现。工业和城市发发展的需要也也促进了水利利工程的发展展。这些工程程中都需要进进行大量的竖竖井、隧道等等地下工程的的开挖和建设设。城市地下下工程则以给给排水系统为为主，如法国国巴黎的下水水道规模相当当宏大。同时时最早的城市市地铁建设，，如伦敦地铁铁（1863年），也也出现在这一一阶段。1.2.3第三阶段：20世纪中叶到20世纪末特征：除第二二阶段的生产产类型的工程程之外，一些些人类日常生生活类型的设设施开始向地地下转移。20世纪中叶到20世纪90年代，是地下下空间的开发发由工业领域域向人类生存存、生活的各各个领域扩展展的阶段，也也是地下工程程的新概念、、新理论、新新方法不断提提出，新材料料、新技术、、新工艺广泛泛应用于地下下工程的阶段段。它的特征是，除第第二阶段的生产类类型的工程，如矿矿业、水利、煤炭炭、铁路、公路以以及军事工程之外外，城市地下工程程也有了更为广泛泛的发展。不但城城市地铁在各大城城市普遍建设，一一些人类日常生活活类型的设施开始始向地下转移。包包括地下商业街(1930年)，，地下停车场、地地下仓库、地下公公共管线隧道，以以及各种地下文化化体育设施，如艺艺术展馆、音乐厅厅、健身房、游泳泳馆、滑冰场等。。1.2.4第四阶段：20世纪末到今天特征：节约资源、、改善环境、保护护生态、可持续发发展。地下工程已已经向环境友好工工程发展。高新技技术进入地下20世纪末到现在，由由于人类环境保护护以及资源永续利利用意识的不断提提高，联合国和世世界各国可持续发发展战略的制定，，人们对地球只有有一个，人类生活活空间的有限性、、大多数天然资源源不可再生性的认认识的不断深化，，推动地下工程进进入了一个更高阶阶段。这个阶段的特征是是：节约资源、(economizeresources)改善环境、(improveenvironment)保护生态、(zoologyprotection)可持续发展(sustainabledevelopment）地下工程以环境友友好工程的姿态出出现在人们面前。。高新技术进入地地下：进入20世纪90年代以来，以1,激光导向技术和GPS定位技术为代表的地下施工工定向定位技术、、以2,遥感技术与穿地雷雷达技术为代表的地下勘察察技术和3,地下掘进及衬砌自自动控制施工技术术已在实际工程中得得到了一定程度的的应用，这一切使使得地下空间开发发的第四个标志性性阶段，规模更大大，水平更高。1.3地下工程与资源环环境环视当今世界，人人口锐增、资源剧剧耗、耕地和森林林骤减、土地退化化、沙漠扩大、温温室效应、酸雨危危害、环境污染……环境问题制约着世世界经济的发展，，更是我国经济发发展所面临的突出出问题。我国每年年由于环境污染和和生态破坏造成的的损失达2000多亿元。1.3.1节约能源、缓和温温室效应地下空间间的利用大有可为为据统计，在欧美国国家中建筑能耗约约占全国总能耗的的30％左右，而建筑能能耗中用于建筑物物的采暖、通风空空调的能耗约占全全国总能耗的19．5％。地下空间由于岩土土具有良好的隔热热性，可防止风、、雨、日晒等地面面温度变化诸多因因素的影响。测试试表明，地面以下下1m，日温几乎没有变变化，地面以下5m的室内气温常年恒恒定。1.3.2地下工程开发与洁洁净能源1.3.2.1大型地下水力发电电站及抽水蓄能地地下发电站将成为为我国水电资源开开发的主要形式到1999年底，全国发电装装机容量达29877kw，其中水电7297万kw，仅次于美国居世世界第二位。特别别是在改革开放以以来，1986年至1999年14年间，全国水电新新增装机容量达到到4655.5万kw，比1985年底全国水电装机机总容量增加了1.8倍。举世瞩目的长长江三峡工程装机机1820万KW，其中地下电站装装机420万KW，将于2003年投产发电。已建建成的小浪底、二二滩水电站，已开开工的龙滩、小湾湾水电站，设计中中的溪洛渡、锦萍萍水电站等，都是是地下厂房。水力发电是一种最最主要的清洁可再再生能源。但是在在我国可建造地面面厂房的各大河流流中下游地区的水水能资源，已大多多得到了开发；而而由于我国水电资资源主要集中在西西部高山峡谷地区区，目前其水电能能源开发比例远低低于全国开发比例例的19％，仅有有8％，因而是新新世纪水电开发的的重点地区。在这这些地区开发水电电工程，地下厂房房几乎成为唯一的的选择。西部大开发、西电电东送和可持续发发展战略，为水电电开发提供了不可可多得的发展机遇遇。根据国家规划划，新世纪头十年年的“十五”、““十一五”计划中中，全国将开工建建设的大中型水电电站装机达58000MW，其中超过50％为地下水电站。。此外，在大中城市市等能源消耗集中中的经济发达地区区，能源结构成分分多不尽合理。可可以“调峰填谷””的水电比例过过低，严重影响电电网的质量。为解解决这一问题就需需要修建一定数量量的抽水蓄能电站站。由于这种电站站需要工作在发电电和抽水的双重工工况下，因而装机机高程要求较低。。如果设计成地面面厂房则要求很大大的挖深，增加工工程造价，且不安安全，而设计成地地下式发电厂房则则是最佳选择。如如北京昌平的十三三陵抽水蓄能电站站、广州抽水蓄能能电站等。地下工程开发与洁洁净能源1.3.2.2地下洞室储存热、、冷源将为太阳能能的利用开辟有效效的新途径应特别指出的是，，地下空间的开发发利用为自然洁净净能源的利用，特特别是可再生能源源的利用，开辟了了一条广阔有效的的途径。太阳能是是巨大的洁净可再再生能源，但其来来源随季节有很大大的不稳定性。太太阳辐射热一般仅仅在夏季丰富，这这就需要季节性贮贮存。在地下的水水、岩石、土壤介介质中贮存能量往往往是最佳的甚至至是惟一的选择。。利用地下空间在在冬季将天然冰块块贮存于地下，用用于夏季环境控制制的蓄冰空调，是是既经济又清洁的的再生冷源。由于岩、土的热稳稳定性和密闭性，，使热量损失很少少，不需要保温材材料。岩石的自承承能力，使得洞室室结构简单，维护护保养费用大为降降低。瑞典在斯德德哥尔摩西北约150km的阿累累斯达建造了一个个150,000m3的岩洞热水水库，以废物焚烧烧为热源，蓄热温温度达70C℃～～150℃，通过过一个换热器与区区域供热系统联接接。工程投资400万美元，1982年建成，1984年完成试试验投产，用于当当地供热系统，每每年节油400m3以上。在地下下建造冷藏库，也也可大为节约能源源，少用或不用隔隔热材料，温度调调节系统也较地面面冷库简单，运行行和维护费用比地地面冷库低得多，，据统计，约低25％—50％。。地下工程开发与洁洁净能源1.3.2.3地下洞室工程储存存压缩空气作为蓄蓄能发电站的另一一种介质德、日等国还在开开发地下压缩空气气贮库技术。如德德国已于1979年在岩盐层中建成成一座地下压缩空空气储库，功率为为29万KW，贮气压力为8Mpa。日本、美国正在在开发地下超导磁磁贮电库技术，该该库为螺旋状排列列的环形洞室。这这两种技术都可有有效地贮存低峰负负荷时的多余电能能，满足高峰供电电需要。1.3.2.4地地热能源开发发新技术-干热岩(HDR,hotdryrock)发电美国LosAlamos实验室在卡尔德拉拉的芬登山于1984年6月建成世界上第一一个10MW功率的干热岩电站站。该电站主要由由两个深度为4000多米的钻孔及其联联通孔组成，首先先用水力压裂法将将干热岩体压出无无数裂隙，形成裂裂隙通道和热储空空间。再用地面冷冷水一次灌入21300m3，形成孔底循环，，迅速将冷水变为为高温、高压蒸汽汽直接进入汽轮机机发电。1.3.3地下储水工程除建设水库之外,可利用松散岩层、、裂隙岩体、岩石石洞穴建造地下人人工河川、地下蓄蓄水池和融雪槽，，储存丰水季节多多余的自然降水供供缺水季节使用，，可获得可观的水水资源。我国水资源短缺日日益严重。我国水水资源在时空分布布上极不均匀是缺缺水的重要原因。。我国许多地方丰丰水季节的大量淡淡水因为没有足够够储存设施白白流流向大海。除在大大江、大河上中游游建设水库以外，，也可以利用地下下空间储存水源。。如挪威、芬兰等等国利用松散岩层层、岩层裂隙和岩岩石洞穴以及疏干干了的地下含水层层，日本，在东京京、横滨、名古屋屋以及扎幌等地建建造地下人工河川川、蓄水池和地下下融雪槽，储存丰丰水季节中多余的的自然降水、降雪雪供缺水季节使用用，就可部分改善善缺水的状况。雨水是一种重要的的淡水资源。在城城市中如将雨水部部分储存起来，则则可获得可观的水水资源，缓解水资资源危机。在年降降水量为500mm的半干旱地区，1km2年降水为50万m3，如以100km2市区面积计算，年年降水量可达0.5亿m3。在城市住宅小区区或适当地方储积积雨水，可用于浇浇灌绿地、水景以以及下渗补充地下下水，改善生态环环境。1.3.4地下交通和地下停停车场建设城市地铁交通通网与地下通道、、地下停车库、郊郊区火车进入城市市中心区相结合的的城市地下交通体体系是减少城市中中心区汽车数量，，根治城市大气污污染的有力措施。。解决汽车尾气的根根本措施之一是减减少城市中心区汽汽车总量。蒙特利尔地下有轨轨交通网是由东西西两条地铁轴线、、南北二条地铁轴轴线及环形地铁线线和伸向城市中心心地下两条郊区火火车道所组成。城城市中心的60多个高层商业、办办公及居住建筑综综合大厦通过150多个地下出入口及及相应地下通道与与这个地下交通网网络的站台相连。。中心区内人流活动动大都通过地下交交通，中心区以外外的人流上班、进进行公务及商业活活动时通过郊区火火车，或由自备轿轿车到达中心区边边缘的地铁车站，，轿车停在附近的的地下停车场，然然后乘地铁到达目目的地站台，再乘乘地下通道进入各各高层建筑。这样样城市中心区的机机动车数量减少到到最低限度。实际际情况表明，这种种交通模式和措施施是有效的。1.3.5城市设施转入地下下，地表让给绿地地，减少热岛效应应《中国21世纪议程》提出：“大力发展展城市绿化事业，，到20m年，绿化覆盖率达达到30％，人均公共绿地地面积达到7m2左右的目标。”联联合国建议城城市公共绿地应达达到人均40m2的水平。为此此需要腾出更多的的地面来进行城市市绿化。向地下要土地，要要空间，已成为世世界城市发展的趋趋势，开发利用地地下空间已成为衡衡量城市现代化水水平的重要标志。。华盛顿人均40m2分布均匀的绿绿化，真如城市花花园一般。世界““绿都”华沙，人人均绿地70m2，确实是一座生生态园林化城市。。在北方缺雨地区应应以立体绿化为主主，多种树少种草草坪。1.3.6地下污水和垃圾处处理厂城市水环境和垃圾圾环境的治理也离离不开地下空间的的开发与利用。我我国136条流经城市的河流流中105条水质污染严重超超标，50％以上的城市地下下水受到污染。我我国城市垃圾堆放放量高达60多亿吨，垃圾围城城现象普遍。一些些发达国家的先进进城市都在地下建建立污水收集、输输送与处理的统一一系统和垃圾废物物的分类、收集、、输送和处理的统统一设施。前苏联契尔诺贝利利核电站发生爆炸炸泄露事故后，虽虽然有不少国家已已经通过立法禁止止修建核电站，但但综合评价核电站站还是利大于弊，，不能完全否定。。然而核废料的处处理仍是一个不可可忽视的问题，现现在采用的唯一办办法仍是深埋地下下。如何保证深埋埋的核废料不污染染地下水资源及地地下环境，还需要要认真研究。城市市水环境和垃圾环环境的治理也离不不开地下空间的开开发与利用。瑞典排水系统的污污水处理厂全部设设在地下，仅斯德德哥尔摩市就有排排水隧道200km，拥有大型污污染水处理厂6座座，处理率为100％。其他中、、小城市，也都有有地下污水处理厂厂，保护了城市水水源，还使波罗的的海免遭污染。瑞瑞典是首先试验用用管道清运垃圾的的国家。我国香港港特区的污水处理理厂也是全地下式式的。美国佛罗里里达州近年来在高高层建筑地下室设设置垃圾自然分类类收集系统。由于于地下空间的封闭闭性，上述的收集集处理统一系统，，可以把污水，垃垃圾废物对城市的的污染减少到最低低限度。1.3.7开发地下空间改善善地面景观地下空间的开发使使得城市三维结构构更紧密，城市的的集约化程度提高高，降低了人们对对城市中交通的需需求，使得城市的的服务更加接近居居民，创造了更加加宜人和舒适的环环境。发达国家成成功地利用地下空空间保持了城市环环境宜人、舒适，，保护了历史文化化景观。1.3.8减少地下工程的环环境危害地下工程本质上说说是环境友好工程程，保护地面自然然生态环境。但是是它又改变了原来来的工程地质环境境，这种改变可以以是有利的改变，，也可能是不利的的改变，甚至造成成工程地质环境的的危害。例如破坏坏了地下关系，引引起了地面泉水的的枯竭、地面坍塌塌和地裂缝，隧道道的开挖破坏了岩岩体结构导致了山山体滑坡或泥石流流，基坑的开挖引引起了地基土层的的扰动造成了城市市地面的沉陷等等等。由于地下工程程的不可逆性，往往往这种变化也是是不可逆的，后果果是严重的。因此我们在修建地地下工程前必须对对岩床、地层和地地下水系对工程的的敏感性予以充分分注意，给以严密密论证、分析甚至至模拟仿真。应用用现代技术进行全全面细致的工程勘勘察。在地下工程程的规划设计和方方案设计时，应充充分论证地下工程程对环境引起的有有害冲击和有益保保护问题，如引起起有害冲击，必须须作出特殊工程处处理，以求消除，，使工程对地质环环境影响最小，而而收到的环境效益益最大。1.4设计内容设计分工艺设计、规划划设计、建筑设计计、防护设计、结结构设计、