地下结构工程第讲提纲

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、缓和和温室效应地下空间的利用用大有可为据统计，在欧美美国家中建筑能能耗约占全国总总能耗的30％％左右，而建筑筑能耗中用于建建筑物的采暖、、通风空调的能能耗约占全国总总能耗的19．．5％。地下空间由于岩岩土具有良好的的隔热性，可防防止风、雨、日日晒等地面温度度变化诸多因素素的影响。测试试表明，地面以以下1m，日温几乎没有变变化，地面以下下5m的室内气温常年年恒定。2.2地下工程开发与与洁净能源2.2.1大大型地下水力发发电站及抽水蓄蓄能地下发电站站将成为我国水水电资源开发的的主要形式到1999年底底，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。特特别是在改革开开放以来，1986年至1999年14年年间，全国水电电新增装机容量量达到4655.5万kw，比1985年底底全国水电装机机总容量增加了了1.8倍。举举世瞩目的长江江三峡工程装机机1820万KW，其中地下电站装装机420万KW，将于2003年年投产发电。已已建成的小浪底底、二滩水电站站，已开工的龙龙滩、小湾水电电站，设计中的的溪洛渡、锦萍萍水电站等，都都是地下厂房。。水力发电是一种种最主要的清洁洁可再生能源。。但是在我国可可建造地面厂房房的各大河流中中下游地区的水水能资源，已大大多得到了开发发；而由于我国国水电资源主要要集中在西部高高山峡谷地区，，目前其水电能能源开发比例远远低于全国开发发比例的19％％，仅有8％，，因而是新世纪纪水电开发的重重点地区。在这这些地区开发水水电工程，地下下厂房几乎成为为唯一的选择。。西部大开发、西西电东送和可持持续发展战略，，为水电开发提提供了不可多得得的发展机遇。。根据国家规划划，新世纪头十十年的“十五””、“十一五””计划中，全国国将开工建设的的大中型水电站站装机达58000MW，其中超过50％％为地下水电站站。此外，在大中城城市等能源消耗耗集中的经济发发达地区，能源源结构成分多不不尽合理。可以以“调峰填谷””的水电比例过低低，严重影响电电网的质量。为为解决这一问题题就需要修建一一定数量的抽水水蓄能电站。由由于这种电站需需要工作在发电电和抽水的双重重工况下，因而而装机高程要求求较低。如果设设计成地面厂房房则要求很大的的挖深，增加工工程造价，且不不安全，而设计计成地下式发电电厂房则是最佳佳选择。如北京京昌平的十三陵陵抽水蓄能电站站、广州抽水蓄蓄能电站等。地下工程开发与与洁净能源2.2.2地地下洞室储存热热、冷源将为太太阳能的利用开开辟有效的新途途径应特别指出的是是，地下空间的的开发利用为自自然洁净能源的的利用，特别是是可再生能源的的利用，开辟了了一条广阔有效效的途径。太阳阳能是巨大的洁洁净可再生能源源，但其来源随随季节有很大的的不稳定性。太太阳辐射热一般般仅在夏季丰富富，这就需要季季节性贮存。在在地下的水、岩岩石、土壤介质质中贮存能量往往往是最佳的甚甚至是惟一的选选择。利用地下下空间在冬季将将天然冰块贮存存于地下，用于于夏季环境控制制的蓄冰空调，，是既经济又清清洁的再生冷源源。由于岩、土的热热稳定性和密闭闭性，使热量损损失很少，不需需要保温材料。。岩石的自承能能力，使得洞室室结构简单，维维护保养费用大大为降低。瑞典典在斯德哥尔摩摩西北约150km的阿累斯达建造造了一个150,000m3的岩洞热水库，，以废物焚烧为为热源，蓄热温温度达70C℃～150℃℃，通过一个换热器器与区域供热系系统联接。工程程投资400万万美元，1982年建成，1984年完成成试验投产，用用于当地供热系系统，每年节油油400m3以上。在地下建建造冷藏库，也也可大为节约能能源，少用或不不用隔热材料，，温度调节系统统也较地面冷库库简单，运行和和维护费用比地地面冷库低得多多，据统计，约约低25％—50％。地下工程开发与与洁净能源2.2.3地地下洞室工程储储存压缩空气作作为蓄能发电站站的另一种介质质德、日等国还在在开发地下压缩缩空气贮库技术术。如德国已于于1979年在在岩盐层中建成成一座地下压缩缩空气储库，功功率为29万KW，贮气压力为8Mpa。日本、美国正在在开发地下超导导磁贮电库技术术，该库为螺旋旋状排列的环形形洞室。这两种种技术都可有效效地贮存低峰负负荷时的多余电电能，满足高峰峰供电需要。地下工程开发与与洁净能源2.2.4地地热能源开发新新技术---干热岩(HDR,hotdryrock)发电美国LosAlamos实验室在卡尔德德拉的芬登山于于1984年6月建成世界上上第一个10MW功率的干热岩电电站。该电站主主要由两个深度度为4000多多米的钻孔及其其联通孔组成，，首先用水力压压裂法将干热岩岩体压出无数裂裂隙，形成裂隙隙通道和热储空空间。再用地面面冷水一次灌入入21300m3，形成孔底循环，，迅速将冷水变变为高温、高压压蒸汽直接进入入汽轮机发电。。2.3地下储水工程除建设水库之外外,可利用松散散岩层、裂隙岩岩体、岩石洞穴穴建造地下人工工河川、地下蓄蓄水池和融雪槽槽，储存丰水季季节多余的自然然降水供缺水季季节使用，可获获得可观的水资资源。我国水资源短缺缺日益严重。我我国水资源在时时空分布上极不不均匀是缺水的的重要原因。我我国许多地方丰丰水季节的大量量淡水因为没有有足够储存设施施白白流向大海海。除在大江、、大河上中游建建设水库以外，，也可以利用地地下空间储存水水源。如挪威、、芬兰等国利用用松散岩层、岩岩层裂隙和岩石石洞穴以及疏干干了的地下含水水层，日本，在在东京、横滨、、名古屋以及扎扎幌等地建造地地下人工河川、、蓄水池和地下下融雪槽，储存存丰水季节中多多余的自然降水水、降雪供缺水水季节使用，就就可部分改善缺缺水的状况。雨水是一种重要要的淡水资源。。在城市中如将将雨水部分储存存起来，则可获获得可观的水资资源，缓解水资资源危机。在年年降水量为500mm的半干旱地区，，1km2年降水为50万万m3，如以100km2市区面积计算，，年降水量可达达0.5亿m3。在城市住宅小区区或适当地方储储积雨水，可用用于浇灌绿地、、水景以及下渗渗补充地下水，，改善生态环境境。2.4地下交通和地下下停车场建设城市地铁交交通网与地下通通道、地下停车车库、郊区火车车进入城市中心心区相结合的城城市地下交通体体系是减少城市市中心区汽车数数量，根治城市市大气污染的有有力措施。解决汽车尾气的的根本措施之一一是减少城市中中心区汽车总量量。蒙特利尔地下有有轨交通网是由由东西两条地铁铁轴线、南北二二条地铁轴线及及环形地铁线和和伸向城市中心心地下两条郊区区火车道所组成成。城市中心的的60多个高层层商业、办公及及居住建筑综合合大厦通过150多个地下出出入口及相应地地下通道与这个个地下交通网络络的站台相连。。中心区内人流活活动大都通过地地下交通，中心心区以外的人流流上班、进行公公务及商业活动动时通过郊区火火车，或由自备备轿车到达中心心区边缘的地铁铁车站，轿车停停在附近的地下下停车场，然后后乘地铁到达目目的地站台，再再乘地下通道进进入各高层建筑筑。这样城市中中心区的机动车车数量减少到最最低限度。实际际情况表明，这这种交通模式和和措施是有效的的。2.5城市设施转入地地下，地表让给给绿地，减少热热岛效应《中国21世纪纪议程》提出：：“大力发发展城市绿化事事业，到20m年，绿化覆盖率率达到30％，，人均公共绿地地面积达到7m2左右的目标。””联合国建建议城市公共绿绿地应达到人均均40m2的水平。为为此需要腾出更更多的地面来进进行城市绿化。。向地下要土地，，要空间，已成成为世界城市发发展的趋势，开开发利用地下空空间已成为衡量量城市现代化水水平的重要标志志。华盛顿人均40m2分布均匀的绿化化，真如城市花花园一般。世界界“绿都”华沙沙，人均绿地70m2，确实是一座生态态园林化城市。。在北方缺雨地区区应以立体绿化化为主，多种树树少种草坪。2.6地下污水和垃圾圾处理厂城市水环境和垃垃圾环境的治理理也离不开地下下空间的开发与与利用。我国136条流经城城市的河流中105条水质污污染严重超标，，50％以上的的城市地下水受受到污染。我国国城市垃圾堆放放量高达60多多亿吨，垃圾围围城现象普遍。。一些发达国家家的先进城市都都在地下建立污污水收集、输送送与处理的统一一系统和垃圾废废物的分类、收收集、输送和处处理的统一设施施。前苏联契尔诺贝贝利核电站发生生爆炸泄露事故故后，虽然有不不少国家已经通通过立法禁止修修建核电站，但但综合评价核电电站还是利大于于弊，不能完全全否定。然而核核废料的处理仍仍是一个不可忽忽视的问题，现现在采用的唯一一办法仍是深埋埋地下。如何保保证深埋的核废废料不污染地下下水资源及地下下环境，还需要要认真研究。城城市水环境和垃垃圾环境的治理理也离不开地下下空间的开发与与利用。瑞典排水系统的的污水处理厂全全部设在地下，，仅斯德哥尔摩摩市就有排水隧隧道200km，拥有大型污染水水处理厂6座，，处理率为100％。其他中中、小城市，也也都有地下污水水处理厂，保护护了城市水源，，还使波罗的海海免遭污染。瑞瑞典是首先试验验用管道清运垃垃圾的国家。我我国香港特区的的污水处理厂也也是全地下式的的。美国佛罗里里达州近年来在在高层建