《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地下连续墙结构exit图1-8顶管exit图1-9沉管exit1.2

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1.2.1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。龙游石窟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。

在方圆0.38km2的土丘上，似有规律地分布了大小24个洞窟，每个洞窟的面积1000～3000m2不等，每个洞窟从矩形洞口开始垂直向下延伸，洞高约30m，顶部呈“倒斗形”，洞内科学地分布着3～4根巨大的“鱼尾形”石柱，与洞顶浑然一体。洞壁、洞顶和石柱上都有古人留下的带有装饰意图的凿痕。但是它的开发目的则仍是千古之谜。1.2.2第二阶段：19世纪到20世纪初的工业大革命时期，是人类历史上有目的大规模开发地下空间的阶段。这个阶段以矿山工程、交通工程、水利工程、地下军事防护工程、城市供排水工程以及城市地铁为代表。这一阶段中，以钢铁为核心黑色金属工业和能源工业的发展，带动了大量的铁矿、煤矿的建设和开采。运输的需求又促进了交通工程的发展和大量铁路、公路隧洞的开挖。工业的发展又造成人口大量向城市集中，或新城市的大量出现。工业和城市发展的需要也促进了水利工程的发展。这些工程中都需要进行大量的竖井、隧道等地下工程的开挖和建设。城市地下工程则以给排水系统为主，如法国巴黎的下水道规模相当宏大。同时最早的城市地铁建设，如伦敦地铁（1863年），也出现在这一阶段。1.2.3第三阶段：20世纪中叶到20世纪末特征：除第二阶段的生产类型的工程之外，一些人类日常生活类型的设施开始向地下转移。20世纪中叶到20世纪90年代，是地下空间的开发由工业领域向人类生存、生活的各个领域扩展的阶段，也是地下工程的新概念、新理论、新方法不断提出，新材料、新技术、新工艺广泛应用于地下工程的阶段。它的特征是，除第二阶段的生产类型的工程，如矿业、水利、煤炭、铁路、公路以及军事工程之外，城市地下工程也有了更为广泛的发展。不但城市地铁在各大城市普遍建设，一些人类日常生活类型的设施开始向地下转移。包括地下商业街(1930年)，地下停车场、地下仓库、地下公共管线隧道，以及各种地下文化体育设施，如艺术展馆、音乐厅、健身房、游泳馆、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、保护生态、可持续发展。地下工程已经向环境友好工程发展。高新技术进入地下20世纪末到现在，由于人类环境保护以及资源永续利用意识的不断提高，联合国和世界各国可持续发展战略的制定，人们对地球只有一个，人类生活空间的有限性、大多数天然资源不可再生性的认识的不断深化，推动地下工程进入了一个更高阶段。这个阶段的特征是：节约资源、(economizeresources)改善环境、(improveenvironment)保护生态、(zoologyprotection)可持续发展(sustainabledevelopment）地下工程以环境友好工程的姿态出现在人们面前。高新技术进入地下：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定向定位技术、以2,遥感技术与穿地雷达技术为代表的地下勘察技术和3,地下掘进及衬砌自动控制施工技术已在实际工程中得到了一定程度的应用，这一切使得地下空间开发的第四个标志性阶段，规模更大，水平更高。1.3

地下工程与资源环境

环视当今世界，人口锐增、资源剧耗、耕地和森林骤减、土地退化、沙漠扩大、温室效应、酸雨危害、环境污染……环境问题制约着世界经济的发展，更是我国经济发展所面临的突出问题。我国每年由于环境污染和生态破坏造成的损失达2000多亿元。

节约能源、缓和温室效应地下空间的利用大有可为

据统计，在欧美国家中建筑能耗约占全国总能耗的30％左右，而建筑能耗中用于建筑物的采暖、通风空调的能耗约占全国总能耗的19．5％。地下空间由于岩土具有良好的隔热性，可防止风、雨、日晒等地面温度变化诸多因素的影响。测试表明，地面以下1m，日温几乎没有变化，地面以下5m的室内气温常年恒定。1.3.2地下工程开发与洁净能源1.3.2.1大型地下水力发电站及抽水蓄能地下发电站将成为我国水电资源开发的主要形式

到1999年底，全国发电装机容量达29877kw，其中水电7297万kw，仅次于美国居世界第二位。特别是在改革开放以来，1986年至1999年14年间，全国水电新增装机容量达到4655.5万kw，比1985年底全国水电装机总容量增加了1.8倍。举世瞩目的长江三峡工程装机1820万KW，其中地下电站装机420万KW，将于2003年投产发电。已建成的小浪底、二滩水电站，已开工的龙滩、小湾水电站，设计中的溪洛渡、锦萍水电站等，都是地下厂房。水力发电是一种最主要的清洁可再生能源。但是在我国可建造地面厂房的各大河流中下游地区的水能资源，已大多得到了开发；而由于我国水电资源主要集中在西部高山峡谷地区，目前其水电能源开发比例远低于全国开发比例的19％，仅有8％，因而是新世纪水电开发的重点地区。在这些地区开发水电工程，地下厂房几乎成为唯一的选择。西部三大开三发、三西电三东送三和可三持续三发展三战略三，为三水电三开发三提供三了不三可多三得的三发展三机遇三。根三据国三家规三划，三新世三纪头三十年三的“三十五三”、三“十三一五三”计三划中三，全三国将三开工三建设三的大三中型三水电三站装三机达58三00三0M三W，其三中超三过50％为三地下三水电三站。此外三，在三大中三城市三等能三源消三耗集三中的三经济三发达三地区三，能三源结三构成三分多三不尽三合理三。可三以“三调峰三填谷三”三的水三电比三例过三低，三严重三影响三电网三的质三量。三为解三决这三一问三题就三需要三修建三一定三数量三的抽三水蓄三能电三站。三由于三这种三电站三需要三工作三在发三电和三抽水三的双三重工三况下三，因三而装三机高三程要三求较三低。三如果三设计三成地三面厂三房则三要求三很大三的挖三深，三增加三工程三造价三，且三不安三全，三而设三计成三地下三式发三电厂三房则三是最三佳选三择。三如北三京昌三平的三十三三陵抽三水蓄三能电三站、三广州三抽水三蓄能三电站三等。地下三工程三开发三与洁三净能三源1.三3.三2.三2地下三洞室三储存三热、三冷源三将为三太阳三能的三利用三开辟三有效三的新三途径应特三别指三出的三是，三地下三空间三的开三发利三用为三自然三洁净三能源三的利三用，三特别三是可三再生三能源三的利三用，三开辟三了一三条广三阔有三效的三途径三。太三阳能三是巨三大的三洁净三可再三生能三源，三但其三来源三随季三节有三很大三的不三稳定三性。三太阳三辐射三热一三般仅三在夏三季丰三富，三这就三需要三季节三性贮三存。三在地三下的三水、三岩石三、土三壤介三质中三贮存三能量三往往三是最三佳的三甚至三是惟三一的三选择三。利三用地三下空三间在三冬季三将天三然冰三块贮三存于三地下三，用三于夏三季环三境控三制的三蓄冰三空调三，是三既经三济又三清洁三的再三生冷三源。由于三岩、三土的三热稳三定性三和密三闭性三，使三热量三损失三很少三，不三需要三保温三材料三。岩三石的三自承三能力三，使三得洞三室结三构简三单，三维护三保养三费用三大为三降低三。瑞三典在三斯德三哥尔三摩西三北约三15三0k三m的三阿累三斯达三建造三了一三个1三50三,0三00三m3三的岩三洞热三水库三，以三废物三焚烧三为热三源，三蓄热三温度三达7三0C三℃～三15三0℃三，通三过一三个换三热器三与区三域供三热系三统联三接。三工程三投资三40三0万三美元三，1三98三2年三建成三，1三98三4年三完成三试验三投产三，用三于当三地供三热系三统，三每年三节油三40三0m三3以三上。三在地三下建三造冷三藏库三，也三可大三为节三约能三源，三少用三或不三用隔三热材三料，三温度三调节三系统三也较三地面三冷库三简单三，运三行和三维护三费用三比地三面冷三库低三得多三，据三统计三，约三低2三5％三—5三0％三。地下三工程三开发三与洁三净能三源1.三3.三2.三3地下三洞室三工程三储存三压缩三空气三作为三蓄能三发电三站的三另一三种介三质德、三日等三国还三在开三发地三下压三缩空三气贮三库技三术。三如德三国已三于19三79年在三岩盐三层中三建成三一座三地下三压缩三空气三储库三，功三率为29万KW，贮三气压三力为8M三pa。日三本、三美国三正在三开发三地下三超导三磁贮三电库三技术三，该三库为三螺旋三状排三列的三环形三洞室三。这三两种三技术三都可三有效三地贮三存低三峰负三荷时三的多三余电三能，三满足三高峰三供电三需要三。1.三3.三2.三4三地三热能三源开三发新三技术三-干热三岩(H三DR三,三ho三t三dr三y三ro三ck三)发电美国Lo三s三Al三am三os实验三室在三卡尔三德拉三的芬三登山三于19三84年6月建三成世三界上三第一三个10三M三W功率三的干三热岩三电站三。该三电站三主要三由两三个深三度为40三00多米三的钻三孔及三其联三通孔三组成三，首三先用三水力三压裂三法将三干热三岩体三压出三无数三裂隙三，形三成裂三隙通三道和三热储三空间三。再三用地三面冷三水一三次灌三入21三30三0m三3，形三成孔三底循三环，三迅速三将冷三水变三为高三温、三高压三蒸汽三直接三进入三汽轮三机发三电。1.三3.三3地下三储水三工程除建三设水三库之三外,可利三用松三散岩三层、三裂隙三岩体三、岩三石洞三穴建三造地三下人三工河三川、三地下三蓄水三池和三融雪三槽，三储存三丰水三季节三多余三的自三然降三水供三缺水三季节三使用三，可三获得三可观三的水三资源三。我国三水资三源短三缺日三益严三重。三我国三水资三源在三时空三分布三上极三不均三匀是三缺水三的重三要原三因。三我国三许多三地方三丰水三季节三的大三量淡三水因三为没三有足三够储三存设三施白三白流三向大三海。三除在三大江三、大三河上三中游三建设三水库三以外三，也三可以三利用三地下三空间三储存三水源三。如三挪威三、芬三兰等三国利三用松三散岩三层、三岩层三裂隙三和岩三石洞三穴以三及疏三干了三的地三下含三水层三，日三本，三在东三京、三横滨三、名三古屋三以及三扎幌三等地三建造三地下三人工三河川三、蓄三水池三和地三下融三雪槽三，储三存丰三水季三节中三多余三的自三然降三水、三降雪三供缺三水季三节使三用，三就可三部分三改善三缺水三的状三况。雨水三是一三种重三要的三淡水三资源三。在三城市三中如三将雨三水部三分储三存起三来，三则可三获得三可观三的水三资源三，缓三解水三资源三危机三。在三年降三水量三为50三0m三m的半三干旱三地区三，1k三m2年降三水为50万m3，如三以10三0k三m2市区三面积三计算三，年三降水三量可三达0.三5亿m3。在三城市三住宅三小区三或适三当地三方储三积雨三水，三可用三于浇三灌绿三地、三水景三以及三下渗三补充三地下三水，三改善三生态三环境三。1.三3.三4地下三交通三和地三下停三车场建设三城市三地铁三交通三网与三地下三通道三、地三下停三车库三、郊三区火三车进三入城三市中三心区三相结三合的三城市三地下三交通三体系三是减三少城三市中三心区三汽车三数量三，根三治城三市大三气污三染的三有力三措施三。解决三汽车三尾气三的根三本措三施之三一是三减少三城市三中心三区汽三车总三量。蒙特三利尔三地下三有轨三交通三网是三由东三西两三条地三铁轴三线、三南北三二条三地铁三轴线三及环三形地三铁线三和伸三向城三市中三心地三下两三条郊三区火三车道三所组三成。三城市三中心三的60多个三高层三商业三、办三公及三居住三建筑三综合三大厦三通过15三0多个三地下三出入三口及三相应三地下三通道三与这三个地三下交三通网三络的三站台三相连三。中心三区内三人流三活动三大都三通过三地下三交通三，中三心区三以外三的人三流上三班、三进行三公务三及商三业活三动时三通过三郊区三火车三，或三由自三备轿三车到三达中三心区三边缘三的地三铁车三站，三轿车三停在三附近三的地三下停三车场三，然三后乘三地铁三到达三目的三地站三台，三再乘三地下三通道三进入三各高三层建三筑。三这样三城市三中心三区的三机动三车数三量减三少到三最低三限度三。实三际情三况表三明，三这种三交通三模式三和措三施是三有效三的。1.三3.三5城市三设施三转入三地下三，地三表让三给绿三地，三减少三热岛三效应《中国21世纪三议程》提出三：“三大力三发展三城市三绿化三事业三，到20三m年，三绿化三覆盖三率达三到30％，三人均三公共三绿地三面积三达到7m2左右三的目三标。三”三联三合国三建议三城市三公共三绿地三应达三到人三均40三m2的水三平。三为此三需要三腾出三更多三的地三面来三进行三城市三绿化三。向地三下要三土地三，要三空间三，已三成为三世界三城市三发展三的趋三势，三开发三利用三地下三空间三已成三为衡三量城三市现三代化三水平三的重三要标三志。华盛三顿人三均4三0m三2分三布均三匀的三绿化三，真三如城三市花三园一三般。三世界三“绿三都”三华沙三，人三均绿三地7三0m三2，三确实三是一三座生三态园三林化三城市三。在北三方缺三雨地三区应三以立三体绿三化为三主，三多种三树少三种草三坪。1.三3.三6地下三污水三和垃三圾处三理厂城市三水环三境和三垃圾三环境三的治三理也三离不三开地三下空三间的三开发三与利三用。三我国13三6条流三经城三市的三河流三中10三5条水三质污三染严三重超三标，50％以三上的三城市三地下三水受三到污三染。三我国三城市三垃圾三堆放三量高三达60多亿三吨，三垃圾三围城三现象三普遍三。一三些发三达国三家的三先进三城市三都在三地下三建立三污水三收集三、输三送与三处理三的统三一系三统和三垃圾三废物三的分三类、三收集三、输三送和三处理三的统三一设三施。前苏三联契三尔诺三贝利三核电三站发三生爆三炸泄三露事三故后三，虽三然有三不少三国家三已经三通过三立法三禁止三修建三核电三站，三但综三合评三价核三电站三还是三利大三于弊三，不三能完三全否三定。三然而三核废三料的三处理三仍是三一个三不可三忽视三的问三题，三现在三采用三的唯三一办三法仍三是深三埋地三下。三如何三保证三深埋三的核三废料三不污三染地三下水三资源三及地三下环三境，三还需三要认三真研三究。三城市三水环三境和三垃圾三环境三的治三理也三离不三开地三下空三间的三开发三与利三用。瑞典三排水三系统三的污三水处三理厂三全部三设在三地下三，仅三斯德三哥尔三摩市三就有三排水三隧道三20三0k三m，三拥有三大型三污染三水处三理厂三6座三，处三理率三为1三00三％。三其他三中、三小城三市，三也都三有地三下污三水处三理厂三，保三护了三城市三水源三，还三使波三罗的三海免三遭污三染。三瑞典三是首三先试三验用三管道三清运三垃圾三的国三家。三我国三香港三特区三的污三水处三理厂三也是三全地三下式三的。三美国三佛罗三里达三州近三年来三在高三层建三筑地三下室三设置三垃圾三自然三分类三收集三系统三。由三于地三下空三间的三封闭三性，三上述三的收三集处三理统三一系三统，三可以三把污三水，三垃圾三废物三对城三市的三污染三减少三到最三低限三度。开发三地下三空间三改善三地面三景观地下三空间三的开三发使三得城三市三三维结三构更三紧密三，城三市的三集约三化程三度提三高，三降低三了人三们对三城市三中交三通的三需求三，使三得城三市的三服务三更加三接近三居民三，创三造了三更加三宜人三和舒三适的三环境三。发三达国三家成三功地三利用三地下三空间三保持三了城三市环三境宜三人、三舒适三，保三护了三历史三文化三景观三。减少三地下三工程三的环三境危三害地下三工程三本质三上说三是环三境友三好工三程，三保护三地面三自然三生态三环境三。但三是它三又改三变了三原来三的工三程地三质环三境，三这种三改变三可以三是有三利的三改变三，也三可能三是不三利的三改变三，甚三至造三成工三程地三质环三境的三危害三。例三如破三坏了三地下三关系三，引三起了三地面三泉水三的枯三竭、三地面三坍塌三和地三裂缝三，隧三道的三开挖三破坏三了岩三体结三构导三致了三山体三滑坡三或泥三石流三，基三坑的三开挖三引起三了地三基土三层的三扰动三造成三了城三市地三面的三沉陷三等等三。由三于地三下工三程的三不可三逆性三，往三往这三种变三化也三是不三可逆三的，三后果三是严三重的三。因此三我们三在修三建地三下工三程前三必须三对岩三床、三地层三和地三下水三系对三工程三的敏三感性三予以三充分三注意三，给三以严三密论三证、三分析三甚至三模拟三仿真三。应三用现三代技三术进三行全三面细三致的三工程三勘察三。在三地下三工程三的规三划设三计和三方案三设计三时，三应充三分论三证地三下工三程对三环境三引起三的有三害冲三击和三有益三保护三问题三，如三引起三有害三冲击三，必三须作三出特三殊工三程处三理，三以求三消除三，使三工程三对地三质环三境影三响最三小，三而收三到的三环境三效益三最大三。1.三4三设三计内三容设计分工三艺设三计、三规划三设计三、建三筑设三计、三防护三设计三、结三构设三计、三设备三设计三等。结构三设计工作三一般三分初三步设三计和三施工三图设三计两三个阶三段。初步三设计三的内三容（1）三工程三防护三等级三，三三防要