城市地下空间工程导论王强

《城市地下空间工程导论》课程读书报告专业：城市地下空间工程班级：地下空间工程2023-2班学号：学生姓名：王强指导教师：谭燕秋河北工程大学土木工程学院2023年12月8日摘要随着着我国城市化的加快，城市建设快速发展，城市规模不断扩大，城市人口急剧膨胀，许多城市不同限度上出现了建筑用地紧张、生存空间拥挤、交通拥挤、交通堵塞、生态失衡、环境恶化等问题，给人类居住带来很大影响。同时，国家对耕地的有效保护，使城市的发展进一步受到限制。总结历史，借鉴发达国家的经验，许多有识之士将我国的城市的发展方向指向了地下。城市地下空间作为一种新型的国土资源，适时地、有序地加以开发运用，会使有限的城市土地发挥更大的效用。随着我国经济实力的不断增强，科技水平的不断提高和国家的政策引导，我国的城市地下空间的开发运用工作逐渐发展起来，并取得了许多优秀的成果。但由于地下工程建设周期长，投资额大，施工难度大，维护工作繁琐等因素，在施工和运营过程中，也出现了一些问题，并导致了不同限度的生命和财产损失。本文通过参考相关资料，浅谈一下城市地下空间工程在我国的应用现状和未来发展、和城市地下空间工程的施工方法、及地下空间工程灾害防护的结识。目录1.城市地下空间发展的趋势与展望 31.1城市空间发展运用发展趋势分析 32.城市地下空间运用形态 32.1地下轨道交通 32.2地下快速交通 42.3地下停车场 42.4地下商业街 42.5地下管网 52.6地下仓库 52.7地下人防工程 53.城市地下空间工程施工方法 63.1明挖法 63.1.1敞口放坡法 63.1.2地下连续墙施工法 63.1.3盖挖法 63.1.4沉井法 73.2暗挖法 73.2.1浅埋暗挖法 73.2.2盾构法 83.2.3顶管法 83.2.4TBM法 84.地下空间工程灾害防护 8参考文献 101.城市地下空间发展的趋势与展望1.1城市空间发展运用发展趋势分析⑴综合化国外地下空间运用发展的重要趋势是综合化。其表现一方面是地下综合体的出现，一些发达国家的一些大城市在新城区的建设和旧城区的再开发过程中都建设了不同规模的地下综合体，成为具有大城市现代化象征的建筑类型之一。另一方面，综合化表现在地下步行道系统和地下快速轨道系统、地下高速道路系统的结合以及地下综合体和地下交通换乘枢纽的结合。第三，综合化表现在地上、地下空间功能既有区分更有协调发展的互相结合模式。⑵分层化与深层化随着一些发达国家和先进城市的地下浅层部分基本运用完毕，以及深层部分开挖技术和装备的逐步完善，为了综合运用地下空间资源，地下空间开发逐步向深层发展。以日本学者为主正在研究30m以下的深层地下空间运用的规划。深层地下空间资源的开发运用已成为未来城市现代化建设的重要课题。在地下空间深层化的同时各空间层面分化趋势越来越强。这种分层面的地下空间，以人及为其服务的功能区为中心，人、车分流，市政管线、污水和垃圾的解决分置于不同层次，各种地下交通也分层设立以减少互相的干扰，保证了地下空间运用的充足性和完善性。⑶城市交通和城市间交通的地下化城市交通和“高密度、高城市化地区”城市之间交通的地下化将成为未来地下空间开发运用的重点。交通拥挤是21世纪不变的城市问题，城市道路建设赶不上机动车数量的发展也是21世纪城市发展的规律。发展高速轨道交通也就成为重要的选择。21世纪人类对环境、美化和舒适的规定越来越严格。人们的环境意识和对城市的环境规定越来越加强和提高，以前修建的高架路或将转入地下。地下高速轨道交通将成为大城市和高密度、高城市化地区城市间交通的最佳选择。⑷先进技术手段的不断成熟和运用随着地下空间开发运用限度不断扩展，超长超大隧道开挖以及碰到不良地层机会的增长，规定隧道开挖速度及开挖安全限度越来越高。预计在硬岩采用TBM开挖软岩中采用各种盾构的趋势将更加明显。由于地下空间开挖中定位和地质地理信息、勘察现代化的需要，GPS、RS、和GIS技术在地下空间开发中的应用也将会得到越来越大的推广。2.城市地下空间运用形态2.1地下轨道交通城市公共交通是指，在城市极其郊区范围内，为了方便公众出行，用客运工具进行旅客运送。它对城市政治经济、文化教育、科学技术等方面的发展影响极大，现代城市公共交通结构重要涉及公共汽车、无轨电车、快速有轨电车、地下轨道交通和出租车等客运营业系统，有些城市尚有铁路客运、轮渡、索道、缆车运送、磁悬浮客运交通等。地下轨道交通是指，在大城市中重要在地下修筑隧道、铺设轨道，以电动快速列车运送大量乘客的公共交通体系，故称地下轨道交通，也称为地下铁道，建简称地铁。在城市郊区，人员人员车辆较少的地方，地铁线路长可以延伸到地面或高架桥上，一般称之为轻轨。地铁运送几乎不占街道面积，不干扰地面交通。地铁与城市中其他交通工具相比，除了能避免城市地面拥挤和充足运用空间外，尚有很多优点。一是运量大。地铁的运送能力要比地面公共汽车大7－10倍，是任何城市交通工具所不能比拟的。二是速度快。地铁列车在地下隧道内风驰电掣地行进，行驶的时速可超过100公里。三是无污染。地铁列车以电力作为动力，不存在空气污染问题，因此受到各国政府的青睐。截至2023年10月，全国已有北京、上海、广州、深圳、南京、天津、重庆、武汉、长春、大连、成都、沈阳等12个城市的轨道交通投入运营。此外，全国已有29个城市获得轨道交通的建设批复。可见，我国城市发展地铁及轻轨交通的前景是广阔的。2.2地下快速交通地下快速交通重要是是指城市中的地下公路，地下快速公路有以下几个优点：①改善相邻的环境；②有助于公路景观的保护；③实现快速公路地下空间的多功能用途。就地下快速公路交通的发展而言，目前重要有越江（海）公路隧道。地下立交公路和半地下公路三种类型。地下快速交通系统意义深远，能极大的提高交通容量和效率，提高城市间的对接速度，具有快速、大容量的特点，还可以分层运用，良好协调各种交通方式之间的关系。2.3地下停车场地下停车场是指建筑在地下用来停放各种大小机动车辆的建筑物，也称地下车库，在国外一般称为停车场。有时地下停车场也提供低档保养和重点小修业务服务。目前，大规模地下空间的开发均有停车场的规划，重要因素是从事汽车总量在不断增长，而相应的停车场局限性、城市汽车“行车难，停车难”的现象已经十分普遍。因此，充足运用地下空间建设停车场，对于缓解城市道路拥挤具有重要的作用。地下停车场的特点有：造价高，工期长；地下停车场容量大，基本不占用城市土地，是城市能留出更多的开敞空间用于绿化和美化，提高城市环境质量；地下空间在防护上的优越性，是国家把大容量的地下停车库与人防设施结合起来。地下停车场按建筑形式可分为单建式停车场和附建式停车场。单建式停车场一般建于城市广场、公园、道路、绿地或空地之下，重要特点是不管规模大小，对地面上的城市空间和建筑物基本没有影响，除少量出入口和通风口外，顶部覆土后可认为城市保存开敞空间。附建式停车场是运用地面高层建筑及其裙房的地下室布置的地下专用停车场。这种类型的地下停车场，使用方便，节省用地，规模适中，但设计中要选择合适的柱网，以满足地下停车和地面建筑使用功能的规定。地下停车场按使用性质可分为公共停车场和专用停车场。公共停车场是供车辆暂时停放的场合，具有公共使用性质的一种市政服务设施。专用停车场以停放载重车量为主，还涉及其他特殊用途的车辆，如消防车、急救车等。地下停车场按照车辆在车场内的运送方式可分为坡道式停车场和机械式停车场。坡道式停车场是运用坡道出入车辆，优点就是造价低，运营成本低，可以保证必要的进出车速度，且不受机电设备运营状态的影响。目前所建的停车场多为这种类型。地下停车场按不出地质条件分为土层地下停车场和岩石地下停车场。2.4地下商业街修建在大城市繁华的商业街下或客流集散量较大的车站广场下，内设由许多商店、人行通道和广场等组成的综合性地下建筑成为地下商业街。城市地下商业街是运用城市可连续发展、具有多种功能的城市重要组成部分。随着着地下街建设规模的不断扩大，将地下街同各种地下设施综合考虑，如将地铁、市政管线廊道、高速路停车场、娱乐休闲广场结合，形成具有城市功能的地下大型综合体，是地下城的雏形。地下商业街按平面形式可分为道路交叉口型、中心广场还型、复合型三种，按规模分有小型、中型、大型三种。城市地下街是地下空间开发的初级阶段，日本的地下街就叫地下综合体。规模很大且具有较强城市功能的项目可称为地下综合体。地下综合特性体的特性：①使用功能复杂，使用性质相异的功能组合在一个建筑体系中。②设备管理规定高，地下综合体需设综合管线廊道。对水、电、热、气、防护、防水有更高的规定。③综合体是地下城市的雏形，若干地下综合体连接将初步形成地下城，因而可承担或补充城市的基本功能。2.5地下管网城市公用设施，在我国也称为市政设施，是城市基础设施的重要组成部分，是城市物流、能源流、信息流的运送载体，是维持城市平常生活和促进城市发展所必须的条件。市政公用设施属于城市的公共服务设施，具有同时为社会生产和社会生活服务的双重性质，既是城市聚集化和社会化的产物，也是为城市获得更高的经济、社会和环境效益所必需的前提。因此，无论是建设新城市还是改造老城市，公用设施都应当一方面实现现代化。城市公用设施一般涉及以下几大系统：供水系统、供电系统、燃气系统、供热系统、通信系统、排水系统、固体废弃物排除与解决系统。上述城市公用设施埋设在城市地下的部分构成了地下管网，涉及供水、供热、供气、下水、通信和电缆等。城市综合管线廊道是指各种管道、电缆集中敷设在一起为管理、维修公用设施服务所占用的地下空间。地下综合管线廊道在世界各国尚无统一的名称。地下综合管线廊道的重要优点是容易维修和便于更换，因而能延长公用设施系统的使用寿命，同时保持道路免遭经常性的破坏。据估计，在综合廊道中的管线比直埋在土中时要高2～3倍。地下综合管线廊道对城市的现代化以及合理运用城市地下空间有着重要意义，有很大发展潜力，因此只要具有必要的条件，就应认真研究和克服发展中的障碍。2.6地下仓库地下仓库是修建在地下的储物建筑物，作为短期或长期存放生活资料与生产资料用。地下环境对于许多物质储存有突出的优越性，具有防空、防爆、抗震、防辐射等防护性能，以及热稳定性、密闭性等特点，地下仓库具有良好的隔热保温、储品不易变质、能耗小，维修和运营费用低、节省材料、占地面积小和库内发生事故时对地面波及较小、储存成本低、质量高、经济效益显著、节省地面仓库用地，运送距离短等突出优点，这是建造各种地下仓库十分有利的条件。地下仓库有很多分类方法。按照用途与专业可分为国家储备库、城市民用库、运送转运库等。按照民用仓库储存物品的性质，又可分为一般性综合仓库、食品仓库、粮食和粮油仓库、危险仓库和其他类型的仓库。根据储品的不同有地下粮库，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、弹药库等地下冷藏库有“高温”储存库和低温储库，燃油储库根据油品和所用建材种类的不同，有地下金属储油库和非金属储油库。2.7地下人防工程人防工程是为防御战时各种武器的杀伤破坏而修筑的地下空间建筑，通常由指挥所、掩蔽部、通信、水库、储库、医院、交通干线等。防护工程基调是以战时为主兼顾平时运用，做到平战结合，使人防工程在和平时期也能发挥经济和社会效益。我国从20世纪60年代起进行人防工程建设，到80年代后期，以把地下空间开发同城市建设、人防建设相结合作为建设目的。进入20世纪90年代中期，地下空间开发把平时和战时功能转化作为人防工程的建设基调。现在，在大中城市中，已开始建设或筹建的地铁、地下街及地下综合设施都有一定的防护能力。3.城市地下空间工程施工方法3.1明挖法地下工程施工时，再埋深较浅的情况下，广泛采用明挖法。明挖法是想从地表向下开挖基坑或堑壕，直至设计标高，再在开挖好的预定位置灌注地下结构，最后在修建好的地下结构周边及其上部回填，并恢复本来地面的一种地下工程施工方法。明挖法施工的基本顺序为：打桩（护坡桩）→路面开挖→埋设支撑防护与开挖→地下结构物的施工→回填→拔桩（也可不拔）恢复地面（或路面）。明挖法可分为护坡桩发明挖、敞口放坡明挖、旋喷桩护坡明挖及槽壁支护明挖等方式。敞口放坡法又分为降水和不降水敞口放坡明挖发。明挖法的技术优点是施工技术简朴、快速、经济，常被作为首选方案，其施工简朴、方便，修建于底层表面附近的地下工程多属于明挖法修建的地下工程，这些工程涉及地下商场、地下街、地下停车场、城市地铁、人防工程及地下工业建筑等。3.1.1敞口放坡法采用敞口放坡明挖法施工时，为防止塌方保证施工安全，在基坑（槽）开挖深度超过一定限度时，土壁应做成有斜率的边坡，以保证土坡的稳定，工程中经常称其为放坡。边坡稳定问题是敞口放坡发施工中的重要问题。假如解决的不妥，土坡失稳，产生滑动，不仅影响工程进展，甚至危及生命安全，导致工程失败。所以，土坡稳定是既安全又经济的进行埕口放坡施工的关键。3.1.2地下连续墙施工法 地下连续墙施工工艺，及指从地面上沿着拟建的地下结构或高层建筑基坑的周边，用特制的挖槽机械，在泥浆护壁状态下开挖一定长度的沟槽，然后将钢筋笼吊放入沟槽，用导管法在充满泥浆的沟槽内浇筑混凝土，混凝土从沟槽底部逐渐向上浇筑，同时将泥浆置换出来，在地下形成钢筋混凝土墙段，把各单元墙段用特制接头逐个连接起来，形成一个整体的地下连续墙。地下连续墙施工技术的重要优点是合用于多种地质条件，施工时无震动，噪音地，不必做放坡，不需要支模，墙体刚度大于一般挡土墙，能承受较大的土压力，可避免地基沉陷与塌方，可用于建筑物密集地区，因而在城市地下工程中是一种很好的施工方法。其局限性在于要用专门设备进行施工，单体工程造价略高，如现场管理不善，导致施工环境泥泞潮湿，钢材不能像钢板柱那样再反复使用。3.1.3盖挖法然而随着城市的发展，地面交通、周边环境、地下管线也在增长。采用明挖法施工的最大缺陷是破坏地面、中断交通、拆迁工作量大。同时施工产生的噪音、震动等也会严重干扰居民的生活和工作。为了尽也许的减少地下工程施工对地面交通和去附近居民的干扰，盖挖发应运而生。盖挖法一种先做钻孔灌注桩或连续墙作为维护结构和支撑结构，在该结构保护下再做桩顶纵梁、盖顶板，恢复路面，然后，在桩及钢筋混凝土顶板的支护下进行的主体结构施工的方法，根据开挖的结构施工顺序的不同，盖挖法又可分为盖挖顺作法和盖挖逆作法两类。盖挖法是一种比较快速、经济、安全的施工方法。3.1.4沉井法沉井法是通过不稳定含水底层地层的一种特殊施工方法，其实质是在地下建筑物设计位置上，预先制作好沉井的脚刃和一段井壁，再其掩护下，边掘进边下沉，随下沉在地面相应接长井壁，直到沉到设计深度的一种施工方法。沉井再深基础施工中具有独特的优点：占地面积小，技术比较稳妥可靠；与大开挖相比挖土量小，节省投资，无需特殊专业设备，操作简朴；沉井井壁可作为各类地下构筑物的结构也可作为构筑物的维护结构，沉井内部空间还可得到充足运用。随着施工机械与施工技术的不断革新，沉井发在国内、外得到了广泛的应用和发展。沉井发的应用历史悠久且较广泛，具体施工方法名目繁多，通常将沉井发分为两大类：不淹水沉井与淹水沉井。3.2暗挖法暗挖法是指在特定条件下，不开挖地面，所有在地下进行开挖和修筑衬砌结构的隧道施工方法。它是城市地下工程施工的重要方法之一，合用于不宜明挖施工的含水量较小的各种地层，特别对城市城区地面建筑密集、交通运送繁忙、地下管线密布，且对地沉陷规定严格的情况下的地下结构工程更为合用。随着地面交通运送量越来越大，以及人们环境保护意识的提高，地下工程暗挖法已经逐渐取代明挖法而广泛应用于城市地下施工。暗挖法施工方法具体有下列特点：①受工程地质和水文地质条件的影响较大；②工作条件差，工作面少而狭窄、工作环境差；③暗挖法施工对地面影响较小，但埋置交浅时也许导致地面沉陷；④有大量废土、碎石须妥善解决。暗挖法重要涉及：钻爆法、盾构法、掘进机法、浅埋暗挖法、顶管法、沉管法等。特别以浅埋暗挖法、盾构法、顶管法和掘进机法等应用较为广泛。3.2.1浅埋暗挖法对于浅埋地下工程而言，只显著特点是埋深浅。在施工过程中，由于地层损失而引起的地面移动明显，对周边环境的影响较大。因此，对各种开挖、支护衬砌、排水注浆方法提出了更高的规定，施工难度增长。所以，如何有效控制浅埋地下工程施工扰动诱发的地面移动变形，成为浅埋地下工程设计与施工研究的重点、难点和热点问题。基于从控制地面变形、减少对环境的不利影响、减少施工成本等方面考虑，形成了各种合用于浅埋地下工程施工的方法。为了达成及时支护，防止地层沉降的目的，必须完全稳定后，才敷设防水隔离板，施加二次模筑混凝土衬砌，这是最符合地下工程受力特点的一种结构。浅埋暗挖法是在近十几年发展起来的一种新方法，该方法现在已经在城市地铁，市政地下管网及地下空间的其他浅埋地下结构物的工程设计与施工中广泛应用。该方法具有灵活多变，对地面建筑、道路和地下管网影响不大，拆迁占地上、不扰民、不让污染环境，是目前较先进的施工方法。该方法在铁路、公路及软弱的地层中也开始应用。3.2.2盾构法盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地下推动，通过盾构外壳和管片支持四周边岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。盾构是一种用于软土隧道暗挖施工，具有金属外壳、壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土渣排运、整机推动和管片安装等作业，而是隧道一次成型的工作机械。它是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构集机、电、液、传感、信息技术与一体，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、量测导向纠偏等功能。盾构前端设有支撑和开挖土体的装置，中段安装有顶进所需的千斤顶，尾部可以拼装预制或现浇隧道衬砌环。盾构每推动一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并向衬砌环外围的空袭中压住水泥砂浆，以防止隧道和地面下沉。盾构推动的反力由衬砌环承担。盾构的种类很多，目前广泛采用最先进的盾构有泥水加压复合式盾构和土压复合式盾构。由于盾构法施具有施工速度快，不拆迁地面建筑物和地下管网，施工期间噪音小、震动小、不影响地面交通等优点，近年来在国内外地铁区间工程中被广泛采用。3.2.3顶管法顶管施工法是继盾构法之后而发展起来的一种地下管道施工方法，重要用于地下进水管，排水管、煤气管、电信电缆的施工。它不需要开挖面层，并且可以穿越公路、铁道，河川，地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等，是一种非开挖的敷设地下管道的施工方法，起源于美国。最初，顶管施工法重要用于跨越孔施工时顶进钢套管，随着技术的改善，顶管法也用于无套管情况下顶进永久性的公用管道，重要是重力管道。3.2.4TBM法岩石隧道掘进机简称TBM：是运用岩石隧道掘进机在岩石地层中暗挖隧道的一种施工方法。通常是运用回转刀盘又借助推动装置的作用力而使刀盘上的滚刀切割岩面，以达成破岩开挖隧道的目的。按岩石的破碎方式，分为挤压破碎与切削破碎两种，前者是将较大的推力给予刀具，通过刀具的楔子作用将岩石挤压破碎；后者是运用旋转扭矩在刀具的切线方向及垂直方向上进行切削。按刀具切削头的旋转方式，可分为单