关宝树地下工程第一章

刘俊新(西南科技大学土木工程与建筑学院)第一篇地下工程概述在地球表面以下的土层或岩层中天然形成或经人工开发而成的空间称为地下空间；在城市规划范围以内的地下空间称为城市地下空间；在城市以外山区岩层中开发的地下空间称为山岭地下空间；在江、湖、河、海水下开发的地下空间称为水下地下空间。地下工程：在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。1.1什么叫地下空间？第一章概述1.2城市地下工程主要包括以下几方面：（1）交通运输工程，如地下铁道、公路隧道、地下停车场、过街或穿越障碍的各种地下通道等。（2）居住工程，如地下室住宅等。（3）市政管线工程，如给排水工程、热力和电力工程、通讯工程等。（4）贮库工程，如油库、粮库、物资库等工程。（5）工业与民用工程，如地下工厂、自来水厂、污水处理厂等等。（6）公共建筑工程，如电影院、展览馆、商店等。（7）人防工程，如隐蔽所、通讯枢纽、军需物资库等。天然洞窟1.3古今国内外地下工程古希腊萨摩斯隧道秦岭隧道黄浦江人行隧道:隧道为我国第一条越江人行隧道，建于浦西南京路外滩与浦东陆家嘴东方明珠塔之间，隧道内径6.67米，全长646.7米。上海杨浦电厂取水工程哈尔滨地下疏散干道南京人防工程地下货仓名古屋叶斯卡地下街的街道式布置名古屋中央公园地下街内景城市交通厦门跨海半桥半隧道方案海底观光隧道杭州宝石山地下会堂小浪底地下厂房内景五连拱效果图1.4地下工程建设意义随着城市现代化的建设，城市人口高度集中、生产和交通工具不断密集，城市有限的空间资源和用地严重不足，城市的环境也日益恶化。这些都严重限制了城市的发展。1.城市建设的迫切需求合理开发和利用地下空间是解决城市有限土地资源和改善城市生态环境的有效途径。向地下要土地、要空间已成为城市发展的必然趋势，并成为衡量城市现代化的重要标志。提高城市土地的利用率与节省土地资源、缓解中心城市密度、扩充基础设施容量、增加城市绿地、保持城市历史景观。2.提高城市的防空抗毁及防灾能力地下空间具有极高的抗爆性能。城市总体规划要考虑地下空间的平时使用和战时使用的结合。地下空间资源的潜力很大，具有诸多优点。1.5地下空间利用的发展过程（1）远古时期（从公元前3000年至5世纪），人类为了防寒暑、避风雨、躲野兽，开始利用天然洞穴作为居住。北京西郊周口村、日本、欧洲、美洲等地均发现穴居的遗迹。这一时期――以居住洞穴为主。（2）古代时期，随着社会生产力的进步，人类地下空间的利用也摆脱了单纯的居住要求。古埃及、希腊、罗马，包括中国在内，建造了许多地下陵墓，最有名的是金字塔、秦始皇陵墓等，当然也有一些其它的地下工程，如巴比仑地区的幼发拉底河底隧道；我国秦汉时期的地下粮库等。这一时期――以陵墓建造为主。（3）中世纪时期，欧洲地下空间利用基本处于停滞状态，我国地下空间利用多用于建造陵墓和满足宗教建筑的一些特殊要求，如北魏、隋、唐、宋、元等各朝都建造了一些陵墓和石窟等。这一时期――以陵墓和满足宗教特殊要求为主。（4）近代时期，从15世纪开始，炸药、蒸汽机的发明和应用，地下空间开发利用进入了新的发展时期（即地下空间利用转为社会服务）。1613年建成伦敦水道；1681年修建了地中海比斯开湾的连接隧道；1871年穿过阿尔卑斯山连接法国和意大利的公路隧道开通（长12.8km）。这一时期――以隧道建造为主。（5）20世纪后，特别是60、70年代，地下空间利用达到了很高的规模。主要用于建造各种交通隧道（公路隧道）、水工隧道、大型公用设施隧道和地下能源贮库等；城市主要建造地铁、地下商业街、地下停车场和地下管线等。这一时期――以交通、地下能源贮库建造为主；城市以地铁、地下管线建设为主。1.6国外地下空间利用趋势一是大型建筑物向地下的自然延伸发展到复杂的地下综合体；二是地下市政设施的建设从地下供、排水管网发展到地下大型供水系统，地下大型能源供应系统，地下大型排水及污水处理系统，地下生活垃圾的清除、处理和回收系统和地下综合管线廊道（共同沟）。1.7我国地下空间利用发展过程前期与世界的发展基本同步，从近代时期后逐步落后。20世纪后，差距增大。30~40年代防空洞和地道（由于受侵略，自己住下去了）；60年代人防工程（国外大发展，我们准备打仗）；70年代后期，随着社会发展的需要，主要致力于人防工程的平战结合，公路隧道、地下商业街及地铁建设（北京地铁）；90年代后，我国才真正走入城市地下空间利用的时期；2000年后，在交通、商业、物流、仓贮等方面进入了新的发展时期。尽管我们取得了一些成绩，但有待利用的地下空间还很多；从规划－设计－施工－管理的水平还有待提高，总之，还有许多工作有待我们去做。1.8城市地下工程建设的步骤1）浅层（－10m以上）和次浅层（－10m~30m）空间全面充分的开发建设。包括：（1）发展平战结合的地下居住和公共设施；（2）发展多功能的地下高速交通网；（3）发展节约能源的中小型地下建筑；（4）发展地下公用和服务设施，包括：管道、电缆、污水处理等。（5）发展地下建筑的新类型，如利用太阳能的独立能源住宅；建造在岩石或岩盐中的高压液化气库；低温冻土液化气库；以及把利用风能或太阳能生产的热能贮存在地下的热库等。2）在次深层（－30m-100m）空间建立城市公用设施的封闭性再循环系统。3）在深层（－100m以上）空间建立水和能源贮存系统，以及危险品存放系统。1.9为什么要利用地下空间？1.10地下空间的作用在可持续发展的社会中，地下空间的作用可归结为：水工隧洞可提供城市给水、排污水，对环境保护起重要作用；地下可提供贮藏空间和其他空间，使土地利用面积倍增；重要的生命线可充分利用地下，提高抗御自然灾害的能力；地下是提供放射性废弃物或其他有害废弃物唯一安全的场所；交通隧道可提供安全、准时、快速、经济的交通手段；增加了作为生产设施、事务所以及居住等地下空间的利用；食品、液体、瓦斯等的地下贮存；地下利用可极大地缓和城市的混杂；1.11地下工程研究的内容地下工程的合理开发和立法工程环境的特殊性洞室结构体系的组成设计、施工的一体化地下工程施工作业地下工程结构设计周边环境控制地下工程防排水1.1地下空间工程的特性构造特性：空间性、密闭性、隔离性、耐压性、耐寒性、抗震性；物理特性：隔热性、恒温性、恒湿性、遮光性、难透性、隔声性；化学特性：反应性。这些特性对不同的使用目的，有的是有利的，有的是不利的。因此，在规划和利用地下空间时，应充分理解这些特性而加以有针对性的利用。第二章地下空间工程的特性第一节地下空间工程结构的特性第二节地下空间工程的优缺点2.1地下空间工程的优点①限定视觉②开放地面空间和土地的有效利用③地下流通和输送④环境和利益⑤能源利用的节省和气候的控制⑥相对稳定的温湿度⑦自然灾害的保护⑧安全防卫⑨噪声和振动的隔离⑩维修管理随着埋深的增加，地下处于相对稳定的温度和湿度状态，如图1-2-1。2、地下空间工程的缺点①获得眺望和自然采光的机会有限②进入和往来的不便③环境能源利用上的限制第三章地下工程的利用形态第一节人类生存和安全而利用的地下工程1.1地下住宅利用发展的背景①土地利用条件②对住宅“质”的要求③地下空间特性的利用1.2地下住宅空间的分类1.3地下空间的用途1.4地下住宅利用形态1.5能源贮藏1.地中式贮槽（竖型地下贮槽）地下贮藏的设施有：埋入地下的金属贮槽、利用废弃坑道、天然的地下空洞、用开挖方法修建地下空洞等贮藏空间。目前以采用开挖形成贮藏空间的方法为主。如竖坑的地下贮槽。采用钢、混凝土、合成树脂等作衬砌，有时也利用地下水防止贮藏物的泄漏形成水封式贮槽。贮藏基地各种设施的布置必须遵守消防等法规，并依安全、操作、经济等观点决定。①贮藏设施贮槽与用地边界线的安全距离应保证在50m以上，当贮槽半径超过50m时，应大于贮槽的半径。贮槽与贮槽间的安全距离应大于贮槽的半径；应确保配管、检查通道（宽5m以上）以及外围通（宽16m以上）的宽度。②服务设施在布置电气设备时，应考虑引入线（一般都是高压架空线）的长短，接近其他设施的危险度等；蒸汽设备要考虑压力下降、温度下降的影响。③出入荷载设施出荷载泵最好设在基地内较低的位置；控制室应设在出入荷载设施、贮藏设施等附近易于观察的位置；研究油泵的能力，决定泵的规格、布置。④排水处理设施排水设备应考虑自然流下，设在基地内较低的位置；水处理设备也宜设在排水设备附近。地下式贮槽的构造2.横型地下贮槽和水封式贮槽系统横型地下贮槽用以贮藏石油等。开始是在空洞内放入钢罐，这种方式成本高，且钢板易腐蚀，造成不能继续使用。后改为张挂钢板并在钢板与岩壁间充填混凝土，并进一步开发了无衬砌的岩洞贮藏方式，即水封式岩洞贮藏方式（如下图水封式贮槽）。水封式岩洞贮槽构造水封式岩洞贮槽主要部分包括①作业隧道设置配管、电力、计量装置等的电缆。作为管理用通道。②配管竖井设置配管、电力、计量装置的电缆。③配管竖井上室设置机器，用遮断墙划分的地下空洞。④泵室设置泵的空洞。⑤水床为浮托贮藏燃料底部的水塘。⑥水封隧道、水封钻孔地下水不能形成所需压力时，补给人工地下水而设置的水封隧道和钻孔。⑦遮断墙为分隔与贮槽相连的配管竖井、作业隧道、泵室等，具有液密、气密性的墙。⑧隔墙发生燃料泄漏、火灾、爆燃等事故时，为限制受害空间而设置的隔墙。⑨防爆墙为防止火灾、爆炸等加设的墙，在洞口设防护墙。⑩配管敞口竖井将竖井从贮槽延伸到地表贮藏方式的分类•水封式贮槽及其附属设备的规划应根据其构造、设备场所的状况，并考虑以下各点决定：或按下述原则决定：如取空洞的宽和高的平均值为D，则相邻贮槽的间距L基于空洞周围松弛区的分析，至少为D（图1-3-8）。其他能源贮藏①压缩能源贮藏将原子能发电站等多余的电力以压缩能源形态加以贮藏。贮藏压缩能源的容器一般有岩盐空洞、岩石空洞等（图1-3-9）。②热水贮藏热水贮藏是将发电站的剩余电力、太阳能及其他排热等以热水形态加以贮藏的系统。主要用于地区暖房及工厂供热。热水贮藏一般以日、周、季为单位。热水贮藏方式有地上型和地下型两类，地下型对环境影响小，造价和维护费用低，得到广泛采用（图1-3-10）。1.6用水贮藏设施①地下贮水坝为了保证稳定的水资源，在降雨量比较多、季节变动显著、地质渗透性大的地区可以采用地下贮水坝的形式贮藏用水。地下贮水坝的形态有平地贮水坝和盆地贮水坝两类（图1-3-11）。②饮用水贮藏主要是在干燥和半干燥、季节型缺水地区建造地下饮用水库，挪威等曾在岩体中建造饮用水贮藏设施，利用集水竖井、钢管井等取水和放水。从实例上看，在经济上较地面型优越。1.7放射性废弃物处理设施地下的处理设施，一般都设在地下500-1000m深处。1.8粮食贮藏设施主要是利用地下恒温性这一特点。地下贮藏的成本低，可保护环境，节约能源等，由于能耗低，近几年发展极为迅速。2.1地下空间在城市现代化的建设中的利用大致有：地下办公场地地下街地下停车场地下交通系统地下能源供给设施地下通信设施地下上下水道地下废弃物处理设施地下文化设施等。第二节城市现代化发展而利用的地下工程2.2城市地下工程的规划与布置城市规划：以城市社会、经济发展目标为依据，合理利用和布置城市空间，使之更好地促进生产力的发展，提高人民生活水平和质量。城市地下工程规划是城市规划的一个重要组成部分，必须与城市规划熔为一体，目前存在以下几方面不足：（1）缺乏统一规划，计划投资分散，工程互相矛盾，反工浪费现象严重。（2）缺乏长远性、发展性和创造性，短期行为明显（3）地上、地下结合不够，地下工程建设缺乏综合性。2.3城市地下工程规划的基本原则（1）着眼当前、考虑长远。（2）地上、地下统一规划（3）综合专业、相互协调2.4城市地下工程规划的特点1.对经济、施工技术的依赖性较高城市空间开发一般遵循：城市地面空间开发→城市上部空间开发→城市地下空间开发这里实际上就存在一个对经济技术要求的问题，做事总是