地下空间的开发利用

地下空间的开发利用主讲教师:熊建林2011.4第一部分总论一、引言二、地下空间概念、分类、用途及其意义三、人类地下空间开发利用简况四、地下岩土工程施工技术一、引言：关于城市的交通——以湖北武汉市为例湖北武汉自古就有“九省通衢”之地的称谓，是联系南北的咽喉要道。在当今社会，人员、物资流通频繁的情况下，交通问题已经是一个大到影响社会经济发展、小到影响个人切身利益的非常重要的问题，这个问题在武汉市尤其突出。解决这个问题的根本出路之一，就在于地下空间的开发利用。因此，我们的课程就以武汉市的交通问题作为引言来开始。一组图片武汉长江二桥交通状况武昌火车站公交拥挤状况武汉六座长江大桥的位置及内环、中环、外环线示意图军山大桥白沙洲大桥长江大桥长江二桥天兴洲大桥阳逻大桥武汉市内环线的交通压力中心城区过江隧道主要问题1.武汉三镇之间交往频繁，过江车流、人流庞大，而两座大桥的承载能力有限，长期处于超负荷运行状态，如长江二桥通车仅十几年，中间进行过一次较大规模的维修，现正进行大规模的维修加固；2.为解决城市客运问题，武汉市最近十几年的公共交通得到快速发展，在一些主要干道上还划出了公交专用车道，但过江公共交通，虽然巴士很多，但速度很慢，尤其在交通高峰期，过江已成为公共交通快速发展的瓶颈；3.最近几年，随着我国经济水平的提高，以及汽车工业的快速发展，汽车已走进寻常百姓家，武汉市的汽车保有量已是成倍增加，给城市交通，尤其是过江交通带来了更大的压力，目前虽然两座大桥均实行单双号限制通行，但过江交通仍然越来越紧张；4.桥在不停地修，车在不停地增加，归根结底修桥速度没有汽车增加速度快，这一矛盾仅仅靠修桥没法根本解决。解决办法1.继续建设汽车过江通道（包括大桥、隧道）：只是解决问题的一种方法，但不是根本办法；2.限制汽车通行：也不是长久之计，目前已经限制单双号了，往后再怎么限制？3.建设快速过江通道，让大家不乘（或开）汽车，就能快速过江。这里所谓的快速过江通道就是指轨道交通，尤其是地铁交通。试想一下，如果乘汽车从A地到B地，需要30—45分钟，那么乘地铁仅需要5－10分钟。这才是解决城市交通压力的根本之道，世界上许多人口密集的大都市的经验已经证明了这一结论。轨道交通快捷、准时、环保，是唯一与小车有得一拼的公共交通方式。二、地下空间概念、用途、分类及其意义2.1地下空间概念地下空间：在岩层或土层中天然形成或人工开挖形成的空间称地下空间。天然形成的地下空间有：喀斯特溶洞、熔岩洞、风蚀洞、海蚀洞等；人工形成的地下空间有：各种矿洞、工程建设需要开凿的地下洞室（如隧道、厂房等）。地下建筑：地下形成的建筑空间。地下工程：建造在地下的各种工程设施。2.2地下空间的用途地下空间有着广泛的用途。在远古时期，人类开始利用天然洞穴作为居住之用，以保护自己免遭自然灾害的威胁。北京西郊周口店，约50多万年前，北京猿人居住在自然条件较好的龙骨山天然溶洞中。在日本发现距今2万─3万年前的古人类居住洞穴。欧美、中东、北非等地都发现古人类穴居的遗迹。人类到地面居住以后，开始把开发地下空间用于满足居住以外的多种需求，如采矿、储存物资、水的输送及交通工程等，直到现在大型公用设施、城市地下空间的综合利用及地下工业、商业及军事设施等等，地下空间用途得到普遍重视。显然，人类对地下空间的开发利用，经历了从自发到自觉的漫长过程，推动这一过程的，一是人类自身的发展，如人口的繁衍和智能的提高，人类需求的扩展；二是社会生产力的发展和科学技术的进步。2.3地下空间的分类1、矿山巷道：包括各类矿物采掘后的洞室和输送矿石的巷道工程。2、地下储存：如粮食、油料、水果、蔬菜等的储存，汽车库、飞机库、舰艇库及核废料储存等。3、水工洞室：如各种输水隧道、水电站地下厂房、地下抽水蓄能电站、地下水库等。4、地下工厂：如各种轻重工业地下厂房、地下核电站、地下火电站等。5、地下民用与公共建筑：如地下商场、图书馆、体育场馆、展览馆、影剧院、医院、旅馆、住宅及其综合建筑体系─城市地下街道等。6、地下交通工程：如各种公路和铁路隧道、城市地铁、地铁站等。7、公用和服务性地下工程：如地下自来水厂、地下污水处理厂、给排水管道及煤气、供电、通讯管线的综合工程等。8、地下军事工程和防护工程：如各种野战工事、指挥所、通讯枢纽、人员和武器掩蔽所、军火和物资库等。2.4地下空间开发利用的意义一、动因分析1、综合集约化利用城市土地1）我国城市发展沿用“摊煎饼”式的粗放经营模式，无限扩张城市范围，但单位城市用地的国民经济总产值处于国际较低水平（北京89年与东京86年相差16.5倍），综合、集约化利用城市土地不够；2）土地资源、尤其是耕地面积减少过快，城市用地限制成为城市发展的突出矛盾；3）城市快速发展，人口急增、高楼林立，交通，环境、公共市政、城市安全与防灾等矛盾突出，地下空间的开发利用是有效缓解措施，是实现城市可持续发展的重要途径；2、能源、水资源及其他物资的继续利用1）我国人均能源占有量为不到世界平均水平的一半，但能源消耗为最高的国家，尤其是建筑能耗占总能耗的30%，而建筑使用中的采暖、空调就占全国总能耗的19.5%2）地下空间隔热性好、冬暖夏凉，利用地热、地凉资源前景广阔。（地热能开发利用、温泉、、热岩发电站、储雪、储冰等；3）地下各种资源、能源的开采和开发利用。油、气、煤、金属与非金属资源开发等需要大量地下工程；4）水资源的储备、配置、调度利用、水力发电工程等；3、缓解城市发展的各种矛盾1）缓解城市交通矛盾；2）改善城市生态环境；3）提高城市综合防灾能力；4）解决“城市综合症”。以上几点综合表现如下：解决人口增加，城市地面空间容纳能力有限的矛盾（交通、居住、日常生活拥挤等），城市功能设施、市政工程建地下。拓展生存空间（工厂、商店、街道、仓库等）、土地高度利用。军事及人防工程；环境保护、景观保护、扩大绿化面积；城市向高空、地面、地下立体全方位发展；利用和发挥地下工程优势性；抗灾防灾需求；排洪、供水供电供气、通信、垃圾填埋等市政工程；火灾、战争、放射能、核辐射、化学药品、环境公害（振动、噪音等）提高城市功能提高城市功能措施防灾措施地下空间利用城市膨胀人口过密地下空间利用城市功能降低地下空间利用地下空间利用地下空间利用地震、台风、洪水等自然灾害人为灾害确保安全二次灾害利用地下空间的特点与优势地下工程、地下设施输送设施（铁路、公路、管道等）储藏设施（能源、粮食、水、废弃物、放射性等）防灾设施（避难、储备等）城市设施（办公楼、地下街、停车场、文化设施等）生活设施（住宅等）生产设施（工厂、发电设施等）二、必要性分析1、地价高涨，建地面工程成本高2、地面不能提供建工程连续的土地铁路、交通地下化、建地下城市等3、保护地面空间，高架道路地下化5、开拓未来备用的地下空间开发利用地下空间必要性、重要性抗震性：（能源储藏、生命线工程隔断宇宙线、电磁波、核放射、爆炸等4、利用地下空间的优势和特点恒温、恒湿，冬暖夏凉；地下住宅三、人类地下空间开发利用的简况及成就3.1地下空间的开发利用简况人类对地下空间的开发利用有着悠久的历史，经历了从自发到自觉的漫长历程。远古时代：利用天然洞穴作为防雨避风的住所铜器和铁器时代：地下空间的利用摆脱了单纯的居住要求，进入更广泛的领域。如古埃及金字塔，实际上是建于纪元前2650─前2500前后的一种用于墓葬的地下空间；再如前22世纪巴比伦幼发拉底河河底隧道，我国秦汉时期的地下陵墓及地下粮仓等。中世纪以后：地下空间的开发利用得到广泛的发展，如采矿、地下交通、市政建设、工业和水工地下工程等，1613年修建了伦敦水道；1681年修建了地中海比斯开湾的连接隧道；1845年英国建成第一条铁路隧道；1863年英国伦敦建成第一条城市地铁隧道；1871年建成穿越阿尔卑斯山连接法国和意大利的公路隧道等等。二战期间：由于地下建筑物在防护方面的优越性十分明显，许多国家都将一些军事设施和工厂、仓库、油库等修建在地下。另外，将生产一些尖端的产品的车间设在地下，能够满足恒温、恒湿、防震等生产工艺上的严格要求。战后：随着经济的发展，对能源的需求与日俱增，从而开始了大规模的水利水电建设。有时在高山峡谷中修建水电站，由于施工场地的局限或者为了不破坏植被和生态环境，通常将水电站厂房建于地下。随着世界人口的增长，城市面积扩大、土地减少、能源短缺、城市交通拥塞、环境污染及备战防灾诸方面的压力和问题，地下空间的开发和利用已成为建设现代化城市的重要标志。3.2二十世纪以来地下空间开发利用的成果典型工程：城市地铁、长大隧道、地下水电站、城市地下公用设施等。总长53.85km的日本青涵隧道；总长51km的英吉利海峡隧道；长13.32km的瑞士哥达隧道；长14.295km的大瑶山隧道（1980年代修建）；长18.4km的秦岭铁路隧道（1999年6月贯通）；亚洲最长的陆上隧道：长20.05km的乌鞘岭隧道（右线及左线分别于2006年3月和8月正式建成通车）；秦岭终南山公路隧道：长度18.02km，居世界第二、亚洲第一，建设规模世界第一，被誉为“天下第一隧”（2007年2月建成通车）。地下电站发展迅速：包括地下水电站、地下火电站、地下核电站和地下抽水蓄能电站等。其中全世界的地下水电站已超过400座，规模越来越大。加拿大丘吉尔瀑布电站地下厂房长296m、宽25m、高47m；长江三峡水利工程，其地下电站部分主厂房长311.3m，高87.24m，跨度为32.6m。城市地下空间的开发利用：在这一时期成为城市建设的重要内容。一些发达国家逐渐将地下商业街、地下停车场、地下铁道及地下综合管线工程等联为一体，成为多功能地下综合体。3.3我国地下空间开发利用的成就居住空间：数千年前我们的祖先就在我国北方的黄土高原建造了许多供居住的窑洞和地下粮食储备工程，至今仍有不少农民居住在不同类型的窑洞中。人防工程：采取平战结合的方式，既保证了战略效益、又获得了社会效益和经济效益。交通隧道工程：20世纪60年代开始的大规模三线建设，修建了为数众多的铁路、公路隧道。据相关资料统计，至2002年底，我国共有铁路、公路隧道8600多条，总长度约4370km，居世界第一。城市地铁建设：1965年在首都北京始建第一条城市地铁以来，已有天津、上海、广州、南京、武汉和成都等城市建成营运或处于规划设计与施工准备阶段。水利水电建设：特别是大型地下水电站厂房的建设，说明我国已具备开发大型或超大型地下空间的技术水平和能力。城市地下商城、地下综合体等的建设：表明我国城市已经开始大规模开发利用地下空间。发展前景：三峡库区水下博物馆已经建成；北京中关村将投资数十亿元建设地下商城；故宫拟建一个现代化地下展厅；横穿万里长江的水下隧道也于2004年相继在南京和武汉破土动工。厦门、青岛、大连正在建设或即将建设海底隧道。可以预见，随着经济、科技的发展，我国地下空间的开发利用即将进入一个蓬勃发展的新时期。四、地下建筑空间施工技术地下建筑空间的施工技术1、明挖法：也称挖盖法，就是为了在现有地表以下建造建（构）筑物或其基础，在保证开挖边坡岩土体稳定的前提下，对于深度不大、环境条件许可的情况下，实施明挖，开挖出符合施工要求的坑堑，一般是从上往下分步依次开挖岩土体，然后才构筑地下结构体系的施工方法。支护技术是其关键。明挖法地下结构施工示意图挖建盖（填）2、暗挖法（包含新奥法、浅埋暗挖法、管幕工法）（1）新奥法：“在岩质、土砂质介质中开挖隧道，以使围岩形成一个中空筒状支撑环结构为目的的隧道设计施工方法”（奥地利土木工程学会地下空间利用分会，1980.）核心问题是利用围岩支护隧道，使围岩本身形成一定的支撑环。（2）浅埋暗挖法：采用足够刚性复合衬砌（由初期支护和二次衬砌及中间防水层所组成）为基本支护结构的一种用于软土地层近地表修道的暗挖施工方法。它以施工监测为手段，指导设计与施工，保证施工安全，控制地表沉降。（3）管幕工法：用于大都市地下空间开发，为避免都市中交通中断的的一种成功的暗挖方法。工法成本较