地下空间开发与利用

地下空间开发和利用第三章地下工程的复杂性和发展趋势§3－1地下工程的基本特点和复杂性一、地下工程的基本特点（1）地面工程是以大地为基础，依靠地基承载；而地下工程是以岩体作为基础，依靠围岩承载。地面工程的重点，主要是对受力比较明了的基础进行加固，设计较为简单。由于岩体具有上述特点，使得以岩体为基础的地下工程洞室围岩稳定问题变动得十分复杂。第三章地下工程的复杂性和发展趋势地面建筑地下建筑（2）地面工程以建筑材料为主体，材料强度是关键；地下工程以支护为主体，围岩稳定是关键。地面工程材料多以钢材、混凝土为主，其材料特性容易把握；地下工程需要围岩稳定来保证工程的安全。地面工程以建筑材料为主体地下工程以支护为主体地下建筑开挖地下建筑支护水果湖隧道（3）地面工程是浇筑浆砌而成，施工方便；而地下工程是开挖钻爆而成，施工复杂。浇筑浆砌是一种成熟较为完善的施工工艺。地下工程开挖钻爆施工是近几十年来随着地下工程的兴起而发展起来的一种施工工艺。地面建筑工程新奥工法传统工法新奥工法(NATM)传统美国钢支保工法（ASSM）设计理念演变与应用设计理念演变与应用拱版覆盖再开挖进洞管幂工法辅助进洞设计理念演变与应用隧道防水层施工(含防水膜及不织布透水层)隧道内钻开炸孔及装药隧道内钻开炸孔及装药隧道内钢肋、挂网、喷凝土隧道内钢肋、挂网、喷凝土安装岩栓下半断面降挖完成四车道断面(新店一号南口向北望)二、地下工程的复杂性（1）地质勘探的复杂性（2）影响地下工程洞室围岩稳定因素的复杂性（3）地下工程设计和分析计算的复杂性（4）地下工程施工的复杂性施工技术难度大挠动后的围岩稳定性难控制（十三陵斜洞）施工条件差――通风、照明――广蓄岔管施工工艺高――浇筑、张拉等要求高工程地质环境：地下水锦屏二级电站辅助洞涌水锦屏二级电站辅助洞涌水锦屏二级电站辅助洞涌水锦屏二级电站辅助洞涌水工程地质环境：断层、裂隙工程地质环境：断层、裂隙跨交通洞钢筋混凝土支护兰潭隧道软弱地层开挖隧道衬砌破坏类型34衬砌表面异状vs.完整性异状上述因素导致地质特征认识的复杂性（岩石力学问题为灰箱问题）白箱问题：1＋1＝2，如牛顿理论、地面结构工程黑箱问题：1＋1≠2，如天体、宇宙、细微观灰箱问题：1＋1＝2和1＋1≠2，处于发展探索认识的岩石力学，有作为三、地下工程研究的一些主要课题深埋洞室的勘探技术围岩分类及应用岩体参数测试和选择方法先进的设计理论和分析方法新型的支护方式和衬砌结构不良地质条件洞室的施工技术各施工环节的机械化施工配套地下工程施工的组织和科学管理现代化的量测设备和测试技术地下洞室的原位观测与预报手段钻探现场1、深埋洞室的勘探技术北山1号钻孔现场深埋洞室的勘探技术2、取岩心了解地质进行围岩分类取岩心了解钻孔点的地质通过开挖探洞，揭露探洞的岩体特性3、岩体参数测试和选择方法测试岩体：该地下洞室工程围岩为花岗岩，岩石呈浅肉红色，坚硬，弱-微风化，矿物成分主要为长石、石英、云母等；岩体大多呈块状结构，结构面结合好，未见充填物，局部岩体较破碎，节理裂隙发育有2—3组，平均4条/米，节理走向与测试洞段轴向基本一致。其纵波波速Vp一般为3676—4076m/s。钻孔摄像钻孔摄像摄影图像摄影图像4、先进的设计理论和分析方法考虑围岩不连续特征的三维不连续介质分析方法基于非线性动态本构关系的三维连续介质分析方法基于三维的物理模拟方法大型地下洞室群的多尺度研究方法方法互为补充验证整体分析为局部分析提供边界条件围岩稳定计算研究区域尺度工程区域大尺度工程区域中尺度工程区域小尺度5、新型的支护方式和衬砌结构6、不良地质条件洞室的施工技术6、不良地质条件洞室的施工技术6、不良地质条件洞室的施工技术新奥法:TBM盾构法示意图盾构机头盾构隧道长大隧道机械化施工钻爆施工浅埋矿山法公路仰拱喷锚支护施工沉管隧道7、各施工环节的机械化施工配套城市地下空间8、地下工程施工的组织和科学管理岩石及岩体的声波测试9、现代化的量测设备和测试技术1）安全监测及信息反馈安全监测目的:通过监测岩体在施工开挖期的变形,及时进行分析和信息反馈,对稳定作出评估,以达到确保安全;通过监测获取的有效数据,检验设计方案的正确性;动态提供监测数据,以达到设计和施工的动态结合,改进和完善施工方法,优化和完善设计；根据监测信息,预测与评估大型岩体开挖结束后岩体变形规律及趋势。10、地下洞室的原位观测与预报手段2）安全监测设计及内容变形监测；地下水及渗流监测；爆破松弛范围监测锚杆、锚索应力监测厂房变形监测成果分析本节结束谢谢地下空间开发与利用第三章地下工程的复杂性和发展趋势§3-2城市地下工程的基本特点城市地下工程：城市地面以下土层和岩体中修建的建筑物。包括：交通――地铁、公路隧道、地下停车场、通道空间利用――地下仓库、商店、市政人防、文化体育活动场所一、城市地下工程的特征1、可为人类的生存开拓广阔的空间人口的增长和现代化水平的提高导致：人类居住和从事活动占地的矛盾日趋激化世界人口：现65亿，预计2050年达150亿国内城市：54年163个，90年400个，现在650个利用：开发深度达30多米，开发1/3则可达到城市的全部利用空间国内城市数量2、具有良好的热稳定和密闭性岩土环境恒温、恒湿、超净――物资贮存条件好恒温场：2－9℃恒湿场：相对温度80－90%3、具有良好的抗灾和防护性地层覆盖：可抗地震、风暴、火灾、爆炸等灾害――防护性隔音性――防止噪音污染减磁性――比地面磁场干扰弱气密性――可密封几十个大气压的气体隔离性――防尘、防菌性难透性――防核辐射和进行核废料储存隔热性――建冷库经济遮旋光性――避免阳光直射4、社会、经济、环境等多种综合效益扩大城市空间，改善交通运输，减小城市污染，提高工作效率，优化城市生活质量起到了积极作用。社会效益――促进了社会发展经济效益――节省能源，扩大空间：现代化城市必由之路环境效益――改善交通，减少污染5、施工条件复杂，施工难度较大复杂：交通、建筑物、市政地下管道干扰较大难度：软土、地面塌陷、开裂对建筑物影响地下涌水园梁山隧道突泥隧道坍方至地面产生的塌陷洞修建地铁导致道路、房屋开裂(积玉桥）二、城市地下工程的基本属性1、综合性综合了城市规划、建筑、环保、地质管理、运行等综合因素。涉及：测量、岩土力学、工程力学、工程设计、建筑材料、设备、机械经济管理、施工组织、计算机运用等知识2、社会性城市地下工程：反映社会经济、文化、科学技术水平体现人类生活水平和精神面貌3、实践性：城市地下工程是实践先于理论――实践性很强的科学4、技术、经济、艺术和环境的统一性城市地下工程：是实现高效、文明、舒适和安全现代化的重要组成部分。要求：1布局与现有城市建筑配合统一2符合建筑运行规范：满足装饰艺术又有利于人类活动3符合结构规范：安全稳定；通风、采光；防噪音、防潮4反映时代和民族特色：为城市建筑增添景观符合结构规范反映时代和民族特色满足装饰艺术又有利于人类活动三、城市地下空间发展的主要方向地下空间分层化和深层化1、分层开发利用：浅层：人类活动、交通、娱乐、商业车库等。中层：污水、垃圾处理、市政管线次深和深层：地下水、输送、处理、回收、能源贮存、储存的循环系统2、大型地下综合体开发利用工业和民用项目综合开发利用。3、地下交通网是城市交通利用的重点目前：全世界有100个城市建设有地铁地铁网与地面公路、高架、地下公路形成一个交通快速网O5/R10车站圆形部剖面示意图O5/R10穿堂层示意图4、具有防灾功能的地下空间防灾：自然灾害（地震、火山喷发、飓风）、战争浩劫、生产事故（放射、泄毒）――地下空间是最好的防御前苏联：有能容纳总人数70%的掩体工程瑞士：建设了能保证90%人口在危急状态下的掩体工程美国：在弗吉尼亚州建造了一个“芒特弗农”的地下城作用：为核战争准备的超绝密地下城，具有经受核持久战的一切机能5、市政设施的地下空间利用市政设施是城市的生命线系统：包括水、暧、电气等供排6、原有地下空间和天然洞室利用规划改造合理是十分经济的7、发展建立水和能源的贮存系统包括：水、液化气、热源、油等2000－4000m高温岩体热的利用开发引起各国重视四、城市地下空间工程规划的基本原则目的：保证地下空间开发和利用的可持续发展城市地下空间应纳入城市总体规划中城市地下空间应结合现有的地面建筑进行开发城市地下空间应保护城市的历史原貌城市地下空间应根据发展水平和经济实力分近、中、远期目标规划，分层分阶段开发城市地下空间应保证地面空间的物理环境，降低能耗城市地下空间应保证防灾、减灾要求五、城市地下空间的规划内容1、地下与地面的协调考虑城市现状和新城发展：城市扩容，人口增长的预测2、城市地下市政工程规划市政服务网：给排水、电力、电讯、煤气、供热、电视网、防洪、抗洪设施等无障碍电梯出入口B出入口D出入口C出入口A释压井X通风井X广场广场一.出入口及通风井地下化--减少负面景观二.集中为四个出入口--动线单纯化三.环形步道带,绿化带,环廊,广场,层层向环心空间具层次变化四.除出入口建筑外,全部绿化简洁明朗的石材铺面联贯，界定活动区范围广场以环状植栽及立体花台，加强空间的向心性O5/R10大港埔转运站藉由造型长廊串连广场，增加空间可及性3、城市地下交通网规划：交通网：地铁、公路、小型交通道和地面高架的协调4、城市地下空间的民用工程规划：地下商业、办公娱乐、体育、医疗、与地面的绿地、公园等协调5、地下工业设施规划地下工业是地面的一种补充，应为完整的城市工业体系，便于扩大再发展大安森林公園站鳥瞰圖剑潭站城市地下交通网城市地下空间6、城市地下贮存系统规划贮存系统要分类规划：粮、油、汽车库等;水、气、核废料、地热等7、地下工程的防灾、防护系统规划：包括：预测、预报、监测、警报、防空等工程和系统本节结束谢谢地下空间的开发和利用地下空间开发和利用的意义和趋势§3－3地下空间持续性发展问题地下工程有利地面的自然环境保持，但改变了原有的工程地质环境，必须考虑地下工程自身的持续发展。一、充分考虑地下工程不可逆性，需认真规划，考虑未来发展。地下空间的规划二、地下开挖引起的破坏地下工程对地质环境的影响。地下开挖破坏原有的地质结构，可能造成地陷，引起地面泉水的枯竭，增加地震危害等。煤矿城市灾害系统的边界和环境煤矿生产过程中发生灾害类型煤矿闭矿（坑）后灾害发生类型地下开发引起的房屋塌陷图3农田塌陷凡口新副井边墙的严重开裂地下开发引起地层塌陷地下开发引起地层塌陷压风机房的地表塌陷矿区煤矸石堆放252m3706221999年下半年~2000年上半年某露天铁矿非工作帮的大规模滑坡（250万立方米）采矿开挖引起的盐池河山崩原砂土堆坝河道右坝远景与干枯的河道沉降量地下采煤引起的地表塌陷阜新海州露天矿南矸石山红外热像阜新海州露天矿矿坑南邦（西）红外热像（曾发生塌陷、火灾事故地段）阜新海州露天矿矿坑南邦（东）红外热像残煤自燃废旧矿井残煤自燃烟气污染矿井残煤燃烧引起的塌陷破坏小学教室（铁法矿区）铁路出现蛇形弯形（吉林浑春矿区）矿井残煤燃烧引起的塌陷导致围墙的台阶状错动（铁法）蔬菜大棚沉入水中（浑春矿区）山体断裂（南票矿区）抚顺矿区采煤引起的地质灾害图片煤矿突水造成重特大事故十分严重我国煤矿生产中的重特大事故仍然十分严重，突水列瓦斯灾害之后排第二位。我国60%的矿区为石碳二叠系含煤地层,其中80%受到严重的突水危险。2000~2007年间煤矿重特大突水事故统计年份事故次数死亡及失踪人数20009982001381762002933872003924242004612542005104593200638267200738423总计4732622煤矿水灾对企业造成严重的经济损失过去20年间，有250多对矿井被水淹没，直接经济损失高达350多亿元。2005年广东兴宁大兴煤矿特大突水事故123人山东新泰张庄煤矿8.17特大突水事故废矿遗址废矿处