国内地下工程现状与未来

我国隧道及地下工程的发展桂林理工大学土木与建筑工程学院邢心魁2013.12.19一、隧道及地下工程发展概述世界问题（地球现状）土地退化（荒漠化）人口爆炸、物种灭绝资源短缺、环境恶化全球每年损失土地－爱尔兰国土中国每年减少耕地：300～400万亩发展中国家每年有2000～3000万人口进入城市第一部分：引言土木工程应对世界问题的对策上天：入地：地下空间－新型国土资源，造福人类（日本－扩大国土10倍）19世界－桥的世纪20世纪－高楼大厦的世纪21世纪－地下空间的世纪（地下工业）地下工程是指深入地面以下为开发利用地下空间资源所建造的地下土木工程：它包括地下房屋和地下构筑物，地下铁道，公路隧道、水下隧道、地下和过街地下通道等。何为地下工程？隧道工程及地下工程发展历程最古老的隧道是古代巴比伦城连接皇宫与神庙间的人行隧道，建在公元前2160-2180年间。古代使用原始工具挖掘，速度最慢者是驱使3万奴隶挖掘，每周进尺仅75mm。我国最早的交通隧道是位于今陕西汉中县的“石门”隧道，建于公元66年。古希腊萨摩斯隧道当今人类正在向地下、海洋和宇宙开发。向地下开发可归结为：地下资源开发、地下能源开发和地下空间开发三个方面。地下空间的利用也正由“线”的利用向大断面、大距离的“空间”利用进展。20世纪80年代国际隧道协会（ITA）提出“大力开发地下空间，开始人类新的穴居时代”的口号。顺应于时代的潮流，许多国家将地下开发作为一种国策，如日本提出了向地下发展，将国土扩大十倍的设想。从某种意义上来讲，地下空间的利用历史是与人类文明史相呼应的，它可以分为四个时代：第一时代从出现人类至公元前3000年的远古时期。人类原始穴居，天然洞窟成为人类防寒暑、避风雨、躲野兽的处所。第二时代从公元前3000年至5世纪(魏晋南北朝)的古代时期。埃及金字塔、古代巴比伦引水隧道，均为此时代的建筑典范。我国秦汉时期的陵墓和地下粮仓，已具有相当技术水准和规模。第三时代从5世纪至14（元）世纪的中世纪时代。世界范围矿石开采技术出现，推进了地下工程的发展。第四时代从15（明）世纪开始的近代与现代。欧美产业革命，诺贝尔发明黄色炸药，成为开发地下空间的有力武器。我国地下空间的开发和利用始于60年代。1965年北京建设地下铁道。70年代，我国修建了大量地下人防工程，其中相当一部分目前已改建为地下街、地下商场、地下工厂和贮藏库。80年代上海建成延安东路水底公路隧道。1985年至1987年，上海建成黄浦江上游引水隧洞一期工程。90年代以来，上海地铁1号线，地铁2号线已相继开通。90年代后期至今，广州、深圳、南京等地相继地铁开通。南京、杭州、福州琅岐等正计划修建过江隧道。现代地下工程发展迅速，各种典型工程著名浩瀚。世界已有数百个城市修建了地下铁路；英法海峡隧道，长50km，海底长度37km，历时7年建成；著名的公路隧道，如穿越阿尔卑斯山、连接法国和意大利的勃朗峰隧道和连通日本群马县和新泄县的关越隧道，它们的长度均超过10km各类地下电站迅速增长，其中地下水力发电的数目，全世界已超过400座，其发电量达45亿瓦以上。修筑隧道和利用地下空间从原始时代起就已成为人类营生的一种方式。随着近代文明的发展，才使它成为土木工程学的一个学科，并应用近代工程技术修筑了很多隧道。隧道是修筑在地面下的通路或空间，但孔径太小，属于所谓管道范畴的除外。1970年经合组织（OECD）的隧道会议对隧道所下的定义为：以某种用途，在地面下用任何方法按规定形状和尺寸，修筑的断面积大于2.0m2的洞室。当前隧道除仍用于铁路、公路交通和水力发电、灌溉等水工隧洞外，也用于上下水道、输电线路等大型管路的通道，另外还将过去理解为地下通路的隧道概念，扩大到地下空间的利用方面，包括诸如地下发电变电所、地下汽车停车场、大型地下车站、地下街道等适用隧道工程技术的建筑物。二、地下工程的优点利于环境保护利于生态平衡节约土地节约能源抗震与防护性能好运行费用低－效益好三、地下工业的范围（类型）开挖工程：地铁、隧道、地下电站、地下储库、水利工程、矿业工程、国防工程、地下商业街、地下停车场、核废料处理。利用废弃矿井（美国、法国）利用天然洞室开发地热－新能源能量＝（地球全部石油、天然气、煤）×30四、世界上已建成著名工程英吉利海峡隧道海底40～50m（3条长51km的平行隧洞组成）三条总长153km铁路隧道挪威地下体育场91m×61m×25m澳大利亚悉尼歌剧院地下停车场共12层（螺旋形结构）日本北海道－本州青函隧道53.85km，铁路，海底100m，三条，1988年通风和应急管道电气往返列车双管海峡隧道五、规划的著名工程法国里昂－意大利米兰穿越阿尔卑斯山铁路隧道54km俄罗斯－日本海底铁路隧道50km美国－俄罗斯白令海峡隧道90km欧洲－非洲直布罗陀海峡隧道日本－地下飞机场：建在市中心地表下50～150m深处。六、我国地下工程概况地铁（轻轨）－现代大都市的标志（1）特点：容量大、快、准、能耗低环保好、战备伦敦400km1863年巴黎260km1900年柏林180km1902年纽约443km1904年棋盘式4层，埋深40m东京250km1927年莫斯科200km1935年蛛网式3层美国（2000年）现有1230km，占世界的21%六、我国地下工程概况（2）中国地铁1965年始建，北京、天津、上海、广州、深圳等共运营200km在建、将建城市：南京、重庆、沈阳、青岛、苏州、杭州、武汉、成都、西安、大连、长春共22个城市，2010年全国达1200km城市人口300万以上国家规定：GDP1000亿以上可建地铁年财政收入100亿以上六、我国地下工程概况地铁（轻轨）－现代大都市的标志（2）中国地铁京、沪、穗地铁平均造价6～8亿/km我国十五期间地铁投资2000亿城市规划：北京1000km，上海780km，天津223km，重庆300km，广州553km地铁建设：早规划，早主动；早筹备，早成功；早动工，早见效六、我国地下工程概况铁路隧道（穿山）1888年～1999年共建成6877条，3667km平均120条/年，70km/年丰沙、成昆、襄渝线隧道占27%、31.5%、34.5%80年代大瑶山隧道14.295km90年代安康线秦岭隧道18.45km，最大埋深1600m20世纪兰新线乌鞘岭隧道20.05km高速铁路：太原－石家庄时速200km，1小时到达武汉－广州980km时速200～300km，4小时台北－高雄300km，时速300km，80分钟六、我国地下工程概况公路隧道（高速公路）山西太旧、大运（雁门关隧道6.5km）太原－古交亚洲第一长公路隧道秦岭终南山隧道18.02km过江隧道广州珠江双向四车道上海黄浦江双向八车道，19亿，亚洲第一武汉长江双向四车道，汉口－武昌7分钟南京长江双向六车道，过江5分钟，80亿南京长江，京沪高速铁路武汉长江，地铁隧道六、我国地下工程概况海底隧道琼州海峡隧道（15～30km埋深80m）台湾海峡隧道（已召开两次研讨会）渤海海峡隧道（57km）水利工程我国水资源人均为世界1/4，山西为全国的1/6（1）南水北调（西线工程）145～195亿m3建库、隧洞，坝高150～350m，单洞最长131km（2）引黄工程坝高90m，引水12亿m3，隧洞200km，单洞43km六、我国地下工程概况地下电站（1）火电站：战备才建（2）水电站：全世界500余座，挪威200余座每年掘水电隧道125km前苏联罗戈水电站开凿隧道、硐室总长62km云南某水电站－大厂房，横断山脉，亚洲第一（3）抽水蓄能电站：全世界200余座，调峰增加地下水库六、我国地下工程概况地下电站（4）核电站：（半地下、完全地下）世界大发展，法国占75%我国浙江秦山核发电站，自力更生广东大亚湾核电站，法国技术200万千瓦岭澳核电站，近期890万千瓦，远期2000万千瓦江苏连云港核电站，俄罗斯技术计划20座核电站核能－洁净能源：大亚湾200万千瓦，仅需50吨/年核燃料如煤600万吨/年CO2、烟尘、粉煤灰、运输电力三分天下（化学能、水能、核能）六、我国地下工程概况地下储库岩石中开凿：美国珍珠港20个φ33m×80m，90万m3岩盐洞库：NaCl巨厚，几百米，单个容量50～100万m3美国库容8000万m3德国库容1700万m3英国库容1500万m3法国库容1600万m3加拿大库容1400万m3西气东输：新疆－上海3900km，管径φ1016mm隧道断面3.2×3.1m第一期1600万吨；共四个基地，分别在沿海的浙江镇海、舟山、辽宁大连、山东黄岛。全部为国家投资的地面钢罐，其中镇海基地520万吨在2006年底即可竣工吸储。其它三个基地陆续在2007、2008年竣工。地下水封洞库储油原理地下水位线地表油气油水垫层积水井水幕巷道注水孔注水孔抽水站抽油站进油站潜液泵固定水床水位法变动水床水位法城市地下综合体地下街：日本东京：长6km，商店141个与地面51座大楼连通，每天活动人数300万人中国：战备改造（北京地下城）新建－大连广场地下三层大型商场地下停车场：澳大利亚12层香港地下室3层上海人民广场地下176m×146m，深11m形式：马路式、公园式、广场式、地下式、隧道式市政地下管线：集中布置，现代化城市最重要的基础设施，24小时监控六、我国地下工程概况六、我国地下工程概况国防工程：导弹发射井、地下飞机场、潜艇基地、军用装备库、军用物资库、战时指挥所矿山工程核废料处理场所第二部分：地下工程修建技术地下工程施工技术明挖法软土盖挖法盾构法Vmax＝400m/月V平＝200m/月矿山法（钻眼爆破）TBM（掘进机）冻结法沉箱法连续墙法管棚法辅助方法岩石1、盾构法－软土现代化施工技术英国1818年发明，190年历史中国1956年开始，50年历史，上海最发达1984年，上海延安东路公路隧道φ11.3m长2261m，当时世界第三武汉长江公路隧道日本φ14m欧洲φ15m（英吉利海峡公路隧道，单孔双层）微型盾构（φ25～300cm），全世界达6000公里扬州（江苏），2012年12月28日,扬州瘦西湖隧道开始盾构施工.12月28日，“瘦西湖号”大型盾构机开始作业。当日，命名为“瘦西湖号”的大型盾构机从江苏扬州瘦西湖东侧始发井正式开始作业，这标志着横穿古城扬州著名风景区瘦西湖的隧道开始地下盾构施工。据了解，“瘦西湖号”盾构机长134米，重约4000吨，由三万多个零部件拼装而成，直径达14.93米，相当于五层楼高，是目前世界上直径最大、功能最先进的泥水平衡盾构机之一。瘦西湖隧道地处扬州市中心城区，是扬州城建史上开建的投资最大、建设周期最长、施工难度较大的市政建设项目。隧道主线总长3.6公里，设计为双层双向四车道，主体采用盾构法施工，盾构段长1275米。2、TBM－长距离硬岩现代化施工技术特点：快（钻爆法3－10倍）、优质、安全环保、节力、经济英吉利海峡隧道：11台TBM，3年完成，φ8.6m，Vmax＝1719.10m/月美国超导对撞机：地下30m，环形隧道长87km，φ4.6m，Vmax＝2418.2.10m/月荷兰最大的TBMφ14.9m法国生产，8km高速双线铁路隧道中国70年代开始：引黄工程6台TBM，Vmax＝1821.51m/月总干φ6.125m陕西秦岭铁路隧道：Vmax＝508.96m/月V平＝301.06m/月Vmax＝35.254m/日，共掘5720.118m3、沉管法（沉管隧道）－江、湖底现代化施工技术美国－1910年，底特律河下第一座荷兰－发展快，最多12座，美国后来居上26座，全世界100余座中国－广州1992年过珠江，总长1238m，沉管435m，双向四车道上海外环过黄浦，总长5765m，沉管724m，双向八车道，宽43m，高9.55m（100～108）m×7节，亚洲第一，世界第二南京长江高铁隧道，总长5765m，沉管1930m，七节（145m×4+135m×10）4、钻爆法全断面开