地下結(jié)構(gòu)工程第1講提綱.pptVIP

地下結(jié)構(gòu)工程,清華大學(xué)水利水電工程系 河川樞紐研究所 李仲奎 2003年2月,地下結(jié)構(gòu)工程 2003年教學(xué)安排,本課程的學(xué)習(xí)方式為講課與自學(xué)討論相結(jié)合，并結(jié)合專題組織地下工程的施工現(xiàn)場(chǎng)考察和參觀，期末要求學(xué)生寫出一篇不少于5000字、有一定創(chuàng)見和新觀點(diǎn)的課程學(xué)習(xí)報(bào)告，并進(jìn)行口試，根據(jù)該報(bào)告的質(zhì)量及口試分?jǐn)?shù)評(píng)定成績(jī)。,講課內(nèi)容安排：,1 地下結(jié)構(gòu)工程發(fā)展簡(jiǎn)介 2 地下結(jié)構(gòu)工程與環(huán)境 3 地應(yīng)力問題 4 地下結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)與穩(wěn)定問題 5 地下結(jié)構(gòu)工程數(shù)值模型及分析技術(shù) 6 地下結(jié)構(gòu)工程地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn) 7 地下結(jié)構(gòu)工程的施工新技術(shù) 8 地下結(jié)構(gòu)工程的量測(cè)技術(shù),專題總結(jié)報(bào)告題目,（從以下專題中任選其一，也可以自定選題，但需經(jīng)導(dǎo)師同意，字?jǐn)?shù)不少于5000字，要求有新意）： l 地下結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展前沿狀況 l 地應(yīng)力與地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定 l 地下結(jié)構(gòu)工程分析中的力學(xué)模型 l 數(shù)值分析方法在地下結(jié)構(gòu)工程的應(yīng)用 l 地下結(jié)構(gòu)工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和施工方法,口試,每人30分鐘，接題后自行準(zhǔn)備15分鐘，回答問題15分鐘。,地下結(jié)構(gòu)工程,（第一講） 1、 地下結(jié)構(gòu)工程發(fā)展簡(jiǎn)介 2、 地下結(jié)構(gòu)工程與環(huán)境,1、地下工程發(fā)展簡(jiǎn)介,地下結(jié)構(gòu)工程開發(fā) 在人類歷史中的四個(gè)標(biāo)志性階段 1.1 第一階段： 人類歷史初期的穴居生活 特征：天然洞穴的利用和簡(jiǎn)單開發(fā),人類歷史初期的穴居生活可以說是這一階段的開始，它以對(duì)天然洞室的直接利用和簡(jiǎn)單的開發(fā)為特點(diǎn)。這是一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的歷史階段，人類對(duì)地下洞室的認(rèn)識(shí)還是一個(gè)必然王國(guó)的階段，人類有意識(shí)尋找可利用的天然洞穴，因?yàn)樗梢杂脕碚陲L(fēng)避雨、儲(chǔ)存食物、躲避敵人或野獸的襲擊。,隨著人類進(jìn)化，逐漸走出天然洞室，開始建造更為適于人類生活居住的房屋，直接利用天然洞室的情況越來越少，而為某種目的人工開挖的地下洞室則逐步增多。除了開采礦藏外，中國(guó)古代戰(zhàn)爭(zhēng)中已經(jīng)有了利用人工開挖隧道攻擊敵方的戰(zhàn)例。,近年發(fā)現(xiàn)的浙江西部、錢塘江上游龍游縣小南海附近的龍游人工洞室群，據(jù)考證已經(jīng)有上千年的歷史，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的人類最早的有目的開發(fā)地下空間的例證。,龍 游 石 窟,在方圓0.38km2的土丘上，似有規(guī)律地分布了大小24個(gè)洞窟，每個(gè)洞窟的面積10003000m2不等，每個(gè)洞窟從矩形洞口開始垂直向下延伸，洞高約30m，頂部呈“倒斗形”，洞內(nèi)科學(xué)地分布著34根巨大的“魚尾形”石柱，與洞頂渾然一體。洞壁、洞頂和石柱上都有古人留下的帶有裝飾意圖的鑿痕。但是它的開發(fā)目的則仍是千古之謎。,地下結(jié)構(gòu)工程開發(fā) 在人類歷史中的四個(gè)標(biāo)志性階段 1.2 第二階段： 19世紀(jì)到20世紀(jì)初的工業(yè)大革命時(shí)期，是人類歷史上有目的大規(guī)模開發(fā)地下空間的階段。,這個(gè)階段以礦山工程、交通工程、水利工程、地下軍事防護(hù)工程、城市供排水工程以及城市地鐵為代表。這一階段中，以鋼鐵為核心黑色金屬工業(yè)和能源工業(yè)的發(fā)展，帶動(dòng)了大量的鐵礦、煤礦的建設(shè)和開采。運(yùn)輸?shù)男枨笥执龠M(jìn)了交通工程的發(fā)展和大量鐵路、公路隧洞的開挖。工業(yè)的發(fā)展又造成人口大量向城市集中，或新城市的大量出現(xiàn)。,工業(yè)和城市發(fā)展的需要也促進(jìn)了水利工程的發(fā)展。這些工程中都需要進(jìn)行大量的豎井、隧道等地下工程的開挖和建設(shè)。城市地下工程則以給排水系統(tǒng)為主，如法國(guó)巴黎的下水道規(guī)模相當(dāng)宏大。同時(shí)最早的城市地鐵建設(shè)，如倫敦地鐵（1863年） ，也出現(xiàn)在這一階段。,地下工程開發(fā) 在人類歷史中的四個(gè)標(biāo)志性階段,1.3 第三階段： 20世紀(jì)中葉到20世紀(jì)末 特征：除第二階段的生產(chǎn)類型的工程之外，一些人類日常生活類型的設(shè)施開始向地下轉(zhuǎn)移。,20世紀(jì)中葉到20世紀(jì)90年代，是地下空間的開發(fā)由工業(yè)領(lǐng)域向人類生存、生活的各個(gè)領(lǐng)域擴(kuò)展的階段，也是地下工程的新概念、新理論、新方法不斷提出，新材料、新技術(shù)、新工藝廣泛應(yīng)用于地下工程的階段。,它的特征是，除第二階段的生產(chǎn)類型的工程，如礦業(yè)、水利、煤炭、鐵路、公路以及軍事工程之外，城市地下工程也有了更為廣泛的發(fā)展。不但城市地鐵在各大城市普遍建設(shè)，一些人類日常生活類型的設(shè)施開始向地下轉(zhuǎn)移。包括地下商業(yè)街(1930年)，地下停車場(chǎng)、地下倉庫、地下公共管線隧道，以及各種地下文化體育設(shè)施，如藝術(shù)展館、音樂廳、健身房、游泳館、滑冰場(chǎng)等。,地下工程開發(fā) 在人類歷史中的四個(gè)標(biāo)志性階段,1.4 第四階段： 20世紀(jì)末到今天 特征：節(jié)約資源、改善環(huán)境、保護(hù)生態(tài)、可持續(xù)發(fā)展。地下工程已經(jīng)向環(huán)境友好工程發(fā)展。高新技術(shù)進(jìn)入地下,20世紀(jì)末到現(xiàn)在，由于人類環(huán)境保護(hù)以及資源永續(xù)利用意識(shí)的不斷提高，聯(lián)合國(guó)和世界各國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的制定，人們對(duì)地球只有一個(gè)，人類生活空間的有限性、大多數(shù)天然資源不可再生性的認(rèn)識(shí)的不斷深化，推動(dòng)地下工程進(jìn)入了一個(gè)更高階段。,這個(gè)階段的特征是： 節(jié)約資源、(economize resources) 改善環(huán)境、(improve environment) 保護(hù)生態(tài)、(zoology protection) 可持續(xù)發(fā)展(sustainable development） 地下工程以環(huán)境友好工程的姿態(tài)出現(xiàn)在人們面前。高新技術(shù)進(jìn)入地下：,進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，以 1,激光導(dǎo)向技術(shù)和GPS 定位技術(shù) 為代表的地下施工定向定位技術(shù)、以 2,遙感技術(shù)與穿地雷達(dá)技術(shù) 為代表的地下勘察技術(shù)和 3,地下掘進(jìn)及襯砌自動(dòng)控制施工技術(shù)已在實(shí)際工程中得到了一定程度的應(yīng)用，這一切使得地下空間開發(fā)的第四個(gè)標(biāo)志性階段，規(guī)模更大，水平更高。,2.地下工程與資源環(huán)境,環(huán)視當(dāng)今世界，人口銳增、資源劇耗、耕地和森林驟減、土地退化、沙漠?dāng)U大、溫室效應(yīng)、酸雨危害、環(huán)境污染 環(huán)境問題制約著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，更是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所面臨的突出問題。我國(guó)每年由于環(huán)境污染和生態(tài)破壞造成的損失達(dá)2000多億元。,2.1 節(jié)約能源、緩和溫室效應(yīng) 地下空間的利用大有可為,據(jù)統(tǒng)計(jì)，在歐美國(guó)家中建筑能耗約占全國(guó)總能耗的30左右，而建筑能耗中用于建筑物的采暖、通風(fēng)空調(diào)的能耗約占全國(guó)總能耗的195。 地下空間由于巖土具有良好的隔熱性，可防止風(fēng)、雨、日曬等地面溫度變化諸多因素的影響。測(cè)試表明，地面以下1m，日溫幾乎沒有變化，地面以下5m的室內(nèi)氣溫常年恒定。,2.2 地下工程開發(fā)與潔凈能源,2.2.1 大型地下水力發(fā)電站及抽水蓄能地下發(fā)電站將成為我國(guó)水電資源開發(fā)的主要形式,到1999年底，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)29877kw，其中水電7297萬kw，僅次于美國(guó)居世界第二位。特別是在改革開放以來，1986年至1999年14年間，全國(guó)水電新增裝機(jī)容量達(dá)到4655.5萬kw，比1985年底全國(guó)水電裝機(jī)總?cè)萘吭黾恿?.8倍。舉世矚目的長(zhǎng)江三峽工程裝機(jī)1820萬KW，其中地下電站裝機(jī)420萬KW，將于2003年投產(chǎn)發(fā)電。已建成的小浪底、二灘水電站，已開工的龍灘、小灣水電站，設(shè)計(jì)中的溪洛渡、錦萍水電站等，都是地下廠房。,水力發(fā)電是一種最主要的清潔可再生能源。但是在我國(guó)可建造地面廠房的各大河流中下游地區(qū)的水能資源，已大多得到了開發(fā)；而由于我國(guó)水電資源主要集中在西部高山峽谷地區(qū)，目前其水電能源開發(fā)比例遠(yuǎn)低于全國(guó)開發(fā)比例的19，僅有8，因而是新世紀(jì)水電開發(fā)的重點(diǎn)地區(qū)。在這些地區(qū)開發(fā)水電工程，地下廠房幾乎成為唯一的選擇。,西部大開發(fā)、西電東送和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，為水電開發(fā)提供了不可多得的發(fā)展機(jī)遇。根據(jù)國(guó)家規(guī)劃，新世紀(jì)頭十年的“十五”、“十一五”計(jì)劃中，全國(guó)將開工建設(shè)的大中型水電站裝機(jī)達(dá)58000MW，其中超過50為地下水電站。,此外，在大中城市等能源消耗集中的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，能源結(jié)構(gòu)成分多不盡合理?？梢浴罢{(diào)峰填谷” 的水電比例過低，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的質(zhì)量。為解決這一問題就需要修建一定數(shù)量的抽水蓄能電站。由于這種電站需要工作在發(fā)電和抽水的雙重工況下，因而裝機(jī)高程要求較低。如果設(shè)計(jì)成地面廠房則要求很大的挖深，增加工程造價(jià)，且不安全，而設(shè)計(jì)成地下式發(fā)電廠房則是最佳選擇。如北京昌平的十三陵抽水蓄能電站、廣州抽水蓄能電站等。,地下工程開發(fā)與潔凈能源,2.2.2 地下洞室儲(chǔ)存熱、冷源將為太陽能的利用開辟有效的新途徑,應(yīng)特別指出的是，地下空間的開發(fā)利用為自然潔凈能源的利用，特別是可再生能源的利用，開辟了一條廣闊有效的途徑。太陽能是巨大的潔凈可再生能源，但其來源隨季節(jié)有很大的不穩(wěn)定性。太陽輻射熱一般僅在夏季豐富，這就需要季節(jié)性貯存。在地下的水、巖石、土壤介質(zhì)中貯存能量往往是最佳的甚至是惟一的選擇。利用地下空間在冬季將天然冰塊貯存于地下，用于夏季環(huán)境控制的蓄冰空調(diào)，是既經(jīng)濟(jì)又清潔的再生冷源。,由于巖、土的熱穩(wěn)定性和密閉性，使熱量損失很少，不需要保溫材料。巖石的自承能力，使得洞室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用大為降低。瑞典在斯德哥爾摩西北約150km的阿累斯達(dá)建造了一個(gè)150,000m3的巖洞熱水庫，以廢物焚燒為熱源，蓄熱溫度達(dá)70C150，通過一個(gè)換熱器與區(qū)域供熱系統(tǒng)聯(lián)接。工程投資400萬美元，1982年建成，1984年完成試驗(yàn)投產(chǎn)，用于當(dāng)?shù)毓嵯到y(tǒng)，每年節(jié)油400m3以上。在地下建造冷藏庫，也可大為節(jié)約能源，少用或不用隔熱材料，溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)也較地面冷庫簡(jiǎn)單，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用比地面冷庫低得多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，約低2550。,地下工程開發(fā)與潔凈能源,2.2.3 地下洞室工程儲(chǔ)存壓縮空氣作為蓄能發(fā)電站的另一種介質(zhì),德、日等國(guó)還在開發(fā)地下壓縮空氣貯庫技術(shù)。如德國(guó)已于1979年在巖鹽層中建成一座地下壓縮空氣儲(chǔ)庫，功率為29萬KW，貯氣壓力為8Mpa。日本、美國(guó)正在開發(fā)地下超導(dǎo)磁貯電庫技術(shù)，該庫為螺旋狀排列的環(huán)形洞室。這兩種技術(shù)都可有效地貯存低峰負(fù)荷時(shí)的多余電能，滿足高峰供電需要。,地下工程開發(fā)與潔凈能源 2.2.4 地?zé)崮茉撮_發(fā)新技術(shù)- 干熱巖(HDR, hot dry rock)發(fā)電,美國(guó)Los Alamos實(shí)驗(yàn)室在卡爾德拉的芬登山于1984年6月建成世界上第一個(gè)10 MW功率的干熱巖電站。該電站主要由兩個(gè)深度為4000多米的鉆孔及其聯(lián)通孔組成，首先用水力壓裂法將干熱巖體壓出無數(shù)裂隙，形成裂隙通道和熱儲(chǔ)空間。再用地面冷水一次灌入21300m3，形成孔底循環(huán)，迅速將冷水變?yōu)楦邷?、高壓蒸汽直接進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電。,2.3 地下儲(chǔ)水工程 除建設(shè)水庫之外,可利用松散巖層、裂隙巖體、巖石洞穴建造地下人工河川、地下蓄水池和融雪槽，儲(chǔ)存豐水季節(jié)多余的自然降水供缺水季節(jié)使用，可獲得可觀的水資源。,我國(guó)水資源短缺日益嚴(yán)重。我國(guó)水資源在時(shí)空分布上極不均勻是缺水的重要原因。我國(guó)許多地方豐水季節(jié)的大量淡水因?yàn)闆]有足夠儲(chǔ)存設(shè)施白白流向大海。除在大江、大河上中游建設(shè)水庫以外，也可以利用地下空間儲(chǔ)存水源。如挪威、芬蘭等國(guó)利用松散巖層、巖層裂隙和巖石洞穴以及疏干了的地下含水層，日本，在東京、橫濱、名古屋以及扎幌等地建造地下人工河川、蓄水池和地下融雪槽，儲(chǔ)存豐水季節(jié)中多余的自然降水、降雪供缺水季節(jié)使用，就可部分改善缺水的狀況。,雨水是一種重要的淡水資源。在城市中如將雨水部分儲(chǔ)存起來，則可獲得可觀的水資源，緩解水資源危機(jī)。在年降水量為500mm的半干旱地區(qū)，1km2年降水為50萬m3，如以100km2市區(qū)面積計(jì)算，年降水量可達(dá)0.5億m3。在城市住宅小區(qū)或適當(dāng)?shù)胤絻?chǔ)積雨水，可用于澆灌綠地、水景以及下滲補(bǔ)充地下水，改善生態(tài)環(huán)境。,2.4 地下交通和地下停車場(chǎng),建設(shè)城市地鐵交通網(wǎng)與地下通道、地下停車庫、郊區(qū)火車進(jìn)入城市中心區(qū)相結(jié)合的城市地下交通體系是減少城市中心區(qū)汽車數(shù)量，根治城市大氣污染的有力措施。,解決汽車尾氣的根本措施之一是減少城市中心區(qū)汽車總量。 蒙特利爾地下有軌交通網(wǎng)是由東西兩條地鐵軸線、南北二條地鐵軸線及環(huán)形地鐵線和伸向城市中心地下兩條郊區(qū)火車道所組成。城市中心的60多個(gè)高層商業(yè)、辦公及居住建筑綜合大廈通過150多個(gè)地下出入口及相應(yīng)地下通道與這個(gè)地下交通網(wǎng)絡(luò)的站臺(tái)相連。,中心區(qū)內(nèi)人流活動(dòng)大都通過地下交通，中心區(qū)以外的人流上班、進(jìn)行公務(wù)及商業(yè)活動(dòng)時(shí)通過郊區(qū)火車，或由自備轎車到達(dá)中心區(qū)邊緣的地鐵車站，轎車停在附近的地下停車場(chǎng)，然后乘地鐵到達(dá)目的地站臺(tái)，再乘地下通道進(jìn)入各高層建筑。這樣城市中心區(qū)的機(jī)動(dòng)車數(shù)量減少到最低限度。實(shí)際情況表明，這種交通模式和措施是有效的。,2.5 城市設(shè)施轉(zhuǎn)入地下，地表讓給綠地，減少熱島效應(yīng),中國(guó)21世紀(jì)議程提出： “大力發(fā)展城市綠化事業(yè)，到20m年，綠化覆蓋率達(dá)到30，人均公共綠地面積達(dá)到7m2左右的目標(biāo)?！?聯(lián)合國(guó)建議城市公共綠地應(yīng)達(dá)到人均40m2的水平。 為此需要騰出更多的地面來進(jìn)行城市綠化。向地下要土地，要空間，已成為世界城市發(fā)展的趨勢(shì)，開發(fā)利用地下空間已成為衡量城市現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。,華盛頓人均40m2分布均勻的綠化，真如城市花園一般。世界“綠都”華沙，人均綠地70m2，確實(shí)是一座生態(tài)園林化城市。 在北方缺雨地區(qū)應(yīng)以立體綠化為主，多種樹少種草坪。,2.6 地下污水和垃圾處理廠,城市水環(huán)境和垃圾環(huán)境的治理也離不開地下空間的開發(fā)與利用。我國(guó)136條流經(jīng)城市的河流中105條水質(zhì)污染嚴(yán)重超標(biāo)，50以上的城市地下水受到污染。我國(guó)城市垃圾堆放量高達(dá)60多億噸，垃圾圍城現(xiàn)象普遍。一些發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)城市都在地下建立污水收集、輸送與處理的統(tǒng)一系統(tǒng)和垃圾廢物的分類、收集、輸送和處理的統(tǒng)一設(shè)施。,前蘇聯(lián)契爾諾貝利核電站發(fā)生爆炸泄露事故后，雖然有不少國(guó)家已經(jīng)通過立法禁止修建核電站，但綜合評(píng)價(jià)核電站還是利大于弊，不能完全否定。然而核廢料的處理仍是一個(gè)不可忽視的問題，現(xiàn)在采用的唯一辦法仍是深埋地下。如何保證深埋的核廢料不污染地下水資源及地下環(huán)境，還需要認(rèn)真研究。城市水環(huán)境和垃圾環(huán)境的治理也離不開地下空間的開發(fā)與利用。,瑞典排水系統(tǒng)的污水處理廠全部設(shè)在地下，僅斯德哥爾摩市就有排水隧道200km，擁有大型污染水處理廠6座，處理率為100。其他中、小城市，也都有地下污水處理廠，保護(hù)了城市水源，還使波羅的海免遭污染。瑞典是首先試驗(yàn)用管道清運(yùn)垃圾的國(guó)家。我國(guó)香港特區(qū)的污水處理廠也是全地下式的。美國(guó)佛羅里達(dá)州