第7章-地下工程

第7章地下工程地下工程：指地面以下土層或巖體中修建各種類型的地下建筑物或結(jié)構(gòu)的工程。它包括：

交通運(yùn)輸方面的地下鐵道、隧道、停車場(chǎng)、通道等；軍事方面和野戰(zhàn)軍事的地下指揮所、通訊樞紐、掩蔽所、軍火庫(kù)等；工業(yè)與民用方面的地下車間、電站、庫(kù)房、商店、人防與市政地下工程；文化、體育、娛樂(lè)與生活等方面的聯(lián)合建筑體。7.1概述

20世紀(jì)80年代國(guó)際隧道協(xié)會(huì)（ITA）提出“大力開(kāi)發(fā)地下空間，開(kāi)始人類新的穴居時(shí)代”的口號(hào)。順應(yīng)于時(shí)代的潮流，許多國(guó)家將地下開(kāi)發(fā)作為一種國(guó)策，如日本提出了向地下發(fā)展，將國(guó)土擴(kuò)大十倍的設(shè)想。從某種意義上來(lái)講，地下空間的利用歷史是與人類文明史相呼應(yīng)的，它可以分為四個(gè)時(shí)代：

第一時(shí)代遠(yuǎn)古時(shí)期。人類原始穴居，天然洞窟成為人類防寒暑、避風(fēng)雨、躲野獸的處所。如：北京周口店的北京猿人洞穴是迄今所知世界上最早的與巖土工程有關(guān)的遺址。

第二時(shí)代古代時(shí)期。埃及金字塔、古代巴比倫引水隧道，均為此時(shí)代的建筑典范。我國(guó)秦漢時(shí)期的陵墓和地下糧倉(cāng)，已具有相當(dāng)技術(shù)水準(zhǔn)和規(guī)模。

第三時(shí)代中世紀(jì)時(shí)代。世界范圍礦石開(kāi)采技術(shù)出現(xiàn)，推進(jìn)了地下工程的發(fā)展。

第四時(shí)代近代與現(xiàn)代。歐美產(chǎn)業(yè)革命，諾貝爾發(fā)明黃色炸藥，成為開(kāi)發(fā)地下空間的有力武器。日本明治時(shí)代，隧道及鐵路技術(shù)開(kāi)始引進(jìn)并得到發(fā)展。新疆吐魯番的坎兒井，有“地下長(zhǎng)城”之美譽(yù)國(guó)外地下空間的發(fā)展情況我國(guó)地下空間利用最早始于西北黃土高原?，F(xiàn)代地下空間的開(kāi)發(fā)和利用始于60年代。1965年北京建設(shè)地下鐵道。70年代，我國(guó)修建了大量地下人防工程，其中相當(dāng)一部分目前已得到開(kāi)發(fā)利用，改建為地下街、地下商場(chǎng)、地下工廠和貯藏庫(kù)。80年代上海建成延安東路水底公路隧道。90年代以來(lái)我國(guó)城市地下的交通與市政設(shè)施加快了速度修建。我國(guó)地下空間的發(fā)展情況我國(guó)地下工程的建設(shè)現(xiàn)狀

我國(guó)地下空間開(kāi)發(fā)尚處于開(kāi)發(fā)階段，一般高層建筑下設(shè)有地下室，有數(shù)層的多做地下停車場(chǎng)。在北京、天津、上海、香港、廣州、臺(tái)北等城市建有地鐵。由此可見(jiàn)我國(guó)地下工程建設(shè)量與國(guó)外相比具有天壤之別。隨著我國(guó)城市化的加劇，出路與節(jié)約城市土地資源，開(kāi)發(fā)利用地下空間，我國(guó)必須大力發(fā)展地下工程建設(shè)。近現(xiàn)代地下空間的開(kāi)發(fā)與利用

1.“人防”向“民防”轉(zhuǎn)變2.改善交通，繁榮區(qū)域經(jīng)濟(jì)3.地下室利用4.舊城保護(hù)5.發(fā)展商業(yè)地下工程的類型

地下工程可根據(jù)建造環(huán)境和建造方式與用途的不同，分為隧道工程、地下建筑物、地下構(gòu)筑物等類型。隧道工程主要是指鐵路隧道、公路隧道、地下鐵道、越江隧道、海底隧道以及水工、熱力、電纜隧道等。

地下建筑物主要是指建筑物的地下室、地下廠房、地下倉(cāng)庫(kù)、地下車庫(kù)、地鐵車站、城市地道、地下商業(yè)街等。

地下構(gòu)筑物主要是指軍事、人防工程、城市共用溝、水工構(gòu)筑物、貯水池、游泳池等。7.2隧道工程一、概述1.概念是修筑在巖體、土體或水底的，兩端有出入口的，供車輛、行人、水流及管線等通過(guò)的通道。包括交通運(yùn)輸方面的鐵路、道路、水（海）底隧道和各種水工隧道等。楊浦電廠取水工程2.特點(diǎn)是交通運(yùn)輸線路穿越天然障礙的有效方法。

穿越的地質(zhì)條件復(fù)雜多變，工程定位、設(shè)計(jì)、施工方法要隨時(shí)作相應(yīng)調(diào)整。

施工作業(yè)面窄，勞力設(shè)備受到限制，工業(yè)化、機(jī)械化施工要求高。

造價(jià)昂貴。八達(dá)嶺隧道口前石拱橋上海市大連路隧道工程，使用兩臺(tái)直徑為11.22米的超大型盾構(gòu)機(jī)施工。

建成后為雙向四車道，設(shè)計(jì)車速為每小時(shí)40公里，通行凈高4.5米。隧道線路總長(zhǎng)約2.5公里。

施工中采用了冰凍法加固等新技術(shù)，日最大推進(jìn)達(dá)15米。

工程總投資16.55億元。大閣山隧道全長(zhǎng)496米，開(kāi)挖高度18米，開(kāi)挖跨度22米，凈寬18米，單跨雙向四車道，是目前國(guó)內(nèi)單孔跨度最大的公路隧道。工程造價(jià)為3806.52萬(wàn)元。

3.發(fā)展概況

世界第一座交通隧道是公元前2180~2160年在巴比倫城中幼發(fā)拉底河下修筑的人行通道。

我國(guó)古代（公元前8世紀(jì)~前3世紀(jì)）建造有深達(dá)40m以上的銅礦礦井（豎井和斜井）

19世紀(jì)20年代蒸汽機(jī)的出現(xiàn)以及鐵路和煉鋼工業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了隧道工程的發(fā)展。1826~1830年英國(guó)在利物浦硬巖中修建了兩座最早的鐵路隧道。

1843年英國(guó)在泰晤士河修建了第一條水底道路隧道。（盾構(gòu)法施工）

20世紀(jì)50年代，人們才總結(jié)出各種類型隧道工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工的基本原理，在土木工程中逐漸形成了一個(gè)獨(dú)立的工程領(lǐng)域。4、隧道結(jié)構(gòu)隧道的的結(jié)構(gòu)有主體構(gòu)造物和附屬構(gòu)造物兩大類組成，主體支護(hù)結(jié)構(gòu)是洞身襯砌和洞門，附屬建筑物有排水溝、通風(fēng)設(shè)施、照明設(shè)施、電力設(shè)施等等洞身：隧道結(jié)構(gòu)的主體部分。襯砌：承受地層壓力，維持巖體穩(wěn)定，阻止坑道周圍地層變形的永久性支撐物。它由拱圈、邊墻、托梁和仰拱組成。洞門：位于隧道出入口處，用來(lái)保護(hù)洞口土體和邊坡穩(wěn)定，排除仰坡流下的水。它由端墻、翼墻及端墻背部的排水系統(tǒng)所組成。洞身襯砌結(jié)構(gòu)類型

隧道開(kāi)挖后為了保持圍巖的穩(wěn)定性，一般需進(jìn)行支護(hù)，也就是進(jìn)行襯砌。襯砌的基本類型如下圖所示。（1）直墻式襯砌通常用于以巖石地層垂直圍巖壓力為主要計(jì)算荷載、水平圍巖壓力很小的情況。直墻式襯砌結(jié)構(gòu)的拱部，可以采用割圓拱、坦三心圓拱或尖三心圓拱

（2）曲墻式襯砌通常用于巖石地層，水平圍巖壓力較大，為了抵抗較大的水平壓力把邊墻也做成曲線形狀。當(dāng)?shù)鼗鶙l件較差時(shí)，為防止襯砌沉陷，抵御底鼓壓力，使襯砌形成環(huán)狀封閉結(jié)構(gòu)，可以設(shè)置仰拱。（3）噴混凝土襯砌、噴錨襯砌及復(fù)合式襯砌要求用光面爆破開(kāi)挖，使洞室周邊平順光滑，成型準(zhǔn)確，減少超欠挖，適當(dāng)?shù)臅r(shí)間噴混凝土，即為噴混凝土襯砌。根據(jù)實(shí)際情況，需要安裝錨桿的則先裝設(shè)錨桿，再噴混凝土，即為噴錨襯砌。如果以噴混凝土、錨桿或鋼拱支架的一種或幾種組合作為初次支護(hù)對(duì)圍巖進(jìn)行加固，維護(hù)圍巖穩(wěn)定防止有害松動(dòng)，待初次支護(hù)的變形基本穩(wěn)定后，進(jìn)行現(xiàn)澆混凝土二次襯砌，即為復(fù)合式襯砌。(4)偏壓襯砌當(dāng)山體地面坡陡于1：2.5，線路外側(cè)山體覆蓋較薄，或由于地質(zhì)構(gòu)造造成的偏壓，為承受這種不對(duì)稱圍巖壓力而采用的襯砌形式(5)喇叭口隧道襯砌在山區(qū)雙線隧道，有時(shí)為繞過(guò)困難地形或避開(kāi)復(fù)雜地質(zhì)地段，減少工程量，可將一條雙幅公路隧道分建為二個(gè)單線隧道，或兩個(gè)單線并建為一條雙幅的情況(或車站隧道中的過(guò)渡線部分)，襯砌產(chǎn)生了一個(gè)過(guò)渡區(qū)段，這部分隧道襯砌的斷面及線間距均有變化，相應(yīng)成了一個(gè)喇叭口型(6)圓形斷面隧道為了抵御膨脹性圍巖壓力，山嶺隧道也可以采用圓形或近似圓形斷面，因?yàn)樾枰^大的襯砌厚度，所以多半在施工時(shí)進(jìn)行二次襯砌。(7)矩形斷面襯砌用沉管法施工時(shí)，其斷面可以用矩形型式。明挖法施工時(shí)其斷面廣泛采用矩形，其回填土厚度一般較小。另外城市中的過(guò)街人道，其斷面也是以矩形為基礎(chǔ)組成

洞門的作用是減少洞口土石方開(kāi)挖量、降低仰坡開(kāi)挖高度，承受山體推力并支撐邊仰坡的穩(wěn)定，確保洞口行車安全。常見(jiàn)洞口類型有以下幾種。

a.端墻式洞口適用于地質(zhì)條件較好的洞口地段。

b.翼墻式洞口適用于地質(zhì)條件較差的洞口地段。

c.柱式洞口適用于地質(zhì)條件較差，且不便于設(shè)置翼墻的洞口地段。

d.臺(tái)階式洞口適用于地形等高線與線路中線斜交的洞口地段。

e.明洞口適用于明挖隧道的洞口地段。洞門形式洞門基本類型豎井、斜井

一般隧道開(kāi)挖是從兩洞口或從其中一個(gè)方向洞口進(jìn)行，但對(duì)于長(zhǎng)大隧道，因工期限制、經(jīng)濟(jì)、施工、地形、環(huán)境等條件，有必要分成幾個(gè)工程區(qū)段進(jìn)行施工，多數(shù)情況下要設(shè)工作坑道。

工作坑道按坡度區(qū)分為橫洞、斜井、豎井和平行導(dǎo)坑。

豎井、斜井除作為施工作業(yè)坑道外，常使用于公路隧道的通風(fēng)井，水底隧道的揚(yáng)排水和維修保養(yǎng)通道，揚(yáng)水式發(fā)電站的調(diào)壓水槽和壓力管道閘門等，最近還使用于石油和液化氣的地下儲(chǔ)藏的永久性洞庫(kù)。豎井斜井用于通風(fēng)的豎井5.隧道施工方法礦山法（適用于硬巖中開(kāi)挖隧道）包括傳統(tǒng)方法和新奧法。多數(shù)情況下都需要采用鉆眼爆破進(jìn)行開(kāi)挖，又叫鉆眼爆破法掘進(jìn)機(jī)法，包括隧道掘進(jìn)機(jī)法和盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)法。盾構(gòu)法：盾構(gòu)為一鋼制圓筒，周邊設(shè)置千斤頂推向前方。

沉管法：多用于水底隧道。注漿法。在施工范圍布置注漿孔，灌人水泥砂漿或其他化學(xué)漿液，以使土層固結(jié)，故此法亦稱為灌漿固結(jié)法。頂管法。當(dāng)淺埋隧道穿越地面鐵路、城市交通干線、交叉路口或地面建筑物密集、地下管線縱橫地區(qū)時(shí)，為保證交通不致中斷和行車安全，可采用頂管法施工。新奧法。新奧法的特征之一是采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、量測(cè)信息指導(dǎo)施工。

明挖法或圍堤明挖法（敞口開(kāi)挖基坑，修建隧道后覆填）常用的明挖法有三種:敞口放坡明挖板樁法地下連續(xù)墻施工法龐大的隧道施工設(shè)備6隧道通風(fēng)與照明自然通風(fēng)：不設(shè)專門的通風(fēng)設(shè)備，利用洞口間的自然壓力差或汽車行駛時(shí)活塞作用產(chǎn)生的交通風(fēng)力達(dá)到通風(fēng)目的機(jī)械通風(fēng)：從一個(gè)洞口引進(jìn)新鮮空氣，由另一個(gè)洞口排出污染空氣的方式。隧道照明：與一般部位的道路照明不同，其顯著特點(diǎn)是晝間需要照明，防止司機(jī)視覺(jué)信息不足引發(fā)交通事故。應(yīng)保證白天習(xí)慣于外界明亮寬闊的司機(jī)進(jìn)人隧道后仍能認(rèn)清行車方向，正常駕駛。隧道照明主要由人口部照明、基本部照明和出口部照明與接續(xù)道路照明構(gòu)成。公路隧道空氣污染造成危害的主要原因是一氧化碳，道路隧道要有較完善的通風(fēng)、照明、防災(zāi)等附屬設(shè)施。7.隧道的防水與排水

在隧道運(yùn)營(yíng)期間，地下水常從混凝土襯砌的施工縫、變形縫(伸縮縫和沉降縫)、裂縫甚至混凝土孔隙等通道，滲漏進(jìn)隧道中。造成洞內(nèi)通信、供電、照明等設(shè)備處于潮濕環(huán)境而發(fā)生銹蝕;使路面積水或結(jié)冰，造成打滑，危及行車安全;由于結(jié)冰膨脹和侵蝕性地下水的作用，不僅使襯砌受到破壞，而且使得以上危害更加嚴(yán)重。為避免和減少水的危害，我國(guó)隧道工作者已總結(jié)出“截、堵、排相結(jié)合”的綜合治水原則，并以澆筑混凝土襯砌作為防水(堵水)的基本措施。截水措施堵水措施排水措施二、各類隧道簡(jiǎn)介1.鐵路隧道

組成由洞口路塹（或引道）、洞門、洞身襯砌結(jié)構(gòu)和隧道內(nèi)外附屬構(gòu)筑物（道床、避車洞、水溝、照明、設(shè)置電氣化設(shè)備的洞室等）組成。

大瑤山隧道是我國(guó)鐵路隧道最長(zhǎng)的,長(zhǎng)14.295km.

隧道內(nèi)的線路可用單向坡或雙向坡

隧道襯砌的橫斷面2.公路隧道

類別：按隧道所處的位置分為山嶺道路隧道；水底道路隧道；城市道路隧道。

道路隧道要盡量設(shè)計(jì)成直線。隧道內(nèi)縱坡不宜大于3.5%,也不應(yīng)小于0.3%。

道路隧道要有較完善的通風(fēng)、照明、防災(zāi)等附屬設(shè)施。

發(fā)展情況：據(jù)西歐、日本等13個(gè)國(guó)家的統(tǒng)計(jì)資料，長(zhǎng)度超過(guò)3km的已有105座，最多的國(guó)家為日本，29座，最長(zhǎng)的為瑞士與意大利間的穿越阿爾卑斯山的圣哥達(dá)隧道，長(zhǎng)16.918km,單孔雙車道。四川成渝高速公路隧道長(zhǎng)5006m公路隧道的各種主要斷面形狀公路建筑限界公路隧道橫斷面凈空鐵路或公路遇到水面障礙物時(shí)，除可修建橋梁通過(guò)外，修建水底隧道可能是最佳方案。尤其在水面寬，航運(yùn)繁忙，通過(guò)巨型船只較多，不宜建造高橋和長(zhǎng)引橋的情況下。3.水底隧道

水底隧道一般分水底段和河岸段，后者又有暗埋、敞開(kāi)及出口部分。

施工方法：盾構(gòu)法、沉管法用盾構(gòu)法建造的水底隧道，自兩端至洞口，一般為槽形敞開(kāi)式引道段，穿越水底的暗埋段，斷面大多為圓形。引道段用沉管法建造水底隧道除有引道段外，穿越水底的沉管有時(shí)是由幾個(gè)通道組成的矩形管段組成。目前，全世界已建成和計(jì)劃建設(shè)的海底隧道有20多條，主要分布在日本、美國(guó)、西歐、中國(guó)的香港九龍等地區(qū)。從工程規(guī)模和現(xiàn)代化程度上看，當(dāng)今世界最有代表性的跨海隧道工程，莫過(guò)于英法隧道和日本青函隧道。英法隧道橫貫英吉利海峽，從英國(guó)的?？怂雇ǖ椒▏?guó)的桑加特，把英倫三島與歐洲大陸連接起來(lái)。隧道由兩股火車隧道和一股工作隧道構(gòu)成，全長(zhǎng)53公里，海底部分37公里。該隧道已于1995年建成通車。由于英倫海峽隧道把歐洲大陸與英倫三島聯(lián)系起來(lái),再乘座高速列車(Eurostar歐洲之星),從倫敦到巴黎僅需要3小時(shí),穿越英吉利海峽僅需要20分鐘.一、地下水電站7.3地下電站地下水電站劃分為兩種主要類型

1、利用江河水源的地下水力發(fā)電站

2、循環(huán)使用地下水的抽水蓄能水電站地下水電站包括水壩和電站兩大部分

地下水電站從樞紐布置來(lái)看又分為兩類：地下式廠房位于首部樞紐地下室廠房遠(yuǎn)離首部樞紐龍灘水電站的地下廠房系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)最大、世界第二大的地下工程。地下水力發(fā)電站的特點(diǎn)利用地下空洞發(fā)電的設(shè)施有水力發(fā)電站和原子能發(fā)電站等。地下水力發(fā)電站多設(shè)在山區(qū)堅(jiān)硬的巖石層中，其特點(diǎn)是:(1)不受地形的制約，可自由選擇位置，能充分利用落差。

(2)不擔(dān)心雪害、冰害以及落石的危害。

(3)構(gòu)造物不露出地面，對(duì)自然環(huán)境損害小。

(4)與天氣、氣溫?zé)o關(guān)，可全年進(jìn)行施工。

(5)在地下修建大空洞，地質(zhì)條件對(duì)建設(shè)費(fèi)用影響很大。小浪底水利工程地下廠房二、地下抽水蓄能水電站通常設(shè)于地下千米左右的地下深處，具有地上、地下兩個(gè)水庫(kù)。供電高峰時(shí)時(shí)，水由地上水庫(kù)、經(jīng)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電后流入地下水庫(kù)；供電低峰時(shí)，用多余的電力反過(guò)來(lái)將地下水庫(kù)的水抽回原地面水庫(kù)，以便循環(huán)使用。抽水蓄能電站工程的特點(diǎn):

不需要很大容量的水庫(kù)，站址選擇比常規(guī)電站的限制少抽水蓄能機(jī)組可以應(yīng)用到相當(dāng)高的水頭范圍，造價(jià)低，向高水頭發(fā)展的趨勢(shì)明顯?？捎行Ы档透咚^輸水管道的造價(jià)。宜建在地震穩(wěn)定地帶。淹沒(méi)深度對(duì)地面廠房施工帶來(lái)很大難度，因此更多地趨向于使用地下廠房。壩體和庫(kù)坡的穩(wěn)定性需要特別注意必須有可靠的防滲措施機(jī)電設(shè)備投資比重高。三、地下原子能發(fā)電站原子能發(fā)電站的形式1、半地下式2、完全地下式原子能發(fā)電站的優(yōu)點(diǎn)1、選址容易2、巖體對(duì)地下放射物質(zhì)有良好的遮蔽效果3、耐震、有良好的防護(hù)性7.4其他地下工程一、為何要建造地下倉(cāng)庫(kù)？

1、地下環(huán)境對(duì)于許多物質(zhì)的貯存有突出的優(yōu)越性，地下環(huán)境的熱穩(wěn)定性、密閉性和地下建筑良好的防護(hù)性能，為在地下建造各種貯庫(kù)提供了十分有利的條件。

2、人口的增長(zhǎng)、集中和都市化，世界各國(guó)都面臨能源、糧食、水的供應(yīng)和放射性以及其它廢棄物的處理問(wèn)題。地下倉(cāng)庫(kù)的定義：修建在地下的貯品建筑物。根據(jù)貯品的不同分為：地下糧陣，油品、藥品庫(kù)，地下冷藏庫(kù)，地下物資倉(cāng)庫(kù)，地下燃油、燃?xì)鈳?kù)，地下軍械、彈藥庫(kù)地下倉(cāng)庫(kù)水封油庫(kù)（變動(dòng)水位法）二、地下燃料貯庫(kù)可分為以下幾種類型1、開(kāi)鑿洞室貯庫(kù)2、

巖鹽溶淋洞室油庫(kù)

3、廢舊礦坑油庫(kù)4、其它油庫(kù)儲(chǔ)藏室地下倉(cāng)庫(kù)城市地下綜合體一、地下綜合體定義為建設(shè)沿三維空間發(fā)展的，地面地下連通的，結(jié)合交通、商業(yè)貯存、娛樂(lè)、市政等多用途的大型公共地下建筑。二、地下綜合體特點(diǎn)多重功能、空間重疊、設(shè)施綜合。上海人民廣場(chǎng)地下綜合體三、結(jié)構(gòu)形式地下建筑物可以構(gòu)筑成隧道形式，也可以和地面房屋相似，在平面布局上采用棋盤式和房間式的布置，并可建成多層多跨的框架結(jié)構(gòu)。平頂直墻式隧道北京天外天地下商場(chǎng)主要采用了五連拱多跨梁柱結(jié)構(gòu)施工方法。平頂直墻田字型開(kāi)