地下結構工程第一章緒論

地下結構工程第01章整理ppt1地下結構工程第01章整理ppt11.緒論地下結構的定義：保留上部地層（山體或土層）的前提下，在開挖出能提供某種用途的地下空間內修建的結構物，統(tǒng)稱為地下結構。地下工程分類：交通隧道，水工隧洞、礦山巷道、地下倉庫、地下工廠、地下民用與公共建筑、地下市政工程、人防工程、國防地下工程。整理ppt21.緒論地下結構的定義：保留上部地層（山體或土層）的前提下1.1地下結構型式按相對地面位置分：水平，傾斜（斜井），豎直（豎井）；按水平坑道埋置深度的不同，又分成淺埋和深埋兩種。結構型式首先由受力條件來控制，即在一定地質條件的土水壓力下和一定的爆炸與地震等動載下求出最合理和經濟的結構型式。圖結構型式也受使用要求的制約；施工方案是決定地下結構型式的重要因素之一。整理ppt31.1地下結構型式按相對地面位置分：水平，傾斜（斜井），返回圖1-1地下結構型式整理ppt4返回圖1-1地下結構型式整理ppt4北京地鐵王府井車站整理ppt5北京地鐵王府井車站整理ppt5廣州地鐵東（山口）~楊（箕）區(qū)間隧道整理ppt6廣州地鐵東（山口）~楊（箕）區(qū)間隧道整理ppt6綜合地質、使用、施工三因素，地下結構常見的型式有以下幾種：go地下結構常見的型式有以下幾種（1）附建式結構圖（2）淺埋式結構圖（3）地道式結構圖（4）沉井法結構（5）盾構法結構圖（6）連續(xù)墻結構圖（7）頂管結構圖（8）沉管法結構圖整理ppt7綜合地質、使用、施工三因素，地下結構常見的型式有以下幾種：g圖1-2附建結構exit

整理ppt8圖1-2附建結構exit整理ppt8圖1-3淺埋式結構exit整理ppt9圖1-3淺埋式結構exit整理ppt9圖1-4地道式結構圖1-5沉井

exit整理ppt10圖1-4地道式結構圖1-5沉井exit整圖1-6盾構exit整理ppt11圖1-6盾構exit整理ppt11圖1-7地下連續(xù)墻結構exit整理ppt12圖1-7地下連續(xù)墻結構exit整理ppt12圖1-8頂管exit整理ppt13圖1-8頂管exit整理ppt13圖1-9沉管exit整理ppt14圖1-9沉管exit整理ppt141.2

地下工程發(fā)展簡介

地下結構工程開發(fā)

在人類歷史中的四個標志性階段1.2.1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，它以對天然洞室的直接利用和簡單的開發(fā)為特點。這是一個相當長的歷史階段，人類對地下洞室的認識還是一個必然王國的階段，人類有意識尋找可利用的天然洞穴，因為它可以用來遮風避雨、儲存食物、躲避敵人或野獸的襲擊。隨著人類進化，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，中國古代戰(zhàn)爭中已經有了利用人工開挖隧道攻擊敵方的戰(zhàn)例。龍游石窟近年發(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，據考證已經有上千年的歷史，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。整理ppt151.2地下工程發(fā)展簡介

地下結構工程開發(fā)

在人類歷史中的四

在方圓0.38km2的土丘上，似有規(guī)律地分布了大小24個洞窟，每個洞窟的面積1000～3000m2不等，每個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”，洞內科學地分布著3～4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。1.2.2第二階段：19世紀到20世紀初的工業(yè)大革命時期，是人類歷史上有目的大規(guī)模開發(fā)地下空間的階段。這個階段以礦山工程、交通工程、水利工程、地下軍事防護工程、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，帶動了大量的鐵礦、煤礦的建設和開采。運輸?shù)男枨笥执龠M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)展的需要也促進了水利工程的發(fā)展。這些工程中都需要進行大量的豎井、隧道等地下工程的開挖和建設。城市地下工程則以給排水系統(tǒng)為主，如法國巴黎的下水道規(guī)模相當宏大。同時最早的城市地鐵建設，如倫敦地鐵（1863年），也出現(xiàn)在這一階段。整理ppt16在方圓0.38km2的土丘上，似有規(guī)律地分布了大小241.2.3第三階段：20世紀中葉到20世紀末特征：除第二階段的生產類型的工程之外，一些人類日常生活類型的設施開始向地下轉移。20世紀中葉到20世紀90年代，是地下空間的開發(fā)由工業(yè)領域向人類生存、生活的各個領域擴展的階段，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、新工藝廣泛應用于地下工程的階段。它的特征是，除第二階段的生產類型的工程，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，一些人類日常生活類型的設施開始向地下轉移。包括地下商業(yè)街(1930年)，地下停車場、地下倉庫、地下公共管線隧道，以及各種地下文化體育設施，如藝術展館、音樂廳、健身房、游泳館、滑冰場等。1.2.4第四階段：20世紀末到今天特征：節(jié)約資源、改善環(huán)境、保護生態(tài)、可持續(xù)發(fā)展。地下工程已經向環(huán)境友好工程發(fā)展。高新技術進入地下整理ppt171.2.3第三階段：整理ppt1720世紀末到現(xiàn)在，由于人類環(huán)境保護以及資源永續(xù)利用意識的不斷提高，聯(lián)合國和世界各國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的制定，人們對地球只有一個，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識的不斷深化，推動地下工程進入了一個更高階段。這個階段的特征是：節(jié)約資源、(economizeresources)改善環(huán)境、(improveenvironment)保護生態(tài)、(zoologyprotection)可持續(xù)發(fā)展(sustainabledevelopment）地下工程以環(huán)境友好工程的姿態(tài)出現(xiàn)在人們面前。高新技術進入地下：進入20世紀90年代以來，以1,激光導向技術和GPS定位技術為代表的地下施工定向定位技術、以2,遙感技術與穿地雷達技術為代表的地下勘察技術和3,地下掘進及襯砌自動控制施工技術已在實際工程中得到了一定程度的應用，這一切使得地下空間開發(fā)的第四個標志性階段，規(guī)模更大，水平更高。整理ppt1820世紀末到現(xiàn)在，由于人類環(huán)境保護以及資源永續(xù)利用意1.3

地下工程與資源環(huán)境

環(huán)視當今世界，人口銳增、資源劇耗、耕地和森林驟減、土地退化、沙漠擴大、溫室效應、酸雨危害、環(huán)境污染……環(huán)境問題制約著世界經濟的發(fā)展，更是我國經濟發(fā)展所面臨的突出問題。我國每年由于環(huán)境污染和生態(tài)破壞造成的損失達2000多億元。1.3.1

節(jié)約能源、緩和溫室效應地下空間的利用大有可為

據統(tǒng)計，在歐美國家中建筑能耗約占全國總能耗的30％左右，而建筑能耗中用于建筑物的采暖、通風空調的能耗約占全國總能耗的19．5％。地下空間由于巖土具有良好的隔熱性，可防止風、雨、日曬等地面溫度變化諸多因素的影響。測試表明，地面以下1m，日溫幾乎沒有變化，地面以下5m的室內氣溫常年恒定。1.3.2地下工程開發(fā)與潔凈能源1.3.2.1大型地下水力發(fā)電站及抽水蓄能地下發(fā)電站將成為我國水電資源開發(fā)的主要形式整理ppt191.3地下工程與資源環(huán)境環(huán)視當今世界，人口銳增、

到1999年底，全國發(fā)電裝機容量達29877kw，其中水電7297萬kw，僅次于美國居世界第二位。特別是在改革開放以來，1986年至1999年14年間，全國水電新增裝機容量達到4655.5萬kw，比1985年底全國水電裝機總容量增加了1.8倍。舉世矚目的長江三峽工程裝機1820萬KW，其中地下電站裝機420萬KW，將于2003年投產發(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，設計中的溪洛渡、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)比例遠低于全國開發(fā)比例的19％，僅有8％，因而是新世紀水電開發(fā)的重點地區(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。整理ppt20到1999年底，全國發(fā)電裝機容量達29877kw，其中

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)展機遇。根據國家規(guī)劃，新世紀頭十年的“十五”、“十一五”計劃中，全國將開工建設的大中型水電站裝機達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濟發(fā)達地區(qū)，能源結構成分多不盡合理?？梢浴罢{峰填谷”的水電比例過低，嚴重影響電網的質量。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，因而裝機高程要求較低。如果設計成地面廠房則要求很大的挖深，增加工程造價，且不安全，而設計成地下式發(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1.3.2.2地下洞室儲存熱、冷源將為太陽能的利用開辟有效的新途徑整理ppt21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

應特別指出的是，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，是既經濟又清潔的再生冷源。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，使得洞室結構簡單，維護保養(yǎng)費用大為降低。瑞典在斯德哥爾摩西北約150km的阿累斯達建造了一個150,000m3的巖洞熱水庫，以廢物焚燒為熱源，蓄熱溫度達70C℃～150℃，通過一個換熱器與區(qū)域供熱系統(tǒng)聯(lián)接。工程投資400萬美元，1982年建成，1984年完成試驗投產，用于當?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，溫度調節(jié)系統(tǒng)也較地面冷庫簡單，運行和維護費用比地面冷庫低得多，據統(tǒng)計，約低25％—50％。

整理ppt22應特別指出的是，地下空間的開發(fā)利用為自然潔凈能源的利地下工程開發(fā)與潔凈能源1.3.2.3地下洞室工程儲存壓縮空氣作為蓄能發(fā)電站的另一種介質德、日等國還在開發(fā)地下壓縮空氣貯庫技術。如德國已于1979年在巖鹽層中建成一座地下壓縮空氣儲庫，功率為29萬KW，貯氣壓力為8Mpa。日本、美國正在開發(fā)地下超導磁貯電庫技術，該庫為螺旋狀排列的環(huán)形洞室。這兩種技術都可有效地貯存低峰負荷時的多余電能，滿足高峰供電需要。1.3.2.4地熱能源開發(fā)新技術-干熱巖(HDR,hotdryrock)發(fā)電美國LosAlamos實驗室在卡爾德拉的芬登山于1984年6月建成世界上第一個10MW功率的干熱巖電站。該電站主要由兩個深度為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?、高壓蒸汽直接進入汽輪機發(fā)電。整理ppt23地下工程開發(fā)與潔凈能源1.3.2.3地下洞室工程儲存壓縮空1.3.3地下儲水工程

除建設水庫之外,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。

我國水資源短缺日益嚴重。我國水資源在時空分布上極不均勻是缺水的重要原因。我國許多地方豐水季節(jié)的大量淡水因為沒有足夠儲存設施白白流向大海。除在大江、大河上中游建設水庫以外，也可以利用地下空間儲存水源。如挪威、芬蘭等國利用松散巖層、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。

整理ppt241.3.3地下儲水工程

除建設水庫之外,可利

雨水是一種重要的淡水資源。在城市中如將雨水部分儲存起來，則可獲得可觀的水資源，緩解水資源危機。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)面積計算，年降水量可達0.5億m3。在城市住宅小區(qū)或適當?shù)胤絻Ψe雨水，可用于澆灌綠地、水景以及下滲補充地下水，改善生態(tài)環(huán)境。1.3.4地下交通和地下停車場

建設城市地鐵交通網與地下通道、地下停車庫、郊區(qū)火車進入城市中心區(qū)相結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。

整理ppt25雨水是一種重要的淡水資源。在城市中如將雨水部分儲存起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多個高層商業(yè)、辦公及居住建筑綜合大廈通過150多個地下出入口及相應地下通道與這個地下交通網絡的站臺相連。中心區(qū)內人流活動大都通過地下交通，中心區(qū)以外的人流上班、進行公務及商業(yè)活動時通過郊區(qū)火車，或由自備轎車到達中心區(qū)邊緣的地鐵車站，轎車停在附近的地下停車場，然后乘地鐵到達目的地站臺，再乘地下通道進入各高層建筑。這樣城市中心區(qū)的機動車數(shù)量減少到最低限度。實際情況表明，這種交通模式和措施是有效的。整理ppt26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。整理pp1.3.5城市設施轉入地下，地表讓給綠地，減少熱島效應《中國21世紀議程》提出：“大力發(fā)展城市綠化事業(yè)，到20m年，綠化覆蓋率達到30％，人均公共綠地面積達到7m2左右的目標?！甭?lián)合國建議城市公共綠地應達到人均40m2的水平。為此需要騰出更多的地面來進行城市綠化。向地下要土地，要空間，已成為世界城市發(fā)展的趨勢，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，確實是一座生態(tài)園林化城市。在北方缺雨地區(qū)應以立體綠化為主，多種樹少種草坪。

整理ppt271.3.5城市設施轉入地下，地表讓給綠地，減少熱島效應《中

1.3.6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136條流經城市的河流中105條水質污染嚴重超標，50％以上的城市地下水受到污染。我國城市垃圾堆放量高達60多億噸，垃圾圍城現(xiàn)象普遍。一些發(fā)達國家的先進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)一設施。整理ppt28

1.3.6地下污水和垃圾處理廠整理ppt28

前蘇聯(lián)契爾諾貝利核電站發(fā)生爆炸泄露事故后，雖然有不少國家已經通過立法禁止修建核電站，但綜合評價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，保護了城市水源，還使波羅的海免遭污染。瑞典是首先試驗用管道清運垃圾的國家。我國香港特區(qū)的污水處理廠也是全地下式的。美國佛羅里達州近年來在高層建筑地下室設置垃圾自然分類收集系統(tǒng)。由于地下空間的封閉性，上述的收集處理統(tǒng)一系統(tǒng)，可以把污水，垃圾廢物對城市的污染減少到最低限度。1.3.7

開發(fā)地下空間改善地面景觀地下空間的開發(fā)使得城市三維結構更緊密，城市的集約化程度提高，降低了人們對城市中交通的需求，使得城市的服務更加接近居民，創(chuàng)造了更加宜人和舒適的環(huán)境。發(fā)達國家成功地利用地下空間保持了城市環(huán)境宜人、舒適，保護了歷史文化景觀。整理ppt29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1.3.8

減少地下工程的環(huán)境危害

地下工程本質上說是環(huán)境友好工程，保護地面自然生態(tài)環(huán)境。但是它又改變了原來的工程地質環(huán)境，這種改變可以是有利的改變，也可能是不利的改變，甚至造成工程地質環(huán)境的危害。例如破壞了地下關系，引起了地面泉水的枯竭、地面坍塌和地裂縫，隧道的開挖破壞了巖體結構導致了山體滑坡或泥石流，基坑的開挖引起了地基土層的擾動造成了城市地面的沉陷等等。由于地下工程的不可逆性，往往這種變化也是不可逆的，后果是嚴重的。因此我們在修建地下工程前必須對巖床、地層和地下水系對工程的敏感性予以充分注意，給以嚴密論證、分析甚至模擬仿真。應用現(xiàn)代技術進行全面細致的工程勘察。在地下工程的規(guī)劃設計和方案設計時，應充分論證地下工程對環(huán)境引起的有害沖擊和有益保護問題，如引起有害沖擊，必須作出特殊工程處理，以求消除，使工程對地質環(huán)境影響最小，而收到的環(huán)境效益最大。整理ppt301.3.8減少地下工程的環(huán)境危害地下工程本質上1.4設計內容設計分工藝設計、規(guī)劃設計、建筑設計、防護設計、結構設計、設備設計等。結構設計工作一般分初步設計和施工圖設計兩個階段。整理ppt311.4設計內容設計分工藝設計、規(guī)劃設計、建筑設計、防護設

初步設計的內容

（1）工程防護等級，三防要求與