地下空間與未來世界課件

通識課

地下空間與未來世界

——地下空間開發(fā)利用與國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展武漢大學土木建筑工程學院曾亞武博士/教授/博導高睿博士/副教授二OO八年三月地下空間與未來世界第一講緒論地下空間與未來世界通識課的意義

社會變革很快，就業(yè)壓力增加，對高等教育的要求也在不斷變化。高等教育不僅要培養(yǎng)專才，更要培養(yǎng)通才；利用高等教育通識課的機會，盡可能讓學生獲得各行各業(yè)的基本知識，非常必要！地下空間與未來世界1.1引言：關(guān)于武漢市的交通

湖北自古就有“九省通衢”之地的稱謂，武漢則是湖北“九省通衢”的咽喉要道。在當今社會，人員、物資流通頻繁的情況下，交通問題已經(jīng)是一個大到影響社會經(jīng)濟發(fā)展、小到影響個人切身利益的非常重要的問題，這個問題在我們所在的武漢市尤其突出。解決這個問題的根本出路之一，就在于地下空間的開發(fā)利用。因此，我們的課程就從武漢市的交通問題開始。地下空間與未來世界武漢六座長江大橋的位置及內(nèi)環(huán)、中環(huán)、外環(huán)線示意圖軍山大橋白沙洲大橋長江大橋長江二橋天興洲大橋陽邏大橋地下空間與未來世界武漢市內(nèi)環(huán)線的交通壓力中心城區(qū)過江隧道地下空間與未來世界主要問題1.武漢三鎮(zhèn)之間交往頻繁，過江車流、人流龐大，而兩座大橋的承載能力有限，長期處于超負荷運行狀態(tài)，如長江二橋通車僅十幾年，中間進行過一次較大規(guī)模的維修，現(xiàn)正進行大規(guī)模的維修加固；2.為解決城市客運問題，武漢市最近十幾年的公共交通得到快速發(fā)展，在一些主要干道上還劃出了公交專用車道，但過江公共交通，雖然巴士很多，但速度很慢，尤其在交通高峰期，過江已成為公共交通快速發(fā)展的瓶頸；3.最近幾年，隨著我國經(jīng)濟水平的提高，以及汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車已走進尋常百姓家，武漢市的汽車保有量已是成倍增加，給城市交通，尤其是過江交通帶來了更大的壓力，目前雖然兩座大橋均實行單雙號限制通行，但過江交通仍然越來越緊張；4.橋在不停地修，車在不停地增加，歸根結(jié)底修橋速度沒有汽車增加速度快，這一矛盾僅僅靠修橋沒法根本解決。地下空間與未來世界解決辦法1.繼續(xù)建設(shè)汽車過江通道（包括大橋、隧道）：只是解決問題的一種方法，但不是根本辦法；2.限制汽車通行：也不是長久之計，目前已經(jīng)限制單雙號了，往后再怎么限制？3.建設(shè)快速過江通道，讓大家不乘（或開）汽車，就能快速過江，我想到那時不用限制，又快又省錢的辦法誰不愿意采納？這里所謂的快速過江通道就是指軌道交通，尤其是地鐵交通。試想一下，如果乘地鐵從中南到武商，需要多少時間？我認為：5－10分鐘。這才是解決武漢市過江交通壓力的根本之道，世界上許多人口密集的大都市的經(jīng)驗已經(jīng)證明了這一結(jié)論。軌道交通快捷、準時、環(huán)保，是唯一與小車有得一拼的公共交通方式。地下空間與未來世界一組圖片2006.09.09武漢長江二橋交通狀況2006.10.07武昌火車站公交擁擠狀況地下空間與未來世界1.2地下空間的概念地下空間：在巖層或土層中天然形成或人工開挖形成的空間稱地下空間。天然形成的地下空間有：喀斯特溶洞、熔巖洞、風蝕洞、海蝕洞等；人工形成的地下空間有：各種礦洞、工程建設(shè)需要開鑿的地下洞室（如隧道、廠房等）。地下建筑：地下形成的建筑空間。地下工程：建造在地下的各種工程設(shè)施。地下空間與未來世界1.3地下空間的用途

地下空間有著廣泛的用途。在遠古時期，人類開始利用天然洞穴作為居住之用，以保護自己免遭自然災害的威脅。北京西郊周口店，約50多萬年前，北京猿人居住在自然條件較好的龍骨山天然溶洞中。在日本發(fā)現(xiàn)距今2萬─3萬年前的古人類居住洞穴。歐美、中東、北非等地都發(fā)現(xiàn)古人類穴居的遺跡。人類到地面居住以后，開始把開發(fā)地下空間用于滿足居住以外的多種需求，如采礦、儲存物資、水的輸送及交通工程等，直到現(xiàn)在大型公用設(shè)施、城市地下空間的綜合利用及地下工業(yè)、商業(yè)及軍事設(shè)施等等，地下空間用途得到普遍重視。顯然，人類對地下空間的開發(fā)利用，經(jīng)歷了從自發(fā)到自覺的漫長過程，推動這一過程的，一是人類自身的發(fā)展，如人口的繁衍和智能的提高，人類需求的擴展；二是社會生產(chǎn)力的發(fā)展和科學技術(shù)的進步。

地下空間與未來世界1.4地下空間的分類1、礦山巷道：包括各類礦物采掘后的洞室和輸送礦石的巷道工程。2、地下儲存：如糧食、油料、水果、蔬菜等的儲存，汽車庫、飛機庫、艦艇庫及核廢料儲存等。3、水工洞室：如各種輸水隧道、水電站地下廠房、地下抽水蓄能電站、地下水庫等。4、地下工廠：如各種輕重工業(yè)地下廠房、地下核電站、地下火電站等。5、地下民用與公共建筑：如地下商場、圖書館、體育場館、展覽館、影劇院、醫(yī)院、旅館、住宅及其綜合建筑體系─城市地下街道等。6、地下交通工程：如各種公路和鐵路隧道、城市地鐵、地鐵站等。7、公用和服務(wù)性地下工程：如地下自來水廠、地下污水處理廠、給排水管道及煤氣、供電、通訊管線的綜合工程等。8、地下軍事工程和防護工程：如各種野戰(zhàn)工事、指揮所、通訊樞紐、人員和武器掩蔽所、軍火和物資庫等。地下空間與未來世界1.5地下空間開發(fā)利用簡況

人類對地下空間的開發(fā)利用有著悠久的歷史，經(jīng)歷了從自發(fā)到自覺的漫長歷程。

遠古時代：利用天然洞穴作為防雨避風的住所

銅器和鐵器時代：地下空間的利用擺脫了單純的居住要求，進入更廣泛的領(lǐng)域。如古埃及金字塔，實際上是建于紀元前2650─前2500前后的一種用于墓葬的地下空間；再如前22世紀巴比倫幼發(fā)拉底河河底隧道，我國秦漢時期的地下陵墓及地下糧倉等。

地下空間與未來世界中世紀以后：地下空間的開發(fā)利用得到廣泛的發(fā)展，如采礦、地下交通、市政建設(shè)、工業(yè)和水工地下工程等，1613年修建了倫敦水道；1681年修建了地中海比斯開灣的連接隧道；1845年英國建成第一條鐵路隧道；1863年英國倫敦建成第一條城市地鐵隧道；1871年建成穿越阿爾卑斯山連接法國和意大利的公路隧道等等。二戰(zhàn)期間：由于地下建筑物在防護方面的優(yōu)越性十分明顯，許多國家都將一些軍事設(shè)施和工廠、倉庫、油庫等修建在地下。另外，將生產(chǎn)一些尖端的產(chǎn)品的車間設(shè)在地下，能夠滿足恒溫、恒濕、防震等生產(chǎn)工藝上的嚴格要求。

地下空間與未來世界戰(zhàn)后：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，對能源的需求與日俱增，從而開始了大規(guī)模的水利水電建設(shè)。有時在高山峽谷中修建水電站，由于施工場地的局限或者為了不破壞植被和生態(tài)環(huán)境，通常將水電站廠房建于地下。隨著世界人口的增長，城市面積擴大、土地減少、能源短缺、城市交通擁塞、環(huán)境污染及備戰(zhàn)防災諸方面的壓力和問題，地下空間的開發(fā)和利用已成為建設(shè)現(xiàn)代化城市的重要標志。

地下空間與未來世界1.620世紀以來地下空間開發(fā)利用的成果20世紀以來，現(xiàn)代地下空間開發(fā)有了迅速發(fā)展，達到空前規(guī)模，主要用于建造各種隧道、水利水電地下工程、大型地下公用設(shè)施和地下能源儲庫等。特別是城市地下空間的開發(fā)利用成了人們關(guān)注的熱點，視其為新的國土資源。典型工程：城市地鐵、長大隧道、地下水電站、城市地下公用設(shè)施等?？傞L53.85km的日本青涵隧道；總長51km的英吉利海峽隧道；長13.32km的瑞士哥達隧道；長14.295km的大瑤山隧道（1980年代修建）；長18.4km的秦嶺鐵路隧道（1999年6月貫通）；亞洲最長的陸上隧道：長20.05km的烏鞘嶺隧道（右線及左線分別于2006年3月和8月正式建成通車）；秦嶺終南山公路隧道：長度18.02km，居世界第二、亞洲第一，建設(shè)規(guī)模世界第一，被譽為“天下第一隧”

（2007年2月建成通車）。地下空間與未來世界地下電站發(fā)展迅速：包括地下水電站、地下火電站、地下核電站和地下抽水蓄能電站等。其中全世界的地下水電站已超過400座，規(guī)模越來越大。加拿大丘吉爾瀑布電站地下廠房長296m、寬25m、高47m；長江三峽水利工程，其地下電站部分主廠房長311.3m，高87.24m，跨度為32.6m。城市地下空間的開發(fā)利用：在這一時期成為城市建設(shè)的重要內(nèi)容。一些發(fā)達國家逐漸將地下商業(yè)街、地下停車場、地下鐵道及地下綜合管線工程等聯(lián)為一體，成為多功能地下綜合體。地下空間與未來世界1.7我國地下空間開發(fā)利用的成就居住空間：數(shù)千年前我們的祖先就在我國北方的黃土高原建造了許多供居住的窯洞和地下糧食儲備工程，至今仍有不少農(nóng)民居住在不同類型的窯洞中。

人防工程：采取平戰(zhàn)結(jié)合的方式，既保證了戰(zhàn)略效益、又獲得了社會效益和經(jīng)濟效益。

交通隧道工程：20世紀60年代開始的大規(guī)模三線建設(shè)，修建了為數(shù)眾多的鐵路、公路隧道。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，至2002年底，我國共有鐵路、公路隧道8600多條，總長度約4370km，居世界第一。

地下空間與未來世界城市地鐵建設(shè)：1965年在首都北京始建第一條城市地鐵以來，已有天津、上海、廣州、南京和武漢等城市建成營運或處于規(guī)劃設(shè)計與施工準備階段。

水利水電建設(shè)：特別是大型地下水電站廠房的建設(shè)，說明我國已具備開發(fā)大型或超大型地下空間的技術(shù)水平和能力。城市地下商城、地下綜合體等的建設(shè)：表明我國城市已經(jīng)開始大規(guī)模開發(fā)利用地下空間。發(fā)展前景：三峽庫區(qū)水下博物館已經(jīng)建成；北京中關(guān)村將投資數(shù)十億元建設(shè)地下商城；故宮擬建一個現(xiàn)代化地下展廳；橫穿萬里長江的水下隧道也于2004年相繼在南京和武漢破土動工。廈門、青島、大連正在建設(shè)或即將建設(shè)海底隧道?？梢灶A見，隨著經(jīng)濟、科技的發(fā)展，我國地下空間的開發(fā)利用即將進入一個蓬勃發(fā)展的新時期。地下空間與未來世界地下空間與未來世界1.8關(guān)于地下建筑空間施工的幾個概念明挖法：也稱挖蓋法暗挖法：也稱礦山法，鉆爆法等淺埋暗挖法：盾構(gòu)法：沉井法：沉管法：頂管法：地下連續(xù)墻法：TBM法：地下空間與未來世界(1)明挖法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖挖建蓋（填）武漢市的地下通道基本采用這種施工方法，如洪山廣場地下通道、首義廣場底下通道等。地下空間與未來世界(2)暗挖法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖一般堅硬巖層中的隧道均采用該方法施工，如大瑤山隧道、秦嶺隧道等。挖襯埋深一般大于10m地下空間與未來世界(3)淺埋暗挖法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖初襯二襯超前支護錨桿、管棚或灌漿埋深一般小于5m一般用于城市交通繁忙地帶，不允許中斷交通，且地質(zhì)條件又較差的地段，武漢市的地下過街通道大多采用該法施工。如武漢廣場、武漢會展中心、洪山廣場過街通道等地下空間與未來世界(4)盾構(gòu)法地下結(jié)構(gòu)(隧道)施工示意圖盾構(gòu)法隧道施工適用于軟土地區(qū)埋深大的隧道工程，可穿越江河、湖泊、海底、地面建筑物和地下管線密集區(qū)的下部。

地下空間與未來世界(5)沉井法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖

沉井結(jié)構(gòu)用途十分廣泛，主要用于點式地下建筑工程：如自來水廠、電廠和化工廠的水泵房、地下沉淀池和水池、地下熱電站、地下油庫、地下車間和地下倉庫等。此外，也可用作地鐵、水底隧道等各種設(shè)備井、通風井、盾構(gòu)拼裝井、車間和區(qū)間段連續(xù)沉井等。地下空間與未來世界(6)沉管法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖1地下空間與未來世界(6)沉管法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖2沉管法一般用于水下隧道施工，目前國內(nèi)已建成的最大的沉管隧道是上海外環(huán)越江隧道，總長2880m（沉管段長736m），雙向8車道。地下空間與未來世界(7)頂管法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖頂管法主要用于建造穿越城市交通繁忙地帶的地下工程，其長度、斷面尺寸均受到較大限制。國內(nèi)最長的頂管隧道是西氣東輸工程穿越黃河的隧道，長度近3000m