地下工程的緒論歷史

1、第一章 緒 論1. 地下工程的涵義地下工程：是從事研究和建造城市各種地下工程的規(guī)劃、勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)的一門綜合性應(yīng)用科學(xué)與工程技術(shù)，是土木工程的分支。 地下工程通常包括：交通運(yùn)輸方面的地下鐵道、公路隧道、地下停車場(chǎng)及各種穿越障礙的地下通道；工業(yè)與民用方面的各種地下制作車間、電站、各種車房及商店；人防市政地下工程，以及文化、體育、娛樂、與生活等方面的聯(lián)合體育建筑等。地下結(jié)構(gòu)：與地下工程相關(guān)的結(jié)構(gòu)；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(nèi)修建的結(jié)構(gòu)物，統(tǒng)稱為地下結(jié)構(gòu)。第一節(jié) 地下工程的意義、特征及歷史2. 地下工程的特征A. 可為人類的生存開拓廣闊的空間B. 具

2、有良好的熱穩(wěn)定性和密閉性C. 具有良好的抗災(zāi)和防護(hù)性能D. 社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方面的綜合效益好E. 施工條件較復(fù)雜，造價(jià)較高 3. 地下工程的歷史沿革人類對(duì)地下空間利用大體可分為四個(gè)時(shí)期：A. 遠(yuǎn)古時(shí)期 從出現(xiàn)人類到公元前3000年。 初始人類利用天然洞穴作為防風(fēng)雨、避暑寒的居住處所。巴比倫人在幼發(fā)拉底河底挖出了一條長3000英尺的隧道。B. 古代時(shí)期 公元前3000年至5世紀(jì)。公元前2200年的巴比侖河底隧道。公元前 312-226年羅馬地下輸水道及貯水池。公元前206年我國建成的秦始皇陵，從已發(fā)掘出的兵馬俑坑群看可能是我國歷史上最大的地下陵墓工程。C.中世紀(jì)時(shí)期 5世紀(jì)至14世紀(jì)我國隋朝

3、(7世紀(jì))在洛陽東北建造了面積達(dá)600m700m的近200個(gè)地下擱倉，其中第160號(hào)倉直徑11m， 深7m，容量145m3，可存糧25003000 t。宋朝在河北峰峰建造的軍用地道，約長40km。自4世紀(jì)中葉佛教傳人我國后，相繼建成著名的云岡石窟、龍門石窟(北魏)，敦煌莫高窟(從北魏到元各朝)，以及甘肅麥積山和河北邯鄲響堂山石窟等這些石窟巖洞形成一個(gè)大型的雕刻藝術(shù)空間。大型石窟由于室內(nèi)空間高大，一般窟中又有大佛，往往成了一個(gè)容有大佛的空井。如北魏早期的云崗曇曜五窟，窟內(nèi)空間高達(dá)20米左右。崩坍與風(fēng)化對(duì)石窟危害最大。導(dǎo)致崩坍與風(fēng)化的主要原因是巖性和水。含碳酸鈣（CaCO）的巖洞受水侵蝕能使巖石變

4、成松散的粘土礦物，加速巖石解體，造成窟洞崩坍與風(fēng)化。因此，必須解決好石窟的排水問題。唐代龍門奉先寺佛龕，曾在峭壁的上方與兩則修筑了一條長120米，寬12米，深12米的排水溝，把窟頂?shù)乃_，減少水對(duì)裂隙滲透，有效地保護(hù)了佛龕。樂山大佛在佛頭的發(fā)髻里筑建了3條排水系統(tǒng)，讓雨水從佛背后排掉，不流向面部。D. 近代時(shí)期(國外) 從15世紀(jì)開始至今:1613年英國建成倫敦地下水道。1681年修建地中海比斯開灣長170m的連接隧道。1843年倫敦，建成越河隧道。1863年英國在倫敦建成世界第一條城市地下鐵道。1871年穿越阿爾卑斯山，連接法國和意大利的長12.8km的公路隧道。20世紀(jì)90年代初，世界上

5、已有遍100多個(gè)城市修建地下鐵道，目前線路總長度將達(dá)5000km(地下線路近3000km)。 1867瑞典工程師Alfred Nobel注冊(cè)炸彈專利之后，隧道建設(shè)得以迅猛發(fā)展。1927荷蘭隧道(Holland Tunnel)開始使用通風(fēng)系統(tǒng)來排除廢氣。Hudson河的兩岸，分別有位于4個(gè)不同建筑里的84枚風(fēng)扇為隧道換風(fēng)。隧道內(nèi)空氣每90秒鐘完全更新一次。1952James S. Robbins在修建南達(dá)科他州奧阿希大壩時(shí)想出了個(gè)絕好的點(diǎn)子，于是設(shè)計(jì)了第一個(gè)現(xiàn)代意義上的隧道掘進(jìn)機(jī)。1963在以真實(shí)故事為原型的勝利大逃亡中，德國集中營的囚犯得以從挖掘出來的三條隧道逃脫。這三位英雄的名字分別是Tom

6、、Dick和Harry。1962受到PopMech雜志的啟發(fā)，三名阿爾卡特拉斯監(jiān)獄的囚犯用偷藏的湯勺挖出了一條逃生地道。他們用臨時(shí)搭建的木筏漂到了舊金山，去向再也不為人知。1988日本33英里長，連接了本州與北海道的青函隧道(Seikan Tunnel)是世界上最長也是最深(位于海平面下787英尺)的隧道?？上У氖?，很多時(shí)間寶貴，花錢精明的旅客堅(jiān)持選擇飛機(jī)。1994在192年的謀劃以及6年的建設(shè)之后，海峽隧道(Channel Tunnel)終于貫通了英吉利海峽，連接了英國與法國。造價(jià)210億美元的海峽隧道，是迄今成本最高的建設(shè)工程。2005走私者挖通了一條360英尺(110米)長的隧道，隧道的

7、一頭連接加拿大境內(nèi)一座半桶形房屋，另一頭通到華盛頓州林登市一間屋子的臥室。警方非常佩服其照明、通風(fēng)系統(tǒng)與混泥土地板。2010為完成紐約地鐵第二大道線(Second Avenue Subway)這個(gè)開工81年來一直未峻的工程，紐約開動(dòng)了本市史上第一臺(tái)隧道掘進(jìn)機(jī)。隨挖隨填法與鉆爆法也同時(shí)被采用。2013世界上最大的隧道掘進(jìn)機(jī)寬57.5英尺，重7000噸，已經(jīng)開始用于開鑿一條隧道以替代西雅圖的阿拉斯加路高架橋。這條隧道將成為北美最寬的隧道。4、地下空間利用現(xiàn)狀地下電站地下煤礦地下儲(chǔ)能深部礦山深海石油國防人防地下鐵道地下停車場(chǎng)上下水道商業(yè)設(shè)施地下城市龔嘴電站地下廠房地下停車場(chǎng)地下超市中國地鐵第一個(gè)暗挖

8、車站西單站車站效果圖地下結(jié)構(gòu)明挖施工現(xiàn)場(chǎng)蓋挖法施工（主體結(jié)構(gòu)）蓋挖法施工地下工程礦山法施工南京用的盾構(gòu)機(jī)雙圓盾構(gòu)主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖DOT（雙圓盾構(gòu)）已建成異形隧道異形管片泥水盾構(gòu)構(gòu)造圖西二環(huán)大盾構(gòu)項(xiàng)目第二節(jié) 地下工程的基本屬性A. 綜合性規(guī)劃、設(shè)計(jì)與施工需要運(yùn)用工程測(cè)量、巖土力學(xué)、工程力學(xué)、工程設(shè)計(jì)、建筑材料、建筑結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)備、工程機(jī)械、技術(shù)經(jīng)濟(jì)等學(xué)科和洞室施工技術(shù)、施工組織等領(lǐng)域的知識(shí)以及電子計(jì)算機(jī)和工程測(cè)試等技術(shù)。B. 社會(huì)性 地下工程是伴隨著人類社會(huì)發(fā)展需要而逐漸發(fā)展起來的，它所建造的工程設(shè)施應(yīng)反映出各個(gè)不同年代社會(huì)經(jīng)濟(jì)、文化、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的面貌與水平。C. 實(shí)踐性 在某種意義上說地下工程

9、的工程實(shí)踐常先行于理論。至今不少工程問題的處理，在很大程度上仍然依靠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；即使襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以工程類比為主的經(jīng)驗(yàn)法，至今仍在廣泛應(yīng)用。D. 技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、建筑藝術(shù)和環(huán)境的統(tǒng)一性 人們力爭(zhēng)最經(jīng)濟(jì)地建造既安全、適用又美觀的地下建筑工程，但工程的經(jīng)濟(jì)性和各項(xiàng)技術(shù)活動(dòng)密切相關(guān)。首先表現(xiàn)在工程選址、總體規(guī)劃上，其次表現(xiàn)在工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)是否合理。工程建設(shè)的總投資、工程建成后的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益以及使用期間的維護(hù)費(fèi)用多少等，都是衡量工程經(jīng)濟(jì)性的重要依據(jù)，這些都與技術(shù)工作密切相關(guān)，必須綜合全面考慮。第三節(jié) 地下工程的結(jié)構(gòu)施工一. 地下工程的結(jié)構(gòu)形式與襯砌A. 結(jié)構(gòu)形式：常見的型式有以下幾種（1） 附建

10、式結(jié)構(gòu) （2） 淺埋式結(jié)構(gòu)（3） 地道式結(jié)構(gòu)（4） 沉井法結(jié)構(gòu) （5） 盾構(gòu)法結(jié)構(gòu)（6） 連續(xù)墻結(jié)構(gòu) （7） 頂管結(jié)構(gòu)（8） 沉管法結(jié)構(gòu) 附建式、單建式盾構(gòu)地下連續(xù)墻頂管沉管二、地下工程的基本作業(yè)內(nèi)容 基本作業(yè)包括：降水、開挖、支護(hù)、防水和襯砌等技術(shù)。 降水技術(shù)：是確保地下工程在無水情況下作業(yè)施工所采取的技術(shù)措施。實(shí)施降水施工，必須按當(dāng)?shù)卣ㄔO(shè)行政主管部門的規(guī)程和文件嚴(yán)格控制實(shí)施。 支護(hù)技術(shù)：是為了地下工程開挖的安全，一般分為臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)。形式上有鋼支撐、混凝土支撐、鋼格柵支撐、錨桿等等。B. 襯砌 襯砌是地下建筑物周邊構(gòu)筑的永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)。它的主要作用：一是承重，即承受臣巖壓力、地下

11、水壓力、結(jié)構(gòu)自重以及其他荷載的作用；二是圍護(hù)，除用來防止圍巖風(fēng)化與崩塌外，必須做到防水和防潮。根據(jù)施工方法的不同,大體可將襯砌分為下列四種：(1)模筑式襯砌 (2)離壁式襯砌 (圍巖穩(wěn)定、防潮要求高)(3)裝配式襯砌 (4)錨噴襯砌 右圖為管片安裝模筑施工隧道襯砌斷面 上海地鐵隧道北京在建地鐵隧道廣州地鐵隧道地鐵工程建設(shè)特點(diǎn) 建設(shè)規(guī)模大、投資高、周期較長、技術(shù)復(fù)雜。對(duì)工程質(zhì)量要求高，是土建及機(jī)電設(shè)備復(fù)雜的綜合性系統(tǒng)工程。具有如下特點(diǎn)： （1）工程風(fēng)險(xiǎn)大（2）控制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)（3）防水標(biāo)準(zhǔn)高（4）協(xié)調(diào)內(nèi)容多地鐵車站及分類 按地鐵車站與地面位置關(guān)系分：地下站、淺埋車站、地面車站、高架車站。 按站臺(tái)形式分

12、：島式站臺(tái)、側(cè)式站臺(tái)、混合式站臺(tái)。 按施工方法劃分：明挖法、蓋挖法、暗挖法車站。 暗挖法中：礦山法、新奧法、盾構(gòu)法第四節(jié) 北京市軌道交通工程根據(jù)2011年-2020年規(guī)劃,北京軌道交通分為三個(gè)圈層,分別以地鐵輕軌系統(tǒng)、市郊軌道系統(tǒng)、城際鐵路和高速鐵路為主體構(gòu)建規(guī)劃線網(wǎng)。到2020年,北京地鐵輕軌線路將達(dá)30條,總長約1050公里,車站近450個(gè)。形成“中心城棋盤式+新城放射式”的線網(wǎng)格局。四環(huán)路內(nèi)站點(diǎn)覆蓋率將達(dá)95%,線網(wǎng)密度每平方公里1.4公里,居民步行10至15分鐘就能到達(dá)一個(gè)地鐵站。下階段軌道交通工程前景北京市目前編制的城市軌道交通建設(shè)規(guī)劃，2015年底，北京將建成“三環(huán)、四橫、五縱、七

13、放射”的軌道交通網(wǎng)絡(luò)。至2020年北京市的軌道交通線路網(wǎng)將包括30條線路，總長約1050公里（含50公里輕軌），車站近450個(gè)。2012年底已完成，北京地鐵累計(jì)運(yùn)營里程442公里，基本實(shí)現(xiàn)中心城區(qū)軌道交通近期規(guī)劃。未來幾年，北京新線建設(shè)力度仍不減，預(yù)計(jì)到2015年底，軌道交通運(yùn)營總里程達(dá)到660公里。目前，正在進(jìn)行論證的初步方案計(jì)劃北京全市新增10條軌道交通新線，約200公里。下階段軌道交通工程前景從外埠軌道交通建設(shè)來看，“十二五”期間各城市地鐵、輕軌規(guī)劃線路建設(shè)里程將達(dá)到3000公里，建設(shè)投資規(guī)劃額將達(dá)1.27萬億元?？傮w規(guī)劃到2020年，全國總規(guī)劃里程達(dá)7000公里，是目前總里程的4.3倍

14、。下階段軌道交通工程前景我國地鐵建設(shè)熱潮正在從中國大城市蔓延至二三線城市。目前已有32個(gè)城市已在計(jì)劃建設(shè)地鐵，預(yù)計(jì)2020年將有40個(gè)城市建設(shè)地鐵。2012年9月5日發(fā)改委密集公布批準(zhǔn)和調(diào)整的25個(gè)城市輕軌（地鐵）項(xiàng)目，涉及的城市包括蘇州、杭州、成都、深圳、長春、天津、太原、蘭州、沈陽、石家莊、廈門、常州等城市的軌道交通近期建設(shè)規(guī)劃獲批等。共計(jì)25個(gè)城市總投資共約涉及資金7007.7億元。下階段軌道交通工程前景香港地鐵線路世界地鐵經(jīng)營贏利最好的地鐵。第五節(jié) 軌道交通設(shè)計(jì)及施工概述地下工程設(shè)計(jì)模型 地下工程的襯砌設(shè)計(jì)和施工的要旨在于盡可能地發(fā)揮和利用圍巖的自持能力使襯砌設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)合理。襯砌設(shè)計(jì)計(jì)

15、算理論經(jīng)歷了若干個(gè)發(fā)展階段，目前襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算方法可歸納為四種方法：(1)荷載結(jié)構(gòu)模型 （作用反作用模型）(2)地層結(jié)構(gòu)模型（連續(xù)介質(zhì)模型，也可歸之為連續(xù)介質(zhì)力學(xué)法，包括解析法和數(shù)值法 ）(3)以工程類比法為主的經(jīng)驗(yàn)法 (4)收斂限制模型 （是柔性的支護(hù)與圍巖共同變形、破壞的彈塑性理論 ）收斂約束模型 充分利用和發(fā)揮圍巖的自承能力; 增強(qiáng)圍巖的強(qiáng)度,均衡圍巖應(yīng)力的分布,并允許圍巖有一定程度的變形,以減少對(duì)支護(hù)的圍巖壓力; 利用現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行反饋施工。作用反作用模型 荷載結(jié)構(gòu)模型 首先確定地層壓力,然后計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)在地層壓力及其他荷載作用下的內(nèi)力分布,最后根據(jù)內(nèi)力組合進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。

16、連續(xù)介質(zhì)模型地層結(jié)構(gòu)模型 地下結(jié)構(gòu)周圍的地層不僅能對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載,而且其自身也能承受荷載,地下結(jié)構(gòu)是否安全可靠,首先取決于周圍地層的穩(wěn)定狀態(tài)。地下工程的施工方法 城市地下工程成敗的關(guān)鍵是施工方法。施工方法的選擇 應(yīng)根據(jù)工程性質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、土巖層條件、環(huán)境條件、施工設(shè)備、工期要求等要素,經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較后確定。應(yīng)選用安全、適用，技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理的施工方法。明挖法施工 對(duì)埋置較淺的工程.在條件許可時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用。近年常采用“地下連續(xù)墻”支護(hù)，蓋挖逆筑法施工，可避免打樁的噪聲與振動(dòng)，減少明挖法對(duì)地面的影響；暗挖法 當(dāng)埋深超過一定限度后，常采用暗挖法施工，暗挖最初多用傳統(tǒng)的礦山法，20世紀(jì)中葉創(chuàng)造了新奧法，該法是盡量利用圍巖的自承能力，用柔性支護(hù)控制圍巖的變形及應(yīng)力重分布，使其達(dá)到新的平衡后再進(jìn)行永久支擴(kuò)，目前應(yīng)用較廣。盾構(gòu)法 對(duì)于松軟含水地層可采用泥水加壓或土壓平衡式盾構(gòu)施工。 修建水底隧道除采用盾構(gòu)法外，還可采用沉埋法，此法主要工序在地面進(jìn)行，避免了水下作業(yè)，優(yōu)點(diǎn)顯著，應(yīng)用日益廣泛； 在堅(jiān)硬的巖層中可以用掘進(jìn)機(jī)施工。目前我國城市地鐵施工