地下结构工程第1讲提纲

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1、地下结构工程,清华大学水利水电工程系 河川枢纽研究所 李仲奎 2003年2月,地下结构工程 2003年教学安排,本课程的学习方式为讲课与自学讨论相结合，并结合专题组织地下工程的施工现场考察和参观，期末要求学生写出一篇不少于5000字、有一定创见和新观点的课程学习报告，并进行口试，根据该报告的质量及口试分数评定成绩。,讲课内容安排：,1 地下结构工程发展简介 2 地下结构工程与环境 3 地应力问题 4 地下结构工程设计与稳定问题 5 地下结构工程数值模型及分析技术 6 地下结构工程地质力学模型试验 7 地下结构工程的施工新技术 8 地下结构工程的量测技术,专题总结报告题目,（从以下专题中任选其一

2、，也可以自定选题，但需经导师同意，字数不少于5000字，要求有新意）： l 地下结构工程的发展前沿状况 l 地应力与地下结构的稳定 l 地下结构工程分析中的力学模型 l 数值分析方法在地下结构工程的应用 l 地下结构工程现场测量和施工方法,口试,每人30分钟，接题后自行准备15分钟，回答问题15分钟。,地下结构工程,（第一讲）1、 地下结构工程发展简介 2、 地下结构工程与环境,1、地下工程发展简介,地下结构工程开发 在人类历史中的四个标志性阶段 1.1 第一阶段： 人类历史初期的穴居生活特征：天然洞穴的利用和简单开发,人类历史初期的穴居生活可以说是这一阶段的开始，它以对天然洞室的直接利用和简

3、单的开发为特点。这是一个相当长的历史阶段，人类对地下洞室的认识还是一个必然王国的阶段，人类有意识寻找可利用的天然洞穴，因为它可以用来遮风避雨、储存食物、躲避敌人或野兽的袭击。,随着人类进化，逐渐走出天然洞室，开始建造更为适于人类生活居住的房屋，直接利用天然洞室的情况越来越少，而为某种目的人工开挖的地下洞室则逐步增多。除了开采矿藏外，中国古代战争中已经有了利用人工开挖隧道攻击敌方的战例。,近年发现的浙江西部、钱塘江上游龙游县小南海附近的龙游人工洞室群，据考证已经有上千年的历史，是迄今为止发现的人类最早的有目的开发地下空间的例证。,龙 游 石 窟,在方圆0.38km2的土丘上，似有规律地分布了大小

4、24个洞窟，每个洞窟的面积10003000m2不等，每个洞窟从矩形洞口开始垂直向下延伸，洞高约30m，顶部呈“倒斗形”，洞内科学地分布着34根巨大的“鱼尾形”石柱，与洞顶浑然一体。洞壁、洞顶和石柱上都有古人留下的带有装饰意图的凿痕。但是它的开发目的则仍是千古之谜。,地下结构工程开发 在人类历史中的四个标志性阶段 1.2 第二阶段： 19世纪到20世纪初的工业大革命时期，是人类历史上有目的大规模开发地下空间的阶段。,这个阶段以矿山工程、交通工程、水利工程、地下军事防护工程、城市供排水工程以及城市地铁为代表。这一阶段中，以钢铁为核心黑色金属工业和能源工业的发展，带动了大量的铁矿、煤矿的建设和开采。

5、运输的需求又促进了交通工程的发展和大量铁路、公路隧洞的开挖。工业的发展又造成人口大量向城市集中，或新城市的大量出现。,工业和城市发展的需要也促进了水利工程的发展。这些工程中都需要进行大量的竖井、隧道等地下工程的开挖和建设。城市地下工程则以给排水系统为主，如法国巴黎的下水道规模相当宏大。同时最早的城市地铁建设，如伦敦地铁（1863年） ，也出现在这一阶段。,地下工程开发 在人类历史中的四个标志性阶段,1.3 第三阶段： 20世纪中叶到20世纪末特征：除第二阶段的生产类型的工程之外，一些人类日常生活类型的设施开始向地下转移。,20世纪中叶到20世纪90年代，是地下空间的开发由工业领域向人类生存、生

6、活的各个领域扩展的阶段，也是地下工程的新概念、新理论、新方法不断提出，新材料、新技术、新工艺广泛应用于地下工程的阶段。,它的特征是，除第二阶段的生产类型的工程，如矿业、水利、煤炭、铁路、公路以及军事工程之外，城市地下工程也有了更为广泛的发展。不但城市地铁在各大城市普遍建设，一些人类日常生活类型的设施开始向地下转移。包括地下商业街(1930年)，地下停车场、地下仓库、地下公共管线隧道，以及各种地下文化体育设施，如艺术展馆、音乐厅、健身房、游泳馆、滑冰场等。,地下工程开发 在人类历史中的四个标志性阶段,1.4 第四阶段： 20世纪末到今天特征：节约资源、改善环境、保护生态、可持续发展。地下工程已经

7、向环境友好工程发展。高新技术进入地下,20世纪末到现在，由于人类环境保护以及资源永续利用意识的不断提高，联合国和世界各国可持续发展战略的制定，人们对地球只有一个，人类生活空间的有限性、大多数天然资源不可再生性的认识的不断深化，推动地下工程进入了一个更高阶段。,这个阶段的特征是： 节约资源、(economize resources) 改善环境、(improve environment) 保护生态、(zoology protection) 可持续发展(sustainable development） 地下工程以环境友好工程的姿态出现在人们面前。高新技术进入地下：,进入20世纪90年代以来，以 1,

8、激光导向技术和GPS 定位技术 为代表的地下施工定向定位技术、以 2,遥感技术与穿地雷达技术 为代表的地下勘察技术和 3,地下掘进及衬砌自动控制施工技术已在实际工程中得到了一定程度的应用，这一切使得地下空间开发的第四个标志性阶段，规模更大，水平更高。,2.地下工程与资源环境,环视当今世界，人口锐增、资源剧耗、耕地和森林骤减、土地退化、沙漠扩大、温室效应、酸雨危害、环境污染 环境问题制约着世界经济的发展，更是我国经济发展所面临的突出问题。我国每年由于环境污染和生态破坏造成的损失达2000多亿元。,2.1 节约能源、缓和温室效应 地下空间的利用大有可为,据统计，在欧美国家中建筑能耗约占全国总能耗的

9、30左右，而建筑能耗中用于建筑物的采暖、通风空调的能耗约占全国总能耗的195。地下空间由于岩土具有良好的隔热性，可防止风、雨、日晒等地面温度变化诸多因素的影响。测试表明，地面以下1m，日温几乎没有变化，地面以下5m的室内气温常年恒定。,2.2 地下工程开发与洁净能源,2.2.1 大型地下水力发电站及抽水蓄能地下发电站将成为我国水电资源开发的主要形式,到1999年底，全国发电装机容量达29877kw，其中水电7297万kw，仅次于美国居世界第二位。特别是在改革开放以来，1986年至1999年14年间，全国水电新增装机容量达到4655.5万kw，比1985年底全国水电装机总容量增加了1.8倍。举世

10、瞩目的长江三峡工程装机1820万KW，其中地下电站装机420万KW，将于2003年投产发电。已建成的小浪底、二滩水电站，已开工的龙滩、小湾水电站，设计中的溪洛渡、锦萍水电站等，都是地下厂房。,水力发电是一种最主要的清洁可再生能源。但是在我国可建造地面厂房的各大河流中下游地区的水能资源，已大多得到了开发；而由于我国水电资源主要集中在西部高山峡谷地区，目前其水电能源开发比例远低于全国开发比例的19，仅有8，因而是新世纪水电开发的重点地区。在这些地区开发水电工程，地下厂房几乎成为唯一的选择。,西部大开发、西电东送和可持续发展战略，为水电开发提供了不可多得的发展机遇。根据国家规划，新世纪头十年的“十五

11、”、“十一五”计划中，全国将开工建设的大中型水电站装机达58000MW，其中超过50为地下水电站。,此外，在大中城市等能源消耗集中的经济发达地区，能源结构成分多不尽合理。可以“调峰填谷” 的水电比例过低，严重影响电网的质量。为解决这一问题就需要修建一定数量的抽水蓄能电站。由于这种电站需要工作在发电和抽水的双重工况下，因而装机高程要求较低。如果设计成地面厂房则要求很大的挖深，增加工程造价，且不安全，而设计成地下式发电厂房则是最佳选择。如北京昌平的十三陵抽水蓄能电站、广州抽水蓄能电站等。,地下工程开发与洁净能源,2.2.2 地下洞室储存热、冷源将为太阳能的利用开辟有效的新途径,应特别指出的是，地下

12、空间的开发利用为自然洁净能源的利用，特别是可再生能源的利用，开辟了一条广阔有效的途径。太阳能是巨大的洁净可再生能源，但其来源随季节有很大的不稳定性。太阳辐射热一般仅在夏季丰富，这就需要季节性贮存。在地下的水、岩石、土壤介质中贮存能量往往是最佳的甚至是惟一的选择。利用地下空间在冬季将天然冰块贮存于地下，用于夏季环境控制的蓄冰空调，是既经济又清洁的再生冷源。,由于岩、土的热稳定性和密闭性，使热量损失很少，不需要保温材料。岩石的自承能力，使得洞室结构简单，维护保养费用大为降低。瑞典在斯德哥尔摩西北约150km的阿累斯达建造了一个150,000m3的岩洞热水库，以废物焚烧为热源，蓄热温度达70C150

13、，通过一个换热器与区域供热系统联接。工程投资400万美元，1982年建成，1984年完成试验投产，用于当地供热系统，每年节油400m3以上。在地下建造冷藏库，也可大为节约能源，少用或不用隔热材料，温度调节系统也较地面冷库简单，运行和维护费用比地面冷库低得多，据统计，约低2550。,地下工程开发与洁净能源,2.2.3 地下洞室工程储存压缩空气作为蓄能发电站的另一种介质,德、日等国还在开发地下压缩空气贮库技术。如德国已于1979年在岩盐层中建成一座地下压缩空气储库，功率为29万KW，贮气压力为8Mpa。日本、美国正在开发地下超导磁贮电库技术，该库为螺旋状排列的环形洞室。这两种技术都可有效地贮存低峰

14、负荷时的多余电能，满足高峰供电需要。,地下工程开发与洁净能源2.2.4 地热能源开发新技术- 干热岩(HDR, hot dry rock)发电,美国Los Alamos实验室在卡尔德拉的芬登山于1984年6月建成世界上第一个10 MW功率的干热岩电站。该电站主要由两个深度为4000多米的钻孔及其联通孔组成，首先用水力压裂法将干热岩体压出无数裂隙，形成裂隙通道和热储空间。再用地面冷水一次灌入21300m3，形成孔底循环，迅速将冷水变为高温、高压蒸汽直接进入汽轮机发电。,2.3 地下储水工程 除建设水库之外,可利用松散岩层、裂隙岩体、岩石洞穴建造地下人工河川、地下蓄水池和融雪槽，储存丰水季节多余的

15、自然降水供缺水季节使用，可获得可观的水资源。,我国水资源短缺日益严重。我国水资源在时空分布上极不均匀是缺水的重要原因。我国许多地方丰水季节的大量淡水因为没有足够储存设施白白流向大海。除在大江、大河上中游建设水库以外，也可以利用地下空间储存水源。如挪威、芬兰等国利用松散岩层、岩层裂隙和岩石洞穴以及疏干了的地下含水层，日本，在东京、横滨、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，储存丰水季节中多余的自然降水、降雪供缺水季节使用，就可部分改善缺水的状况。,雨水是一种重要的淡水资源。在城市中如将雨水部分储存起来，则可获得可观的水资源，缓解水资源危机。在年降水量为500mm的半干旱地区，1

16、km2年降水为50万m3，如以100km2市区面积计算，年降水量可达0.5亿m3。在城市住宅小区或适当地方储积雨水，可用于浇灌绿地、水景以及下渗补充地下水，改善生态环境。,2.4 地下交通和地下停车场,建设城市地铁交通网与地下通道、地下停车库、郊区火车进入城市中心区相结合的城市地下交通体系是减少城市中心区汽车数量，根治城市大气污染的有力措施。,解决汽车尾气的根本措施之一是减少城市中心区汽车总量。蒙特利尔地下有轨交通网是由东西两条地铁轴线、南北二条地铁轴线及环形地铁线和伸向城市中心地下两条郊区火车道所组成。城市中心的60多个高层商业、办公及居住建筑综合大厦通过150多个地下出入口及相应地下通道与这个地下交通网络的站台相连。,中心区内人流活动大都通过地下交通，中心区以外的人流上班、进行公务及商业活动时通过郊区火车，或由自备轿车到达中心区边缘的地铁车站，轿车停在附近的地下停车场，然后乘地铁到达目的地站台，再乘地下通道进入各高层建筑。这样城市中心区的机动车数量减少到最低限度。实际情况表明，这种交通模式和措施是有效的。,