地下工程人类未来的工程,李 宁 西安理工大学水利水电学院岩土工程研究所 中科院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,目 录,四、二十一世纪地下工程的展望,三、二十世纪地下工程的巨大成就,二、发展地下工程的重要性与紧迫性,一、地下工程及其分类,五、地下工程中的岩石力学问题,一、地下工程及其分类,公路隧洞 铁路隧洞,过江隧道 过海隧道,交通工程,,,冶金矿井 煤矿矿井,矿井工程,,石油工程：油井,城市地下管线工程 城市地下铁道 城市地下排污 建筑物地下基础 地下油库 地下停车场 地下商场、地下游乐场等,市政工程,地下工程,,,,,,,地下发电厂房、地下变电站 地下泵站 导流洞、泄水洞、引水洞、溢洪洞等,防空洞、地下医院、地下粮库等 地下通道、地下输油管、地下商店等,地下指挥部 地下飞机库 地下舰艇库 地下弹药库 地下核废料处理场,水利工程,人防工程,国防工程,地下工程,二、发展地下工程的重要性与紧迫性,“城市病”的主要症状： 土地紧张 生存空间拥挤 交通堵塞 基础落后 生态失衡 环境恶化, 根治城市病的良方, 城市可持续发展的必由之路, 减缓我国城市拥挤状况, 城市化水平迅速提高 89年20，2000年35.7，20l0年45 城市总数增加 预计从目前640个增至2010年4000个，人口达4.5-6.3亿 城市占地（卫星监测）： 86-96年10年间，31个特大城市城区占地扩大50.2 耕地急剧减少，只有世界人均的l/4,莫斯科44 m2，伦敦22.8 m2，巴黎25 m2 我国城市人均绿化面积仅3.9m2，上海仅0.9 m2 国家绿化卫生标准10m2，规划2000年达到7m2, 联合国建议：城市人均绿化地应达40m2, 城市人口密度2万人/km2为拥挤限 上海4万人/km2，局部地区16万人/km2，北京2.7万人/km2，均为世界之首,减轻或消除城市交通阻塞, 由于交通拥塞使行车速度缓慢 北京市干道平均车速比10年前降低50以上，每年以2km/h的速度递减 道路拥挤使车辆阻塞 北京市区18万个路口中，严重阻塞的达60，阻塞时间达半小时以上 人均道路面积太少 东京 人均道路面积11.3m2，占城市面积15 巴黎 人均道路面积7.32 m2，占城市面积15,莫斯科 人均道路面积9.10 m2，占城市面积8.12 伦敦 人均道路面积21.3 m2，占城市面积9.3 纽约 人均道路面积13.4 m2，占城市面积12.38 北京 人均道路面积4.4 m2，占城市面积8.4 上海 人均道路面积1.6 m2，占城市面积8.3 每公里汽车拥有量 北京345辆，上海506辆，为发达国家的数倍 20年来，北京道路面积仅增加0.6倍，而车辆增加10倍，达111万辆,发达国家解决城市“交通难”问题的根本是发展以地下铁道为主的高效益、低能耗、轻污染的轨道交通 ！, 改善城市环境, 大气污染严重 北京、沈阳、西安、上海、广州被列为世界十大污染最严重的城市 全国500多座城市的大气量达不到一级标准的1 酸雨面积超过国土面积40 城市污水80未经处理排人江河 城市河段水质超过3级标准已占78 城市地下水受到污染的已占50以上 全国饮用污染超标水的人数已达7-8亿,发达国家的经验建立（包括修建地下垃圾收集管道系统）多功能公用隧道城市共同沟 修建地下垃圾焚烧厂，以减量化、无害化、资源化处理垃圾, 垃圾围城现象普遍 全国每年生活垃圾1.46亿吨，且每年递增10，得到处理的仅2.3，堆有量高达60多亿吨，占地30多万亩, 抵御自然灾害与战争危险, 地震使地面建筑倒塌，地面交通瘫痪 坂神地震使高架桥倒塌而影响及时救护，使死亡人数达4000多人 飓风、台风、火灾、高温、热浪、寒流、冰雹、辐射等自然灾害使地面建筑最易受到影响 局部战争的常规空袭，将给超密集人口的城市造成重大损失 交通中断，人与车进不去、出不来，如北京的二环、三环路, 全面战争的核打击将使无地下掩体、地下空间的城市化为灰烬 敌国很可能对无地下人防工程的城市进行威慑与要挟 南联盟独战北约十几个军事强国主要依靠了完备的地下防空设施,彗星撞击地球表面海洋,彗星撞击地球表面海洋,彗星撞击地球表面海洋,彗星碎块撞击地球场景,北方调水工程的根本手段, 全国北方大、中城市几乎全部缺水 城市引水工程 南水北调工程 东线、中线、西线 大西线工程再造一个中国, 公路、铁路工程的咽喉, 水电工程的重要部分,三、二十世纪地下工程的巨大成就, 发达国家的首都基本已形成了完备的城市地铁交通网 各发达国家均建有种种地下油库、飞机库、舰艇库等 已建的著名地下工程： 挪威奥林匹克岩石地下体育场 61m25m91m超大型地下建筑物 澳大利亚悉尼歌剧院地下停车场 12层，上覆岩层仅7m 美国堪萨斯市地下商业中心 30万平方英尺, 日本青函隧道经过25年的勘察研究 长达24年艰难施工，1988年建成“世界上最长的（53.85km）”的轻津海峡隧道 地层加固注浆用水泥水玻璃84.7万m3，喷射混凝土22.9万m3 共耗资5000多亿日元 另一个重要的世纪性工程是英吉利海底隧道 总长约50km，海底部分约38km 1986年开工，1993年12月建成通车，历经7年7个月 南线、北线及服务隧道，直径7.6-10.0m 预算总造价57亿英磅 我国已建的水利工程隧道，总长近300km 我国已建的铁路隧道，总长已超过2100km,地下第一层3-5m，布置公共事业管网的干线支线，共同沟 地下第二层深度6-10m，地下步行商业街，地下停车场，地铁车站，地下文化娱乐厅等 地下第三层10-30m，地下铁道区间隧道，地下河（排水沟渠），立型地下停车场，地下垃圾收集站，加工场, 发达国家城市地下空间的开发已具规模, 东京、横滨、大阪、名古屋等八大城市，地下铁路营运总里程达500多km 各大城市有地下街82处，面积110万m2（含在建工程17.6万m2） 地下机动车停车场152所，占停车场总数的43 可停车30万辆以上，占总停车所的50 地下自行车停车场50处，可停放3万辆以上 49个城市建有共同沟，总长300km, 日本城市地下空间利用已达到相当规模, 日本学者在80年代提出了建立封闭性城市再循环系统，建立一个大深度城市基础设施复合干线的新思路, 干线为直径10-15m的管线、铁路道路的综合廊道 埋深在地下50-100m 主干线和相交节点覆盖整个东京23个区 节点间距2.5-3.5km 每一个节点形成一个地下生活、娱乐、商业综合体, 除了几乎所有发达国家的首都等大、中城市建有地铁外, 日均客运量220万人次左右 1994年香港地铁总收人51.3亿港元 当年利润为10.38亿港元, 还有26个发展中国家的35个城市正在建设和筹备建设地下铁道 开罗、平壤等19个城市运营730km地铁线路，占世界地铁总线路的14, 从80年代香港开始修建地铁，现已有三条地铁线总长43.2km,四、二十一世纪地下工程的展望, 83年联合国通过了利用地下空间的决议 各国都日益重视地下空间和地下工程的开发与利用 号召人们“往深处想”! 将地下岩体当成新型的“国土资源”看待 将地下“工程”改称地下“工业” 科学家预测 二十一世纪末将有1/3的人口穴居地下,当今发达国家的城市已把地下空间开发利用作为解决城市人口、环境、资源三大危机的重要设施和医治“城市综合症”、实施可持续发展的重要途径！,1世界范围内海底隧道热正在兴起, 日韩两国正在筹建穿越对马海峡隧道 俄国与日本计划在鞑靼海峡和宗谷海峡开挖海底隧道（50km） 美国、俄国、加拿大计划在白令海峡修建海底隧道（90km，埋深60m） 联合国计划在直布罗陀海峡修建海底隧道 将非洲与欧洲连接起来 日本拟建的地下飞机场 在市中心地表下50-150m深处, 欧洲高速铁路网现已近2万公里,相关的隧道工程有 丹麦大贝尔特海峡海底铁路隧道 丹麦与瑞典的海峡海底铁路隧道 丹麦与德国本土的海峡海底铁路隧道 里昂-米兰穿越阿尔卑斯山的铁路隧道 全长54km 瑞士Gotthard铁路隧道 全长50km，埋深2000m 希腊EvinosMornos水工隧道 长30km，高地应力区 此外在马六甲海峡、选他海峡、博斯普斯海峡、间宫海峡等都在进行海底隧道的规划和调查, 我国国内除对琼州海峡隧道完成可行性研究以外, 不少有识之士提出了跨越渤海湾的南桥北隧固定联络道 跨越长江入海口连接上海-祟明-启东江底隧道 京沪、京广高速铁路跨越长江、南京和武汉的沉管隧道 有人甚至提出了兴建台湾海峡的隧道设想,海峡隧道以它全天候、大运输量、低耗量、安全高效等优点占有优势,221世纪我国的城市地铁与交通工程, 当人均国民生产总值超过500美元，才能开发利用地下空间 人均国民生产总值超过l000美元，开发利用地下空间达到高潮 现阶段我国人均生产总值已超过600美元 沿海地区人均国民生产总值超过1000美元、上海则超过5000美元 我国人口众多，土地资源短缺，仅为世界水平的l/3, 我国一些大城市人口众多，交通拥挤, 进人90年代，我国大城市地价急剧上升 北京三环线以内土地价格达到每平方米万元以上 上海市中心地段达到每平方米楼面价880美元 因为土地费每平方米造价已大大超过每平方米的地下建筑造价 城市浅层地下建筑造价不到地面建筑造价的3-4倍 开发地下空间具有很大吸引力, 环境污染的程度不亚于发达国家60年代经济高速发展的城市, 城市地下空间是一个十分巨大而丰富的“空间资源”, 一个城市可发展利用的地下空间资源量 一般是城市的总面积乘以开发深度的40 北京地下空间资源量为1193亿m3，可提供64亿 m2的建筑面积，将大大超过北京市现有建筑面积 大连市其城市地下空间可提供建筑面积1.94亿m2 超过现有大连市房屋建筑面积（5921万m2）, 北京地铁路网规划，由原来8条线263km增至12条300km, 上海将建设约562km的有效交通线 其中11条地铁线约385km，10条轻轨约177km 未来的天津市市区快速轨道交通主要为环线-放射线形路网格局 其中地下铁路长l06km 深圳市规划的整个轨道交通网总里程约254km 总站数为l05个，总投资约785亿人民币, 沈阳市城市交通体系规划概括为：“三环”、“四轨”、“五快”和“十四射”, 重庆市的轨道交通路网线路总长44.5km 其中l号线自朝天门至沙坪坝全长16.4km，95在隧道运行 南京市的地铁及快速轨道交通网规划 主城区地铁线路网由四条线组成 青岛市地下铁路网初步规划 由南北线、东西线和环线组成 总长48km地铁1号线已全线开工,全长160.7 km，其中高架线66km，地下线95km, 广州市地铁规划 有7条快速轨道交通线，总长206.5km, 除此以外，成都、武汉、哈尔滨、杭州、长春、鞍山、大连、兰州、佛山等城市 都完成了市区地铁轨道交通的路网规划、客流预测可行性报告、总体方案、有的还做了初步设计,其中：地铁l号线总长18.47km 地铁2号线全长23.2km，并于1998年5月立项,3二十一世纪我国的水利水电地下工程, 在建的三峡水利工程，装机1820万kw，耗资300-400亿美元 我国拟建的南水北调西线工程 最长的隧道达131km，海拔3000-5000m, 可开发的为3.79亿kw，已开发的还不到其10 目前在建的大中型水电项目30多个，建设规模2300万kw 计划到2000年水电开发达8000万kw，占全国电力总装机的l/4, 我国的水利资源居世界第一，总蕴藏量6.67亿kw, 计划在二十一世纪建成十二个大型水电站基地,（1）金沙江（4789万kw）、（2）雅龚江（1940万kw）、（3）大渡河（1805万kw）、（4）乌江（867万kw）、（5）长江上游（2831.6万kw）、（6）南盘江、。