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1、地下工程课件内容中国矿业大学第一章 绪论一、地下工程学科的性质和任务1、地下工程的含义地下工程：地下工程是建造在地层环境中（岩体或土体）的工程结构物；有广义和狭义地下工程。二、地下空间开发利用的历史1、地下空间的含义地下空间：在岩层或土层中天然形成或经人工开发形成的空间称为地下空间。2、地下空间开发利用的历史与人类的文明史相呼应，可分4个时代： 第1时代：从出现人类至公元前3000年的远古时期 第二时代:从公元前3,000年至5世纪的古代时期。埃及金字塔、古代巴比伦引水隧道，均为此时代的建筑典范。我国秦汉时期的陵墓和地下粮仓，已具有相当技术水准和规模。 第三时代从5世纪至14世纪的中世纪时代。
2、世界范围矿石开采技术出现，推进了地下工程的发展。 第四时代从15世纪开始的近代与现代。欧美产业革命，诺贝尔发明黄色炸药，成为开发地下空间的有力武器。日本明治时代，隧道及铁路技术开始引进并得到发展。50多年来，隧道及地下工程在中国得到了很大的发展，共建成：铁路隧道6876座，总长度3670km，居世界第一；公路隧道（包括水底隧道）1972座，总长度835km，是世界上公路隧道最多的国家；各类水工隧洞近1000座；城市地下铁道近300km；以及一大批其它用途的地下工业与民用建筑。三、地下工程分类1、按地下工程的功能分类工业、交通、民用、仓储、市政、军事地下工程等2、按地下工程的存在环境分类岩石地下
3、工程、土体地下工程3、按地下工程的建造方式分类按施工大类分为明挖、暗挖地下工程4、按埋置的深度分类浅埋、深埋地下工程第二章 地下空间资源及开发利用价值第一节 地下空间资源一、基本含义地下空间是一种总量有限的自然资源地下空间资源：包括三个方面的含义：1）天然存在的资源蕴藏总量；2）一定技术条件下可供合理开发的资源总量；3）一定历史时期内可供有效利用的地下空间总量。二、地下空间资源蕴藏总量及可供合理开发利用的地下空间资源总量1、地球上地下空间资源蕴藏总量地球上地下空间资源蕴藏总量为7.5E18m3，理论上讲，为整个岩石圈。2、可供合理开发利用的地下空间资源总量合理开发深度以2000m计。则在当前和
4、今后一段时间内的技术条件下，地球上可供合理开发利用的地下空间资源总量为4.12E17m3；实际可供有效利用的地下空间资源为0.24E17m3。因此，可供有效利用的地下空间资源的绝对数量仍十分巨大，从开拓人类生存空间的意义上看，无疑是一种具有很大潜力的自然资源。三、我国可供有效利用的地下空间资源从上表可以看出，以目前技术水平完全能够达到的开发深度30m计，可提供建筑面积6万亿m2；当2050年我国生活空间用地占国土面积的7.3%时，则这部分土地的面积为70万平方千米；假定在这些土地上的平均建筑密度为30%，平均建筑层数为4层，则可容纳的建筑总量为8400亿m2，与地下空间所能提供的相比仅为14%
5、，可见地下空间在扩大我国生活空间容量上有着巨大的潜力。第二节 城市地下综合体一、地下综合体定义地下综合体是由日本首先提出的，指由城市中不同功能的地下空间建筑共同组合而形成的大型地下空间工程。地下综合体一般包括以下内容：a、地下铁道、公路隧道，以及地面上的公共交通之间的换乘枢纽，由集散厅和各种车站组成。b、地下过街人行横道、地下车站间的连接通道、地下建筑之间的连接通道、出入口的地面建筑、楼梯和自动扶梯等内部垂直交通设施等。c、地下公共停车库d、商业设施和饮食、休息、等服务设施，文娱、体育、展览等设施，办公、银行、邮局等业务设施。e、市政公用设施的主干管、线。f、为综合体本身使用的通风、空调、变配
6、电、供水排水等设备用房和中央控制室、防灾中心、办公室、仓库、卫生间等辅助用房，以及备用的电源、水源、防护设施等。二、地下综合体的类型（1）新建城镇的地下综合体在新建城镇或大型居住区的公共活动中心，与地面公共建筑相配合，将一部分交通、商业等功能放到地下综合体中，可节省土地，使中心区步行化并克服不良气候的影响。这种地下综合体布置紧凑，使用方便，地面和地下空间融为一体，很受居民的欢迎。如图为巴黎德方斯卫星城地下综合体。(2)与高层建筑群结合的地下综合体附建在高层建筑地下室中的综合体，其内容和功能多与该高层建筑的性质和功能有关，可视为地面建筑功能向地下空间的延伸。如图为与纽约市罗切斯特大楼结合的地下综
7、合体。(3)城市广场和街道下的地下综合体在城市的中心广场、文化休息广场、购物中心广场和交通集散广场，以及交通和商业高度集中的街道和街道交叉口，都适合于建设地下综合体。首先，在这些地点，各种城市矛盾，特别是交通矛盾较为突出，因而也是城市再开发的主要位置;其次，广场和街道的地下空间比较容易开发，尤其是广场，建筑物和地下管、线的拆迁问题和对地面交通的影响都较小。如图为巴黎列阿莱广场地下综合体。三、地下综合体的特点可作为有效的防空、防炸设施，形成恒温恒湿防震防振的环境，并能节约地面建筑占地。但地质条件要求较高，施工困难、投资较高。四、地下综合体的结构特点与岩（土）接触处必须有衬砌结构。衬砌结构的作用：
8、承受岩（土）层和爆炸等静力和动力荷载，并防止地下水和潮气的侵入。第三节 地下空间的防灾特性一、地下空间的防灾性能 地下空间的抗爆性能 地下空间的抗震性能 地下空间对城市大火的防护能力 地下空间的防毒性能 地下空间对风灾的减灾作用 地下空间在城市的防洪作用二、地下空间在城市综合防灾中的作用 为在地面空间中难以抗御的灾害作好防灾准备； 在地面上受到严重破坏后保存部分城市功能和灾后恢复的潜力； 与地面防灾空间配合，实现防灾功能的互补。第四节 地下空间的开发利用 开发和利用地下空间是城市建设的迫切需求 波士顿地下空间开发利用 国外城市地下空间的开发利用趋势主要有两个方面： 一是大型建筑物向地下的自然延
9、伸发展到复杂的地下综合体（地下连接通道，地下车库，地下商业，休闲娱乐等），进而发展到地下城（与地下快速轨道交通系统相结合的地下街系统）； 二是地下市政设施的建设从地下供、排水管网发展到地下大型供水系统，地下大型能源供应系统，地下大型排水及污水处理系统，地下生活垃圾的清除、处理和回收系统和地下综合管线廊道（共同沟）。第三章 地下工程地质环境与围岩分级第一节 岩体结构分类与破坏特征一、岩体的概念岩体：在地质历史过程中形成的，由各种岩石块体组合而成的“岩石结构物”，具有不连续性、非均质性和各向异性的特点。岩体=结构面+结构体工程岩体：与工程建筑物应力影响范围内的那部分岩体。二、岩体结构的概念岩体结构
10、：结构体和结构面在岩体内的排列、组合形式。三、岩体结构类型不同结构类型岩体的工程地质性质1）整体、块状结构岩体：成分单一、结构面稀疏延伸较长，层间有一定结合力，力学强度高、抗变形能力强，可视为均质、各向同性体。2）层状结构岩体：软硬岩层相间的互层形式，结构面以层理面为主，有层间错动及泥化软弱夹层发育。3）碎裂结构岩体：岩体节理、裂隙发育，常有泥质充填，结合力不强，有平行层面的软弱结构面，完整性差。4）散体结构岩体：节理、裂隙很发育，岩体十分破碎，可视为土体。四、地下工程围岩破坏特征1、脆性破裂岩爆：岩爆：在高应力地区，洞室开挖后，围岩因弹性应变能突然释放而发生的岩石弹射或抛出的现象。2、块状运
11、动（剪切滑移）：厚层状或块状结构的硬质围岩，当有倾向洞内的大型结构面存在时，在结构面控制下主要以沿结构面向洞内剪切滑移为主。3、弯曲折断破坏：（1）张裂塌落：拱顶张应力超过岩石抗拉强度，引起岩石破裂，导至洞顶塌落的现象。（2）劈裂剥落：切向应力导至洞室周边岩石形成平行洞壁的密集破裂，并产生剥落的现象。（3）弯折内鼓：径向应力挤压薄层围岩，使之向洞内弯折内鼓，甚至坍倒的现象。4、松动解脱（碎裂松动）：在多组结构面发育的岩体中（碎裂结构岩体），当洞室开挖后，如果围岩应力超过围岩的屈服强度，围岩就会沿已有的多组节理发生剪切错动而松弛，在洞室周边的围岩中形成一个松动圈。5、塑性变形：（1）塑性挤出：软
12、弱岩体在洞室开挖后，当围岩应力超过其屈服强度时，向洞内产生的塑性挤出的现象。（2）膨胀内鼓：在膨胀岩地区，洞室开挖后水分向松动圈集中，导致岩石吸水膨胀，并向洞内鼓出的现象。第二节 围岩的初始应力场一、地应力的概念地应力：指存在于地壳岩体中的原始应力，又叫天然应力。天然应力或初始应力（virginalstress）自重应力（gravitationalstress）构造应力（tectonicstress）活动的（activetectonicstress）剩余的（residualtectonicstress）变异及残余应力（alteredandresidualstress）感生应力（induceds
13、tress）二、岩体天然应力场的类型1、“静水压力式”分布的观点2、垂直应力为主的观点3、水平应力为主的观点上述为三种典型情况，大多数地区接近其中某一种，有些地区应力状态属主应力轴倾斜的过渡类型。总之大量实测资料表明，世界上大多数地区岩体内的天然应力状态是以水平应力为主。这就足以证明，构造因素在地壳岩体的天然应力状态的形成中起着主导作用。3、地应力分布规律：三、围岩应力的变化规律围岩：工程开挖后，应力变化范围内的岩体。地下洞室开挖前，岩体内的应力状态称为初始应力状态。开挖后，由于洞室周围岩体失去了原有的支撑，破坏了原来的受力平衡状态，围岩将向洞内产生松胀位移，从而引起洞周围一定范围内岩体的应力
14、重新调整，形成新的应力状态。该应力称重分布应力、二次应力或围岩应力。直接影响围岩稳定的是二次应力状态，它与岩体的初始应力状态、洞室断面形状及岩体特性等因素有关。第三节 地下工程围岩分级一、概述1、围岩分级的目的：2、围岩分级方法发展概况二、影响围岩稳定性的主要因素1、地质因素：(1)岩体结构特征岩体的结构特征可以简单地用岩体的破碎程度或完整性来表示，在某种程度上它反映了岩体受地质构造作用的严重程度。岩体的破碎程度或完整状态是指构成岩体的岩块大小及这些岩块的组合排列形态。(2)结构面性质和空间的组合在块状或层状结构的岩体中，控制岩体破坏的主要因素是软弱结构面的性质及它们在空间的组合状态。从下述的
15、5个方面来研究结构面对地下工程围岩稳定性影响的大小：结构面的成因及其发展史；结构面的平整、光滑程度；结构面的物质组成及其充填物质情况；结构面的规模与方向性；结构面的密度与组数。(3)岩石的力学性质在整体结构的岩体中，控制围岩稳定性的主要因素是岩石的力学性质，尤其是岩石的强度。一般来说，岩石强度越高，洞室越稳定。(4)围岩的初始应力场围岩的初始应力场是地下工程围岩变形、破坏的根本作用力，它直接影响围岩的稳定性。2、工程活动所造成的人为因素：(1)地下洞室尺寸和形状在同一级(类)围岩中，洞室跨度愈大，围岩的稳定性就愈差；(2)施工中采用的开挖方法开挖方法对地下工程围岩稳定性的影响较为明显，在分级(类)中必须予以考虑。三、分级(类)的因素指标及其选择（详见书）1.单一的岩性指标2.单一的综合岩性指标指标是单一的，但反映的因素却是综合的。（1）“岩石质量指标”(RQ
