为可持续发展的地下空间开发利用(中文版)-钱七虎院士课件

1、为了可持续发展的地下空间开发利用钱七虎 为了可持续发展的地下空间开发利用 在人类历史上，地下工程的发展经历了几次浪潮。近三十年来，可持续发展战略的制定和实施的推动，环境和资源永续利用意识的不断提高，促进了地下工程的新发展，形成了地下工程发展的第四次浪潮。第四次浪潮的特征和中心是促进可持续发展，改善城市环境，保护自然环境和资源。 前言 为了可持续发展的地下空间开发利用 全球人口增长和城市化的趋势既影响发达国家，也影响发展中国家，如何使得亿万城市人口的居住、工作、交通和休闲组织得经济、安全又无碍于环境是全球可持续发展的巨大问题。 为了可持续发展的地下空间开发利用 国际上一些专家预言：二十一世纪世界

2、上两大最具影响的事件之一是中国的城市化。因为，中国的城市化与全球的资源和环境问题密切相关。 向地下要土地、要空间，是全世界城市发展的必然趋势，并成为衡量城市现代化的重要标志。为了可持续发展的地下空间开发利用 1保护自然生态环境、改善城市空间质量和促进城市功能联合 11 改善城市环境，保护自然环境 地下工程的驱动力首先与环境的质量相关。随着社会和经济的不断发展，环境的质量必将受到越来越多的注意。我们应当看到对于环境、景观和适居性的质量意识不断增长的过程，从对环境质量要求的角度来看，地下空间的利用起着重要作用。为了可持续发展的地下空间开发利用 （2）波士顿拆除穿过市中心的六车道高架路，建设810车

3、道的地下高速路，原有的地面变成林荫路和街心公园。这样的结果是市区空气的一氧化碳浓度降低了12；市中栽植了2400棵乔木树，7000多棵灌木树；在海湾的景观岛上栽植了另外的2400棵乔木和26000棵灌木；增加了260英亩新的公园和开敞空间。为了可持续发展的地下空间开发利用为了可持续发展的地下空间开发利用 （3）在代尔夫特建设一条穿越城市的极繁忙的铁路工程的争论。下面是工程地下和地上方案的评价比较： 高架方案 隧道（掘开式） 隧道（TBM方法）施工造价 308 494 536土地/迁移/破坏 122 146 37分项目1：直接造价 430 640 573 100% 148% 133%运营和维护周

4、期 31 64 47分项目2：生命造价 461 704 620 100% 152% 134%损害（换算成金钱） 133 168 5分项目3：整个造价和损害 594 872 625 100% 147% 102%为了可持续发展的地下空间开发利用 代尔夫特实例的关键因素在于广泛意义上的土地的双重利用；把铁路布置于地下的方案的高度吸引力在于为城市和地区的发展提供长时期的发展机会，实际上已把开挖隧道方案的附加成本的补偿超过很多。 这个方案对于城市的已有高架道路的拆除也引发了思考。 为了可持续发展的地下空间开发利用 （4）荷兰提出在其“绿色心脏地带”（阿姆斯特丹、鹿特丹、海牙、乌特列希等城市组成的具有重要

5、观光和自然景观的大都市区），只建设地下工程以提供对其现有景观破坏最小化的机会，同时在某些程度上满足了空间增加的要求。为了可持续发展的地下空间开发利用为了可持续发展的地下空间开发利用为了可持续发展的地下空间开发利用 在繁荣城市区域和居民区，工业生产设施、小型生产销售企业、科研实验单位、室内体育和休闲中心、文化娱乐设施（酒吧、舞厅等）、停车场等大型地下空间将产生巨大的效益，特别是产生噪声和臭味以及安全风险和不必须放在地上的设施（购物市场、实验室、音乐厅、流行音乐咖啡厅、健身房、快餐店、城市讨论厅等）。要求稳定温、湿度环境的设施也应转入地下。为了可持续发展的地下空间开发利用 这里应该指出，现在国际上

6、提倡的紧密式的城市结构不但节省了土地资源，而且相对降低了对城区内交通的需求，使得高质量的服务更接近居民（例如高水平的文化艺术设施），更容易保护城市的文化历史景观。为了可持续发展的地下空间开发利用为了可持续发展的地下空间开发利用 为了可持续发展的地下空间开发利用 Le Grand Louver, Paris,France为了可持续发展的地下空间开发利用为了可持续发展的地下空间开发利用为了可持续发展的地下空间开发利用为了可持续发展的地下空间开发利用大连奥林匹克广场为了可持续发展的地下空间开发利用Shanghai Jingansi为了可持续发展的地下空间开发利用 13 发展地下交通、缓解城市交通拥挤

7、、降低城市大气污染 （1）在大城市中心、历史名城中心和混合居民区内，除货物运输外，旅客运输的地下交通设施也将产生重要的效益，包括兴建地铁和修建地下高速路。 在具有突出景观价值的区域，希望能实现所有的货物运输交通设施将建在地下，旅客运输的交通设施也更经常地建在地下。为了可持续发展的地下空间开发利用 中国正在北京、天津、上海、广州、深圳、南京、重庆、青岛、沈阳等大城市建设地铁，以代替地面交通。据统计，在二十一世纪的前二十年间，中国的地铁线路将超过2000公里。为了可持续发展的地下空间开发利用 shanghai Shenzhen 为了可持续发展的地下空间开发利用 衡山站站 台和站厅为了可持续发展的地

8、下空间开发利用 2002年，莫斯科为了三环路通过风景优美且拥有众多文物古迹的列福尔托地区时，不致破坏其人文景观，决定在36米深地下修建高速路通过该地区，并计划于2003年底通车。 东京外环线于1966年宣布为高架路方案，但由于沿线居民以噪声和污染严重为由强烈反对，于1970年宣布冻结。2003年1月日本政府举行新闻发布会，宣布外环线改为建设地下40米深的高速路。由于地下无需动迁和征地费用，可比地面高架路节约建设费用20-30%，工期由15年缩短为8年。由于地下隧道内设置可将汽车尾气中的烟尘和有害物质进行高科技过滤和分解的设施，排出的是无污染空气。 为了可持续发展的地下空间开发利用为了可持续发展

9、的地下空间开发利用为了可持续发展的地下空间开发利用 Leonard P.Zakim Bunker Hill Bridge Storrow Drive Bridge Corridor Ted Williams Tunnel Logan Airport I-90 I-93 Solution -Central Artery/Tunnel Project(CA/T)Summer TunnelCallahan Tunnelunderground expresswayBoston Inner Harbor为了可持续发展的地下空间开发利用 （2）瑞士的地铁工程是准备在半真空的隧道内，以时速400公里/小时的

10、速度，在城市密集区的地下运送旅客。为了可持续发展的地下空间开发利用 （3）在发展地下高速路的同时，中国还正在发展跨越江河的水下隧道，已经在上海黄浦江下建设了三条水下隧道，宁波甬江下和广州珠江下各建造了一条城市公路隧道，还正在建设另三条黄浦江水下公路隧道，另一条宁波甬江下公路隧道。此外，二条跨越长江的水下隧道（南京和武汉）也将要建设。二条跨越琼州、渤海的海底隧道正在论证。为了可持续发展的地下空间开发利用为了可持续发展的地下空间开发利用 Shanghai 为了可持续发展的地下空间开发利用 Ningbo 为了可持续发展的地下空间开发利用 穿越江河和海湾，应因地制宜发挥桥梁和隧道的各自优势，总体上把握

11、“桥、隧并举”的指导思想。 交通是一项复杂的系统工程，不能只顾跨越江河、海湾的公、铁交通，而损害穿梭江河、海湾的航运交通，必须统筹兼顾。桥梁由于桥高、桥孔宽度的限制，对航运总要产生影响，长江就是一例。自南京长江大桥建成起，黄金水道的通行能力就从万吨轮船降为4千吨，而撞船、撞桥事故不断发生，为减少撞桥事故，交通部规定船队过桥要解驳减速。为了可持续发展的地下空间开发利用 我国沿海多台风，很多地区又多雾，大桥易受台风、大雾、雨雪天候条件影响，不能全年通行；而隧道则可全天候运营。战时，交通枢纽是敌轰炸的首选目标，桥梁易被发现和命中，斜拉桥和悬索桥一旦索塔被毁，整桥即坍塌，无法维修。而隧道则被发现和毁坏

12、概率相对较低。所以，国外的跨越大江河和海湾的通道工程多“桥、隧”并举，如纽约的跨哈得逊河交通，桥10余座，而隧则41座。海湾，如美切什彼克湾、东京湾等海湾的主航道下都建海底隧道以保证航运。为了可持续发展的地下空间开发利用 （4）在城市中心区以及具有突出景观价值的区域，应该发展地下货物运输系统。前者包括UTP（管道中的集装箱运输）和废物ULS（地下物流系统），后者为PWT（气动废物运输）。除了环境效益外，在一定的地区或这些货物通过管道和集合点组成的地下无人系统情况下，这些系统以其质量指标和运送的高效率在经济上具有竞争性。实施时，追求规模效益和自动化、标准化，后者是为了与其它运输模式接轨。为了可持

13、续发展的地下空间开发利用为了可持续发展的地下空间开发利用为了可持续发展的地下空间开发利用 ULS是基于城内运输和城外运输的结合。城外货物通过各种运输手段到城市边缘的物流园区（CLP），经处理后由CLP通过ULS输送到各个终端。它以集装箱和货盘车为基本单元，以自动导向车（AGV）为运输工具。为了可持续发展的地下空间开发利用 1999年9月在美国密苏里州哥伦比亚大学召开第一届地下物流系统国际演讨会。 1928年以来，在伦敦地下20米处有10.5公里的双轨邮件运送系统，每天处理9个州400多万种信件和包裹。现计划向牛津街大商店输送货物。 正在研究连接荷兰机场、铁路中转站和世界上最大的Aalsmeer

14、花卉市场的地下物流系统，以运送时间性很强、质量要求很高的货物。为了可持续发展的地下空间开发利用14 建设城市地下市政管线公用隧道 将自来水管、排污管、供热管、电缆和通信线路放在市政管线公用隧道内，可缩短路线长度多达30%。此外，易于检查，易于修理，消除管线破坏和破坏事故；减少对环境的影响，不影响地面土地的使用。在上海浦东的张相路和成都的东风路已经建成了两条地下市政管线公用隧道，在北京的中关村地区即将建设高标准的“共同沟”。为了可持续发展的地下空间开发利用为了可持续发展的地下空间开发利用 15 建设天然气输配工程，改变城市天然燃料结构，治理城市大气污染和酸雨区 燃煤是城市大气污染中悬浮颗粒物和二

15、氧化硫的主要原因。 中国将西气东输工程列入西部大开发的首项工程。西电东送工程建设也正在大力进行。 在中国很多城市正在建设大量的地下城市煤气输配管道工程。为了可持续发展的地下空间开发利用 151 关于西气东输工程的资源，塔里木气区年输120亿立方米，稳定供气20年是有可靠资源保证的，考虑到陕西长庆气区的重大突破和青海气区的进展，西气东输工程具有充分的整体抗险能力。为了可持续发展的地下空间开发利用 1.5.2 在长江三角洲地区的储气库工程 选址结果： 在三类包括衰竭油气藏构造、含水层构造以及盐穴构造中筛选，结果优化选择江苏金坛地区的盐矿。 为了可持续发展的地下空间开发利用 该矿区距西气东输干线仅为

16、30公里，盐矿构造面积60.5平方公里，盐矿顶深860-1140米，盐矿厚度70-220米，盐矿上部粘土矿厚度及其密封能力比较大，顶板强度达到30-60MPa，整个储库储气总量可达9.8亿立方米。 为了可持续发展的地下空间开发利用 153 西气东输工程干线必须穿越长江，最后在南京板桥地区定向钻方案和江苏三江口盾构方案比较中，考虑到未来长江江底水流冲刷的深泓情况，确定了三江口地区盾构方案。 为了可持续发展的地下空间开发利用 1.6 能源（石油、天然气）的地下战略储存 能源是一个国家的经济命脉。为应付石油供应中断的突发事件，石油进口大国都制定了应急的石油储备目标，石油储备是稳定供求关系、平抑市场价

17、格、应付突发事件、保障国家能源安全的重要手段。 为了可持续发展的地下空间开发利用 能源（石油、天然气）储存的方式有陆上储罐、海上储罐和地下储存等几种方式，但地下储存为多数。 地下能源储库不易被发现和破坏，易于保卫，是一种平时和战时都为安全、稳妥的储存方式，被称为“高度战略安全的储库”。 能源储库是敌打击的首选目标，南联盟的陆上储罐几乎被敌全部摧毁。八十年代，我国黄岛陆上石油储罐被雷电击中引起大火，被烧毁殆尽。 为了可持续发展的地下空间开发利用 地下储存有岩体（一般为花岗岩）中水封储存和盐岩中溶腔储存。由地质条件决定，前者被北欧诸国采用，后者广泛采用于美、德、法、俄、墨西哥、加拿大。由于盐岩的超

18、低渗透特性与良好的蠕变行为，能够保证储库的密闭性；盐岩的力学性能稳定，能够适应储压的变化；盐岩溶于水的特性使盐岩峒库的施工（溶腔）较为容易和经济。为了可持续发展的地下空间开发利用 我国的地下盐岩资源丰富、分布范围广，特别在经济发达的华东沿海地区，如苏北、苏南、淮南、山东等地均有大型盐岩矿层，具有良好的建设地下能源储库的地质条件。 为了可持续发展的地下空间开发利用 17 发展地下垃圾处理系统，消除垃圾围城现象 中国年产垃圾1.46亿吨，处理仅占2.3%左右，其余在城郊堆积，存量高达多亿吨，占地多万亩，垃圾围城现象严重。为了可持续发展的地下空间开发利用 瑞典是在二十世纪六十年代建设并实施采用压缩空

19、气吹运垃圾系统（PWT）的国家，PWT系统建在人口的居民区内，该系统与收集、处理系统配套，投资在年内得到回报。其他的例子，如设在香港岛西端大维山岩硐中TS。 发展地下垃圾处理系统节约了城市宝贵的土地资源，有很大的回报，控制了对环境的噪声和恶臭的污染，减少了对环境的视觉负面影响。 为了可持续发展的地下空间开发利用2保护与节约水和能源资源的地下工程 21 地下建筑与能源的可持续利用 211 地下建筑与节约能源 欧美同家的建筑能耗占全国总能耗的30%，其中用于供暖、通风空调能耗占总能耗的19.5%在美国进行的大量对比试验表明：地下建筑物比同类型地上建筑耗能明显减少，其节能率为：明尼苏达州及波士顿地区

20、48%；盐湖城58%；罗克斯迈尔地区51%；休斯顿地区33%；堪萨斯城服务性建筑60%，仓库70%，工厂47-90%。为了可持续发展的地下空间开发利用 212 地下空间为可再生和洁净能源利用开辟一条有效途径 太阳能、风能、潮汐能、冰能等不稳定能源需要季节性、昼夜性储存。在地下岩、土介质中修建热水洞库、水库、压缩空气储库和超导磁储电库是最佳的选择。“非枯竭性的无污染能源”深层干热岩发电（HDR）在美、德、日等国研究开发。1984年，美国Los Alamos 实验室在卡尔德拉的芬登山上建成了引一个10MW的HDR电站。为了可持续发展的地下空间开发利用 22 地下建筑与水资源的可持续利用 221 水

21、资源短缺的形势 国际上有人说，21世纪争水，是水的世纪。目前世界上有14亿人口缺乏安全清洁的饮用水。 中国是世界13个贫水国之一，人均水资源量仅为2251立方米，居世界第110位，是世界平均水平的1/4。据统计，我国城市每年缺水60亿立方米，在全国666座建制市中，有近400座城市缺水。为了可持续发展的地下空间开发利用 222 中国缺水的原因 主要的原因：降雨量时空分布极不均匀；高耗水、高污染。 223 解决水资源短缺的措施 （1）调水 水的地下储送是经济、安全和环境友好的选择。为了可持续发展的地下空间开发利用 举两个特大调水工程例子： A世界上最长的引水隧道长120公里，是芬兰的由Paija

22、nne湖至大赫尔辛基的输水隧道，截面13.8-18平方米，流速10立方米/秒，位于地下深-30 -100米。为了可持续发展的地下空间开发利用 A. The paijianne tunnel 为了可持续发展的地下空间开发利用 B南水北调工程 南水北调工程有三段：东线工程，中线工程和西线工程。 东线工程：从长江下游的扬州江都经13级提水站在山东聊城附近穿黄河引水到山东、天津及河北。 中线工程：从湖北丹江口水库（加高大坝）引水到郑州穿黄河引水至黄淮地区和北京、天津。 西线工程：从通天河、雅砻江、大渡河三条河引水至黄河，为青海、甘肃、宁夏、陕西、内蒙古和山西等六省供水。为了可持续发展的地下空间开发利用

23、为了可持续发展的地下空间开发利用 东中线的穿黄工程是关键，决定工期。工程包括在黄河底下20多米处开掘出两条直径9.5米的河底隧道，以500M3/秒，送过10公里宽的黄河。 西线工程地处青藏高原高寒地区，海拔3000-5000米，地质构造复杂。 由于长江远端引水线的水平面比黄河的转运点要低，因此，在西线工程需要建坝（302米、175米、296米）和开挖长隧道。隧道总长为653公里（158公里、131公里、28.5公里或244公里）。最短的隧道长为28.5公里，最长的为158公里。为了可持续发展的地下空间开发利用 （2）利用地下构造储水 建坝修水库必然会淹没耕地和村镇，从而动迁居民，引起库区的森林

24、淹没和泥沙淤积以及下游河道冲刷，从而影响生态和环境，包括珍稀动植物。甚至会诱发地震和山体滑坡。对于欧美的“废坝运动”，既要警惕有人别有用心怀有政治目的，又要看到他们“拆除”的大坝实际是拆除病坝和废坝，更要看到他们代替建坝修水库储备水资源的科技新思路。为了可持续发展的地下空间开发利用 欧美发达国家现在已经基本放弃修建地表水库来储备水资源的传统做法，而是利用地下含水层，建立“水银行”来调节和缓解供水。包括地表入渗和井灌的人工补给是一种可行、费用低廉的解决供水的办法。它一举多得：储备地下水，在水短缺的时候提供水量满足用水需求；控制由于地下水位下降引起的海水入侵和地面沉降；提高地下水位，减少地下水的抽

25、取费用；维持河流的基流；通过土壤中的细菌作用、吸附作用和其它物理、化学作用改善水质；通过处理后的污水入渗来实现污水的循环再利用，以管理不断增加的大量污水；最后也是最重要的是保护了生态环境。为了可持续发展的地下空间开发利用 80年代开始，美国开展了钻孔补给含水层的恢复工程（ASR系统）。美国已运行的系统有18个,正在建设之中的ASR系统有40多个。瑞典、荷兰和德国的AR工程在总供水中占20%、15%和10%。 荷兰到1990年，地下水人工补给量达到1.8亿方/年。伦敦利用地下含水层人工补给后提供水资源90ML/d。为了可持续发展的地下空间开发利用 在干旱和半干旱的中东国家，如约旦、科威特、摩洛哥

26、和以色列，都在开展城市污水经处理后进行地下水补给工程。 阿曼从八十年代初，开始在海岸平原和冲积干谷地区通过地下补给坝截获洪水，进行地下人工水补给工程。为了可持续发展的地下空间开发利用 （3）利用雨水 日本、瑞士和牙买加等国利用屋顶收集雨水，并通过管子将雨水输送到地下储水库。 日本雨水利用的供水量每年为0.05亿立方米。其中，名古屋体育馆每年积蓄雨水3.6万立方米。 西沙群岛上修建了可采集雨水达14万吨的地下贮水工程。通过技术处理，已达到了国家饮用水卫生标准，从而结束了吃水靠大陆船运的历史。为了可持续发展的地下空间开发利用 （4）污水资源化，中水利用 将污水处理设施放置在地下。这将使目前地面污水处理厂所占的土地得到开发利用，而且使它们邻近被污染不能被利用的土地也得到开发。中水利用在很多国家被采用，如日本每年将经处理的1.3亿立方米的再生水用于工业或绿化用。为了可持续发展的地下空间开发利用为了可持续发展的地下空间开发利用为了可持续发展的地下空间开发利用为了可持续发展的地下空间开发利用 促进建设环境友好工程的最重要因素是法规。工程方案的比较应“与时俱进”，应当提倡对不同方案进行社会经济、环境、技术评估，以代替纯经济技术评估。政府应积极制定严格的环境和安全方面的政策和法规，以进行环境影响的评估，从而保证不同实施方案的分析更加客观。 为