地下结构工程施工技术第一章绪论

地下结构工程第01章1.绪论地下结构的定义：保留上部地层（山体或土层）的前提下，在开挖出能提供某种用途的地下空间内修建的结构物，统称为地下结构。地下工程分类：交通隧道，水工隧洞、矿山巷道、地下仓库、地下工厂、地下民用与公共建筑、地下市政工程、人防工程、国防地下工程。1.1地下结构型式按相对地面位置分：水平，倾斜（斜井），竖直（竖井）；按水平坑道埋置深度的不同，又分成浅埋和深埋两种。结构型式首先由受力条件来控制，即在一定地质条件的土水压力下和一定的爆炸与地震等动载下求出最合理和经济的结构型式。图结构型式也受使用要求的制约；施工方案是决定地下结构型式的重要因素之一。返回图1-1地下结构型式北京地铁王府井车站广州地铁东（山口）~杨（箕）区间隧道综合地质、使用、施工三因素，地下结构常见的型式有以下几种：go地下结构常见的型式有以下几种（1）附建式结构图（2）浅埋式结构图（3）地道式结构图（4）沉井法结构（5）盾构法结构图（6）连续墙结构图（7）顶管结构图（8）沉管法结构图图1-2附建结构exit

图1-3浅埋式结构exit图1-4地道式结构图1-5沉井

exit图1-6盾构exit图1-7地下连续墙结构exit图1-8顶管exit图1-9沉管exit1.2

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1.2.1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。龙游石窟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。

在方圆0.38km2的土丘上，似有规律地分布了大小24个洞窟，每个洞窟的面积1000～3000m2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3～4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。1.2.2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。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。1.2.3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。1.2.4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、(economizeresources)改善环境、(improveenvironment)保护生态、(zoologyprotection)可持续发展(sustainabledevelopment）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,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。1.3

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。

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19．5％。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。1.3.2地下工程开发与洁净能源1.3.2.1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。西部大全开发、徐西电东例送和可裕持续发舰展战略麦，为水婆电开发足提供了注不可多变得的发栏展机遇保。根据郊国家规犬划，新汤世纪头那十年的隐“十五劝”、“趣十一五脂”计划贿中，全迹国将开减工建设鬼的大中蹦型水电贼站装机污达58奇00片0M罪W，其斯中超尖过50％为弹地下民水电摆站。此外，食在大中徒城市等至能源消烧耗集中库的经济借发达地迫区，能债源结构的成分多谣不尽合请理。可确以“调吧峰填谷懂”的盟水电比理例过低别，严重胳影响电膊网的质等量。为和解决这会一问题蹈就需要顽修建一姜定数量趋的抽水铃蓄能电迁站。由躁于这种史电站需盘要工作壳在发电坊和抽水危的双重鹅工况下联，因而娃装机高配程要求邪较低。泊如果设糕计成地怠面厂房余则要求欧很大的允挖深，愁增加工细程造价巩，且不叶安全，挥而设计钩成地下画式发电挎厂房则幅是最佳仙选择。飞如北京灿昌平的盛十三陵属抽水蓄守能电站晒、广州斥抽水蓄慕能电站洁等。地下工票程开发绵与洁净井能源1.3宴.2.心2地下洞路室储存盒热、冷透源将为广太阳能驳的利用妥开辟有报效的新风途径应特别岔指出的加是，地求下空间斑的开发四利用为浊自然洁赚净能源脾的利用偏，特别既是可再麻生能源购的利用播，开辟验了一条耗广阔有誓效的途逝径。太银阳能是往巨大的逢洁净可泼再生能掏源，但纽奉其来源忙随季节驱有很大葱的不稳农定性。治太阳辐姓射热一眯般仅在烂夏季丰卡富，这稀就需要健季节性迹贮存。兵在地下恩的水、魄岩石、访土壤介理质中贮颗存能量点往往是桶最佳的泰甚至是酸惟一的语选择。佛利用地哭下空间轿在冬季况将天然令冰块贮剩存于地蒸下，用炎于夏季浸环境控色制的蓄改冰空调例，是既岸经济又练清洁的易再生冷息源。由于锦岩、夺土的技热稳匀定性退和密衫闭性巷，使怪热量授损失骡很少滩，不咬需要孝保温羊材料看。岩糊石的皂自承石能力视，使援得洞盒室结缝构简妄单，呀维护顽保养庆费用异大为悄降低溜。瑞霉典在拉斯德明哥尔能摩西吼北约意15染0k音m的欧阿累均斯达眼建造熟了一偷个1个50六,0兴00缓m3咬的岩杂洞热狭水库死，以变废物鬼焚烧闻为热敬源，狼蓄热拜温度饿达7掘0C免℃～模15管0℃筋，通欲过一怕个换区热器默与区袍域供秒热系提统联研接。蹦工程桌投资获40烘0万纸美元馆，1驴98晃2年桌建成秀，1垫98键4年丑完成妖试验票投产嗓，用哑于当倾地供撕热系收统，浮每年仓节油脚40删0m胞3以纸上。屑在地闲下建敬造冷理藏库恼，也毯可大像为节猜约能查源，搏少用萝或不皱用隔风热材争料，衰温度察调节订系统坊也较剪地面灾冷库鄙简单谊，运设行和沙维护排费用辉比地御面冷热库低壮得多驳，据幅统计隐，约厉低2夺5％届—5胖0％富。地下工结程开发爸与洁净百能源1.3松.2.这3地下洞盯室工程椒储存压皮缩空气搞作为蓄锅能发电弓站的另泪一种介丹质德、枝日等比国还逐在开瓦发地既下压沸缩空总气贮硬库技包术。兽如德浑国已躬于19透79年在包岩盐老层中昂建成累一座雅地下化压缩阁空气避储库号，功持率为29万KW，贮气敢压力为8Mp景a。日速本、狠美国谣正在键开发的地下红超导炮磁贮绣电库饥技术眼，该束库为暂螺旋舰状排苏列的秀环形音洞室座。这珍两种挥技术业都可心有效膛地贮匆存低嫁峰负毕荷时斯的多墨余电任能，渴满足肿高峰僚供电望需要龟。1.3颜.2.验4排地热能宏源开发亏新技术锈-干热岩(HD费R,踪蝶hot纷dr源yr些ock影)发电美国Lo丧s史Al倚am拢os实验竿室在谷卡尔灰德拉捎的芬寄登山吵于198厦4年6月建成牺世界上芳第一个10龙M蜂W功率的耐干热岩倦电站。倒该电站银主要由拜两个深恳度为400距0多米的凑钻孔及卡其联通否孔组成袋，首先异用水力草压裂法崭将干热眠岩体压波出无数鬼裂隙，眼形成裂文隙通道拼和热储如空间。彩再用地惩面冷水砖一次灌统入213堤00m习3，形得成孔瞒底循爸环，通迅速戴将冷勺水变扣为高摆温、仅高压坏蒸汽政直接夏进入淋汽轮乖机发完电。1.3待.3地下白储水踩工程除建旨设水腿库之仪外,可利豪用松垫散岩杰层、坚裂隙垒岩体雷、岩瓜石洞功穴建指造地葵下人枝工河森川、芬地下伍蓄水姜池和爷融雪宜槽，茶储存粱丰水流季节朱多余虫的自效然降斗水供眼缺水猪季节榴使用局，可膝获得饥可观竭的水剪资源铲。我国融水资乎源短书缺日株益严杆重。危我国祝水资覆源在托时空俗分布混上极密不均醒匀是雕缺水玻的重躁要原嘱因。弦我国雄许多撒地方特丰水绍季节屑的大秤量淡耕水因睬为没悄有足咱够储产存设抱施白傲白流芽向大筒海。宰除在馋大江盟、大境河上诊中游蚕建设瞒水库路以外灶，也普可以续利用有地下砖空间格储存贴水源菌。如孕挪威燃、芬援兰等国国利径用松锄散岩鞭层、拍岩层啦裂隙级和岩刷石洞决穴以芽及疏汪干了模的地业下含泰水层炼，日探本，双在东呼京、终横滨练、名庸古屋够以及根扎幌刘等地才建造旗地下锤人工赞河川梢、蓄流水池袄和地译下融转雪槽托，储赶存丰肠水季图节中品多余寄的自奔然降不水、妈降雪星供缺地水季演节使赌用，绘就可烫部分述改善阅缺水描的状西况。雨水是依一种重讯要的淡命水资源瓣。在城从市中如牢将雨水哪部分储虚存起来尾，则可限获得可粘观的水勤资源，饼缓解水少资源危林机。在眼年降水碑量为500排mm的半干游旱地区骄，1km2年降水息为50万m3，如存以10斯0k吹m2市区插面积耍计算解，年坏降水隔量可名达0.5亿m3。在城攀市住宅发小区或返适当地识方储积暖雨水，秃可用于稍浇灌绿心地、水颈景以及离下渗补梅充地下投水，改牙善生态番环境。1.3水.4地下选交通诉和地险下停窄车场建设影城市而地铁暑交通运网与漏地下饥通道拿、地谣下停钞车库库、郊膊区火孙车进诱入城片市中射心区裳相结惨合的叛城市幸地下接交通石体系哑是减酬少城手市中坦心区碍汽车坝数量掀，根蕉治城辆市大往气污凝染的古有力萄措施塞。解决汽古车尾气演的根本迎措施之梳一是减摔少城市类中心区刘汽车总以量。蒙特利斤尔地下承有轨交扛通网是篮由东西秆两条地件铁轴线西、南北示二条地顶铁轴线秘及环形米地铁线昆和伸向的城市中际心地下丢两条郊嚼区火车罚道所组雹成。城吊市中心眉的60多个剖高层歪商业丹、办金公及前居住券建筑箭综合世大厦致通过15振0多个地阶下出入息口及相第应地下穗通道与船这个地垒下交通状网络的朽站台相叉连。中心雕区内类人流岗活动坡大都猾通过仙地下术交通辱，中织心区矿以外誉的人浮流上闯班、警进行谢公务贵及商裳业活防动时挨通过荣郊区么火车料，或薄由自浓备轿箱车到聋达中忆心区筒边缘家的地宴铁车女站，敲轿车叠停在煎附近笔的地永下停叹车场揭，然武后乘肤地铁膨到达互目的拴地站平台，构再乘暗地下肥通道监进入秋各高蹈层建孙筑。鸦这样预城市恶中心岁区的棒机动队车数哲量减渠少到能最低鸡限度及。实己际情接况表袜明，桌这种旅交通会模式劲和措齐施是蜂有效库的。1.匪3.帜5城市愚设施据转入鸽地下就，地快表让摔给绿悬地，尽减少松热岛敲效应《中国21世纪议著程》提出销：“外大力剧发展盟城市直绿化满事业犯，到20m年，栽绿化仗覆盖果率达权到30％，人蠢均公共优绿地面勇积达到7m2左右的陶目标。段”俗联合国涛建议城拾市公共祸绿地应肉达到人旱均40企m2的水平峡。恨为此需义要腾出臭更多的堂地面来卧进行城倡市绿化碧。向地下著要土地零，要空渔间，已逢成为世捧界城市窑发展的签趋势，法开发利铁用地下犯空间已售成为衡译量城市作现代化盯水平的浸重要标抗志。华盛顿惭人均4循0m2族分布均塘匀的绿挨化，真羡如城市誓花园一真般。世蹄界“绿您都”华餐沙，人湾均绿地弟70m壤2，确潜实是一意座生态静园林化转城市。在北邮方缺侧雨地跳区应胳以立伤体绿摘化为蔑主，斯多种赠树少病种草湾坪。1.窜3.裹6地下博污水念和垃粪圾处解理厂城市水远环境和娱垃圾环东境的治浙理也离肠不开地支下空间娱的开发拦与利用靠。我国136条流经稼城市的麻河流中105条水杠质污仓染严息重超稍标，50％以督上的掌城市销地下恰水受栽到污冶染。办我国钢城市配垃圾段堆放本量高羽达60多亿吨鸣，垃圾贡围城现合象普遍宝。一些时发达国皂家的先致进城市欺都在地浇下建立狭污水收唐集、输查送与处女理的统五一系统偿和垃圾差废物的桶分类、禁收集、秒输送和虚处理的框统一设各施。前苏炸联契摄尔诺防贝利呀核电麻站发困生爆验炸泄纹露事夜故后衔，虽博然有顷不少泊国家机已经嘴通过斥立法曲禁止评修建南核电如站，愧但综众合评宪价核浇电站嫁还是沈利大下于弊技，不衡能完火全否棉定。忘然而暗核废删料的读处理疯仍是镇一个担不可蜓忽视抬的问渗题，克现在爷采用洞的唯码一办窜法仍云是深逐埋地锋下。个如何喷保证恢深埋带的核扶废料摄不污凑染地责下水婆资源水及地罩下环弯境，败还需统要认咐真研窜究。利城市懒水环谢境和提垃圾有环境滋的治仿理也巷离不授开地功下空工间的小开发斥与利强用。瑞典奔排水供系统猎的污滴水处磁理厂帝全部讽设在挺地下磁，仅权斯德期哥尔萍摩市节就有沙排水腊隧道裹20急0k役m，到拥有胞大型畅污染放水处洁理厂严6座悔，处疼理率挖为1筒00兼％。访其他片中、岔小城保市，些也都掀有地港下污息水处劝理厂幼，保费护了绳城市点水源现，还瞒使波煤罗的累海免誉遭污恶染。闷瑞典袭是首未先试大验用灶管道氏清运杀垃圾应的国牧家。挖我国遥香港寄特区吴的污腔水处爆理厂车也是货全地活下式碰的。龙美国秀佛罗革里达放州近羞年来论在高乎层建孔筑地踩下室宿设置丧垃圾夸自然晓分类域收集菊系统贵。由急于地逐下空咐间的换封闭开性，愤上述白的收冒集处公理统仁一系冷统，栏可以沉把污录水，饮垃圾娘废物垮对城录市的哪污染努减少钻到最佣低限部度。开发障地下慕空间崇改善斩地面迹景观地下空胸间的开狮发使得义城市三请维结构槐更紧密差，城市杨的集约锡化程度州提高，踢降低了间人们对范城市中服交通的塔需求，栏使得城泻市的服田务更加柴接近居宿民，创绞造了更慌加宜人撒和舒适兼的环境柔。发达桥国家成求功地利花用地下闸空间保系持了城举市环境库宜人、见舒适，训保护了贡历史文蚀化景观削。减少恩地下兵工程际的环喷境危朴害地下工用程本质顺上说是叉环境友磨好工程储，保护迫地面自而然生态页环境。博但是它扎又改变杰了原来设的工程瓣地质环稀境，这疫种改变笨可以是滴有利的灿改变，接也可能洗是不利擦的改变怎，甚至迎造成工婶程地质劝环境的睡危害。宰例如破郑坏了地习下关系添，引起祖了地面得泉水的观枯竭、还地面坍绑塌和地吼裂缝，浅隧道的诸开挖破依坏了岩趣体结构革导致了迟山体滑弯坡或泥繁石流，完基坑的藏开挖引四起了地变基土层浇的扰动战造成了奴城市地烟面的沉踏陷等等餐。由于惭地下工激程的不强可逆性书，往往万这种变本化也是享不可逆沃的，后厉果是严绿重的。因此我岂们在修疯建地下往工程前鞠必须对劫岩床、耗地层和御地下水烂系对工命程的敏宰感性予胀以充分走注意，脉给以严雪密论证渗、分析亦甚至模旋拟仿真剪。应用羽现代技锻术进行涛全面细慨致的工映程勘察山。在地欠下工程界的规划姻设计和孔方案设斑计时，循应充分相论证地认下工程虹对环境搬引起的逐有害冲描击和有册益保护演问题，残如引起慈有害冲宁击，必遇须作出形特殊工鞠程处理旅，以求是消除，缩慧使工程秩对地质期环境影龟响最小酬，而收驻到的环悟境效益扫最大。1.吼4设计昆内容设计分工辟艺设翼计、忆规划裕设计嘉、建址筑设元计、水防护冠设计遗、结博构设颈计、叶设备六设计厌等。结构临设计工作一揪般分初呜步设计创和施工拘图设计光两个阶拐段。初步覆设计楚的内滋容（1）陕工程可防护营等级族，三杜防要轰求与次动载胃标准桥的确撇定；（2）确肺定埋置姐深度与添施工方私法；（3）促草算你荷载介值；（4）选蕉择建筑锋材料；（5）脚选定唱结构轮型