土木工程概论-第6章-地下工程.ppt

第六章地下工程概述,6.1 引言6.2 地下工程设施的分类6.3 地下建筑工程6.4 隧道工程,地下工程：指地面以下土层或岩体中修建各种类型的地下建筑物或结构的工程。它包括：交通运输方面的地下铁道、隧道、停车场、通道等；军事方面和野战军事的地下指挥所、通讯枢纽、掩蔽所、军火库等；工业与民用方面的地下车间、电站、库房、商店、人防与市政地下工程；文化、体育、娱乐与生活等方面的联合建筑体。,6.1 引 言,储藏室,岩石中的地下建筑,简述,地下厂房,利用天然岩洞地下工厂,简述,东京八重洲地下街。分三层，左右两侧上层为商场、中层为车库，底层为机房，中部为地下铁道。,埋入土中的地下街道,20世纪80年代国际隧道协会（ITA）提出“大力开发地下空间，开始人类新的穴居时代”的口号。顺应于时代的潮流，许多国家将地下开发作为一种国策，如日本提出了向地下发展，将国土扩大十倍的设想。从某种意义上来讲，地下空间的利用历史是与人类文明史相呼应的，它可以分为四个时代：,第一时代 从出现人类至公元前3,000年的远古时期。人类原始穴居，天然洞窟成为人类防寒暑、避风雨、躲野兽的处所。,如：北京周口店的北京猿人洞穴是迄今所知世界上最早的与岩土工程有关的遗址。,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。,远来君子到此庄，休笑土窑无厦房，虽然不是神仙洞，可爱冬暖夏天凉,新疆吐鲁番的坎儿井，有“地下长城”之美誉,第三时代 从5世纪至14世纪的中世纪时代。世界范围矿石开采技术出现，推进了地下工程的发展。从英国1860年修建、1863年运营的第一条地下铁道算起，至今也只有140多年的历史。由于战争频繁、城市人口增加、环境污染日益严重以及能源危机等因素的影响，地下建筑工程在一些国家得到迅速发展。,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。,日本60年代建造地下工程总量近1亿立方米，70年代为3亿立方米。,法国巴黎地下交通规划为上下两层。,美国已建成4000多座人防指挥所。,瑞典建成埋在地下210m深的地下岩石中的热水库。,我国自50年代初开始，修建了大量的防空地下建筑工程。这些工程可作为地下餐厅、商店、医院等。战争时期则可改建为人防指挥所和民房掩蔽所。,我国现代地下空间的开发和利用始于60年代。1965年北京建设地下铁道。一期工程采用明挖法施工。二期工程采用浅埋明挖法施工。60年代上海修建打浦路水底公路隧道。70年代，我国修建了大量地下人防工程，其中相当一部分目前已得到开发利用，改建为地下街、地下商场、地下工厂和贮藏库。80年代上海建成延安东路水底公路隧道，全长2,261m，采用直径11.3m的超大型网格水力机械盾构掘进机施工，建成了当时世界第三条盾构法施工的长大隧道。,上海杨浦电厂取水工程,香港东区海底隧道,我国的地下工程已有5000多年历史，敦煌、云岗、龙门三大石窟群也是我国古代杰出的地下建筑工程。,这个历史时期所谓地下建筑工程多局限于帝王贵人的陵墓和人类居住的窑洞。,简述,匈牙利布达佩斯地铁候车室,结构 形式,地下建筑物可以构筑成隧道形式，也可以和地面房屋相似，在平面布局上采用棋盘式和房间式的布置，并可建成多层多跨的框架结构。,断面 形状,最常见的有圆形、矩形、拱顶直墙（包括厚拱薄墙）、拱顶曲墙（地基软弱时）、落地拱、穹顶直墙等。,平顶直墙式隧道,简述,北京天外天地下商场主要采用了：五连拱多跨梁柱柱结构施工方法，双层导洞转向技术。平顶直墙田字型开挖施工技术；暗挖拱型结构与明挖框架结构连接结构施工技术,简述,五连拱效果图,简述,南京富贵山隧道,地下建筑可作为有效的防空、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。,地下建筑物特点,地下工程设施的结构与岩（土）接触处必须有衬砌结构。,衬砌指的是为防止围岩变形或坍塌，沿隧道洞身周边用钢筋混凝土等材料修建的永久性支护结构。,作用：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。,包括：砖石衬砌、片石混凝土衬砌、钢筋混凝土和整体灌筑的混凝土衬砌。,钢模板衬砌台车,衬砌结构：材料为钢筋混凝土或砖、石等圬工材料。,衬砌个结构的形式主要由使用条件、地质条件和施工条件三个因素综合决定。,为使衬砌四壁大体受压而较少受弯、受拉，最适宜的衬砌外形介于圆形和蛋形之间。,6.2 地下工程设施的分类,根据使用目的，地下设施主要有以下8类：1.居住设施：指各种地下或半地下住宅，我国窑洞及北美等地的覆土式房屋就是典型的地下住宅。地下住宅有着显著的节能和改善微气候的功能。,2.公共设施：城市的发展需要开发地下空间，形成商业街、停车场、下沉式广场、地下过街人行道等。,3.功能设施：为改善城市功能的各项设施，包括埋在地下的各类管线、变电站、水厂、污水处理系统、地下垃圾处理系统、管沟等。,4.生产设施：在城市人口密集区，将有噪声污染、振动污染的工业厂房、变电站等迁至地下，改善城市环境、提高市民生活质量。,5.交通设施：指运送物资或人员的各种地下铁路、公路、管线等。交通功能是大多数城市开发利用地下空间的主要目的。,6.贮藏设施：地下空间是有恒温性及防盗性好、鼠害轻等优点，因此节能、安全、低成本的地下仓库广泛应用于储存食品、水资源、石油、城市垃圾等。,温彻斯特大教堂下的地窖,6.贮藏设施：地下空间是有恒温性及防盗性好、鼠害轻等优点，因此节能、安全、低成本的地下仓库广泛应用于储存食品、水资源、石油、城市垃圾等。,希尔的地窖,7.防灾、人防设施：地下空间对各种自然、人为灾害具有较强的综合防灾能力，地下人防设施战争时承担人防功能，而和平时期仍可用于其他事业。,8.军事设施：指各种永久的和野战的军事、屯兵和作战坑道、指挥所、通信枢纽部、掩蔽所、军用油库、军用物资仓库、导弹发射井等。,按周围环境的材料不同，分为岩石地层中和土质地层中的地下工程两大类：岩石地层中地下工程包括人工洞室、改造利用的天然溶洞和废弃坑井；土质地层中的地下工程包括明挖法施工的浅埋式和在深层土体中用暗挖法施工的洞埋式通道和洞室。按照建造方式不同，地下工程又可分为单建式与附建式：单建式指独立建造的地下工程，地面上没有其他建筑物；附建式一般指各种建筑物的地下室部分。,按工程规模大小，地下工程又可分为小型地下工程和大型地下工程：小型地下工程指一般性建筑物地下室；大型地下工程指空间开阔的大型地下车库、地铁车站、地下工业厂房等以及影响范围广、涉及面广的各种地下隧道。,6.3 地下建筑工程,我国城市地下建筑工程的开发始于20世纪60年代的人防工程，最初的目的是防止空袭，当时挖掘了很多的防空洞。随着城市近几十年的快速发展，各大中城市先后结合城市改造对既有的“人防工程”进行了再开发和综合利用。现代城市中，地下商业街、地下停车场、地下过街通道、地下大型超市、下沉式广场等地下建筑工程随处可见。,6.3 地下建筑工程,由于地下建筑的大规模发展，逐渐形成了地下建筑的研究领域，该领域专门研究地下建筑的发展历史和发展方向、地下空间的开发和利用、城市地下空间的综合规划、各类地下建筑的规划设计，同时还涉及地下建筑环境，人的心理、生理状态和相关建筑技术。在土木工程领域也形成了专门研究地下结构的学科，在地下建筑的结构设计、受力分析、施工方法等方面取得了一系列成果。,城市地下综合体,一、地下综合体定义 为建设沿三维空间发展的，地面地下连通的，结合交通、商业贮存、娱乐、市政等多用途的大型公共地下建筑。二、地下综合体特点 多重功能、空间重叠、设施综合,上海人民广场地下综合体,地下街,日本东京车站八重州地下街,地下街,一、地下街定义 在各种建筑物的地下层之间建立地下连通道，或独立单建，形成总体形态狭长的旁边设店铺、事务所、停车等设施的地下道路。,日本东京车站八重州地下街,地下街,一、地下街定义 在各种建筑物的地下层之间建立地下连通道，或独立单建，形成总体形态狭长的旁边设店铺、事务所、停车等设施的地下道路。,日本东京车站八重州地下街,东京八重洲地下街。分三层，左右两侧上层为商场、中层为车库，底层为机房，中部为地下铁道。,埋入土中的地下街道,地下街,地下街,地下街,二、地下街在我国的城市建设中起着多方面的积极作用：1、有效利用地下空间，改善城市交通。2、地下街与商业开发相结合，活跃市场，繁荣了城市经济。3、改善城市环境，丰富了人民物质与文化生活。,地下商场,中国式的大中型地下综合体、地下商场在一些城市建成，以下是开封相国寺地下商场平、剖面图：,开封相国寺地下商场平剖面图,地下商场,地下停车场,我国若干大城市的停车问题已日益尖锐，对有组织的公共停车的需求已十分迫切。以下所示为城市地下停车库的形式之一：,附建在高层住宅楼的装配式地下停车库,开发和利用地下空间,开发和利用地下空间是城市建设的迫切需求合理开发和利用地下空间是解决城市有限土地资源和改善城市生态环境的有效途径。以下列举美国波士顿地下空间开发利用对城市的发展所起到的积极作用。,开发和利用地下空间是城市建设的迫切需求,中央大街规划方案线路图及已建成的通向,波士顿地下空间开发利用,开发和利用地下空间是城市建设的迫切需求,1959年中央大街建成时交通状况与现在的比较,波士顿地下空间开发利用,开发和利用地下空间是城市建设的迫切需求,穿越波士顿港通向机场的4车道隧道,波士顿地下空间开发利用,合理开发利用地下空间有利于提高城 市的防空抗毁及防灾能力,1、地下空间具有极高的抗爆性能；2、地下空间具有良好的抗震能力。,发展地下工程的意义：1、为人类的生存开拓了广阔的空间。2、地下空间具有恒温性、恒湿性、隔热性、遮光性、气密性、隐蔽性、空间性、安全性等优点。3、社会、经济、环境等多方面的综合效益良好。4、节省城市占地、节约能源、克服地面各种障碍改善城市交通、减少城市污染、扩大城市空间容量、节省时间、提高工作效率和提高城市生活质量。,8.1 地下电站,地下水力、核能、火力发电站和压缩空气站，均属于动力类地下厂房。无论在平时或战时，都是国民经济的核心部门。,一、地下水电站,8.1 地下电站,地下水电站划分为两种主要类型 1、利用江河水源的地下水力发电站 2、循环使用地下水的抽水蓄能水电站 地下水电站包括水坝和电站两大部分 龙滩水电站的地下厂房系统是目前国内在建工程中最大、世界第二大的地下工程。,龙滩水电站,龙滩水电站,小浪底水利工程地下厂房,小浪底水利工程,二、地下抽水蓄能水电站,具有地上、地下两个水库。供电时，水由地上水库、经水轮发电机发电后流入地下水库；供电低峰时，用多余的电力反过来将地下水库的水抽回原地面水库，以便循环使用。,三、地下原子能发电站,原子能发电站的优点 1、选址容易 2、岩体对地下放射物质有良好的遮蔽效果 3、耐震、有良好的防护性 原子能发电站的形式 1、半地下式 2、完全地下式,地下仓库,一、为何要建造地下仓库？1、地下环境对于许多物质的贮存有突出的优越性，地下环境的热稳定性、密闭性和地下建筑良好的防护性能，为在地下建造各种贮库提供了十分有利的条件。2、人口的增长、集中和都市化，世界各国都面临能源、粮食、水的供应和放射性以及其它废弃物的处理问题。,水封油库（变动水位法）,二、地下燃料贮库可分为以下几种类型,1、开凿硐室贮库 2、废旧矿坑油库 3、其它油库,储藏室,地下仓库,盐城湖宾汉铜矿,6.4 隧道工程,了解掌握各类隧道工程的结构特点及施工方法。,隧道工程概述,世界经济发展合作组织（OECD）对隧道所下的定义为：以某种用途，在地面下用任何方法按规定形状和尺寸，修筑的断面积大于2m2的洞室。,通俗讲是修筑在岩体、土体或水底的，两端有出入口的，供车辆、行人、水流及管线等通过的通道。包括交通运输方面的铁路、道路、水（海）底隧道和各种水工隧道等。,隧道的种类很多，如按用途分,有铁路隧道、公路隧道、公铁两用隧道、引水隧道等；按断面形状分,有圆形隧道、拱形隧道、卵形隧道、矩形隧道等；按位置分，有傍山隧道、越岭隧道、水底隧道和地下隧道等；按衬砌结构分，有直墙式衬砌隧洞、曲墙式衬砌隧道、曲边墙无仰拱衬砌隧道等；按隧道内铁路线路数分，有单线隧道、双线隧道和多线隧道等。,隧道结构：洞门、洞身、洞内排水通讯设施等附属设施,洞身：隧道结构的主体部分。分为初期支护、二次衬砌、防排水设施。初期支护：主要指锚喷支护二次衬砌：承受地层压力，维持岩体稳定，阻止坑道周围地层变形的永久性支撑物。它由拱圈、边墙、托梁和仰拱组成。洞门位于隧道出入口处，用来保护洞口土体和边坡稳定，排除仰坡流下的水。它由端墙、翼墙及端墙背部的排水系统所组成。,5.4 隧道工程 概述,英吉利海峡隧道视频,隧道内的线路可用单向坡或双向坡,隧道衬砌的横断面,施工原理与方法：,新奥法(NATM):新奥法的概念是奥地利学者拉布西维兹教授于1948年提出的，它是以既有隧道工程经验和岩体力学的理论基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法。挪威法（NMT）：是20世纪90年代在西北欧隧道工程中发展起来的一种新方法，该法根据隧道质量指标Q值进行围岩分类并选定支护，是对新奥法的完善、补充和发展。,隧道工程 施工方法,矿山法：也叫暗挖法，尤其是指在坚硬的岩石层中采用的矿山巷道掘砌技术的开凿方式。,明挖法(基坑法或围堤明挖法)：从地面向下开挖，并在欲建地下铁道结构的位置进行结构的修建，然后在结构上部回填土及恢复路面，主要方法有：敞口放坡明挖、板桩法、地下连续墙施工法,暗挖法：适用于各类隧道施工,主要方法：盾构法、注浆法、钻眼爆破法、沉管法和顶管法等钻眼爆破法（适用于硬岩中开挖隧道）盾构法：盾构为一钢制圆筒，周边设置千斤顶推向前方。沉管法：多用于水底隧道。IBM机法：多用于长大隧道。顶管法：常用于半径较小隧道。注浆法：在施工范围布置注浆孔，灌入水泥砂浆或其它化学浆液，以使土层固结，甚至不加支撑开挖竖井或隧道。,施工的主要程序:,施工方法,盾构施工法的示意图,施工方法,盾构拼装出洞的顺序,施工方法,隧道内路面施工,施工方法,庞大的隧道施工设备,施工机械,顶管法施工示意图,施工方法,连续板墙法施工示意图,5.4.1 公路隧道,一、公路隧道线路,公路隧道的各种主要断面形状,隧道净空断面的形状，即是衬砌的内轮廓形状。确定的形状应使衬砌受力合理、围岩稳定。衬砌的形状可采用圆拱直墙。圆形断面利于承压和盾构施工。在浅埋、深埋公路隧道采用矩形或近椭圆形断面。分为单向车道、双向车道,公路隧道,公路隧道,公路隧道,公路隧道 二次衬砌配筋,公路隧道 开挖断面,公路建筑限界,公路隧道横断面净空,5.4.1 公路隧道,建筑限界是指隧道衬砌等任何建筑物不得侵入的一种限界。公路隧道的建筑限界包括车道、路肩、路缘带、人行道等的宽度，以及车道、人行道的净高。隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间称为隧道净空，除了包括建筑限界之外，还包括通过管道、照明、防灾、监控、运行管理等附属设备所需要的空间，以及富裕量和施工允许误差等。,二、公路隧道通风,公路隧道空气污染造成危害的主要原因是一氧化碳。通风方式的种类：,射流式纵向通风,竖井纵向通风,5.4.1 公路隧道,半横向式通风,三、公路隧道照明,隧道照明与一般部位的道路照明不同，其显著特点是昼间需要照明。防止司机视觉信息不足引发交通事故。应保证白天习惯于外界明亮宽阔的司机进入隧道后仍能认清行车方向，正常驾驶。隧道照明主要由入口部照明、基本部照明和出口部照明与接续道路照明构成。,入口照明是指司机从适应野外的高照度到适应隧道内明亮度，所必须保证视觉的照明。它由临界部、变动部和缓和部的三个部分的照明组成。临界部是为消除司机在接近隧道时产生的黑洞效应所采取的照明措施所谓“黑洞效应”是指司机在驶近隧道，从洞外看隧道内时，因周围明亮而隧道像一个黑洞，以致发生辨认困难，难以发现障碍物。变动部是照度逐渐下降的区间。缓和部为司机进入隧道到习惯基本照明的亮度，适应亮度逐渐下降的区间。,出口照明是指汽车从较暗的隧道驶出至明亮的隧道外时，为防止视觉降低而设的照明。应消除“白洞效应”，即防止汽车在白天穿过较长隧道后，由于外部亮度极高、引起司机因眩光作用而感不适。,三、公路隧道照明,铁路隧道,一、地铁隧道结构的形式：,A、浅埋区间隧道多采用明挖施工，常用钢筋混凝土矩形框架结构。下图显示的是浅埋明挖施工的区间隧道结构型式。,(a)单跨矩形(b)双跨矩形(c)单跨双层(d)单拱形,B、深埋区间隧道深埋隧道多采取暗挖施工，用圆形盾构开挖和钢筋混凝土管片支护。,铁路隧道由洞口路堑（或引道）、洞门、洞身衬砌结构和隧道内外附属构筑物（道床、避车洞、水沟、照明、设置电气化设备的洞室等）组成。,铁路隧道,水底隧道,在有大吨位船舶航行的水域，或穿越水域的铁路运量和输密度很大，或在城市内河流两岸建筑物密集区，经过技术经济比较，可考虑修建水底隧道。水底隧道一般由岸边敞口段，岸边暗挖段和水底暗埋段三部分组成。,一、水底隧道埋置深度的影响因素1、地质及水文地质条件 2、施工方法要求 3、抗浮稳定的需要 4、防护要求 二、水底隧道的断面形式 圆形断面、拱形断面、矩形断面,三、隧道防水,1、防水混凝土2、壁后回填3、围岩注浆4、双层衬砌,5.4.3 水底隧道,水底隧道一般分水底段和河岸段，后者又有暗埋、敞开及出口部分。,施工方法：盾沟法、沉管法；,用盾沟法建造的水底隧道，自两端至洞口，一般为槽形敞开式引道段，穿越水底的暗埋段，断面大多为圆形。,引道段,用沉管法建造水底隧道除有引道段外，穿越水底的沉管有时是由几个通道组成的矩形管段组成。,发展情况：见世界几个大海底隧道有关数据,四、世界著名的隧道工程,日本青函海底隧道世界上最长的隧道,英吉利海峡隧道,海底隧道立体示意图,仙尼斯隧道：连接法国、意大利两国，长12900米，双线，建于18571871年。圣哥达隧道：位于瑞士境内，长15000米，双线，建于18721882年。辛普伦隧道：连接瑞士意大利的一座铁路长隧道，长19800米。第一号隧道建于18961906年，第二号隧道建于19121921年。美国最长的隧道是19251928年修建的长12540米的喀斯喀特隧道。世界上最长的山岭隧道是位于日本上越新干线的大清水隧道，长22280米。,