21世纪的地下工程x2

null城市地下工程---- 城市可持续发展的必由之路城市地下工程---- 城市可持续发展的必由之路李 宁 西安理工大学岩土工程研究所 中科院寒区旱区环境与工程研究所目 录目 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、地下工程中的科学技术问题 一、地下工程及其分类一、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null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—— 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/4null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——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％null 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—— 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 null 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 修建地下拉圾焚烧厂，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 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null 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咸慑与要挟  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 北方调水工程的根本手段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 61m×25m×91m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null 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）”的津轻海峡隧道 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法海底隧道 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 —— 发达国家城市地下空间的开发已具规模—— 发达国家城市地下空间的开发已具规模 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 —— 日本城市地下空间利用已达到相当规模—— 日本城市地下空间利用已达到相当规模  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—— 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—— 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 1．世界范围内海底隧道热正在兴起 —— 意大利横跨墨西哥海峡隧道，把本土和西西里岛连接起来 —— 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—— 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Evinos—Mornos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—— 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勃海湾的南桥北隧固定联络道  跨越长江人海口连接上海-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 2．21世纪我国的城市地铁与交通工程 2．21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—— 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”—— 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—— 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”—— 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—— 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、有的还做了初步 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 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 —— 南非的莱索托高原水利工程，工期30年，耗资2000亿美元 —— 我国拟建的南水北调西线工程 最长的隧道达131km，海拔3000-5000m —— 我国的水利资源居世界第一，总蕴藏量6.67亿kw—— 我国的水利资源居世界第一，总蕴藏量6.67亿kw 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 —— 计划在二十一世纪建成十二个大型水电站基地—— 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、红水河（1312万kw）、（7）澜沧江干流（2137万kw）、（8）黄河上游（1415万kw）、（9）黄河中游北干流（609万kw）、（10）闽、浙、赣（1416万kw）、（11）东北（1131万kw） 合计：2.1亿kw，年发电量9945亿度 4．二十一世纪新能源的开发——地下高温岩体能源 4．二十一世纪新能源的开发——地下高温岩体能源  世界上最干净、最丰富的能源  是全球石油、天然气、煤总蕴藏量的30倍 五、地下工程中的科学技术问题五、地下工程中的科学技术问题 软弱破碎围岩的稳定性问题  岩爆问题  膨胀挤压、流变软化  地震活动带  瓦斯气体 —— 地下工程的规划、勘察—— 地下工程的规划、勘察 工程地质学、水文地质学  运筹学、现代测量学  隧道工程、给排水工程  线性规划，智能化专家系统等 —— 地下工程的设计—— 地下工程的设计 弹性力学、塑性力学、岩石力学、断裂岩石力学、损伤岩石力学  连续介质岩石力学、离散介质岩石力学、半连续介质岩石力学  土力学、多孔多相介质力学（非饱和土力学）  分形分维学、混沌理论、突变理论、耗散结构理论  灰色系统理论、模糊数学理论、随机数学理论等  钢筋混凝土结构力学、计算机仿真理论与技术 —— 地下工程施工技术—— 地下工程施工技术 爆破技术、激光测试技术、红外测试技术、岩石切削技术  大型液压传动技术、人工智能技术  岩土工程加固技术 预应力锚固、锚杆、锚钉、灌浆、高压旋喷注浆等等新技术  微型隧道技术  顶管技术  沉管技术 五、地下工程中的岩石力学问题五、地下工程中的岩石力学问题—— 岩石（材料）力学与岩体（结构）力学的发展应该相互协调  工程应用——岩体——结构面的力学性质研究  裂隙岩样制作的困难 地下工程的飞速发展，对作为工程设计与施工基础理论的岩石力学的发展提出了新要求—— 岩体现场测试技术有待完善与提高—— 岩体现场测试技术有待完善与提高 直接测试技术  非直接测试技术—— 岩体力学理论基础的发展有待突破  连续统力学体系——散体力学——半连续体力学体系的建立—— 岩体力学解决地下工程问题的思路有待进一步开拓—— 岩体力学解决地下工程问题的思路有待进一步开拓 裂隙化围岩强度的分形特征  裂隙化围岩在动载下的混沌特征  渗流等作用下围岩结构面强度的突变特征  围岩变形压力—支护力关系的分岔特征  围岩强度理论、塑性理论、损伤理论的模糊特征  围岩与支护系统稳定性分析的灰色系统理论  围岩与支护系统优化设计的智能化专家系统  围岩与支护系统优化设计的智能化神经元法  围岩与支护系统优化设计的智能化遗传算法—— 当前地下工程设计与施工中存在的问题—— 当前地下工程设计与施工中存在的问题 设计理论、实践发展与不协调  新奥法与山岩压力设计理论——分析思路  有限元法与结构力学法——分析方法  支护、衬砌的设计指标——分析结果  施工技术与设计理论、设计方法不相符合  爆破设计与施工技术  喷锚作用的时机  监测手段、技术的相对落后  回填灌浆  衬砌的浇筑质量、温度控制等谢 谢！谢 谢！欢迎各位同学报名加入 地下工程专业！