通識課地下空間與未來世界——地下空間開發(fā)利用

1、通 識 課地下空間與未來世界——地下空間開發(fā)利用與國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 曾亞武 博士/教授/博導(dǎo) 高 睿 博士/副教授二OO八年三月,第一講,緒 論,通識課的意義,社會變革很快，就業(yè)壓力增加，對高等教育的要求也在不斷變化。高等教育不僅要培養(yǎng)專才，更要培養(yǎng)通才；利用高等教育

2、通識課的機(jī)會，盡可能讓學(xué)生獲得各行各業(yè)的基本知識，非常必要！,1.1 引言：關(guān)于武漢市的交通,湖北自古就有“九省通衢”之地的稱謂，武漢則是湖北“九省通衢”的咽喉要道。在當(dāng)今社會，人員、物資流通頻繁的情況下，交通問題已經(jīng)是一個大到影響社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、小到影響個人切身利益的非常重要的問題，這個問題在我們所在的武漢市尤其突出。解決這個問題的根本出路之一，就在于地下空間的開發(fā)利用。因此，我們的課程就從武漢市的交通問題開始。,武漢六座長江大橋的位置

3、及內(nèi)環(huán)、中環(huán)、外環(huán)線示意圖,武漢市內(nèi)環(huán)線的交通壓力,,,,,過江隧道,主要問題,1.武漢三鎮(zhèn)之間交往頻繁，過江車流、人流龐大，而兩座大橋的承載能力有限，長期處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，如長江二橋通車僅十幾年，中間進(jìn)行過一次較大規(guī)模的維修，現(xiàn)正進(jìn)行大規(guī)模的維修加固；2.為解決城市客運(yùn)問題，武漢市最近十幾年的公共交通得到快速發(fā)展，在一些主要干道上還劃出了公交專用車道，但過江公共交通，雖然巴士很多，但速度很慢，尤其在交通高峰期，過江已成為公共交通快

4、速發(fā)展的瓶頸；3.最近幾年，隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的提高，以及汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車已走進(jìn)尋常百姓家，武漢市的汽車保有量已是成倍增加，給城市交通，尤其是過江交通帶來了更大的壓力，目前雖然兩座大橋均實(shí)行單雙號限制通行，但過江交通仍然越來越緊張；4.橋在不停地修，車在不停地增加，歸根結(jié)底修橋速度沒有汽車增加速度快，這一矛盾僅僅靠修橋沒法根本解決。,解決辦法,1.繼續(xù)建設(shè)汽車過江通道（包括大橋、隧道）：只是解決問題的一種方法，但不是根本辦法；

5、2.限制汽車通行：也不是長久之計，目前已經(jīng)限制單雙號了，往后再怎么限制？3.建設(shè)快速過江通道，讓大家不乘（或開）汽車，就能快速過江，我想到那時不用限制，又快又省錢的辦法誰不愿意采納？這里所謂的快速過江通道就是指軌道交通，尤其是地鐵交通。試想一下，如果乘地鐵從中南到武商，需要多少時間？我認(rèn)為：5－10分鐘。這才是解決武漢市過江交通壓力的根本之道，世界上許多人口密集的大都市的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明了這一結(jié)論。 軌道交通快捷

6、、準(zhǔn)時、環(huán)保，是唯一與小車有得一拼的公共交通方式。,一組圖片,2006.09.09武漢長江二橋交通狀況,2006.10.07武昌火車站公交擁擠狀況,1.2 地下空間的概念,地下空間：在巖層或土層中天然形成或人工開挖形成 的空間稱地下空間。天然形成的地下空間有：喀斯特溶洞、熔巖洞、風(fēng)蝕洞、海蝕洞等；人工形成的地下空間有：各種礦洞、工程建設(shè)需要開鑿的地下洞室（如隧道、廠房等）。地下建筑：地下形成的建筑空間。地下工程：建造在地下的各種工程

7、設(shè)施。,1.3 地下空間的用途,地下空間有著廣泛的用途。 在遠(yuǎn)古時期，人類開始利用天然洞穴作為居住之用，以保護(hù)自己免遭自然災(zāi)害的威脅。北京西郊周口店，約50多萬年前，北京猿人居住在自然條件較好的龍骨山天然溶洞中。在日本發(fā)現(xiàn)距今2萬─3萬年前的古人類居住洞穴。歐美、中東、北非等地都發(fā)現(xiàn)古人類穴居的遺跡。 人類到地面居住以后，開始把開發(fā)地下空間用于滿足居住以外的多種需求，如采礦、儲存物資、水的輸送及交通工程等，直到現(xiàn)

8、在大型公用設(shè)施、城市地下空間的綜合利用及地下工業(yè)、商業(yè)及軍事設(shè)施等等，地下空間用途得到普遍重視。 顯然，人類對地下空間的開發(fā)利用，經(jīng)歷了從自發(fā)到自覺的漫長過程，推動這一過程的，一是人類自身的發(fā)展，如人口的繁衍和智能的提高，人類需求的擴(kuò)展；二是社會生產(chǎn)力的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。,1.4 地下空間的分類,1、礦山巷道：包括各類礦物采掘后的洞室和輸送礦石的巷道工程。2、地下儲存：如糧食、油料、水果、蔬菜等的儲存，汽車庫、飛機(jī)庫、

9、艦艇庫及核廢料儲存等。3、水工洞室：如各種輸水隧道、水電站地下廠房、地下抽水蓄能電站、地下水庫等。4、地下工廠：如各種輕重工業(yè)地下廠房、地下核電站、地下火電站等。5、地下民用與公共建筑：如地下商場、圖書館、體育場館、展覽館、影劇院、醫(yī)院、旅館、住宅及其綜合建筑體系─城市地下街道等。6、地下交通工程：如各種公路和鐵路隧道、城市地鐵、地鐵站等。7、公用和服務(wù)性地下工程：如地下自來水廠、地下污水處理廠、給排水管道及煤氣、供電、通訊管

10、線的綜合工程等。8、地下軍事工程和防護(hù)工程：如各種野戰(zhàn)工事、指揮所、通訊樞紐、人員和武器掩蔽所、軍火和物資庫等。,1.5 地下空間開發(fā)利用簡況,人類對地下空間的開發(fā)利用有著悠久的歷史，經(jīng)歷了從自發(fā)到自覺的漫長歷程。 遠(yuǎn)古時代：利用天然洞穴作為防雨避風(fēng)的住所 銅器和鐵器時代 ：地下空間的利用擺脫了單純的居住要求，進(jìn)入更廣泛的領(lǐng)域 。如古埃及金字塔，實(shí)際上是建于紀(jì)元前2650─前2500前后的一種用于墓葬的地下空間；再如前22世紀(jì)巴比

11、倫幼發(fā)拉底河河底隧道，我國秦漢時期的地下陵墓及地下糧倉等。,中世紀(jì)以后：地下空間的開發(fā)利用得到廣泛的發(fā)展 ，如采礦、地下交通、市政建設(shè)、工業(yè)和水工地下工程等 ，1613年修建了倫敦水道；1681年修建了地中海比斯開灣的連接隧道；1845年英國建成第一條鐵路隧道；1863年英國倫敦建成第一條城市地鐵隧道；1871年建成穿越阿爾卑斯山連接法國和意大利的公路隧道等等。二戰(zhàn)期間：由于地下建筑物在防護(hù)方面的優(yōu)越性十分明顯，許多國家都將一些軍事設(shè)

12、施和工廠、倉庫、油庫等修建在地下。另外，將生產(chǎn)一些尖端的產(chǎn)品的車間設(shè)在地下，能夠滿足恒溫、恒濕、防震等生產(chǎn)工藝上的嚴(yán)格要求。,戰(zhàn)后：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對能源的需求與日俱增，從而開始了大規(guī)模的水利水電建設(shè)。有時在高山峽谷中修建水電站，由于施工場地的局限或者為了不破壞植被和生態(tài)環(huán)境，通常將水電站廠房建于地下。隨著世界人口的增長，城市面積擴(kuò)大、土地減少、能源短缺、城市交通擁塞、環(huán)境污染及備戰(zhàn)防災(zāi)諸方面的壓力和問題，地下空間的開發(fā)和利用已成為建

13、設(shè)現(xiàn)代化城市的重要標(biāo)志。,1.6 20世紀(jì)以來地下空間開發(fā)利用的成果,20世紀(jì)以來，現(xiàn)代地下空間開發(fā)有了迅速發(fā)展，達(dá)到空前規(guī)模，主要用于建造各種隧道、水利水電地下工程、大型地下公用設(shè)施和地下能源儲庫等。特別是城市地下空間的開發(fā)利用成了人們關(guān)注的熱點(diǎn)，視其為新的國土資源。典型工程：城市地鐵、長大隧道、地下水電站、城市地下公用設(shè)施等?？傞L53.85km的日本青涵隧道；總長51km的英吉利海峽隧道；長13.32km的瑞士哥達(dá)隧道；長

14、14.295km的大瑤山隧道（1980年代修建）；長18.4km的秦嶺鐵路隧道（1999年6月貫通）；亞洲最長的陸上隧道：長20.05km的烏鞘嶺隧道（右線及左線分別于2006年3月和8月正式建成通車）；秦嶺終南山公路隧道：長度18.02km，居世界第二、亞洲第一，建設(shè)規(guī)模世界第一，被譽(yù)為“天下第一隧” （2007年2月建成通車）。,地下電站發(fā)展迅速：包括地下水電站、地下火電站、地下核電站和地下抽水蓄能電站等。其中全世界的地下水

15、電站已超過400座，規(guī)模越來越大。加拿大丘吉爾瀑布電站地下廠房長296m、寬25m、高47m；長江三峽水利工程，其地下電站部分主廠房長311.3m，高87.24m，跨度為32.6m。城市地下空間的開發(fā)利用：在這一時期成為城市建設(shè)的重要內(nèi)容。一些發(fā)達(dá)國家逐漸將地下商業(yè)街、地下停車場、地下鐵道及地下綜合管線工程等聯(lián)為一體，成為多功能地下綜合體。,1.7 我國地下空間開發(fā)利用的成就,居住空間：數(shù)千年前我們的祖先就在我國北方的黃土高原建造

16、了許多供居住的窯洞和地下糧食儲備工程，至今仍有不少農(nóng)民居住在不同類型的窯洞中。 人防工程：采取平戰(zhàn)結(jié)合的方式，既保證了戰(zhàn)略效益、又獲得了社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。 交通隧道工程：20世紀(jì)60年代開始的大規(guī)模三線建設(shè)，修建了為數(shù)眾多的鐵路、公路隧道。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，至2002年底，我國共有鐵路、公路隧道8600多條，總長度約4370km，居世界第一。,城市地鐵建設(shè)：1965年在首都北京始建第一條城市地鐵以來，已有天津、上海、廣州、南京和武漢

17、等城市建成營運(yùn)或處于規(guī)劃設(shè)計與施工準(zhǔn)備階段。 水利水電建設(shè)：特別是大型地下水電站廠房的建設(shè)，說明我國已具備開發(fā)大型或超大型地下空間的技術(shù)水平和能力。城市地下商城、地下綜合體等的建設(shè)：表明我國城市已經(jīng)開始大規(guī)模開發(fā)利用地下空間。發(fā)展前景：三峽庫區(qū)水下博物館已經(jīng)建成；北京中關(guān)村將投資數(shù)十億元建設(shè)地下商城；故宮擬建一個現(xiàn)代化地下展廳；橫穿萬里長江的水下隧道也于2004年相繼在南京和武漢破土動工。廈門、青島、大連正在建設(shè)或即將建設(shè)海底隧道

18、?？梢灶A(yù)見，隨著經(jīng)濟(jì)、科技的發(fā)展，我國地下空間的開發(fā)利用即將進(jìn)入一個蓬勃發(fā)展的新時期。,,1.8 關(guān)于地下建筑空間施工的幾個概念,明挖法：也稱挖蓋法暗挖法：也稱礦山法，鉆爆法等淺埋暗挖法：盾構(gòu)法：沉井法：沉管法：頂管法：地下連續(xù)墻法：TBM法：,(1)明挖法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖,武漢市的地下通道基本采用這種施工方法，如洪山廣場地下通道、首義廣場底下通道等。,(2)暗挖法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖,一般堅(jiān)硬巖層中的隧道均采用該方法施

19、工，如大瑤山隧道、秦嶺隧道等。,(3)淺埋暗挖法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖,一般用于城市交通繁忙地帶，不允許中斷交通，且地質(zhì)條件又較差的地段，武漢市的地下過街通道大多采用該法施工。如武漢廣場、武漢會展中心、洪山廣場過街通道等,(4)盾構(gòu)法地下結(jié)構(gòu)(隧道)施工示意圖,,,盾構(gòu)法隧道施工適用于軟土地區(qū)埋深大的隧道工程，可穿越江河、湖泊、海底、地面建筑物和地下管線密集區(qū)的下部。,(5)沉井法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖,,沉井結(jié)構(gòu)用途十分廣泛，主要用于點(diǎn)式地下

20、建筑工程：如自來水廠、電廠和化工廠的水泵房、地下沉淀池和水池、地下熱電站、地下油庫、地下車間和地下倉庫等。此外，也可用作地鐵、水底隧道等各種設(shè)備井、通風(fēng)井、盾構(gòu)拼裝井、車間和區(qū)間段連續(xù)沉井等 。,(6)沉管法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖1,,,,,(6)沉管法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖2,,,沉管法一般用于水下隧道施工，目前國內(nèi)已建成的最大的沉管隧道是上海外環(huán)越江隧道，總長2880m（沉管段長736m），雙向8車道。,(7)頂管法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖,,頂

21、管法主要用于建造穿越城市交通繁忙地帶的地下工程，其長度、斷面尺寸均受到較大限制。國內(nèi)最長的頂管隧道是西氣東輸工程穿越黃河的隧道，長度近3000m，直徑約2m。,(8) 地下連續(xù)墻法施工示意圖,,地下連續(xù)墻法可用于點(diǎn)式、條式地下工程的施工，如上海、廣州大部分地鐵車站均采用該法施工。其特點(diǎn)類似于明挖法，但比明挖法占用場地小，對周圍環(huán)境影響較小，且造價相對較低。,(9)TBM法地下結(jié)構(gòu)施工示意圖,目前國內(nèi),習(xí)慣上將用于巖石地層的隧道掘進(jìn)機(jī)稱為