土木工程概论.docx

“地下”宝藏随着世界经济的发展和人口密度的不断增大，城市发展与土地资源之间的矛盾日益激化，要持续城市化必然要选择一种新的城市建设方式。于是，不免看到城市中间高层林立，海洋开发争先恐后，沙漠生态化前赴后继，太空战略比比皆是。城市建设走向高层，走向海洋，走向沙漠，走向太空，走向地下，这其中是否有一个发展方向是既节约成本，又能使空间最大化的好的走向呢？在我的观点中，向地下发展是城市持续发展的最优方案。向地下开发可归结为：地下资源开发、地下能源开发和地下空间开发三个方面。地下空间的利用也正由“线”的利用向大断面、大距离的“空间”利用进展。如果说，19世纪是桥的世纪，20世纪是高层建筑的世纪，那么，未来的21世纪必将是人类开发利用地下空间的世纪。1991年在东京召开的城市地下空间国际学术会议通过了东方宣言，提出了“21世纪是人类开发利用地下空间的世纪”。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。一、开发地下空间的优势相比于向高层、海洋、沙漠乃至宇宙要生存空间，开发利用地下空间拥有更多优势：1. 地下空间更广阔，面积大且适用于效用更大的公共设施，方便更多的人而不是将人“束之楼阁”。2. 地下空间由于岩土具有良好的隔热性，地面以下1米，日温几乎不变。常年的气温恒定会使得地下建筑明显比地面建筑少消耗能量。3. 较强的抗灾特性，由于地下结构的特殊性，对于地震和战争等天灾人祸有其他地面建筑无法比拟的安全性能，必要时可作为民防工程。4. 缓解交通堵塞和解决静态交通“停车难”的问题。二、国外现状和发展趋势如今，国外许多国家在城市地下空间利用领域已达到相当的水平和规模。向地下要土地、要空间已经成为城市历史发展的必然和世界性的发展趋势，并以此作为衡量城市现代化的重要标志。国外城市地下空间开发现状：注重立体开发，充分利用地下空间的多功能性，建设四通五达的地下城，从地铁交通工程、大型建筑物向地下自然的延伸发展，到复合型地下综合体，再到地下城，形成了地下交通、地下商业、地下疏散干道、地下共同管沟建设的有机融合。同时，公共建筑也向地下发展，如公共图书馆、展览中心、体育馆、音乐厅、大型的科研实验室等文化体育设施。国外的地下建筑的内部空间环境质量、应急系统和运营管理都达到了较高的水平。下面介绍几个国家的实例：日本：日本国土狭小，城市用地紧张，地下空间的综合利用虽然比北欧国家起步晚，但是地下街道、地下车站、地下铁道，地下商场已经居世界领先地位，日本最具特色是地下商业街的建设规模大，抗灾能力强，从80年代以后，日本单个的地下街的规模越来越大，设计指标越来越高，抗灾能力越来越强，同时国家在立法、规划、设计质量方面形成了一整套较健全的地下商业街开发利用体系，据统计日本已经在26个城市建设地下商业街146所，每日进入地下商业街的人数达到1200万人，占国民总数9/1。美国：美国基本上是实行道路交通的地下化，比如波士顿中央大道就是经历了城市由高架道路转入地下的过程，验证了城市道路及高架道路走进地下化的发展趋势，美国的地铁建设在世界上运营最长，纽约有443公里，车站达504个，每天有510多万人在地铁里面运行，每年将近20亿人次，真正的市中心曼哈顿地区常住人口只有10万，但白天进入该地区是300万，多数是乘坐地铁的人员。瑞典：瑞典大型的地下排水系统在世界上是领先地位，城市排水系统、污水处理系统都在地下，埋深30-90米，特别是瑞典南部整个地下排水系统达到80多公里长。法国：法国也是城市地下空间开发较早国家，一是对废弃的矿井进行再开发利用，改变为城市的下水道和防空设施，巴黎市早在18世纪末就开发利用了几个世纪之前的废弃矿井，于1890年成功用于巴黎世博会中国馆和印度馆的设计，取得成功。二是大力建设地下车库。三是用于保护历史文化景观，比如卢浮宫改造，地上已经没有空间利用，就在地下扩建，成功对古典建筑进行了现代化改造。 俄罗斯：俄罗斯属于地下空间开发利用的先进国家，特点是地铁系统和城市共同沟系统发达。莫斯科地铁，分为三层，纵横交错，埋深达80多米，地铁以其建筑和运营的高质量而闻名于世。观察和分析以上国家地下空间发展的经典案例，不难发现地下空间的利用都有着一些必然的发展趋势，如由独立向联合，由单用途向多用途，由单层次向多层次等等，总结国外先进的科技发展趋势，有助于还处在初期的我国地下空间利用的发展： 1 综合化 国外地下空间利用发展的主要趋势是综合化，其表现首先是地下综合体的出现，欧洲、北美和日本等一些大城市，在新城区的建设和旧城区的再开发过程中，都建设了不同规模的地下综合体，成为具有大城市现代化象征的建筑类型之一。其次综合化表现在地下步行道系统和地下快速轨道系统、地下高速道路系统的结合，以及地下综合体和地下交通换乘枢纽的结合。第三综合化表现在地上、地下空间功能既有区分，更有协调发展的相互结合模式。2 分层化与深层化随着一些发达国家地下空间利用先进城市的地下浅层部分已基本利用完毕，以及深层开挖技术和装备的逐步完善，为了综合利用地下空间资源，地下空间开发逐步向深层发展。如加拿大温哥华修建的地下车库多达14层，总面积72324平方米。以日本学者为主正在研究30米以下的深层地下空间利用的规划。深层地下空间资源的开发利用已成为未来城市现代化建设的主要课题。在地下空间深层化的同时，各空间层面分化趋势越来越强。这种分层面的地下空间，以人及为其服务的功能区为中心，人、车分流，市政管线、污水和垃圾的处理分置于不同的层次，各种地下交通也分层设置，以减少相互干扰，保证了地下空间利用的充分性和完整性。3 城市交通和城市间交通的地下化城市交通和“高密度、高城市化地区”城市间交通的地下化，将成为未来地下空间开发利用的重点。二十一世纪人类对环境、美化和舒适的要求越来越严格。人们的环境意识和对城市的环境要求将越来越加强和提高，以前修建的高架路，如美国波士顿1950年建成的中央干道将转入地下。地下高速轨道交通将成为大城市和高密度、高城市化地区城市间交通的最佳选择。4 各种联合掘进机（TBM）和盾构将成为地下隧道快速开挖的主要趋势 随着地下空间开发利用程度不断扩展，长大隧道开挖以及遇到不良地层机会的增多，要求隧道开挖速度及开挖安全越来越高，预计在硬岩采用开挖，软岩中采用各种盾构的趋势将更加明显。5 微型隧道工程将加速发展微型隧道是人进不去的隧道，直径一般在2530厘米，最大可达2米。在隧道表面入口处采用遥控进行开挖和支护。这种方法快速、准确、经济、安全。所以适宜在高层建筑下，历史文化名胜古迹下，高速公路和铁路下，河道下安设管道。目前世界采用微型隧道技术已修建了5000公里管道。由于地下管线不断增多，这种工程的应用将越来越广。6 市政公用隧道（共同沟）在21世纪将得到更广泛的应用和发展随着城市和生活现代化程度的提高，各种管线种类和密度、长度将快速增加，共同沟的发展将成为必然。7 三S技术在地下空间开发中的作用将得到加强由于地下空间开挖中定位和地质地理信息、勘察现代化的需要，（卫星全球定位）、（遥感）和（地理信息系统）技术在地下空间开发中的应用将会得到越来越大的推广。三、国内地下空间开发现状虽然我国城市地下空间开发尚处于初级阶段，但地下空间、地下交通和地下资源等方面的发展速度惊人，特大城市地下空间开发利用的总体规模和发展速度已居世界同类城市的先进前列。中国已经成为世界城市地下空间开发利用的大国。主要成就有：l 城市轨道交通建设速度已居世界首位； l 城市地下快速道路建设已经起步并将加速发展； l 城市地下物流系统正在研究； l 特大城市和大城市地下空间专项规划已经和正在普遍开展；l 多城市中心区结合改造和新区建设已经编制和正在编制详细规划；l 城市大型地下综合体的建设已经成为许多大城市地下空间开发利用的亮点，并达到了国际先进水平。同样起步阶段的地下空间开发也有不足之处：l 地下空间的综合利用效益尚得改进；l 市政综合管廊（共同沟）建设刚刚起步； l 深层地下空间开发利用还基本处于空白； l 在法律、政策、运作管理以及自主产权的核心技术的地下施工装备等方面和发达国家仍有一定的差距。四、国外著名地下工程之我见英吉利海峡隧道(The Channel Tunnel)又称欧洲隧道(Eurotunnel)，由三条长51km的平行隧洞组成，总长度153km，其中海底段的隧洞长度为338km，是目前世界上最长的海底隧道。它是现实版的“天堑变通途”。在我看来，一个伟大的工程之所以可以称为伟大，其根本是要在世界发展和为人谋利上体现工程的巨大价值。英吉利海峡隧道便是工程史上的一个奇迹，它联通了欧洲公路网，大大缩短了欧洲各大城市往来时间。更重要的是，其中隧道工程的经验和教训很多，如果未来中国要修建台湾海峡隧道，这些非常值得我们借鉴。1充分的地质工作和正确的判断地质钻探工作从58年做到87年，重要的钻孔达94个。浅层勘探在海底以下150m之内，考虑隧道布置的范围；深层勘探在海底以下800m之内，主要为评价地震风险提供数据。勘探发现海底有一层泥灰质白垩岩(Chalk Marl)，厚度约30m，该岩层抗渗性好，硬度不大，裂隙也较少，易于掘进，隧道线路就布置在它的下部，距海底2540m。工程专家们认为，充分的地质资料和正确的判断，使欧洲隧道找到了理想的岩层。 2精心、合理的安全设计 海底隧道的规划设计把施工和运行安全放在极重要的地位。之所以不采用一条大跨度双线铁路共用隧洞，是为了减小海底施工的风险和提高运行、维护的可靠性。在两条单线铁路洞之间是后勤服务洞，每间距375m设置直径为3.3m的横向通道与两个主洞连接，连接处有防火撤离门。后勤服务洞的主要功能是在隧道全长范围内提供正常维护和紧急撤离的通道。它还向主洞提供新鲜空气，并保持其气压始终高于主洞，使主洞中的烟气在任何情况下都不能侵入后勤服务洞。3较好地解决了某些特殊的工程技术问题列车在很长的隧洞中高速行驶时会产生压差和空气动力阻抗。特别是欧洲隧道列车的阻塞比(列车与隧道断面之比)很高，为此隧道沿线每250m设一个2m直径的卸压管，从后勤服务洞的顶上跨过，把两个铁路主洞连接起来。铁路隧道和列车要承受车辆震动的长期反复荷载。为此铁道路轨采用了一种称作松那飞(Sonneville)的系统。一系列连续焊接的铁轨下面设弹性减振装置，使车辆在轨道上行驶非常平稳。 长隧洞掘进时的通风往往是施工中的一个难题。欧洲隧道对空气循环的途径和风机的布置都作了详细的规划和研究。不仅设置通风管，而且也利用隧洞本身作为通风通道，使开挖面的风量达到13.5m3/s，符合社会保障与安全组织和地下工程协会规定的通风标准。五、对未来地下工程的展望 身处上海这样一个经济中心和人口聚集地，对于土地资源紧张可以说是耳闻目睹。上海的发展进程中高层建筑和地下空间利用是解决其土地资源问题的重要手段，其中地下轨道交通、商业建筑的地下延伸建筑、地下广场以及地下行人通道等等地下工程不仅解决了用地问题，立体了城市结构，而且美化了城市。例如我们同济大学的10号线地铁站，装潢设计堪称最美地铁站。上海的地下空间的开发与利用，值得国内其他城市发展地下空间借鉴。现阶段关于开发利用地下空间的现实意义，是在于为可持续发展战略创造条件。进入21纪以来，城市化趋势在不断发展，规模在不断扩大，这样发展下去。城市地区土地无论怎样节约，终究要有大片土地被占，对我国城市的可持续发展造成严重的威胁。近时期来，世界上一些国家特别重视地下发展，以寻求新的平衡。作为解