人类未来的地下工程--工程.ppt

地下工程人类未来的工程,李宁西安理工大学水利水电学院岩土工程研究所中科院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,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、地下工程中的岩石力学问题,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,,,,,,,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,“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,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/4,莫斯科44m2，伦敦22.8m2，巴黎25m2我国城市人均绿化面积仅3.9m2，上海仅0.9m2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,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7.32m2，占城市面积15％,莫斯科人均道路面积9.10m2，占城市面积8.12％伦敦人均道路面积21.3m2，占城市面积9.3％纽约人均道路面积13.4m2，占城市面积12.38％北京人均道路面积4.4m2，占城市面积8.4％上海人均道路面积1.6m2，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,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,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垃圾焚烧厂，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,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,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威慑与要挟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,彗星撞击地球表面海洋,彗星撞击地球表面海洋,彗星撞击地球表面海洋,彗星碎块撞击地球场景,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,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61m25m91m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,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）”的轻津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吉利海底隧道总长约50km，海底部分约38km1986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,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,发达国家城市地下空间的开发已具规模,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,日本城市地下空间利用已达到相当规模,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,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,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,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,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EvinosMornos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,不少有识之士提出了跨越渤海湾的南桥北隧固定联络道跨越长江入海口连接上海-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,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,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”,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,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”,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160.7km，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,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、总体方案、有的还做了初步设计,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,在建的三峡水利工程，装机1820万kw，耗资300-400亿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,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,我国的水利资源居世界第一，总蕴藏量6.67亿kw,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,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,直接测试技术非直接测试技术反分析方法的发展,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,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围岩变形压力支护系统关系的分岔特征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,设计理论、实践发展与规范不协调分析思路新奥法与山岩压力设计理论分析方法有限元法与结构力学法分析结果支护、衬砌的设计指标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喷锚支护作用的时机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,六、近两年完成的工程实例,紫坪铺工程导流洞、泄洪洞交叉段仿真分析实例（水利部四川省水利水电勘测设计研究院）溪洛渡导流洞群开挖与支护优化设计仿真分析实例（国家电力公司成都勘测设计研究院）龙滩导流洞断层破碎带围岩稳定性与支护加固方案仿真分析实例（国家电力公司长沙勘测设计研究院）顶山隧洞泥质围岩TBM开挖与支护仿真分析实例（水利部新疆自治区水利水电勘测设计研究院）,紫坪铺工程导流洞、泄洪洞交叉段仿真分析实例,紫坪铺水利枢纽工程是西部大开发基础建设十大项目之一。工程位于岷江上游映秀至都江堰河段，主体工程由高为156m的面板堆石坝、坝后地面厂房（4台机组）、开敞式溢洪道、4条引水发电隧洞、1条冲砂隧洞和两条由导流隧洞改造而成的泄洪排砂隧洞组成。,委托方水利部四川省水利水电勘测设计研究院完成时间1999.6～2000.5,1、2两条导流洞横穿右岸条形山脊，均为马蹄型断面。过水断面尺寸均为10.7m10.7m，最大开挖洞径均为14.0m。导流洞在不同洞段和不同高程穿越了L9层间剪切破碎带、F3断层破碎带、向斜轴部和旧煤洞采空区上百米的断层地段，洞室围岩十分破碎，地下水丰富，施工期围岩稳定性极差。,,有限单元模型,导流洞开挖后围岩塑性区,泄洪洞施工期围岩应力场,泄洪洞施工期围岩位移场,泄洪洞施工期围岩位塑性区,导流洞的先期开挖引起围岩应力变形场的高度集中，使后期泄洪洞的开挖释放荷载急剧增大，造成泄洪洞喷层内力在一定范围内的恶化，局部产生了约2.0MPa的拉应力，但按本文建议的喷钢纤维混凝土层并适当加设随机锚杆，即可保证围岩与喷层的稳定。,主要结论,溪洛渡导流洞群开挖与支护优化设计仿真分析实例,溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县交界处，属金沙江下段，是一座以发电为主兼有防洪、拦沙、漂木、航运等综合效益的巨型水电站。,委托方国家电力公司成都勘测设计研究院完成时间2000.6～2000.12,溪洛渡水电站施工导流采用左、右岸对称布置6条导流隧洞的方案，隧洞断面尺寸18m20m。设计了两种施工方案，即三条导流洞同时开挖和先开挖1、3导流洞，后开挖2导流洞。,该导流洞所处弱风化层、弱卸荷岩体中，地下水较丰富，上覆岩体较薄，完整性较差，主要由角砾岩、玄武岩和角砾熔岩组成。,有限元分析模型,喷层、锚杆模型,开挖后围岩应力场,开挖后喷层轴力图,开挖后喷层弯矩分布,开挖后围岩主应力等值线,开挖后围岩塑性区,按设计的洞间距施工，三洞之间存在一定的相互影响。按方案2进行开挖围岩应力小约10，1、3导流洞喷层的轴力值稍大，而2导流洞喷层的轴力值稍小，大小变幅在10左右。从加固件最终的受力状态看，则应选择方案二，即先开挖1、3导流洞，2导流洞滞后1、3导流洞掌子面1～2倍洞径以内进行开挖。,主要结论,龙滩导流洞断层破碎带围岩稳定性与支护加固方案仿真分析实例,龙滩水电站枢纽主要由碾压混凝土重力坝、泄洪建筑物、通航建筑物及引水发电系统组成。龙滩导流洞设计具有规模大；高边坡问题突出；与永久建筑物关系密切；地质条件差；外水压力较高等特点。,委托方国家电力公司中南勘测设计研究院完成时间2000.10～2001.5,左洞进口开挖临近倾倒蠕变体，F4断层斜贯穿隧洞口，对开挖极为不利。沿洞线III类围岩占58.2％，IV类围岩占11.2％，共穿越断层22条，规模较大的有4条。右岸隧洞穿过16条断层，IV～V类围岩占19.5％。龙滩水电站枢纽左右岸分别布置1条导流隧洞。左岸导流洞共穿越断层22条，规模较大的有4条。导流洞施工期支护采用喷锚联合支护，分三层开挖，开挖一层支护一层。,第一步开挖后喷层变形图,第一步开挖后围岩塑性区,第一步开挖后喷层轴力图,第一步开挖后喷层弯矩图,第二步开挖后围岩塑性区,第二步开挖后喷层变形图,第二步开挖后喷层轴力图,第二步开挖后喷层弯矩图,开挖完成后喷层变形图,主要结论,断层对喷层和衬砌的受力影响很大，使喷层最大压应力由通常的5～6MPa增大到16MPa，必须对断层进行处理。建议针对实际情况，沿断层两边布置外八字形随机锚杆并灌浆，将断层破碎带岩石与较好岩体锚固成为一体，处理后喷层应力减小到7MPa。,顶山隧洞泥质围岩TBM开挖与支护仿真分析,顶山引水隧洞所经过岩层岩性极弱，易风化，雨水极易崩解，成洞条件差。拟采用TBM掘进机开挖,委托方水利部新疆自治区水利水电勘测设计研究院完成时间2001.1～2001.6,有限单元模型,初始应力场,TBM开挖后应力场,开挖后围岩位移场,开挖完成后衬砌变形图,开挖完成后衬砌弯矩图,开挖完成后衬砌轴力图,开挖完成后围岩塑性区图,计算所得衬砌结构内力与实测值较接近。软岩中TBM开挖较新奥法易于成洞，对岩体扰动小，且将锚喷支护与永久钢筋混凝土衬砌合二为一，既节省了工程投资，又提高了工程进度。,主要结论,谢谢大家,