第1讲-地下工程发展简介-地下工程与环境

工业和城市发展的需要也促进 了水利工程的发展。这些工程中都 需要进行大量的竖井、隧道等地下 工程的开挖和建设。城市地下工程 则以给排水系统为主，如法国巴黎 的下水道规模相当宏大。同时最早 的城市地铁建设，如伦敦地铁（1863 年） ，也出现在这一阶段。
地下工程开发 在人类历史中的四个标志性阶段
1.3 第三阶段： 20世纪中叶到20世纪末 特征：除第二阶段的生产类型的 工程之外，一些人类日常生活类型的 设施开始向地下转移。
2.2.1 大型地下水力发电 站及抽水蓄能地下发电 源自将成为我国水电资源 开发的主要形式
到1999年底，全国发电装机容量达 29877kw，其中水电7297万kw，仅次于 美国居世界第二位。特别是在改革开放 以来，1986年至1999年14年间，全国水 电新增装机容量达到4655.5万kw，比 1985年底全国水电装机总容量增加了1.8 倍。举世瞩目的长江三峡工程装机1820 万KW，其中地下电站装机420万KW， 于2003年投产发电。已建成的小浪底、 二滩水电站，已开工的龙滩、小湾水电 站，设计中的溪洛渡、锦萍水电站等， 都是地下厂房。
地下工程开发与洁净能源
2.2.4 地热能源开发新 技术--干热岩(HDR, hot dry rock) 发电
美国Los Alamos实验室在卡尔德拉的 芬登山于1984年6月建成世界上第一个10 MW功率的干热岩电站。该电站主要由 两个深度为4000多米的钻孔及其联通孔 组成，首先用水力压裂法将干热岩体压 出无数裂隙，形成裂隙通道和热储空间。 再用地面冷水一次灌入21300m3，形成 孔底循环，迅速将冷水变为高温、高压 蒸汽直接进入汽轮机发电。
1、
地下工程发展简介
地下结构工程开发 在人类历史中的四个标志性阶段 1.1 第一阶段： 人类历史初期的穴居生活 特征：天然洞穴的利用和简 单开发》
人类历史初期的穴居生活可以说 是这一阶段的开始，它以对天然洞 室的直接利用和简单的开发为特点。 这是一个相当长的历史阶段，人类 对地下洞室的认识还是一个必然王 国的阶段，人类有意识寻找可利用 的天然洞穴，因为它可以用来遮风 避雨、储存食物、躲避敌人或野兽 的袭击。
环视当今世界，人口锐增、资源 剧耗、耕地和森林骤减、土地退化、 沙漠扩大、温室效应、酸雨危害、 环境污染…… …… 环境问题制约着世界经济的发展， 更是我国经济发展所面临的突出问 题。我国每年由于环境污染和生态 破坏造成的损失达2000多亿元。
2.1 节约能源、缓和温室效应 地下空间的利用大有可为
20世纪中叶到20世纪90年代， 是地下空间的开发由工业领域向 人类生存、生活的各个领域扩展 的阶段，也是地下工程的新概念、 新理论、新方法不断提出，新材 料、新技术、新工艺广泛应用于 地下工程的阶段。
它的特征是，除第二阶段的生产类 型的工程，如矿业、水利、煤炭、铁路、 公路以及军事工程之外，城市地下工程 也有了更为广泛的发展。不但城市地铁 在各大城市普遍建设，一些人类日常生 活类型的设施开始向地下转移。包括地 下商业街(1930年)，地下停车场、地下仓 库、地下公共管线隧道，以及各种地下 文化体育设施，如艺术展馆、音乐厅、 健身房、游泳馆、滑冰场等。
随着人类进化，逐渐走出天然洞室， 开始建造更为适于人类生活居住的 房屋，直接利用天然洞室的情况越 来越少，而为某种目的人工开挖的 地下洞室则逐步增多。除了开采矿 藏外，中国古代战争中已经有了利 用人工开挖隧道攻击敌方的战例。
龙游石窟
近年发现的浙江西部、钱塘 江上游龙游县小南海附近的龙游 人工洞室群，据考证已经有上千 年的历史，是迄今为止发现的人 类最早的有目的开发地下空间的 例证。
地下工程开发 在人类历史中的四个标志性阶段
1.4 第四阶段： 20世纪末到今天 特征：节约资源、改善环境、 保护生态、可持续发展。地下工程 已经向环境友好工程发展。高新技 术进入地下
20世纪末到现在，由于人类 环境保护以及资源永续利用意识 的不断提高，联合国和世界各国 可持续发展战略的制定，人们对 地球只有一个，人类生活空间的 有限性、大多数天然资源不可再 生性的认识的不断深化，推动地 下工程进入了一个更高阶段。
地下结构工程开发 在人类历史中的四个标志性阶段
1.2 第二阶段： 19世纪到20世纪初的工业大革命时 期，是人类历史上有目的大规模开 发地下空间的阶段。
这个阶段以矿山工程、交通工程、 水利工程、地下军事防护工程、城市供 排水工程以及城市地铁为代表。这一阶 段中，以钢铁为核心黑色金属工业和能 源工业的发展，带动了大量的铁矿、煤 矿的建设和开采。运输的需求又促进了 交通工程的发展和大量铁路、公路隧洞 的开挖。工业的发展又造成人口大量向 城市集中，或新城市的大量出现。
由于岩、土的热稳定性和密闭性，使热量 损失很少，不需要保温材料。岩石的自承能力， 使得洞室结构简单，维护保养费用大为降低。 瑞典在斯德哥尔摩西北约150km的阿累斯达建 造了一个150,000m3的岩洞热水库，以废物焚烧 为热源，蓄热温度达70C℃～150℃，通过一个 换热器与区域供热系统联接。工程投资400万 美元，1982年建成，1984年完成试验投产，用 于当地供热系统，每年节油400m3以上。在地 下建造冷藏库，也可大为节约能源，少用或不 用隔热材料，温度调节系统也较地面冷库简单， 运行和维护费用比地面冷库低得多，据统计， 约低25％—50％。
地下工程开发与洁净能源
2.2.3 地下洞室工程储 存压缩空气作为蓄能发 电站的另一种介质
德、日等国还在开发地下压缩空 气贮库技术。如德国已于1979年在 岩盐层中建成一座地下压缩空气储 库，功率为29万KW，贮气压力为 8Mpa。日本、美国正在开发地下超 导磁贮电库技术，该库为螺旋状排 列的环形洞室。这两种技术都可有 效地贮存低峰负荷时的多余电能， 满足高峰供电需要。
地下工程开发与洁净能源
2.2.2 地下洞室储存热、 冷源将为太阳能的利用 开辟有效的新途径
应特别指出的是，地下空间的开发 利用为自然洁净能源的利用，特别是可 再生能源的利用，开辟了一条广阔有效 的途径。太阳能是巨大的洁净可再生能 源，但其来源随季节有很大的不稳定性。 太阳辐射热一般仅在夏季丰富，这就需 要季节性贮存。在地下的水、岩石、土 壤介质中贮存能量往往是最佳的甚至是 惟一的选择。利用地下空间在冬季将天 然冰块贮存于地下，用于夏季环境控制 的蓄冰空调，是既经济又清洁的再生冷 源。
水力发电是一种最主要的清洁可再 生能源。但是在我国可建造地面厂房的 各大河流中下游地区的水能资源，已大 多得到了开发；而由于我国水电资源主 要集中在西部高山峡谷地区，目前其水 电能源开发比例远低于全国开发比例的 19％，仅有8％，因而是新世纪水电开发 的重点地区。在这些地区开发水电工程， 地下厂房几乎成为唯一的选择。
西部大开发、西电东送和可 持续发展战略，为水电开发 提供了不可多得的发展机遇。 根据国家规划，新世纪头十 年的“十五”、“十一五” 中，全国开工建设的大中型 水电站装机达58000MW，其 中超过50％为地下水电站。
此外，在大中城市等能源消耗集中 的经济发达地区，能源结构成分多不尽 合理。可以“调峰填谷” 的水电比例过 低，严重影响电网的质量。为解决这一 问题就需要修建一定数量的抽水蓄能电 站。由于这种电站需要工作在发电和抽 水的双重工况下，因而装机高程要求较 低。如果设计成地面厂房则要求很大的 挖深，增加工程造价，且不安全，而设 计成地下式发电厂房则是最佳选择。如 北京昌平的十三陵抽水蓄能电站、广州 抽水蓄能电站等。
《岩土与隧道工程》 岩土与隧道工程》 2007年 2007年教学安排
本课程的学习方式为讲课与自学讨论相 结合，期末要求学生写出一篇不少于 5000字、有一定创见和新观点的课程学 习报告，根据该报告的质量评定成绩。
专题总结报告题目
（从以下专题中任选其一，也可以自定选题， 字数不少于5000字，要求有新意）： 岩土工程的发展前沿状况 隧道工程的发展前沿状况 地应力与隧道的稳定 隧道分析中的力学模型 岩土（或隧道工程）现场测量 岩土（或隧道工程）施工方法
在方圆0.38km2的土丘上，似有规律地 分布了大小24个洞窟，每个洞窟的面积 1000～3000m2不等，每个洞窟从矩形洞 口开始垂直向下延伸，洞高约30m，顶 部呈“倒斗形”，洞内科学地分布着 3～4根巨大的“鱼尾形”石柱，与洞顶 浑然一体。洞壁、洞顶和石柱上都有古 人留下的带有装饰意图的凿痕。但是它 的开发目的则仍是千古之谜。
进入20世纪90年代以来，以 1,激光导向技术和GPS 定位技术 为代表的地下施工定向定位技术、以 2,遥感技术与穿地雷达技术 为代表的地下勘察技术和 3,地下掘进及衬砌自动控制施工技术 已在实际工程中得到了一定程度的应 用，这一切使得地下空间开发的第四 个标志性阶段，规模更大，水平更高。
2.地下工程与资源环境 2.地下工程与资源环境
2.4 地下交通和地下停车场 建设城市地铁交通网与地 下通道、地下停车库、郊区火 车进入城市中心区相结合的城 市地下交通体系是减少城市中 心区汽车数量，根治城市大气 污染的有力措施。
解决汽车尾气的根本措施之一 是减少城市中心区汽车总量。 蒙特利尔地下有轨交通网是由 东西两条地铁轴线、南北二条地铁 轴线及环形地铁线和伸向城市中心 地下两条郊区火车道所组成。城市 中心的60多个高层商业、办公及 居住建筑综合大厦通过150多个地 下出入口及相应地下通道与这个地 下交通网络的站台相连。
据统计，在欧美国家中建筑能耗约占全国 总能耗的30％左右，而建筑能耗中用于建筑物 的采暖、通风空调的能耗约占全国总能耗的 19．5％。 地下空间由于岩土具有良好的隔热性，可 防止风、雨、日晒等地面温度变化诸多因素的 影响。测试表明，地面以下1m，日温几乎没有 变化，地面以下5m的室内气温常年恒定。
2.2 地下工程开发与洁净能源
雨水是一种重要的淡水资源。 在城市中如将雨水部分储存起来， 则可获得可观的水资源，缓解水 资源危机。在年降水量为500mm 的半干旱地区，1km2年降水为50 万m3，如以100km2市区面积计算， 年降水量可达0.5亿m3。在城市 住宅小区或适当地方储积雨水， 可用于浇灌绿地、水景以及下渗 补充地下水，改善生态环境。
中心区内人流活动大都通过地下 交通，中心区以外的人流上班、 交通，中心区以外的人流上班、进 行公务及商业活动时通过郊区火车， 行公务及商业活动时通过郊区火车， 或由自备轿车到达中心区边缘的地 铁车站， 铁车站，轿车停在附近的地下停车 然后乘地铁到达目的地站台， 场，然后乘地铁到达目的地站台， 再乘地下通道进入各高层建筑。 再乘地下通道进入各高层建筑。这 样城市中心区的机动车数量减少到 最低限度。实际情况表明， 最低限度。实际情况表明，这种交 通模式和措施是有效的。 通模式和措施是有效的。
这个阶段的特征是： 节约资源、(economize resources) 改善环境、(improve environment) 保护生态、(zoology protection) 可持续发展(sustainable development） 地下工程以环境友好工程的姿态出现在人 们面前。高新技术进入地下：
2.3 地下储水工程 除建设水库之外, 除建设水库之外,可利用松 散岩层、裂隙岩体、岩石洞穴 建造地下人工河川、地下蓄水 池和融雪槽，储存丰水季节多 余的自然降水供缺水季节使用， 可获得可观的水资源。
我国水资源短缺日益严重。我国水 资源在时空分布上极不均匀是缺水的重 要原因。我国许多地方丰水季节的大量 淡水因为没有足够储存设施白白流向大 海。除在大江、大河上中游建设水库以 外，也可以利用地下空间储存水源。如 挪威、芬兰等国利用松散岩层、岩层裂 隙和岩石洞穴以及疏干了的地下含水层， 日本，在东京、横滨、名古屋以及扎幌 等地建造地下人工河川、蓄水池和地下 融雪槽，储存丰水季节中多余的自然降 水、降雪供缺水季节使用，就可部分改 善缺水的状况。
32323地下储水工程地下储水工程除建设水库之外除建设水库之外可利用松散岩层裂隙岩体岩石洞穴散岩层裂隙岩体岩石洞穴建造地下人工河川地下蓄水建造地下人工河川地下蓄水建造下河川建造下河川池和融雪槽储存丰水季节多池和融雪槽储存丰水季节多余的自然降水供缺水季节使用余的自然降水供缺水季节使用可获得可观的水资源