地下建筑结构论文-从现状看地下建筑结构发展趋势
时间：2020-08-04 08:22:38 来源：天一资源网 本文已影响 人 
从现状看地下建筑结构的发展趋势
图1人类的历史步入二十一世纪，至今世界人口已经突破70亿大关，自从工业革命的1840年之后，人类社会开始进入高速发展的快车道，随着社会经济科技等水平的提高，世界人口也呈现陡增的趋势(如图1)。然而，地球表面的71%面积是海洋，29%面积才是陆地。陆地大部分是山陵、森林、草原、沙漠等各种不宜耕种的土地，适于耕种的仅占6.3%，如果算上城市化发展所占用的土地，真正的耕地恐怕还要小于这个数字。以一定时间内的人类的科技水平，人们的吃饭问题还是主要依靠耕地来解决，耕地减少和人口增加必然会产生日益尖锐的矛盾，随着城市化的发展、人口的急剧膨胀以及耕地面积的减少对人类空间的利用提出了挑战。开发地下空间，就成为了解决这一问题的有效方法。然而，相比与人类对地上空间和外太空的探索，自地表往下的呢？现在1000m以下的矿井已经算比较深的了，就算不用下人进行操作的采油井也难以达到类似向外层空间探索的高度，这对土木工程工作者不能不说是一个机会和激励，向地下空间探索，利用地下空间是大势所趋更是人类社会生存和发展的必然趋势。同时，考虑世界舞台上互相较劲的各个国家，以及时而出现的恐怖主义活动，地下防护工程具有极高的价值，在近现代发生过的许多次战争中我们都不难看出地下防护工程对于各种战略目标具有良好的隐蔽和保护作用。另外，在核武器和常规武器高度发展的现代战争中，在承受一轮攻击后仍然具有较强的人力资源和反击力量，主要取决于人防工程的完善程度。在冷战时期，美国就在科罗拉多州斯普林市的西南的夏延山构筑了深达600~700m的北美防空司令部地下指挥中心，90年代以后，随着钻地武器的发展，美国对地下防护工程的建设提出了更高的要求，要达到地下1000~2000m的深度。图2另外，地下工程的抗灾能力也很优秀，且不说抗风、抗爆炸等显然的优势，地下建筑的抗震能力却很容易被人忽视。以日本的阪神大地震为例，从图2中我们很容易发现其优秀的抗震效果。
续图2
在人类对于化石能源需求和依赖十分严重的今天，低能耗的地下建筑具有其独特优点。建筑耗能大多数在于保温取暖，而降低围护结构的热传导系数最廉价而且又最直接方便的手段就是修建地下或者半地下房屋，可以充分利用上部采光又可以利用地壳的保温性能，做到冬暖夏凉。图3而且地下工程用途十分广泛，层次丰富。如下图3。矛盾的解决方法往往在矛盾最为尖锐的地方最先呈现出来，比如在我国北京、上海等一些人口千万级的超大城市中，拥挤的人流以及繁重的地面交通任务让开发地下交通成为必然，同时，在这种寸土寸金的地方，不乏一些建设在地下空间的商业设施和文化娱乐设施等，甚至还形成了城市中的商业中心。同时，地面建筑向上发展的同时更必不可少的向下发展，以期充分利用土地面积。在诸多实践之后，我们可以将地下结构划分为土层地下结构和岩石地下结构两大类。土层地下结构又可以划分为浅埋式结构、附建式结构、沉井式结构、地下连续墙结构、盾构结构、沉管结构和顶管结构及箱涵结构等其他结构，岩石地下结构又可主要划分为拱形结构、喷锚结构、穹顶结构、连续衬砌结构和复合衬砌结构。各种各样的结构形式可以很好地解决各种建设问题，在未来的地下建设中，考虑到近年来高速的城市化进程，城市内缓解建筑面积不足的地下空间和城市周围交通线的地下建设应该成为一个比较主要的发展方向。当今一些发达国家的地下空间利用，实际上是与城市的发展紧密相关，一般多与维护城市的功能和优化城市间联络通道的效率相联系。我们国家现在若要普遍地进行地下空间开发利用，经济上尚不具备条件。但沿海一些地区和城市，经济发展已达到一定程度，年人均国民经济产值在800—1000 美元左右，作为开发地下空间的所谓“门槛值”，一般认为已经具备，能够适应经济发展的要求，逐步开发利用地下空间；地下空间利用又由此促进经济的进一步发展。具体来说，当前我们的工作重点首先要立足于以下的基点，即从改善城市交通效率的观点出发、为缓解城市交通紧张创造条件，以及从优化城市的交通输送效率的观点出发，为发展地区经济创造条件。80年代改革开放的大潮中，城市经济发展，都市人口流量猛增，都市交通状况恶化严重。已成为困扰城市市民生活与制约城市发展的一大难题。事实上，增车扩路已远赶不上交通量的增长速度，而且道路面积也不可能无限制增加，因此，地下铁道便成为了解决交通拥堵问题的重要手段之一。一般地铁作为现代化都市交通方式具有五大优点：一是运量大。二是速度快、时间准。三是干扰小，在地下运行不受气候、地面行人和车辆的干扰。四是耗能低，无废气污染，乘车舒适，对城市噪音污染轻，满足了市民对生存环境质量和时间速度的要求。五是大大节约了地上土地空间资源。同时，作为开发城市地下空间相关的地下工程建设技术，随着建设发展，现已日趋完善，基本形成了体系。因此，可以预见，将来的城市交通系统中，地下铁道将发挥越来越大的作用，更多地下铁道的建设也将纳入各地政府的规划之中。城市经济发展。必然关联影响整个地区，二者互相促进，互相依存。因此，提高城市间联络通道的输送效率，必然同时会提到日程上来。与通道输送效率直接有关的主要因素之一，是城市间的线路质量。高等级线路应该使两点间线路距离最短，曲线最少，曲线半径大，线路尽量顺直。按照这个标准建设时．就要坚持逢山开路、遇水架桥原则，因此，隧道的建设就显得愈发重要。隧道在运输过程中可以充分体现出快速、方便、舒适、安全的优点，从时空上缩短城市间的距离，大大提高输送量。近年来，我国在建设隧道，增加城市间的输送联络方面也做出了巨大努力，如穿越胶州湾、渤海湾、杭州湾等海弯线工程中的跨海通道等。在城市间联系越来越紧密，地面土地空间有限且大都已被利用的现在，地下隧道的建设无疑将在缓解土地利用方面做出巨大的贡献。因此，地下工程中地下隧道的建设前景也非常的可观，利用价值非常巨大。由于地下空间的开发对解决交通拥堵、改善城市环境、保护城市景观、减少土地资源的浪费等方面都有着不可替代的作用，目前世界上的大城市都在加紧开发利用地下空间的研究。虽然我国的城市地下空间利用已经具备的一定的规模，但我国人口众多且城市化进程还在不断加快，现有的土地资源以及地下空间已经满足不了人们对物质生活水平的需要，继续挖掘地下空间的利用价值已到了刻不容缓的地步。因此，地下工程在我国将来的城市建设和可持续发展中将发挥不可替代的作用。我国的建设起步较晚，但是我们却可以从其他国家的做法中吸取经验，比如日本。日本是一个多山的岛国，土体资源有限，人口集中在东京、大阪、名古屋等几个大城市，灾难频发，因此不得不利用地下空间。日本地下设施的建设从1960年以后开始逐渐加快速度，地下空间利用的功能多样化，不仅包括综合管沟、地铁、地下道路等城市基础设施，而且涉及地下街、地下文化娱乐体育等大型公共设施，以及地下能源设施和地下工厂等。日本现有的地下设施的绝大部分是在20世纪80年代中期以前建成的。当时，东京、大阪和名古屋等主要都市的基础设施虽已达到了较高的水准，但仍不能完全满足社会的需求。比如，东京的上形上学路上所需时间平均为63 min(单程)，许多市内铁路线的超载率超过100％，市内汽车的平均速度为市郊平均速度的1／3。防内涝水设施不足、电线的地下化不完全等问题仍然存在，地震等灾害发生时对城市基础设施造成巨大破坏且救援系统并不完备。考虑到这样的市中心现状以及中浅层地下空间利用的日趋饱和，对于大深度地下空间的利用是不可避免的，并受到越来越多的重视。从1985年开始，大城市的大深度地下空间的发问题在日本被广泛讨论。在这种情况下，日本政府为了促进大深度地下空间的利用，于1995年成立了“临时大深度地下利用调查会”，把焦点集中在大深度地下空间利用对日常的社会生活环境质量的改善以及灾害发生时的防灾能力上。由于日本允许私人对土地拥有所有权，日本政府于2000年颁布了《大深度地下公共使用特别措施法》，该法的核心内容就是将城市地表50米以下的地下空间无偿作为国家和城市发展的公共事业使用空间，通过对因公共利益事业而为大深度地下使用的要件、程序等制定特别措施，来促进大深度地下空间的正确合理利用。图4大深度地下空间利用需要考虑很多事项，包括地下基础设施结构物可能的形态及其位置、与地面及浅中层已有的基础设施的协调性等。适合大深度地下开发的地质是岩石地质，特别是裂缝少的基岩。东京市中心以及城市周边地区到地下100 m左右多为未固结的砂土并存在丰富的地下水，这对于大深度地下空间的利用不利。在这样的地质条件下，由于圆形截面对高水压和高土压具有较高承载力且并不存在应力集中现象，已经建设的一些大深度地下空间利用形式多为圆形隧道结构物(如图4)。自从日本全国开始大范围的讨论深层地下空间利用的可能性以来，出现了许多规划的思路，比如早稻田大学尾岛俊雄教授的封闭再循环系统构想、渡部与四郎的分层构想等，这为大深度地下空间的合理利用提供了很大的科技支撑。以下为三种日本学者提出的未来地下建筑结构和地下空间的构想。20世纪80年代，日本著名学者早稻田大学理工学部尾岛俊雄教授提出了在城市深层地下空间中建立封闭性再循环系统的设想，即用工程手段将多种循环系统有机地组织在一定深度的地下空间中。在这个思想的指导下，尾岛设计了一个覆盖东京23个区的地下大深度公用设施复合千线网，这个系统为埋深50—100 m，干线直径10—15 m的管线、铁路、道路等的综合管廊，管廊的交叉连结处为一个大型多层地下构筑物，其中布置各种处理和回收设施，节点间距2.5-3.5公里。所有物流系统的运送、处理以及回收都在这个大循环系统中进行。在封闭性再循环系统中，可以将使用后的污水经处理后重复使用，从废弃物中回收其中的热能对地区进行供暖，将电力系统和某些生产过程中的大量余热、废热回收，建设中产生的土也可以进行再利用。在资源有限的条件下，大幅度提高城市生活质量，同时对城市功能、城市结构，以及城市面貌等多方面产生深远的影响。在尾岛俊雄教授这一思路的推动下，日本政府各相关部门、各大建设公司纷纷对地下循环系统进行详细研究，经过几年的改进，逐步达到了一个统一的模式：地下基础设施干线网基本上以尾岛的设想为基准，网络交叉点上的地下综合体的形状趋向于优点较多的圆筒形竖井结构物，直通地面。在综合体中布置办公、商业、娱乐等多种设施以及地铁车站等，使更多的城市功能转入地下空间，同时也要注意结构物内的通风换气、排烟、采光、绿化等问题。当前大城市地下空间的利用方式主要包括城市生活设施(如购物中心、图书馆等)、生产设施(如变电所等)、公用事业设施(如供电、供水、通讯、排水等管线、废弃物的处理和输送等)、交通运输(地下铁道、道路等)、防灾设施以及其它设施。根据不同设施的适宜条件，日本学者渡部与四郎提出了分层开发地下空间的具体设想(图4)：从浅层发展到深层，可利用的地下空间分为四层。第一层为办公室、商业设施、娱乐空间，日常有大量人员使用；第二层为人员活动时间短的交通空间，如地下铁路、地下快速道路；第三层为仅供受过训练的人员使用的设施一动力设备、变电所，生产设施等；第四层，即最深的一层布置无人的污水管道、煤气管道和电缆等公共管线。总的来说，日常的、人多的地下设施应该设置在相对稍浅层的位置，而非日常的、人少的地下设置可以设置在相对更深层的位置。地上空间与地下空间(中浅深度、大深度)应统一考虑、有机结合，这是城市发展的必要和重要手段。并且，地下空间规划应是城市规划的一部分，而城市规划应体现地下空间的综合利用。日本学者经过论证提出的“巨型城市”构想在东京湾、大阪湾和伊势湾圈内，通过构筑一条总长255公里、直径14 m、埋深100 m的新干线共同沟，将三大港湾连接在一起，形成一个巨型城市圈。它的建成能避免每年在东京湾频发的船舶失事事故，恢复这片海域美丽的自然景观。巨型城市内的川崎、横滨、千叶等城市可像东京一样，构筑城市内部的干线共同沟，并与新干线共同沟连接，形成地下输送网络。这些建成的深层地下隧道，对于满足高层次、高质量的城市基础设施的要求，建设美丽的现代化城市十分重要。日本学者的构想以及日本现今地下工程的发展对我国有很高的借鉴意义，我们从中了解到，地下空间发展利用首先要有法律的护航和相关政策的保证，同时由于地下空间资源的不可再生性，开发之前不仅要要认真论证开发方案的可行性，评价其适宜性、安全性、经济性，，更要从长远规划的角度考虑，不会成为城市发展的阻碍，也不会成为之后工程的麻烦。同时，地下也有着很大的开发潜力，多层次高深度的构想并不是痴人说梦，建立在科学的理论和高超的施工技术上，加之有完善的经济社会条件，相信这一切一定会在不远的将来实现。
参考文献：[1]朱合华，地下建筑结构，中国建筑工业出版社2011第二版[2]童林旭，地下建筑图说100例，中国建筑工业出版社，2007第一版[3]贾建伟，彭芳乐，日本大深度地下空间利用状况及对我国的启示，地下空间与工程学报，2012（08）[4]任博，张博，姚毅，未来地下空间利用展望，建筑遗产，2013（08）[5]刘新荣，钟祖良，孙辉，陈晓江，地下空间利用及其发展方向的探讨，地下空间，2004（24）[6]崔京浩，地下工程与城市防灾，中国水利水电出版社，知识产权出版社，2007第一版
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