文档介绍：地下空间大洞室和
隧道工程建设
周丰峻院士
二○一○年十一月五日
十四届土木工程学会暨地下工程第十六届隧道年会
发展深地下大跨度地下空间已经成为当前的紧迫任务,需要借鉴国外。
法国著名大跨度地下空间与隧道建设学者Dufaut进行了很多重大地下空间洞室的设计和发展规划,对法国的地下工程发展和隧道建设有很多重大贡献。巴黎至里昂的地下铁路隧道,就是在他规划设计指导下完成的。
一、国外大跨度地下空间利用
1986年,Duffaut给出了大洞室研究的一个小结。地下采矿开挖的空间,很多洞室会长期保持稳定和安全。这是因为任何地下洞室的设计都要广泛的了解地质学和岩石力学建造的。为了实现安全和经济,岩石洞室必须和岩石大容积结构以及原位应力场相协调。地质条件选得好可以提供矿产和石油资源存储,同时也能提供有价值的大洞室的场所。
1、法国地下空间利用
很多采矿洞室,都要求做一定的支护,因为所有的深地下洞室都面对高地应力问题。很早以前,采矿工程师在比较差的地层和处理高地应力的实践过程中发展了支护技术。
城市规划中大洞室在欧洲的发展比浅埋结构发展更快。如果在山体中开挖,城市的洞室将更有现实意义。山地城市和平原城市相比较更容易实现大洞室的计划。
2、中微子方法研究用于深地下大洞室
中微子是很轻很小的粒子,以光速进行运动。可以运用中微子闪光法进行检测,中微子闪光是和透明液体原子相撞击时发射出来的。为了减小宇宙射线产生的干扰,洞室必须尽可能合理开挖的深一些。最近几十年,各国建立了地下实验室,利用深部采矿施工设施,或者是通过现有的高山交通隧道进行中微子检测的科学研究。
3、大空间自然洞室
大空间自然洞室是在喀斯特溶岩里产生的,最大的是在马来西亚Sarawak邦,洞室宽400m、长600m、高150m,没有任何柱子支撑。所有的自然洞室都相对比较浅。在层状岩体中,很多洞室顶部是平坦的,跨度小于100m。
自然洞室提供了超大型人工洞室设计的依据,有些洞室偶尔表现出坍塌的迹象,但绝大多数洞室表现出了长期的稳定性。
4、欧洲人工大洞室
芬兰的Tytyri矿山的花岗岩层里包含有石灰岩,达到100m的跨度,大型的四面体空间仍然保持稳定。岩盐的案例中其形状受溶解过程的控制,在一个开采井产生的洞室,用于油气存储可以达到人工大洞室的体积,高达200万立方米(35米直径,800米高)。
(1)地下采矿洞室
工业洞室按照用途划分为:地下火车站、地下电站、地下仓储。在20世纪,全世界已经开挖了数百个地下水电站厂房,很多水电厂房具有曲墙的形状,因为设计者担心跨度问题而不采用高直墙结构,他们设想建造一个大空间时要抵抗重力的影响。
(2)工业洞室
1993年为了迎接冬季奥林匹克运动会在挪威建成Gjovik滑冰场,这项设计是为了会后进行标准核电厂的可行性论证(61米跨度,25米高,91米长,)。冰场可以提供5800个座位,挪威是把小型核电厂放到在Halden洞室的第一家。
1940年,建立了第一个供存储用的军事燃料的洞室。起初,标准的钢制箱体密封在洞室里,在夏威夷檀香山用,随后在阿尔及利亚,法国设计了预应力混凝土圆筒形体结构。在同一时间,瑞典采用临近港口的矿坑来储藏天然石油,它的不透油性是由四周的海水所提供的。从那时起,已经建造了数百个洞室。
当石油储量超出4万立方米时,地下洞室比地上便宜。