地下建筑结构的发展趋势与新型式_建筑结构的发展趋势

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地下建筑结构的发展趋势与新型式

及其带来的机遇和挑战

世界人口不断增长，但是地球的陆地空间却随着温室效应造成的海平面上升而变得越来越小，人们为了获得更加广阔的生存空间，在不断地开发新的建筑结构，创造更广阔的空间。为了实现拓展空间的目标，我们首先想到的就是把房子盖高一点，由此各国的高层建筑像雨后春笋一样拔地而起，世界第一的迪拜哈利法塔更是达到了惊人的828米，虽然从理论上说我们可以建造更加高耸的建筑，但是考虑到安全性和便利性，一味地向上发展不是一个最优化的解决方案。考虑问题有时要拥有逆向思维，向上发展有瓶颈，很自然地我们会想到向下发展，开发地下空间，虽然从建筑和设计难度都高于地上结构，但是它可以提供更加独立稳定的环境，所以对地下建筑空间的开发是值得尝试和探索的。

有人说21世纪是地下空间的世纪，改革开放以后，我国经济飞速发展，而城市作为社会经济发展的沃土，吸引着大量劳动力在城市落脚生活，但是城市的空间是有限的，这就造成了城市人口拥挤的问题，为了满足经济的发展，城市在不断地扩张，像摊大饼一样，城市愈来愈大，随之而来的便是交通拥挤问题。为了解决这些困扰已久的城市病，我们迫不及待地开发地下空间。

国际经验表明，人均GDP达到5000美元时，地下空间将进入黄金开发期。我国经济增长连续多年高位运行，已使北京、上海、广州、深圳等许多城市的人均GDP远超5000美元。我国许多城市已进入地下空间开发利用时期，并且经济的高速运行也使得这些大城市患上了严重的城市病，是到了大力发展地下工程，提高城市运营管理水平的时候了。首先要面临的就是交通问题，每天几千万的人口出行就是个很棘手的问题，如何给市民提供一种方便便捷的公共交通方式是最优化的解决方案，早在1843年英国人皮尔逊就想到了一种方便又快捷的方案那就是修建城市地铁系统。当时他为伦敦市设计了世界上最早的城市地铁系统，由于种种原因，10年后，英国议会才批准在法林顿和主教路之间修一条长不足6公里的地铁。经过近十年的建设，地铁初具规模。1863年1月，“大都会地区铁路”正式开始营业。伦敦大都会铁路开通。第一年这条铁路运送了950万人次的旅客。由于当时电力尚未普及，使用的是蒸汽机车作为牵引。再加上排风不畅，乘客常常感到烟熏气闷，有的人甚至昏倒在地铁里。尽管如此，伦敦市民甚至皇亲显贵们都争相乘坐这种地下列车。因为在拥挤不堪的伦敦地面街道上乘坐公共马车，其条件和速度还不如地铁。1896年，布达佩斯修建了欧洲最早的电气化地铁，解决了地铁通道的空气污染问题。从此，地铁开始在全世界各大城市推广使用。根据中国交通运输协会城市轨道交通专业委员会统计，截至2012年9月底，我国大陆范围内开通城市轨道交通运营线路的城市共有15座，运营线路总计59条，运营长度总规模约1746公里，运营车站总数1143座。目前上海轨交全网运营线路总长首超500公里、增至567公里、车站共计331座（均含磁浮在内），运营规模列世界第一。近期规划路达到660KM，远期规划线路则达到970KM。同时通过最新消息报道工作日上海地铁的客流量达到800万人次，这接近上海人口2500万的三分之一，由此可以了解地铁对市民出行的贡献非常重大。正是因为地铁在缓解交通压力中有突出作用所以地铁在中国前景十分广阔，截至目前，中国已有35个城市与地铁结缘，这些城市包括4个直辖市，深圳、厦门、宁波、青岛、深圳5个计划单列市，大部分省会城市，以及苏州、东莞、无锡、常州等经济总量庞大的地级市，基本囊括了中国大部分的一二线城市。涉及总里程达993公里，总投资额达7283亿元。据本不完全统计，目前全国正在施工建设的地铁线路超过70条，总投资额达8000多亿，如果加上已经获批的项目，投资额达1.5万亿以上。

虽然看起来地铁建设在想着可谓是风生水起，作为工程人员，有广阔的空间让我们施展才华，但是一个事物过快的发展势必会产生一些人们忽视的隐患。首先是资金问题，每年上万亿的建筑资金势必给国家财政带来负担，并且公共交通是社会公益事业，不能指望地铁运营产生的利润填补建造费用，当国家财政出现问题时，地铁的建设势必受到影响。同时由于我们现在仓促的设计规划，在市政规划上没有长远的目标，这可能造成以后几十年后出现大拆迁和重建的高潮，这显然造成了极大的浪费。现在往往一个城市几条线路同时开工，也存在一定的工程安全隐患，王梦恕：线路工程太多，施工事故也会随之而来。中国工程院院士王梦恕在接受《第一财经日报》采访时说到:“线路工程太多，施工事故也会随之而来。一般在地下工程施工之前，应留出足够时间给施工和设计单位，对周边管网等情况进行调查，需3个月到半年时间。如果同时开通好几条线，施工单位就

忙于应付各个工期，前期不能做认真调查，工程风险隐患就会加大。也不能开工就搞业务设计，设计院没有时间去搞详细规划，否则就会导致抄图，图纸设计质量低。同时，不合理赶工期会影响地铁建设的结构和寿命及影响地铁安全。一般来说，一条20公里地铁的合理工期大约为4～5年，但现在都在抢进度。而事实上，我们现在搞工程，都需要经过科学评审，但有些基本工作没有做，只是领导意图，为了政绩。地铁是很花钱的，对城市干扰、财政支出影响都很大，应该开一条通一条。如果不搞地质勘测，地下工程是很危险的，会出现很多想不到的情况。”由此我们在大力发展地铁工程时要合理规划，不能急躁，要踏踏实实做好每一步工作，把地铁工程当做百年大计。

在以后的地铁建设工作中，我们首先要考虑国家和地方的财政承受能力，这或许不是我们工程师所关注的重点，但是一个行业如果想要长久发展，首先它的成长过程一定是健康的，盲目地快速发展，过度透支其未来的前景，等待我们的只有大萧条。各地的政府更不能跟风，感觉地铁可以提升城市形象，看到别的城市修建，自己也要砸锅卖铁修地铁，这样不符合自己城市社会经济发展的决策是不明智的，大量的资金投入，过分透支财政必然给以后的经济发展带来风险。最明显的就是昆明市，作为一个省会城市必然有自己的地铁梦，但是它却要为这个昂贵的梦想付出巨大的代价。从2009年开始，这个高原城市就进入“满城挖模式”。

3、4条地铁线路同时进行施工，试图迅速打通后发城市的经脉。根据《昆明市城市轨道交通近期建设规划(2013-2019年)》的蓝图，未来将有5条市域铁路和9条地铁线路穿越整个城市，全程562公里，总投资3000亿元，地铁也因此成为昆明史上投资规模最大的单体工程。然而以它2012年378亿元的公共财政预算收入看，3000亿元几乎要透支昆明市未来10年的全部财政预算收入。这造成其地方债务率超123%，这么高的负债率对一个城市所带来的影响是巨大的，虽然我不能从专业的经济角度分析这个问题，但我想巨大的政府债务一定会影响未来城市在其他方面的投资，间接地阻碍了其发展速度。从地下结构的专业角度，我认为除了社会经济的承担能力外，在地铁选线和建设过程中，我们也要秉承科学、谨慎、负责的态度，特别是在一些工程难度较大的区域。或许因为我们一个小小的疏忽大意就会造成巨大的工程事故。在日常的课堂上，我们经常听到老师讲述一些严重的工程事故，虽然其中大部分都不是工程师的设计失误，但是我们

也希望避免事故的发生。地下结构相对于地上结构更加复杂，有更多的不确定因素，我们现在尚且没有精确度很高的研究理论，在现实的设计工程中，我们往往是把实际问题进行合理的简化，粗略地计算，然后在基于以往的工程实例，归纳总结一些经验公式，虽然这样的设计方案简答便捷，也有一定的理论支撑，但是这样粗略的经验公式毕竟可靠度不高，不能精确地反映工程真实情况，而且每一个地区的地质状况有很大的差异，这样简单地依靠经验公式有可能出现差错，造成工程问题。在计算机技术高速发展的时代，我们作为工程技术人员应该成分发挥其强大的运算能力，虽然现在市场上有很大解决工程问题的商业软件，但是他们也是抽象地根据地质条件简化计算其受力状态，其主要工作是帮助我们进行计算，在解决问题的思想上并没有进步。我认为随着学科的不断发展，要求我们要建立更加精确的分析理论。最好在建立模型体系的初期，就不要过度简化，充分考虑各种影响工程安全的因素，把它们集合在模型中，通过更加精确的模型，使得我们的解决问题的思路更加严谨，得到的结论必然更加于实际工程相接近。当然这样精确模型的建立是十分复杂的，不但是对我们专业知识的考验，更是对我们数学以及计算机水平的考验。以后卓越的工程师一定要求全面发展的优秀才能。

在交通过程中，涉及地下工程的除了地铁还有隧道工程，在交通工程建设中，隧道可以缩短路程，排除障碍。国外在隧道方面发展的比较早，法国、英国、瑞士、奥地利、挪威、日本等发达国家，在 20 世纪已建成一批特长隧道，还有许多特长隧道在建设或在规划中。随着我国经济的发展，交通工程建设也大幅增加，因此隧道工程建设也开始突飞猛进，21世纪前10年我国将有总长155km以上的公路隧道要投入建设, 3km以上的特长隧道有数十座,在建和拟建的铁路中隧道含量很大，特长隧道数量很多, 厦门将建设一个可以全天候进出厦门岛的海底隧道.广东计划在深圳与珠海间建设一条 30 多公里长的海底隧道，还有拟建的 6 大跨海隧道。

在隧道施工技术方面，从20世纪六七十年代钢钎大锤作业的施工方法，到80 年代推广应用 “新奥法”，后来应用液压凿岩台车，20世纪末又引进了大型隧道掘进机（TBM）。从液压凿岩台车的应用到隧道掘进机的引进，又一次开创了隧道施工的新纪元。1966 年生产出第一台直径3.4m的掘进机，在杭州人防

工程中进行过试验，20世纪 70年代进入工业性试验阶段，20世纪80年代进入实用性阶段。但是，与国外掘进机相比在技术性能和可靠性等方面还有相当大的差距。自改革开放以来，已有甘肃省引大入秦工程、山西省万家寨引黄工程和陕西省秦岭铁路隧道工程等项目引入国外大型 TBM 进行隧道施工。于此同时，沉管隧道也在慢慢崛起，由于它于对地质条件的适应性强、隧道的覆盖层薄，从而使隧道总长度减小，隧道断面利用率高，防水可靠度高，施工周期短及工程造价合理等诸多优点，所以被广泛应用。我国已建成沉管隧道有上海金山供水隧道、黄浦江宁国路隧道、天津海河隧道、宁波甬江隧道以及广州珠江隧道。如今正在建设的港珠澳沉管隧道是世界上最大的沉管隧道，全长5664米的海底隧道，建好后是双向六车道的公路隧道，将由33节的钢筋混凝土结构的沉管对接而成，在沉管的中间，将来的通风、照明设施以及管线等都已经预先安装好。等待海上天气适合作业的时侯出海、沉底、对接。大桥的深海隧道对接，是整个工程最难的部分，也是当今世界上最难的海底隧道工程，被称之与神九与天空一号太空对接比肩的“深海之吻”。整个“深海之吻”对接在环境复杂的海底进行，受多种环境介质影响，共需对接33次，耗时3年，“堪称马拉松赛跑”。

从上述的资料可以看出，我国交通隧道的建设有3个非常明显的趋势： 一是城市隧道和地下铁道的建设将迎来高潮，由于隧道掘进机和盾构施工方法具有施工速度快、隧道成型好、机械化强度以及周边环境影响小等显著优点，所以在城市隧道和地下铁道的建设方面这两种方法将得到广泛的应用；二是需修建的长隧道越来越多，长度越来越长； 三是以隧道方式跨越江、河、湖、海水域的工程越来越多，由于沉管隧道适用于水底地形平坦、水深及跨度不太大的情况，所以沉管隧道以后在我国将有长足的发展。

随着隧道工程的规模以及技术不断发展，我们所面临的挑战也越来越巨大。首先随着隧道的长度越来越长，其对通风以及救援的难度也相应地提高。隧道是一个相对封闭的空间，一旦发生事故，应急救援是一个十分棘手的问题，这是我们设计者要谨慎思考的问题，它不亚于工程本身的结构安全。最近发生的山西“3·1”特别重大道路交通危化品燃爆事故造成的惨痛代价让我们深思，3月1日，位于山西省晋城市境内的晋济高速岩后隧道内发生两辆甲醇车追尾相撞，导致前车甲醇泄漏，在司机处置过程中甲醇起火燃烧，隧道内42台车辆及煤炭等

货物被引燃引爆，事故造成31人死亡、9人失踪。虽然事故原因初步分析表明:主要的问题是地方政府及其相关主管部门监督管理不力，企业管理不严。但同时也显露出另一个问题，那就是我们的隧道事故应急处置工作存在薄弱环节，一条不足一公里长的隧道发生事故，处置不当尚且发生如此严重的事故，试想一下如果一个数十公里的隧道发生同样的事故，后果不堪设想。所以我们不能单单在设计隧道时考虑安全救援设备，同时在隧道的运营的整个生命周期都要严格制定相关的应急救援方案，一方面降低事故率，更重要的是加强应急救援能力，确保隧道的安全运营。

中国作为一个发展中国家，基础建设工作是一个持续且漫长的过程，交通设施作为发展经济的不要前提，更是如今的中国所要大力发展的事业，再加上中国高层建筑也进入了高速发展的时代，基坑建设也给地下建筑结构带来了新的生机。综合分析各种形势，地下建筑结构都有着广阔的前景。但机遇和挑战并存，在地下工程不断发展的时代，它对我们这些从业人员的要求也越来越高，我们要不断创新才可以跟得上时代的步伐，不然只有被淘汰出局。