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岩土工程的第四次浪潮【转】  

2014-03-02 20:03:07|  分类: 土木工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文转载自wuhelo100《岩土工程的第四次浪潮》

岩土工程的第四次浪潮

钱七虎

摘要:本文在简述了人类历史上岩土工程发展的三次浪潮后,着重论述了以保护自然生态环境、改善城市环境为核心的岩土工程发展的第四次浪潮。
关键词:岩土工程 生态环境 城市环境

The Fourth Wave of Geotechnology

Qian Qihu

Abstract After review of three waves in development of geotechnology in human history,the fourth wave characterized by protection of  ecological environment of nature and improvement of urban environment
is described.
Keywords Geotechnology,ecological environment,urban environment

1 岩土工程发展中的几次浪潮

在人类历史上,岩土工程的开发利用经历了几次浪潮。

人类史初期,人穴居以躲避风雪、暴风和野兽的侵袭,可算作岩土工程利用的第一次浪潮。

十九世纪工业革命时期,矿山工程的大规模建设,以及与欧美资本主义国家城市化发展相随,城市排水、供水等市政工程设施埋于地下,并开始建设城市地铁(1863年于英国伦敦),这标志着第二次岩土工程浪潮的来临。在这次浪潮中,地下军事防护工程和水电站工程也得到了很大的发展。

第三次岩土工程建设浪潮的特征是一些人类活动从地面移位到地下,包括地下商业街(1930年),地下停车场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。

二十世纪末年以来,联合国及世界各国可持续发展战略的制订,人类环境意识、资源永续利用意识的不断提高,推动了岩土工程建设第四次浪潮的兴起和发展。第四次浪潮的特征是改善城市环境,保护自然生态环境。

岩土工程建设和利用的浪潮一个跟随一个,但并非一个取代和排斥一个,而是更加发展,更加完善。第二次浪潮中城市地下市政设施和地铁的建设在第三次、第四次浪潮中仍然继续并在更高的水平上进行。第三次浪潮中地下商业街、地下停车库、各种地下文化体育场馆的建设在第四次浪潮中仍然延续,并在更多的城市中进行。

近三十年以来,坚硬岩石中和复杂地质条件下岩土层中掘进开挖技术有了长足的进步,岩石的坚硬已从对地下工程的不利因素转变为有利因素,它使得地下洞室的跨度可以增大,使得岩体能经受更高的掘进开挖速度。进入二十世纪九十年代以来,以激光导向技术和GPS定位技术为代表的地下勘察技术和地下掘进、衬砌的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,这一切使得岩土工程的第四次建设浪潮必将范围更广,规模更大,水平更高。

2 保护自然生态环境、改善城市环境与岩土工程的第四次浪潮

环观当今世界,人口增加,资源剧耗、耕地和森林锐减、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,我国每年由污染和生态破坏造成的损失达2000多亿元。作为环境友好工程,岩土工程的建设和作用对保护环境,改善环境已经发挥,并将更加发挥重要作用,成为可持续发展的重要措施。

温室效应和酸雨形成的元凶是煤、石油等能源的过度消耗。节约能源是减小酸雨面积、缓和温室效应的重要途径。在这方面,地下岩土工程的利用大有可为。建筑物建成后使用过程中,每年所需消耗能量的总和称为建筑能耗。作为每个国家总能耗中的大户——建筑能耗来说,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1米,日温几乎没有变化,地面以下5米的室内气温常年恒定。因此将建筑物放在地下岩土中,比地面建筑更明显少消耗能量。据美国进行的地面与地下建筑对比分析的大量试验表明,五个地区地下建筑的节能率高于地下节能建筑为:明尼阿波利斯及波士顿地区为48%,盐湖城58%,罗克斯迈勒地区51%。休斯顿地区为33%,建于放弃的石灰岩矿中的堪萨斯城地下建筑的节能率最高,相对于地上建筑为:服务性建筑为60%,仓库为70%,制造厂为47%—90%。

更应特别指出的是,地下岩土工程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、土壤介质中贮存热量往往是最佳的甚至是唯一的选择,而利用地下空间在冬季将天然冰块贮于地下,用于夏季环境控制的蓄冰空调,既经济又是清洁再生冷源,在国外如北欧一些国家多有应用实例。地下空间的贮热和贮冷,由于岩、土的热稳定性和密闭性,使热量或冷量损失很少,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。从而使天然能源或工业大量余热的利用富有成效。例如瑞典在斯德哥尔摩西北向约150公里的阿累斯达建造了一个15000M3的岩石洞室热水库,以废物焚烧为热源,蓄热温度范围为70℃—150℃,通过一换热器与区域供热系统联结。该工程投资400万美元,于1982年建成,1984年完成试验工作,用于阿累斯达的供热系统,每年能节油400m3以上。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29万千瓦,贮气压力为8兆帕。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,从而节省发电站功率和能耗。美国、德国等还正在研究开发“非枯竭性的无污染能源”——深层干热岩发电(HDR),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10MW功率的干热岩电站。该电站主要由两个深度为4千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发电。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少得多,据统计,约低25%~50%。

我国水资源短缺日益严重。我国水资源在时空分布上的极不均匀是缺水的重要原因。我国的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,我国如能与挪威、芬兰等国那样,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,或如日本,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大气降水、降雪供缺水季节使用,就可部分改善缺水的环境。

城市大气污染的主要原因是燃煤产生的二氧化硫和悬浮颗粒等污染物和以汽车尾气产生的氮氧化物,一氧化碳等污染物。后者随着大城市汽车数量日益加速增长,将成为城市大气污染的主要原因。解决前者的措施,除了地下建筑代替地面建筑直接降低能源消耗从而减少污染物以外,改变燃料能源结构,以天然气等清洁燃料代替燃煤,并变分散供热为集中供热是个酝酿措施。为此,需敷设规模很大的地下供热供气管网。例如瑞典斯德哥尔摩地区建有120公里长的地下大型供热隧道。解决汽车尾气的根本措施之一是减少城市中心区汽车数量,在这方面欧美国家的经验可以借鉴。例如加拿大蒙特利尔的经验表明:建设城市地铁交通网与地下通道、地下停车库、郊区火车地下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。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。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、进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,轿车停在附近的地下停车场,然后乘地铁到达目的的地站台,再乘地下通道进入各高层建筑。这样城市中心区的机车车数量减少到最低限度。同时也使汽车尾气的排出量在城市中心区域减低到最低限度。西欧的一些国家为了降低市区交通拥挤程度和大气污染,还在郊区通向市区的每个路口设置“路路通不停车电子收费系统”,在交通高峰时节,收取“市区交通拥挤费”。实际情况表明,这种交通模式和措施是有效的。特别是在北美、北欧漫长的伴有北极风和大雪的严冬季节,这种交通模式保证了各种城市活动正常进行,显示其突出优势。

减少城市大气污染,还要大力加强城市绿化,城市绿化是改善空气质量、清除空气中有害物质的有效措施。城市绿林地能降低风速、滞留飘尘,绿色植物光合作用时,吸收二氧化碳、释放氧气。很多树林可以吸收二氧化硫、苯并芘等有害物质,绿化的杀灭空气含菌的功能也是人所共知的。城市绿化还可有效降低温度,增加相对湿度,缓解城市“热岛效应”。当城市绿化复盖率达到50%时,大气中的污染物可以基本得到控制。所以《中国21世纪议程》提出:“大力发展城市绿化事业,到2000年,绿化复盖率达到30%,人均公共绿地面积达到7m2左右的目标。”联合国建议城市公共绿地应达到人均40m2的水平。为此需要腾出更多的地面来进行城市绿化,例如一个人口500万的特大城市,人均公共绿地达到20平米,就需要100平方公里的土地。这样就要求进行较大规模的地下岩土工程建设,把一切可转入地下的设施转入地下,以腾出地面改善环境。华盛顿人均40m2分布均匀的绿化,真如城市花园一般,世界“绿都”华沙,人均绿地70平米,确实是一座生态园林化城市。我国不少城市正在加强绿化,建设绿化广场,市民广场,这是值得欢迎的,但是如果不同时开发利用其地下空间,这是不能持久的。因为我国已实行耕地总量预警制度,确保耕地总量动态平衡是其原则,城市建设用地存量非常有限,十分紧缺。

城市水环境和垃圾环境的治理也离不开地下岩土工程建设。我国136条流经城市的河流中105条水质污染严重超标,50%以上的城市地下水受到污染。我国城市垃圾堆放量高达60多亿吨,垃圾围城现象普遍。一些发达国家的先进城市都在地下建立污水收集、输送与处理的统一系统和垃圾废物的分类、收集、输送和处理的统一设施。瑞典排水系统的污水处理厂全部设地下,仅斯德哥尔摩市就有排水隧道200公里,拥有大型污水处理厂6座,处理率为100%。其它中、小城市,也都有地下污水处理厂。保护了城市水源,还使波罗的海免遭污染。瑞典是首先试验用管道清运垃圾的国家。在60年代初就开始研制空气吹送系统。例如1983年在一个有1700居民的小区内建造一套空气吹送的管道清运垃圾系统。预计可以使用60年。由于回收和处理系统配套建设,3年—4年就可回收投资,赫尔辛基市地下污水处理厂设在未来居民区地下一百万立方米的岩洞中,它现代化高效地处理70万居民的生活污水和城市工业废水,节省了宝贵的地面建筑用地,消除了污水处理时散发的恶臭。美国佛罗里达州近年来在高层建筑地下室设置垃圾自然分类收集系统。由于地下空间的封闭性,上述的收集处理统一系统,可以把污水,垃圾废物对城市的污染减少到最低限度。

进行岩土工程建设,开发地下空间也是治理城市景观环境的重要途径。很多发展中国家,包括我国,由于城市化快速粗放发展,造成不少城市建筑空间拥挤,高楼林立,高架路纵横交错,照明、供电、通讯杆线密布于道路上空,车辆在路侧到处停放,开敞空间缺乏,使人不能愉悦舒适。地下空间的使用使得三维城市结构更紧密,城市的集约化程度提高,降低了人们对城市中交通的需求,使得城市的服务更加接近居民,创造了更加宜人和舒适的环境。发达国家成功地利用地下空间保持了城市环境宜人、舒适、保护了历史文化景观。在它们的先进城市中,普遍地建设了市政管线公用隧道(共同沟),如莫斯科地下有130公里的共同沟,日本计划于21世纪初,共同沟总长将达526公里,共同沟的建立消除了城市上空线、杆及变压器盘旋的状况,提高了城市的抗灾能力。地下商业街、地下文化体育、餐饮设施的建设改变了建筑空间拥挤,人流集中于地面的状况,增加了城市开敞空间。例如巴黎的列一阿来中心地区,把一个交通拥挤的食品交易和批发中心改造成一个多功能的以绿地为主的公共活动广场,同时将商业、娱乐、交通、体育等多种功能安排在广场的地下空间中,形成一个大型地下综合体。该综合体共四层,总面积超过20万平方米,巴黎市中心的卢浮宫是世界著名的宫殿,原有的建筑必须保持,在无扩建用地实现扩建要求的情况下,设计者利用宫殿建筑包围的拿破仑广场下的地下空间容纳了全部扩建内容,实现了古典建筑的现代化改造。大量地下车库的建设解决了车辆沿道路两侧随处停放,使交通更加拥挤的问题。巴黎的地下建设了383座地下车库,可容纳43000多车辆,弗约大街建设有地下四层的欧州最大的车库,可停放3000辆车。城市地下高速大流量交通网的建设不但大大缓解了城市交通拥挤的历史性问题,而且也解决了城市高架路的景观问题。美国波士顿中央大道,在三十年代曾经建成为高架道路,由于景观,噪声和震动,在九十年代又予拆除,改造为地下高速路。即使是高架有轨高速交通,由于其振动,噪声 以及电磁辐射问题,从城市环境的角度来看,未必是妥善的方案。据统计,在轨道交通的建设方式中,人口200万以上的城市采用地铁的其条数占77.5%,运营长度占90.5%,即使采用地面高架轻轨,进入市区也转入地下。兴建地下机动车路、车行下立交路,人行过街道以及地下步行街,使人、车分流,减少地面人、车流,对缓解地面交通拥挤,提高城市地面景观的宜人度也都有重要作用。莫斯科地铁系统是世界客运量最高的城市,每年达26亿人次。吸收地面上大量人流于地下。日本至少在26个城市中建造了地下街146条,日进出地下街人数达1200万人,占国民总数的九分之一,可见作用之大。休斯敦市地下步行道系统全长4.5公里,连接了350座大型建筑物。南方城市达拉斯,建设了29条不受夏季高温影响的地下步行道系统,将市内主要公共建筑和活动中心在地下都连接起来。芬兰是一个人员稀疏的北方小国,但是它极度珍视低密度建筑的城市环境和绿色的自然环境,在三面环海的赫尔辛基,为了保持城市的上述景观,只允许建六层以下的建筑,但又要保持城市的集约度和紧密度,为此广泛利用了地下空间,大量文化、体育、商业、休闲设施,甚至教堂都建于地下。

在高密度的高城市化地 区,为了不让高速公路和高速铁路破坏城市郊区和城市间地区的宁静和自然生态环境,人们正在设计和建设地下高速铁路和地下高速公路。作为新一代城市化地区地铁项目,瑞士正在研究开发在部分真空的地下隧道中运行的磁悬浮列车(该列车类似飞机的机身)。设计运动速度400公里/小时,运量可达800名旅客。预计1998年完成主要研究目标并获得技术应用特许。日本正在东京地区建设地下高速公路系统。

3 岩土工程和工程地质环境

岩土工程从本质上说是环境友好工程,保护地面自然生态环境,改善城市环境。但是另一方面,它又改变了原来的工程地质环境,这种改变可以是有利的改变,例如我国正在论证中的长江南水北调工程和雅鲁藏布江水的的北调工程,它可以制止华北、西北地区的土地退化和沙化,变沙漠为良田。当然它应该经得起历史的检验。但是这种改变也可能是不利的改变,甚至造成工程地质环境的危害。例如地下岩土工程破坏了地下水系,引起了地面泉水的枯竭、地面坍塌和地裂缝,隧道的开挖破坏了岩体结构导致了山体滑坡或泥石流,基坑的开挖引起了地基土层的扰动造成了城市地面的沉陷等等。由于地下岩土工程的不可逆性,往往这种变化也是不可逆的,后果是严重的。因此我们在修建岩土工程前必须对岩床、地层和地下水系对工程的敏感性,予以充分注意,给以严密论证、分析甚至模拟仿真。应用现代技术进行全面细致的工程勘察。对岩土工程的规划设计和方案设计时,应充分论证岩土工程对环境引起的有害冲击和有益保护问题,如引起有害冲击,必须作特殊工程处理,以求消除,使工程对地质环境影响最小,而收到的环境效益最大。

当然我们不能“因噎废食”。更不能对岩土工程建设第四次浪潮中的杂音随声附唱,例如国际反坝委员会提出“让江河自由奔流”,反对在江河上修建大坝,他们声讨埃及阿斯旺大坝,反对修建长江三峡工程,甚至要求审判中国的总理。在我国岩土工程界也有人提出“岩土工程本质上是破坏、危害工程地质环境”。这种极端的环境保护主义完全混淆了事物的主流和支流。看不到阿斯旺大坝变沙漠为良田,使埃及耕地成倍增加的事实。也不愿看到三峡工程的建成将会改变中国长江流域年年洪灾的恶劣环境。岩土工程的第四次浪潮必将沿着改造自然以利于人类可持续发展的方向顺利发展。

4 岩土工程第四次浪潮中的几个发展趋势

(1) 综合化是城市地下空间利用的主要趋势

其表现首先是地下综合体的出现,欧洲、北美和日本等一些大城市,在新城区的建设和旧城市区的再开发过程中,都建设了不同规模的地下综合体,成为具有大城市现代化象征的建筑类型之一。其次,综合化表现在地下步行道系统和地下快速轨道系统、地下高速道路系统的结合,以及地下综合体和地下交通换乘枢纽的结合。第三,综合化表现在地上、地下空间功能既有区分,更有协调发展的相互结合模式。

(2) 分层化与深层化

随着一些发达国家地下空间利用,先进城市的地下浅层部分已基本利用完毕,以及深层开挖技术和装备的逐步完善,为了综合利用地下空间资源,地下空间开发逐步向深层发展。如美国明尼苏达大学艺术与矿物工程系系馆的地下建筑物多达七层,加拿大温哥华修建的地下车库多达14层,总面积72324m2。以日本学者为主正在研究30米以下的深层地下空间利用的规划。深层地下空间资源的开发利用已成为未来城市现代化建设的主要课题。深层地下空间资源的空间深层化的同时,各空间层面分化趋势越来越强,这种分层面的地下空间,以人及为其服务的功能区为中心、人、车分流、市政管线、污水和垃圾的处理分置于不同的层次,各种地下交通也分层设置,以减少相互干扰,保证了地下空间利用的充分性和完整性。

(3) 城市交通和“高密度、高城市化地区”城市间交通的地下化。

地下交通工程成为未来地下岩土工程建设的重点,二十一世纪人类对环境、美化和舒适的要求越来越严格。人们的环境意识和对城市的环境要求将越来越加强和提高,以前修建的高架道路将逐步转入地下。地下高速轨道交通将成为大城市和高密度、高城市化地区城市交通的最佳选择。城市化地区的地下高速交通也将不断发展,在部分真空的隧道中运行的磁悬浮列车将成为现实。

(4) 各种TBM和盾构将成为地下隧道快速开挖的普遍工艺。

随着地下空间开发利用程度不断扩展,长大隧道的开挖以及遇到不良地层机会的增多,要求隧道开挖速度及开挖安全越来越高,预计在硬岩采用TBM开挖,软岩中采用各种盾构的趋势将更加明显。

(5) 在钻爆法掘进中采用数字化掘进的趋势将加强。

数字化掘进就是按照预定程序由计算控制掘进,一个操作手可同时操作三个钻杆。孔位和孔深按设计程序来控制,开挖轴线测量可同时由激光完成,所以开挖断面的超挖减为最小并达到优化,提高了开挖速度。

(6) 地铁隧道断面将减小,地铁成本将降低。

由于采用线性马达牵引地铁列车,减少了行走底架的尺寸。地铁截面积将减少一半以上,从而降低地铁造价。

(7) 微型隧道工程将加速发展

微型隧道是人进不去的隧道,直径一般在25厘米—30厘米。在隧道表面入口处采用遥控进行开挖和支护。这种方法快速、准确、经济、安全。所以适宜在高层建筑下,历史文化名胜古迹下,高速公路和铁路下,河道下安设管道。目前世界采用微型隧道技术已修建了5000公里管道。由于地下管线不断增多,这种工程的应用将越来越广。

(8) 市政管线公用隧道在二十一世界将得到更广泛的应用和发展。

随着城市和生活现代化程度的提高,各种管线种类和密度、长度将快速增加,共同沟的发展将成为必然。

(9) 三S技术在地下空间开发中的作用将得到加强。

由于地下空间开挖中定位和地质地理信息、勘察现代化需要,GPS(卫星全球定位)、RS(遥感)和GIS(地理信息系统)技术在地下空间开发中的应用将会得到越来越大的推广。

作者单位:钱七虎 总参科技委 北京 100857

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