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城市地下岩土工程是岩土工程的一部分,是城市可持续发展,特别是我国大城市可持续发展所面临的诸多问题之一,更是摆在岩石力学工作者面前的新课题和新任务.
1 城市地下岩土工程是新世纪城市建设的重要环节
随着国民经济的高速发展,我国城市化水平正在快速提高,从1990年的18.96%提高到1997年末的28.9%.城市化水平的提高标志着城市工程建设的飞速发展.但是,我国城市建设基本上沿用“摊大饼”的粗放发展模式,给国民经济带来不应有的损失.主要是：
(1)城市范围无限制地外延扩展,耕地损失严重.据卫星遥感资料判断和测算,1986～1996年间,31个特大城市城区实际占地规模扩大50.2%,有的城市占地成倍增长.另据预测,至2010年,我国城市总数将从1996年的640座增加到1 000座,其结果是占用了大量耕地.到下世纪中叶,我国城市化水平将提高到65%左右,这意味着城市人口将比1990年增加7亿多人,按每个城市人口用地100 m2计,将占用耕地1亿多亩.土地问题是我国可持续发展的关键,城市人口急剧增长与地域规模的限制已成为城市发展的突出矛盾,城市 发展非走节约土地的集约化发展模式不可.
(2)城市人口密度大,形成了所谓的“城市综合症”.首先表现在城市交通阻塞,行车速度缓慢.例如北京市干道的平均车速比10年前降低50%以上,且正以年递减2 km/h的速度持续下降.上海、北京每公里道路的汽车拥有量相应为506辆与345辆,为发达大城市相应拥有量的1倍及至数倍.其次是,由于城市基础设施落后于城市面积的扩展和城市人口的增长,造成城市环境的恶化.当前我国城市环境形势日趋严重,大气污染日趋加剧,500多座城市大气质量达到一级标准的不到1%,酸雨面积超过国土面积的40%,重庆等城市尤为严重；城市污水80%未经处理排入江河；城市地下水受到污染；垃圾围城现象普遍；噪声污染普遍超标,建筑空间拥挤,城市绿地减少,生态恶化.
(3)城市总体抗灾抗毁能力偏低.在城市总体规划中,除防洪、防空外,目前尚缺少综合防灾的内容,城市基础设施的防灾措施处于空白.为了克服这方面的弊端,解决城市人口、环境、资源三大危机,医治“城市综合症”,实施城市可持续发展,世界发达都在把地下空间作为新的国土资源,开发利用城市地下空间,成为越来越受到重视的城市建设指导方针和发展方向.
城市功能空间能转入和宜转入地下的领域是很广阔的,包括商业、交通、部分市政设施、文化娱乐休闲、部分工业生产、仓储、防灾(避难)和救灾空间等.充分利用地下空间是城市立体化开发的重要组成部分.它可以达到扩大空间容量、提高开发集约度、消除步车混杂、交通顺畅、商业更加繁荣,地面绿地增加,环境优美开敞,购物与休闲,娱乐相互交融的多功能效果,与向城市上空发展的模式相比,是一种更为合理的发展模式.
向地下要土地、要空间已成为城市建设发展的必然趋势,显示了无比的优越性.我国及国外大城市的地下商业城(街)、地下车库、地下影剧院、地下铁道、地下人防系统,是众所周知的城市地下工程.有的已开始实施和计划采用地下污水收集和处理设施、地下垃圾处理厂、地下超导磁直接储存电能、地下供热供冷系统、地下多功能公用隧道(共同沟)以及具有抗灾功能的地下空间系统.它们是未来城市建设的发展方向.
2 城市地下岩土工程的特点及难点
众所周知,地下岩土工程是一个具有悠久历史的领域.可以说自有人类以来就有岩土工程,特别是进入工业社会以后岩土工程处处存在,但是城市岩土工程,除了传统的地面房层工程外,地下岩土工程却是随着现代城市的兴起而发展的.经过近几十年的实践,无论从设计、施工、设备和工艺,还是理论、技术和经验,都已达到相当高的水平,特别是深埋地下岩石工程,更是达到了较成熟的程度.
但是,城市地下岩土工程却具有与一般岩土工程不同的特点,主要是：多数埋深较浅.地面建筑、交通设施密集,地下管线多,开挖造成的影响大,地质条件复杂,多以土体为主,常有膨胀土、沙层、地下水,尤其是沿海沿江城市,淤土、软土的开挖难度更大.因此,城市地下岩土工程存在许多需要解决的特殊问题.主要是：
(1)浅埋、超浅埋暗挖施工技术.城市地下工程的埋深,不仅直接影响工程造价,而且关系到工程使用方便与否,因此,城市地下工程一般埋深较浅.在浅埋、特别是超浅埋的条件下,地下工程需要穿越建筑物和线路、街道,地面保护成为施工技术中的首要问题.
(2)复杂、恶劣环境下的开挖技术.诸如流砂层、膨胀土、高压缩性软土淤土、风化破碎岩石、高浓度瓦斯地层、大涌水、硫化氢、岩溶、高应力、地下管线、地面大车流量、大型载重车多、建筑物密集等等,都是地下岩土工程施工中的难题.
(3)大断面隧道开挖、支护技术.主要是地铁车站及商场、仓库、厅、室,其跨度尺寸达10 m以上.
(4)开挖影响控制技术.随着工程埋深的减小,开挖对地面的影响越来越大,在超浅埋条件下,开挖影响的控制与开挖方式、施工工艺、支护方法等众多因素有关,是地下工程施工中为复杂的问题.
3 城市地下岩土工程的开挖技术及其适应条件
我国城市地下工程建设起步较晚,随着人防、地铁、地下商场、仓库、影剧院等大量工程的建设,特别是近年来的工程实践,城市地下空间开挖技术得到了长足发展和提高.我国城市地下隧道及井孔工程先后采用了明挖法、暗挖法、盖挖法、盾构法、沉管法、冻结法及注浆法等,这些技术有的已达到水平.