地下工程

本书可作为土木工程专业高年级学生开设的选修课教材，它克服了原先小专业知识覆盖面窄的缺点，适应社会对综合素质复合型人才的需求，是地下建筑专业方向为其他专业方向学生专门开设的一门精炼型课程。本书可以用作岩土工程、工民建、铁路工程、道路工程、桥梁与隧道工程、水利水电工程等专业科技工作者及大专院校师生、培训班学员的参考用书。

本书第一章概略介绍地下工程发展的历史和前景、地下工程分类方法、地下工程设计计算理论的演变、地下工程施工、防灾、计算机应用的新技术。第二章通过工程实例介绍地下工程规划设计，建设及室内环境设计原理和方法，第三章重点阐述地下工程结构选型，荷载计算，计算模型、断面设计及构造设计，并有工程实例。第四章简要介绍地下工程施工组织设计，施工技术管理知识，对地下工程各种施工工法及工艺作了较详细的论述，附带介绍了与施工相关的施工监测和现场保护的方法及特点。第五章介绍地下工程监理的概念、内容和方法。第六章简要介绍了地下工程施工、使用阶段的供配电、照明、给排水及通风设备的设计。第七章介绍地下工程如何防御各种自然灾害、战争和人为破坏。第八章介绍地下工程CAD、结构计算软件应用、施工多媒体信真监

前言

第一章 绪论

1.1 地下空间开发的历史与发展前景

1.2 地下工程分类

1.3 地下工程设计计算方法的进展

1.4地下工程施工技术的进展

1.5 地下工程防灾

1.6 计算机技术应用

复习思考题

第二章 地下工程的规划与建筑设计

2.1 概述

2.2 地下工程（城市地下空间）规划设计

2.3 地下工程建筑设计

2.4 地下工程室内环境和装饰

复习思考题

第三章 地下结构的计算原理和设计方法

3.1 概述

3.2 地下结构的荷载

3.3 地下结构选型与构造

3.4地下结构设计模型与计算方法

3.5 地下结构计算原理和设计方法中的新进展

3.6 工程设计实例

复习思考题

第四章 地下工程的施工

4.1 概述

4.2施工组织设计

4.3施工技术管理

4.4 岩石地下工程施工方法

4.5 软土地下工程施工方法

4.6 地下工程的辅助工法

4.7地下工程施工监测和环境保护

复习思考题

全书共分10章，主要内容包括地下空间资源及开发利、用价值、地下工程的工程地质环境及围岩分级、交通地下工程规划、地下结构设计方法、地下结构计算理论、交通地下工程支护结构类型选择及参数设计、地下工程施工、地下工程施工监控量测、地下工程结构防水等。

本书主要作为高等学校土木工程专业地下工程课程的教材或参考书，也可供从事地下工程研究、设计和施工的人员参考。

序

地下工程是北京交通大学的传统强势学科之一。在新世纪，面对国家工程建设的大发展，我校应该保持这一优势，且更应有所作为。为达此目标，有赖于两大方面的成就：一是优秀的教学质量，另一是突出的科研贡献。

地下工程是理论性和实践性俱强的学科。大学生要学好这门课程，我认为有3点最重要：一是教材，二是学生的兴趣和努力，三是教师的布道功夫，且这三者是关联和统一的。

教材是基础，是学生学习和教师组织教学的纲。教师教学好比牧羊。一本好的教材好比一片肥美的草原，能不能把学生引领到这片肥美的草原，那要看牧羊人的功夫；但前提是要有这片草原。

地下工程是土木工程专业重要的必修课程，我校的培养计划凸显了这一点。但由于客观的缘由，尚没有一本正式出版的教材，而国内地下工程的高等学校教材很少，且大多内容陈旧、过时，不适应教学的需要。可喜的是，地下工程成为北京交通大学2004年出版基金资助的教材之一，这实为学校的远见卓识之举。我期待着这本教材尽快付梓。

主编贺少辉教授（博士生导师）是北京交通大学优秀主讲教师，一直在本科生、研究生教学第一线，并作为地下工程课程群的负责人主持这一专业方向的教学。教研相长，他在科学研究和为重大工程提供技术服务方面，同样出色。贺少辉、项彦勇、李兆平编写的这本教材贯彻了这样的编写原则：贯穿地下工程是由围岩和支护结构组成的结构体系这一主线，吸收地下工程学科领域的最新理论和工程技术成果，以基本原理、基本概念、基该方法的阐述为主，强调内容的系统性、完整性，在关键知识点上力求新、精、深。应该说，这是目前国内全面反映规范、标准修订成果的一本地下工程学科的高等学校教材，也是本教材区别于其他同类教材的显著特点之一。值得大学生、研究生、从事地下工程规划、设计和施工的技术人员捧读。

作为主审之一，审读之余，很自然地为这本教材的出版作了上述感言。

中国著名隧道与地下工程专家 张 弥

2006年2月

于北京交通大学红果园

前 言

迄今为止，国内学者编著的地下工程学科的高等学校教材不出5种。与其他学科，尤其是一些土木工程基础学科相比，显得很不足，同时也与地下工程理论、技术和该学科的历史、发展极不相称。

20世纪50年代初，中国高等教育的学科、专业、课程的设置及教学要求学习前苏联和一些东欧国家的模式。大学生在校期间的专业课学得精、深，到工作岗位后很快就能独立担负起某一方面的技术工作。以近50年高等教育所积累的成功经验为基础，为适应国内外高等教育和经济社会发展的形势，自20世纪末至21世纪的最初几年，中国对高等教育进行了大规模的调整和改革，实行宽口径培养的模式，较多地压缩了专业课教学课时；但强调采用先进的教学手段，对学生专业素质、技能的培养提出了新的、更高的要求。

本教材是为适应高等教育改革的新形势，并针对北京交通大学土木工程专业新的培养计划而编写的。

最近几年，中国对地下工程学科领域的设计规范、标准作了全面修订，颁布实施了如下新的设计规范、标准：

⑴《工程岩体分级标准》（GB 50218-94）；

⑵《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB 50086-2001）；

⑶《地下工程防水技术规范》（GB 50108-2001）；

⑷《铁路隧道设计规范》（TB 10003-2005）；

⑸《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）；

⑹《地铁设计规范》（GB 50157-2003）；

⑺《水工隧洞设计规范》（SL 279-2002）；

⑻《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》（铁建设函[2005]285号）；

⑼《京沪高速铁路设计暂行规定（上、下）》（铁建设[2004]157号）。

本教材完全做到了结合上述新修订的规范、标准编写，对规范、标准修订的新成果进行充分吸收并加以解释和阐述。同时，在地下工程施工方法方面，这是目前国内全面反映规范、标准修订成果的唯一一本地下工程学科的高等学校教材，也是本教材区别于其他同类教材的显著特点之一。

读者在读完、学生在学完本书内容后，可能有一个体会：我不仅了解了地下工程的基本概念、基本原理、基该方法，同时也会进行地下结构设计和指导地下工程施工。

众所周知，地下工程种类繁多，本教材实难面面俱到。在地下工程规划设计和支护参数设计两部分内容，我们仅集中论述交通地下工程，这体现了内容有所侧重。

高等学校的根本任务之一是培养学生的创新能力。编写出具有创新精神的教材是实现这一根本任务的具体体现。本教材就是按照求反映最新成果和学术动态、求新的编写思路和内容框架的宗旨编写的，尽管它还有不尽完美之处。

本书由北京交通大学隧道与岩土工程研究所的几位从事较长时间教学科研工作的教师集体编写。贺少辉教授任主编，项彦勇副教授、李兆平副教授任副主编；张弥教授、刘维宁教授任主审。第1、2、3、7、10章由贺少辉编写；第4、5、6章由项彦勇编写，贺少辉编写了这3章的部分内容；第8、9章由李兆平编写。贺少辉负责全书的统稿。

两位主审提出了许多宝贵的修改意见，为本教材添光加彩，在此深表谢意。

本书得到北京交通大学教材出版基金资助，在此表示由衷的感谢。

由于本书是3位编者合作的产物，又因主编水平有限，以及客观条件和时间精力等限制，难以很好地履行上述基本思想，缺点与错误在所难免，希望广大读者不吝赐教。

邮政编码：100044

贺少辉

2006年2月

目录：第1章 绪论1

第2章 地下空间资源及开发利用价值4

2．1地下空间利用的基本概念4

2．1．1 地下空间的涵义4

2．1．2地下空间利用的历史沿革4

2．1．3 地下空间发展的宏观背景8

2．2 地下空间资源的潜在与实际价值9

2．2．1 地下空间资源9

2．2．2 开发地下空间的战略意义11

2．2．3 地下空间的城市功能13

2．2．4 地下空间的开发价值与综合效益14

2．3 地下空间的防灾及环境特性16

2．3．1 地下空间抗御外部灾害的能力16

2．3．2 地下空间的内部防灾要求19

2．3．3 地下空间与生态环境 20

2．3．4 地下空间的内部环境要求22

2．4 地下空间开发的法律与政策问题24

2．4．1 法律问题24

2．4．2 政策问题25

第3章 地下工程地质环境及围岩分级（类）27

3．1 概述27

3．2 围岩结构分类及其破坏特征28

3．2．1 岩体结构分类29

3．2．2 地下工程围岩失稳破坏性态29

3．3 围岩的初始应力场30

3．3．1 围岩初始应力场的组成--自重应力场和构造应力场31

3．3．2 围岩初始应力场的变化规律与影响因素31

3．3．3 围岩初始应力场的确定方法34

3．4 围岩稳定性的影响因素及围岩分级因素与指标的选择38

3．4．1 影响围岩稳定性的主要因素39

3．4．2 分级（类）的因素指标及其选择42

3．5 国内外主要地下工程围岩分级（类）标准44

3．5．1 国内主要地下工程围岩分级（类）标准45

3．5．2 国外主要围岩分类系统简介60

第4章 交通地下工程规划65

4．1 地下工程投资分析65

4．2 交通地下工程规划66

4．2．1 山岭隧道的规划67

4．2．2 水底隧道的规划72

4．2．3 城市地下铁道的规划74

4．3 交通隧道的限界与构造形式78

4．3．1 交通隧道结构的限界与净空要求78

4．3．2 铁路隧道曲线地段断面加宽80

4．3．3 交通隧道结构的构造形式83

第5章 地下结构的设计方法88

5．1 地下结构的设计内容与目的88

5．2地下结构设计方法89

5．2．1 容许应力法90

5．2．2 破损阶段法90

5．2．3 极限状态法--按结构可靠度设计92

5．2．4 支护设计的特征曲线法96

5．2．5 支护结构的工程类比设计法98

第6章 地下结构的力学计算理论99

6．1 地下结构的受力特点和力学计算模型99

6．2荷载结构模型中荷载的计算方法101

6．2．1 荷载（作用）及其组合101

6．2．2 主动围岩压力的计算104

6．2．3 围岩被动反力的计算110

6．2．4 地下水压力和浮力的计算112

6．2．5 地震力的计算113

6．3 地下结构内力的计算方法115

6．3．1 荷载结构法115

6．3．2 地层结构法126

第7章 交通地下工程支护结构类型及参数设计138

7．1 地下工程围岩与支护结构的共同作用138

7．1．1 围岩特征曲线（支护抗力（支护阻力）对围岩位移的影响）138

7．1．2 支护结构的补给曲线（支护特征曲线）140

7．1．3 围岩与支护结构的相互作用142

7．2 支护结构的设计原则143

7．2．1 对支护结构的基本要求143

7．2．2 支护结构类型的选择和设计144

7．3 铁路隧道支护类型的选择和设计参数145

7．4 公路隧道支护类型的选择和设计参数152

7．4．1 支护（衬砌）类型及其选择152

7．4．2 分离式独立双洞隧道复合式衬砌设计参数152

7．4．3 小净距及连拱隧道支护类型选择及设计参数153

7．5 盾构隧道衬砌结构类型选择与设计参数153

7．5．1 盾构隧道衬砌结构类型选择153

7．5．2 横截面内轮廓和结构尺寸拟定158

7．5．3 盾构法施工时特殊地段的衬砌160

第8章地下工程施工162

8．1 地下工程明挖法施工162

8．1．1 放坡开挖基坑的设计与施工162

8．1．2 有围护结构的基坑设计与施工167

8．2 地下工程逆作法施工190

8．3 山岭隧道新奥法施工193

8．3．1 山岭隧道工程特点193

8．3．2 隧道施工方法及其选择194

8．3．3 新奥地利隧道施工法--岩石地层的新奥法施工194

8．4城市地下工程浅埋暗挖法施工202

8．4．1 地铁区间隧道的浅埋暗挖法施工202

8．4．2 地铁车站的浅埋暗挖法施工207

8．4．3城市地下工程暗挖法施工控制地层沉降的主要措施214

8．5 盾构法施工214

8．5．1 盾构法施工、盾构概貌及其适用范围215

8．5．2 盾构选型216

8．5．3 盾构法施工219

第9章地下工程施工监控量测224

9．1地下工程施工监测意义224

9．2 监测方案的编制224

9．3地下工程施工主要监测项目225

9．4 监测资料的整理分析与反馈231

第10章 地下工程防水237

10．1 地下工程防水的重要性237

10．2 地下工程中常遇的地下水237

10．3 地下工程防水设计原则和要求239

10．3．1 设计原则239

10．3．2 设计要求240

10．4 地下工程防水等级和设防要求241

10．4．1 地下工程的防水等级241

10．4．2 地下工程的防水设防要求242

10．5 地下工程防排水系统244

10．6 地下工程防水材料244

10．6．1 卷材防水层244

10．6．2 涂料防水层245

10．6．3 塑料防水板防水层246

10．6．4 膨润土（纳米）板（毯）防水层246

10．7 地下工程混凝土结构细部构造防水248

10．7．1 变形缝防水248

10．7．2 施工缝防水构造250

10．7．3 后浇带防水251

10．8 盾构法结构防水252

10．8．1 管片防水252

10．8．2 管片接缝防水253

参考文献259