地下建筑

建造在岩层或土层中的建筑

地下建筑 underground structure 建造在岩层或土层中的建筑。它是现代城市高速发展的产物，起缓和城市矛盾，改善生活环境的作用，也为人类开拓了新的生活领域。

介绍

由于地下建筑的大规模发展，地下建筑学正在形成，它的研究内容包括地下建筑发展历史和发展方向，地下空间的开发和利用，城市地下空间的综合规划，各类地下建筑的规划设计，以及与地下建筑有关的环境、生理、心理和技术等问题。　地下建筑具有良好的防护性能，较好的热稳定性和密闭性（见地下建筑传热），以及综合的经济、社会和环境效益。地下建筑处在一定厚度的岩层或土层中，可免遭或减少核武器、常规武器、化学武器和生物武器的破坏，同时也能较有效地抵御地震、飓风等自然灾害。地下建筑的密闭环境和周围存在着的比较稳定的温度场，对于创造恒温或超净的生产环境和在低温或高温状态下贮存物资，防止污染，特别是对于节约能源，都是有利的。在城市中有计划地建造地下建筑，对节省城市用地，降低建筑密度，改善城市交通，扩大绿地面积，减轻城市污染，提高城市生活质量等方面，都可以起到重要的作用。地下建筑也有缺点，如建筑成本高，施工复杂等。

简史

远古时期，人类就开始利用天然洞穴防寒暑、避风雨和躲避野兽。在中国周口店发现，50多万年前，北京猿人就居住在天然岩洞中。据仰韶文化和龙山文化遗址的考古发现，证明在距今7000～5000年前开始出现人工挖掘的居住洞穴，从简单的袋形竖穴到圆形或方形的半地穴，上面有简单屋顶。后来，开始在地面上建造住房，穴居逐渐不再是人类的主要居住方式。但古代陵墓仍然按照地上建筑方式在地下营建。有些粮仓也建在地下，如隋代洛阳的含嘉仓。中国西北、华北的黄土高原地区，由于黄土地层便于挖掘和气候干燥，穴居的传统一直延续至今。估计中国目前仍有3500万以上的人口居住在窑洞中（见生土建筑）。

产业革命以后，由于矿业和交通事业的发展，矿井、巷道、公路隧道、铁路隧道等相继建成。1863年英国伦敦建成世界上第一条城市地下铁道。第二次世界大战期间，地下建筑在防护上的优越性受到重视，一些参战国把重要的军事设施和军火工厂、仓库等建在地下，并为居民修建防空洞。50年代末期以来，由于经济的发展和科学技术的进步，城市人口的迅速增加，环境污染日益严重，能源危机以及战争危险的存在等因素的影响，地下建筑在日本、美国、瑞典、联邦德国、法国、瑞士、挪威、加拿大、中国、苏联等许多国家，有了高速度和大规模的发展。由于地理构成、社会发展、经济发达程度和战略指导思想的差异，各国发展地下建筑的出发点和所要解决的矛盾不尽相同。目前，世界上已有80多个城市修建了地下铁道，还有许多城市正在兴建。中国、苏联、瑞士、瑞典、芬兰等国从战备要求出发，建造了大量地下防空工程，有一部分在平时可作各类公共建筑使用。日本、联邦德国、法国等，国土较小，大城市人口高度集中，城市各种矛盾突出，因而大量修建地下高速交通网和地下街、地下商业中心。美国从70年代中期开始，致力于把地下建筑作为节约能源的措施，发展出一种半地下覆土建筑，除留出必要的朝阳面外，房屋的其他部分都用一定厚度的土掩埋或覆盖，并结合太阳能的利用，取得节能50%以上的效果（见太阳能建筑）。一些能源缺乏的国家，利用地下建筑大量贮存能源作为战略储备，例如瑞典、芬兰等国建造的地下水封油（或气）库的规模都很大，单库容量已超过100万立方米。瑞典、挪威、意大利等国水力资源比较丰富，许多水电站建在地下，以增加水的落差。加拿大气候寒冷，因此在大城市发展地下商业中心，蒙特利尔市的几个地下商业中心已经连成一片，建筑面积达81万平方米，形成了地下城。此外，工业发达国家还注意发挥地下建筑在保护城市传统风貌、改善城市环境、扩大城市空间等方面所起的积极作用。例如，日本名古屋市结合城市干道的改建，在地下布置了商业街和停车场，地面除留出必要的行人、行车道外，在中心部分建成一座大型街心公园。其他如东京、大阪等处也设有地下商业街（图1）。又如美国一些大学为了保存历史性建筑物的统一风格和缓解用地紧张，建造了一些地下建筑，如图书馆、体育馆、教学馆（图2）等，取得良好的效果。这些事实反映了地下建筑的应用范围日益广泛。

类型

地下建筑按功能分类，有军用建筑（如射击工事、观察工事、掩蔽工事等）、民用建筑（包括居住建筑、公共建筑）、各种民用防空工程、工业建筑、交通和通信建筑、仓库建筑，以及各种地下公用设施（如地下自来水厂、固体或液体废物处理厂、管线廊道等）。兼具几种功能的大型地下建筑称为地下综合体。地下建筑按施工方法分类，有明挖和暗挖两类。明挖施工后完全回填，上面不建任何建筑物的，称为单建式地下建筑；上面再建其他建筑物的，称为附建式地下建筑。明挖施工后部分回填、覆土或堆土的，称为覆土建筑或堆土建筑。暗挖的地下建筑，通常是在较深的岩层或土层中挖掘成所需要的空间，顶部以上保留一定厚度的自然覆盖层。此外，在中国还有一种习惯的分类方法，把地下建筑分为坑道式、地道式（一般为暗挖）、掘开式（相当于明挖单建）和防空地下室（即明挖附建）。坑道和地道的主要区别在于内外地面标高的关系，内部高于外部的称为坑道，低于外部的称为地道。

设计要求

主要有以下几点。

①选择工程地质和水文地质条件良好的地方。地下建筑的规划设计，必须以完整、准确的地质勘测资料为依据，充分利用有利的地质条件，避开不利因素。在土层中布置地下建筑，应选择具有一定承载力的、土质比较均匀的较厚土层，避开回填层、淤泥层、流砂等地段；在岩石中则应选择岩性均一、构造简单、石质坚硬的较厚岩层，避开断层、破碎带、地震带和不稳定的边坡等。在平原地区，应注意地下水位及其变化情况直接影响到地下建筑的埋置深度、构造措施和施工方法；在山区，应根据岩层裂隙水的水量和涌水位置，组织地下建筑的排水系统，并注意地表水的疏导和山洪的排泄。

②保证必要的防护能力。虽然地下建筑本身在不同程度上具有对各种武器的防护能力，但对于军用建筑和防空工程，还应按照规定的防护等级，对不同武器的各种效应，进行全面的防护设计，布置各种防护设施，使建筑结构和防护设施以及各种孔、口具有相应的防护能力，要重点保证建筑物出入口部位的安全。

③创造适宜的内部环境。地下空间的内部环境包括空气的温度、湿度、清洁度、噪声的强度、灯光的照度、室内色彩等方面。适宜的空气环境主要靠完善的通风设计来保证；隔声和吸声措施的适当使用，可以把噪声强度控制在允许范围内。建筑处理如内部空间组合的完整和变化，材料质感的统一和对比，室内色彩的丰富和谐调等，都有助于创造良好的内部环境，消除地下环境对人的不良的生理和心理影响。

④为结构设计和施工创造有利条件。地下建筑结构设计的主要特点是荷载大，因此在建筑设计中，从平面布置、柱网选择、层高确定等方面，都应为结构设计的经济、合理创造条件。地下建筑的施工比较复杂，在设计中应为简化施工、缩短工期和采用先进的施工技术创造有利条件，并尽可能减少施工期内对地面上正常活动如交通等的影响。

发展趋向

①类型不断增多和规模不断扩大。近年来，一些新的地下建筑类型陆续出现。例如，随着核能利用的增长，核废料的处理和贮存成为严重问题；在深部地层（几百米到千米以下）建造地下核废料库是解决这一问题的较理想途径，因而受到广泛的重视。又如，以节能为主要目的的地下建筑发展很快；同时，在地下贮存热能、冷能、机械能（水能、压缩空气）等方面的可行性探讨和试验正在进行。再如，为了改善城市环境，大规模的地下污水处理厂已在少数发达国家中兴建，在地下建造城市垃圾处理厂的方案也正在研究中。

②设计和建造技术不断提高。新的建筑类型往往提出更高的技术要求，促使新工艺的发展和建造技术的提高。例如，为了建造地下核废料库，就要解决深部岩层开挖后的地层压力问题和岩石在核废料高温作用下的应力变化问题；为了加快施工进度就要设计制造大型的挖掘机械；为了降低工程造价，就要采用新型结构、高效设备和高强材料等。

③开展多学科的研究工作。地下建筑的迅速发展，使越来越多的人以不同方式生活在地下环境中，因此在满足基本使用要求的基础上，对地下建筑不断提出更高的质量要求。从医学、生理学、心理学等学科的不同角度，多方面研究改善地下环境的途径和措施，包括一些比较复杂的问题。例如，地下环境中放射性元素的剂量及其影响问题，已开始进行研究。

④从个体向群体、从单一向综合发展。城市建设发展到一定阶段，个体的、分散的地下建筑已不能适应城市生活多方面的需要，必然逐步向群体和综合的方向发展。例如，地下铁道线路的增加形成地下高速交通网，在不同线路的换乘点上就比较容易形成一个包括换乘车站、停车场和商店等的地下综合体，进而可能扩大成为地下商业街或商业中心。又如，为了充分利用城市地下空间，应改变城市公用设施的自成系统和管线直埋的状况，使之向综合布置和采用多功能管线廊道的方向发展。为此，要求在统一的城市总体规划指导下，制订城市地下空间的综合开发利用规划，并同地面上的城市发展规划统一起来。

环境问题

发展简史

20世纪70年代中期，随着环境科学和环境保护工作的发展，地下建筑的环境问题逐步被引起重视。70年代后期，工业发达国家将地下空间视为资源，大力发展各类地下建筑工程。由于地下建筑本身的特点及其内部环境条件与地面的差异，一些环境因素严重地影响着地下建筑内部人员的舒适感、工作效率和身体健康，使地下建筑环境问题日益受到重视。

环境特性问题

与地面相比，地下建筑环境有如下一些特性：①封闭性；②恒温性；③人为因素的从属性；④围岩介质和围护结构材料等自然因素的侵蚀性等。

建造在岩土中的地下建筑物为一封闭体，既受到围岩介质的物理、化学和生物性因素的作用和影响，也受到建筑物的功能、材料、经济和技术等人为因素的制约。地下建筑物内部缺少阳光直接照射，光线暗淡。围岩和建筑材料可能放射出有害气体或射线，人们的生产和生活活动也会产生有毒物质、臭味和尘土，引起空气污染。室内潮湿，壁面温度低，负辐射大，空气中负离子含量少。蚊、蝇害虫及细菌、病毒繁殖快，生存期长。生产和生活活动会使环境噪声级增强，引起人们神经系统不舒适。

环境保护改造

主要措施有：

①加强通风换气。改善小气候和排出空气中的污染物。通风设计还要防止有害气体从室外侵入。

②围护结构表面加设防潮、保温和隔热材料，减少壁面对人体的负辐射及提高舒适感。

③合理的采光和照明。把天然光线和自然景色引入地下，增加照度和自然气氛；适当地提高地下照度标准，采用人工照明；增设一定数量的保健灯，利用紫外线杀菌、抗佝偻病，促进免疫，抵抗疾病。

④进行必要的装修装饰。从造型、色彩、质感和光源等方面综合设计，以满足视觉舒适和降低噪声。

⑤对机械设备采取减振和隔噪。

⑥坚持环境设计。把室内空间作为整体环境综合设计，除符合使用功能外，还应尽量满足人体的生理和心理要求。室内空间的分隔和造型艺术要力求创造一个较好的视觉环境。内部采用高明度、浅淡和明亮的后退色，可使房间有宽敞之感；在狭长的过道内，设计明亮色彩的侧墙，或用几种不同的色彩，可以打破单调、漫长和沉闷之感；室内空间尺度要布置合适，使其尽量通透；家具设备和门洞间的尺度要符合人体工程学的要求；各部件相互之间的比例要协调；光和色要经过科学和艺术处理。

⑦进行科学管理。对环境质量进行定期卫生调查和监测；对主要污染源进行控制和治理；秋、冬季节进行湿式扫除以减少尘埃；根据需要增设降湿机、吸尘器、空调机等机械设备；建立专人管理负责制等。总之，需要采取综合措施，才能经常保持良好的地下建筑环境。

处理与防治

原因分析

⑴ 设计因素：一般设计重视地下建筑墙板工程竖向结构的配筋和强度，忽略了横向的水平抗裂度配筋。因墙体结构截面中各质点受力是不均匀的，收缩应力、温差应力的合力达到了混凝土抗拉极限强度，引起了塑性变形而裂缝；

⑵ 选用的材料不当，如水泥的收缩大，石子的级配差，含泥量大；砂的粒径细；掺的外加剂质量低劣等。由于商品混凝土的强度等级高，水泥用量大，用水量大，水化热引起的温度较高，当环境气温大幅度下降，在温差的作用下，新浇混凝土的线膨胀系数！c=10×10-6/℃，在降温时收缩而引起的拉应力随之增大。混凝土墙体的表面积较大，干缩应力大于内部产生的约束力，形成干缩、收缩、温差的综合应力，大于混凝土的极限抗拉强度而产生裂缝；

⑶ 违章作业：一是夏季高温施工无降温措施：混凝土拌和物入模温度大于35℃，当夜晚气温下降时产生的内外温差大而容易产生裂缝；二是冬期低温施工时没有保温措施，即当商品混凝土入模后，水泥水化热大幅度上升而环境气温在0℃左右，则墙板的外侧在低温下的收缩，产生裂缝。三是浇筑方法不当，如采取泵送混凝土，不是分层浇筑，而是从一部分一次浇到顶，再移动铺料管再浇一段；混凝土拌合物的接头是竖向的，浇筑速度快，振捣不均匀，造成墙体混凝土不均质、各质点受力不均匀，便在应力处产生裂缝。四是钢筋安装不标准，如间距不均匀、水平钢筋没有调直、且接头绑扎松弛，或保护控制不严，造成混凝土浇筑时碰撞使钢筋歪斜、受力不匀，容易产生裂缝。特别是《地下工程防水技术规范》GB50108-2001对地下防水混凝土结构的迎水面钢筋保护层厚度作出不小于50mm的强制性规定实施以来，超长地下室混凝土结构裂缝问题的产生更加突出。

处理防治措施

⑴ 地下建筑墙体的竖向裂缝：主要是混凝土的收缩、干缩、冷缩等综合应力作用下产生的裂缝，一般不影响承载能力，可用化学灌浆法处理。处理的目的是封闭缝隙，防止渗漏水，使裂缝黏合恢复墙体的原有功能，并防止钢筋因裂缝破坏钝化膜而锈蚀的作用；

⑵ 在地下建筑的外侧（即迎水面），全面检查灌缝质量，待浆液固化后，铲除墙表面的疙瘩，往裂缝处再贴高分子防水卷材，宽度为250mm左右。先沿裂缝打磨平整、干净，刷基层处理剂，选用与卷材相配套的合格黏结剂，将卷材粘贴牢固；

⑶ 认真做好地下建筑外围的回填土，是地下建筑防水的第一道防线；

⑷ 建议设计单位对地下建筑的墙板宜增配能承受因水泥水化热引起的温差应力，收缩应力，控制裂缝的水平钢筋、直径不小于Ф12、间距不大于150mm，接头宜采用焊接，并用冷拉调直，安装后保持平直，间距和保护层位置应准确。增设钢筋混凝土圈梁和暗柱，增强墙体抗裂度的作用，超长建筑采用“后浇缝”或在混凝土中掺UEA膨胀剂的方法，是有效地减少构件裂缝开展的措施。利用混凝土60d的后期强度，可减少混凝土的水泥用量；

⑸ 控制原材料的质量、适时掌握施工环境的变化，严格按施工规范施工；

⑹ 采用薄层连续浇灌的方法，确保混凝土密实度均匀性，采取蓄热保温的养护方法，以减少构件的内外温差，严格控制降温速度为1.5℃/d，为混凝土创造应力松弛条件，是防止混凝土构件收缩裂缝的主要措施之一；

⑺ 夏季高温施工要有降温措施，控制混凝土入模温度不得大于28℃；施工现场要有遮阳措施，以降低施工温度；

全国各地天气预报查询

上海市

云南省

云南省

云南省