河北大学建筑工程学院河北保定071002
摘要：随着科技的发展，当今各类地下建筑工程种类及适用范围十分广泛，人们也有足够的技术对地下进行更大范围的开发和利用。本文会对地下工程的相关技术和应用进行分析与探讨。
关键词：地下工程；空间利用；设计方法；建筑施工
地下工程的应用日益广泛。当今世界资源短缺，出于对环境的保护和对空间的充分利用，人们逐渐将地上的开发转入地下。随着人口的增长，人类居住、交通与环境的矛盾日益突出，所谓的生存空间危机日趋严峻，这也加快了人们对地下工程的探索和研究。
城市地下工程与我们生活联系最为紧密，地铁在极大程度上缓解了城市的交通压力，地下停车场和购物中心减少了地上空间的使用，扩大了城市的空间容量，提高了人们的生活质量。城市地下工程促进了土地的高效利用，改善了城市环境，起到美化城市景观的作用。而且地下建筑可以有效吸收噪音并能够保持较为稳定的空间温度，可创造某些要求很高的生产环境和储存环境。地下建筑在一定厚度的岩层或土层的覆盖下，能够有效地抵抗飓风等自然或撞击等人为灾害。但地下建筑同时存在一定的局限性，如采光通风问题，建筑造价较高，施工较为复杂等。
自1863伦敦建成世界第一条地铁以来，国外地下空间的发展已形成了各自的体系。了解国外地下空间的特色和经验对我们具有重要的参考意义。欧洲是第一个开发利用地下空间的国家，他们在此领域一直处于世界前列，他们对城市环境、自然景观、历史景观的保护的重视值得我们学习。特点是规模大、内容多，水平、垂直方向上的布置也较为复杂。北美形成了巨大的城市地下网络，以此克服恶劣的气候，创造出舒适的生活环境、节约能源。除了地下街、地铁、道路隧道外，还有半地下式大学，地下储藏设施和地下防核设施。亚洲地下空间利用最成熟的当属日本，它是比较典型的缓解城市用地紧张的代表。
地下工程为人类提供了许多便利，但也有很多问题亟待解决。地下工程中存在的不确定性，从工程受力特点来看同地上工程是截然不同的，地上工程先有结构，后有荷载，而地下工程与之相反；工程材料存在不确定性，地上工程所用材料多为人工材料，如钢材、砌块材料。这些材料虽然在力学与变形性质方面存在变异性，但是与岩土材料相比，不仅变异性小得多，且可加以控制和改变。地下工程所涉及的材料，除支护材料性质可以控制外，其工程围岩均属于难以预测和控制的地质体。地质体是经历了漫长地质运动的产物，它不仅包含了大量的断层、节理、夹层等不连续的构造，而且还存在较严重的不稳定性；工程荷载的不确定性。地上工程所承受的荷载较为明显，虽一些荷载也存在随机性和不确定性，但其荷载值和变异性与地下建筑比较相对要小得多。地下工程中围岩的地质体不仅会对支护结构形成荷载，同时它也是一个承载体。因此不仅作用到支护结构上的荷载难以计算，而且这种荷载又随着支护类型，支护时间与施工工艺变化而有所不同；破坏形式的不确定性。工程数据分析与计算的主要作用在于为工程设计提供可参考的依据，而地下则提供结构破坏或失稳的安全指标，这种指标是建立在结构的破坏模式基础之上的，对于地上工程，其破坏模式是比较容易的，我们在结构力学和土力学中已经了解。例如强度破坏、变形破坏、失稳破坏等。而对于地下结构其破坏模式一般较难确定，这不仅取决于岩土体结构，地应力环境、地下水条件，而且与支撑类型，支护时间与施工工艺密切相关。
这些不确定性因素的存在，使地下工程为存在高风险性的工程。地下工程的设计长期以来主要考虑地层弹性抗力的方法，锚喷方法的应用出现后，仍然以结构力学为原理处理锚喷的结构。国际隧道协会结构模型研究人员在上世纪80年代曾对盾构开挖的软土隧道，锚喷钢拱支护软岩隧道，中硬岩石深埋隧道和明挖施工的框架结构计4种类型的隧道，收集了11个国家所采用的结构计算模型，归纳为工程类比法即经验法，收敛——约束法，作用——反作用模型和连续介质模型4种。经过20多年的地下工程实践表明，这4种类型仍然是可以采用的设计方法。
地下工程同时需要一定的施工技术。隧道施工技术，主要为解决隧道工程中各种施工方法所需的技术方案和技术措施，特殊地质、不良地质地段的施工手段，隧道工程施工过程中的爆破、衬砌、支护、通风、防尘、防瓦斯、防有害气体，及照明、水、风和电的作业方式及操作技术标准和要求，围岩变化的测量监控方法等等。施工技术能确保所选择的施工方法有效实施，随机性强，这就要求技术施工人员有很强的应变能力。
地下工程施工最重要的是合理选择施工方法。在我国隧道工程的施工实践中，积累了丰富的施工理论和经验，逐渐形成了具有中国特色的隧道施工方法体系。目前常采用的是矿山法，矿山法也是爆破施工方法。也有无爆破的施工方法，即掘进机施工方法。如西康线秦岭隧道，我国第一次引进掘进机施工方法进行施工的西安到合肥的西合线上的桃花铺隧道。选择隧道工程施工方法的原则是:除了考虑隧道工程的地质条件外，还要强调施工方法必须符合快速、安全、质量及环境的要求。而且环境因素有时成为选择施工方法的决定性因素。如在地质条件适合的条件下选用大型的掘进机施工方法，这种方法机械化、自动化程度高，它可满足快速、安全、质量的要求，但是在洞口现场平面狭窄，无法组拼大型掘进机的环境下，限制了大型掘进机的施工方法，这时环境决定了施工方法的选择。
随着我国经济、科学技术水平发展，城市化水平的提高及城市可持续发展战略的贯彻，开发利用城市地下空间表现出巨大效益和潜力，我国城市地下空间开发利用必将向现代化、国际化、科学化的方向发展。建立在城市可持续发展与城市三维立体发展的战略思路上，将地下空间作为城市三维发展的一个维度，地下空间规划与设计理论将会逐步充实完善，其将指导城市科学地向地下延伸。我国目前地下空间开发的土木技术已接近或处于世界先进水平，但涉及到一些关键辅助设备等技术，如计算机与电气控制技术、自动化技术等等，与世界先进水平还有大的差距，这会影响地下空间开发的规模与成本，随着对引进技术的消化吸收和研制开发的深一步投入，这些差距将会逐渐缩小。地下工程的环境要求与环境控制也将被更加重视，相应技术工艺日益成熟。
参考文献：
[1]高谦等地下工程系统分析与设计[m]北京中国建材工业出版社2005.
[2]李宏婕城市地下空间的开发和利用[j]城市2004（6）
[3]毕忠伟地下工程可靠性的研究进展与趋势矿业研究与开发2004.24
[4]刘志刚，赵勇.隧道隧洞施工地质技术[M].北京:中国铁道出社2000.
[5]关宝树.隧道工程设计要点集[M].北京：北京人民交通出版社2003.
[6]祝和权，李海燕.铁路隧道防水技术的现状及趋势.铁道建筑-2003年10期
[7]夏明耀，曾进伦.地下工程设计施工手册.北京.中国建筑工业出版社,1999.12
[8]曹文贵，翟友成，张永杰.新奥法隧道施工风险非线性模糊评判方法[J].土木工程学报，2010，(43)7：105-112