地下建築 underground structure 建造在岩層或土層中的建築。它是現代城市高速發展的產物，起緩和城市矛盾，改善生活環境的作用，也為人類開拓了新的生活領域。
基本介紹
- 中文名：地下建築
- 外文名： underground structure
- 解釋：建造在岩層或土層中的建築
- 學科：地質學
- 作用：緩和城市矛盾，改善生活環境
介紹,簡史,類型,設計要求,發展趨向,環境問題,發展簡史,環境特性問題,環境保護改造,處理與防治,原因分析,處理防治措施,
介紹
由於地下建築的大規模發展，地下建築學正在形成，它的研究內容包括地下建築發展歷史和發展方向，地下空間的開發和利用，城市地下空間的綜合規劃，各類地下建築的規劃設計，以及與地下建築有關的環境、生理、心理和技術等問題。 地下建築具有良好的防護性能，較好的熱穩定性和密閉性（見地下建築傳熱），以及綜合的經濟、社會和環境效益。地下建築處在一定厚度的岩層或土層中，可免遭或減少核武器、常規武器、化學武器和生物武器的破壞，同時也能較有效地抵禦地震、颶風等自然災害。地下建築的密閉環境和周圍存在著的比較穩定的溫度場，對於創造恆溫或超淨的生產環境和在低溫或高溫狀態下貯存物資，防止污染，特別是對於節約能源，都是有利的。在城市中有計畫地建造地下建築，對節省城市用地，降低建築密度，改善城市交通，擴大綠地面積，減輕城市污染，提高城市生活質量等方面，都可以起到重要的作用。地下建築也有缺點，如建築成本高，施工複雜等。
地下建築
地下建築簡史
遠古時期，人類就開始利用天然洞穴防寒暑、避風雨和躲避野獸。在中國周口店發現，50多萬年前，北京猿人就居住在天然岩洞中。據仰韶文化和龍山文化遺址的考古發現，證明在距今7000～5000年前開始出現人工挖掘的居住洞穴，從簡單的袋形豎穴到圓形或方形的半地穴，上面有簡單屋頂。後來，開始在地面上建造住房，穴居逐漸不再是人類的主要居住方式。但古代陵墓仍然按照地上建築方式在地下營建。有些糧倉也建在地下，如隋代洛陽的含嘉倉。中國西北、華北的黃土高原地區，由於黃土地層便於挖掘和氣候乾燥，穴居的傳統一直延續至今。估計中國目前仍有3500萬以上的人口居住在窯洞中（見生土建築）。
產業革命以後，由於礦業和交通事業的發展，礦井、巷道、公路隧道、鐵路隧道等相繼建成。1863年英國倫敦建成世界上第一條城市地下鐵道。第二次世界大戰期間，地下建築在防護上的優越性受到重視，一些參戰國把重要的軍事設施和軍火工廠、倉庫等建在地下，並為居民修建防空洞。50年代末期以來，由於經濟的發展和科學技術的進步，城市人口的迅速增加，環境污染日益嚴重，能源危機以及戰爭危險的存在等因素的影響，地下建築在日本、美國、瑞典、聯邦德國、法國、瑞士、挪威、加拿大、中國、蘇聯等許多國家，有了高速度和大規模的發展。由於地理構成、社會發展、經濟發達程度和戰略指導思想的差異，各國發展地下建築的出發點和所要解決的矛盾不盡相同。目前，世界上已有80多個城市修建了地下鐵道，還有許多城市正在興建。中國、蘇聯、瑞士、瑞典、芬蘭等國從戰備要求出發，建造了大量地下防空工程，有一部分在平時可作各類公共建築使用。日本、聯邦德國、法國等，國土較小，大城市人口高度集中，城市各種矛盾突出，因而大量修建地下高速交通網和地下街、地下商業中心。美國從70年代中期開始，致力於把地下建築作為節約能源的措施，發展出一種半地下覆土建築，除留出必要的朝陽面外，房屋的其他部分都用一定厚度的土掩埋或覆蓋，並結合太陽能的利用，取得節能50%以上的效果（見太陽能建築）。一些能源缺乏的國家，利用地下建築大量貯存能源作為戰略儲備，例如瑞典、芬蘭等國建造的地下水封油（或氣）庫的規模都很大，單庫容量已超過100萬立方米。瑞典、挪威、義大利等國水力資源比較豐富，許多水電站建在地下，以增加水的落差。加拿大氣候寒冷，因此在大城市發展地下商業中心，蒙特婁市的幾個地下商業中心已經連成一片，建築面積達81萬平方米，形成了地下城。此外，工業已開發國家還注意發揮地下建築在保護城市傳統風貌、改善城市環境、擴大城市空間等方面所起的積極作用。例如，日本名古屋市結合城市幹道的改建，在地下布置了商業街和停車場，地面除留出必要的行人、行車道外，在中心部分建成一座大型街心公園。其他如東京、大阪等處也設有地下商業街（圖1）。又如美國一些大學為了保存歷史性建築物的統一風格和緩解用地緊張，建造了一些地下建築，如圖書館、體育館、教學館（圖2）等，取得良好的效果。這些事實反映了地下建築的套用範圍日益廣泛。
地下建築
地下建築類型
地下建築按功能分類，有軍用建築（如射擊工事、觀察工事、掩蔽工事等）、民用建築（包括居住建築、公共建築）、各種民用防空工程、工業建築、交通和通信建築、倉庫建築，以及各種地下公用設施（如地下自來水廠、固體或液體廢物處理廠、管線廊道等）。兼具幾種功能的大型地下建築稱為地下綜合體。地下建築按施工方法分類，有明挖和暗挖兩類。明挖施工後完全回填，上面不建任何建築物的，稱為單建式地下建築；上面再建其他建築物的，稱為附建式地下建築。明挖施工後部分回填、覆土或堆土的，稱為覆土建築或堆土建築。暗挖的地下建築，通常是在較深的岩層或土層中挖掘成所需要的空間，頂部以上保留一定厚度的自然覆蓋層。此外，在中國還有一種習慣的分類方法，把地下建築分為坑道式、地道式（一般為暗挖）、掘開式（相當於明挖單建）和防空地下室（即明挖附建）。坑道和地道的主要區別在於內外地面標高的關係，內部高於外部的稱為坑道，低於外部的稱為地道。
設計要求
主要有以下幾點。
①選擇工程地質和水文地質條件良好的地方。地下建築的規劃設計，必須以完整、準確的地質勘測資料為依據，充分利用有利的地質條件，避開不利因素。在土層中布置地下建築，應選擇具有一定承載力的、土質比較均勻的較厚土層，避開回填層、淤泥層、流砂等地段；在岩石中則應選擇岩性均一、構造簡單、石質堅硬的較厚岩層，避開斷層、破碎帶、地震帶和不穩定的邊坡等。在平原地區，應注意地下水位及其變化情況直接影響到地下建築的埋置深度、構造措施和施工方法；在山區，應根據岩層裂隙水的水量和湧水位置，組織地下建築的排水系統，並注意地表水的疏導和山洪的排泄。
②保證必要的防護能力。雖然地下建築本身在不同程度上具有對各種武器的防護能力，但對於軍用建築和防空工程，還應按照規定的防護等級，對不同武器的各種效應，進行全面的防護設計，布置各種防護設施，使建築結構和防護設施以及各種孔、口具有相應的防護能力，要重點保證建築物出入口部位的安全。
③創造適宜的內部環境。地下空間的內部環境包括空氣的溫度、濕度、清潔度、噪聲的強度、燈光的照度、室內色彩等方面。適宜的空氣環境主要靠完善的通風設計來保證；隔聲和吸聲措施的適當使用，可以把噪聲強度控制在允許範圍內。建築處理如內部空間組合的完整和變化，材料質感的統一和對比，室內色彩的豐富和諧調等，都有助於創造良好的內部環境，消除地下環境對人的不良的生理和心理影響。
④為結構設計和施工創造有利條件。地下建築結構設計的主要特點是荷載大，因此在建築設計中，從平面布置、柱網選擇、層高確定等方面，都應為結構設計的經濟、合理創造條件。地下建築的施工比較複雜，在設計中應為簡化施工、縮短工期和採用先進的施工技術創造有利條件，並儘可能減少施工期內對地面上正常活動如交通等的影響。
發展趨向
①類型不斷增多和規模不斷擴大。近年來，一些新的地下建築類型陸續出現。例如，隨著核能利用的增長，核廢料的處理和貯存成為嚴重問題；在深部地層（幾百米到千米以下）建造地下核廢料庫是解決這一問題的較理想途徑，因而受到廣泛的重視。又如，以節能為主要目的的地下建築發展很快；同時，在地下貯存熱能、冷能、機械能（水能、壓縮空氣）等方面的可行性探討和試驗正在進行。再如，為了改善城市環境，大規模的地下污水處理廠已在少數已開發國家中興建，在地下建造城市垃圾處理廠的方案也正在研究中。
②設計和建造技術不斷提高。新的建築類型往往提出更高的技術要求，促使新工藝的發展和建造技術的提高。例如，為了建造地下核廢料庫，就要解決深部岩層開挖後的地層壓力問題和岩石在核廢料高溫作用下的應力變化問題；為了加快施工進度就要設計製造大型的挖掘機械；為了降低工程造價，就要採用新型結構、高效設備和高強材料等。
③開展多學科的研究工作。地下建築的迅速發展，使越來越多的人以不同方式生活在地下環境中，因此在滿足基本使用要求的基礎上，對地下建築不斷提出更高的質量要求。從醫學、生理學、心理學等學科的不同角度，多方面研究改善地下環境的途徑和措施，包括一些比較複雜的問題。例如，地下環境中放射性元素的劑量及其影響問題，已開始進行研究。
④從個體向群體、從單一向綜合發展。城市建設發展到一定階段，個體的、分散的地下建築已不能適應城市生活多方面的需要，必然逐步向群體和綜合的方向發展。例如，地下鐵道線路的增加形成地下高速交通網，在不同線路的換乘點上就比較容易形成一個包括換乘車站、停車場和商店等的地下綜合體，進而可能擴大成為地下商業街或商業中心。又如，為了充分利用城市地下空間，應改變城市公用設施的自成系統和管線直埋的狀況，使之向綜合布置和採用多功能管線廊道的方向發展。為此，要求在統一的城市總體規劃指導下，制訂城市地下空間的綜合開發利用規劃，並同地面上的城市發展規劃統一起來。
環境問題
發展簡史
20世紀70年代中期，隨著環境科學和環境保護工作的發展，地下建築的環境問題逐步被引起重視。70年代後期，工業已開發國家將地下空間視為資源，大力發展各類地下建築工程。由於地下建築本身的特點及其內部環境條件與地面的差異，一些環境因素嚴重地影響著地下建築內部人員的舒適感、工作效率和身體健康，使地下建築環境問題日益受到重視。
環境特性問題
建造在岩土中的地下建築物為一封閉體，既受到圍岩介質的物理、化學和生物性因素的作用和影響，也受到建築物的功能、材料、經濟和技術等人為因素的制約。地下建築物內部缺少陽光直接照射，光線暗淡。圍岩和建築材料可能放射出有害氣體或射線，人們的生產和生活活動也會產生有毒物質、臭味和塵土，引起空氣污染。室內潮濕，壁面溫度低，負輻射大，空氣中負離子含量少。蚊、蠅害蟲及細菌、病毒繁殖快，生存期長。生產和生活活動會使環境噪聲級增強，引起人們神經系統不舒適。
環境保護改造
主要措施有：
①加強通風換氣。改善小氣候和排出空氣中的污染物。通風設計還要防止有害氣體從室外侵入。
③合理的採光和照明。把天然光線和自然景色引入地下，增加照度和自然氣氛；適當地提高地下照度標準，採用人工照明；增設一定數量的保健燈，利用紫外線殺菌、抗佝僂病，促進免疫，抵抗疾病。
④進行必要的裝修裝飾。從造型、色彩、質感和光源等方面綜合設計，以滿足視覺舒適和降低噪聲。
⑤對機械設備採取減振和隔噪。
⑥堅持環境設計。把室內空間作為整體環境綜合設計，除符合使用功能外，還應儘量滿足人體的生理和心理要求。室內空間的分隔和造型藝術要力求創造一個較好的視覺環境。內部採用高明度、淺淡和明亮的後退色，可使房間有寬敞之感；在狹長的過道內，設計明亮色彩的側牆，或用幾種不同的色彩，可以打破單調、漫長和沉悶之感；室內空間尺度要布置合適，使其儘量通透；家具設備和門洞間的尺度要符合人體工程學的要求；各部件相互之間的比例要協調；光和色要經過科學和藝術處理。
⑦進行科學管理。對環境質量進行定期衛生調查和監測；對主要污染源進行控制和治理；秋、冬季節進行濕式掃除以減少塵埃；根據需要增設降濕機、吸塵器、空調機等機械設備；建立專人管理負責制等。總之，需要採取綜合措施，才能經常保持良好的地下建築環境。
處理與防治
原因分析
⑴ 設計因素：一般設計重視地下建築牆板工程豎向結構的配筋和強度，忽略了橫向的水平抗裂度配筋。因牆體結構截面中各質點受力是不均勻的，收縮應力、溫差應力的合力達到了混凝土抗拉極限強度，引起了塑性變形而裂縫；
⑵ 選用的材料不當，如水泥的收縮大，石子的級配差，含泥量大；砂的粒徑細；摻的外加劑質量低劣等。由於商品混凝土的強度等級高，水泥用量大，用水量大，水化熱引起的溫度較高，當環境氣溫大幅度下降，在溫差的作用下，新澆混凝土的線膨脹係數！c=10×10-6/℃，在降溫時收縮而引起的拉應力隨之增大。混凝土牆體的表面積較大，乾縮應力大於內部產生的約束力，形成乾縮、收縮、溫差的綜合應力，大於混凝土的極限抗拉強度而產生裂縫；
⑶ 違章作業：一是夏季高溫施工無降溫措施：混凝土拌和物入模溫度大於35℃，當夜晚氣溫下降時產生的內外溫差大而容易產生裂縫；二是冬期低溫施工時沒有保溫措施，即當商品混凝土入模後，水泥水化熱大幅度上升而環境氣溫在0℃左右，則牆板的外側在低溫下的收縮，產生裂縫。三是澆築方法不當，如採取泵送混凝土，不是分層澆築，而是從一部分一次澆到頂，再移動鋪料管再澆一段；混凝土拌合物的接頭是豎向的，澆築速度快，振搗不均勻，造成牆體混凝土不均質、各質點受力不均勻，便在應力處產生裂縫。四是鋼筋安裝不標準，如間距不均勻、水平鋼筋沒有調直、且接頭綁紮鬆弛，或保護控制不嚴，造成混凝土澆築時碰撞使鋼筋歪斜、受力不勻，容易產生裂縫。特別是《地下工程防水技術規範》GB50108-2001對地下防水混凝土結構的迎水面鋼筋保護層厚度作出不小於50mm的強制性規定實施以來，超長地下室混凝土結構裂縫問題的產生更加突出。
處理防治措施
⑴ 地下建築牆體的豎向裂縫：主要是混凝土的收縮、乾縮、冷縮等綜合應力作用下產生的裂縫，一般不影響承載能力，可用化學灌漿法處理。處理的目的是封閉縫隙，防止滲漏水，使裂縫黏合恢復牆體的原有功能，並防止鋼筋因裂縫破壞鈍化膜而鏽蝕的作用；
⑵ 在地下建築的外側（即迎水面），全面檢查灌縫質量，待漿液固化後，剷除牆表面的疙瘩，往裂縫處再貼高分子防水卷材，寬度為250mm左右。先沿裂縫打磨平整、乾淨，刷基層處理劑，選用與卷材相配套的合格黏結劑，將卷材貼上牢固；
⑶ 認真做好地下建築外圍的回填土，是地下建築防水的第一道防線；
⑷ 建議設計單位對地下建築的牆板宜增配能承受因水泥水化熱引起的溫差應力，收縮應力，控制裂縫的水平鋼筋、直徑不小於Ф12、間距不大於150mm，接頭宜採用焊接，並用冷拉調直，安裝後保持平直，間距和保護層位置應準確。增設鋼筋混凝土圈樑和暗柱，增強牆體抗裂度的作用，超長建築採用“後澆縫”或在混凝土中摻UEA膨脹劑的方法，是有效地減少構件裂縫開展的措施。利用混凝土60d的後期強度，可減少混凝土的水泥用量；
⑸ 控制原材料的質量、適時掌握施工環境的變化，嚴格按施工規範施工；
⑹ 採用薄層連續澆灌的方法，確保混凝土密實度均勻性，採取蓄熱保溫的養護方法，以減少構件的內外溫差，嚴格控制降溫速度為1.5℃/d，為混凝土創造應力鬆弛條件，是防止混凝土構件收縮裂縫的主要措施之一；
⑺ 夏季高溫施工要有降溫措施，控制混凝土入模溫度不得大於28℃；施工現場要有遮陽措施，以降低施工溫度；
