地下空間資源的屬性特征

鄭桂森 ,王繼明,何 靜,蔡向民,王躍進(jìn),劉 予

（1．北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局,北京 100195；2．北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京 100195）

地下空間資源的屬性特征

鄭桂森 ,王繼明1,何 靜2,蔡向民2,王躍進(jìn)1,劉 予2

（1．北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局,北京 100195；2．北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京 100195）

地下空間資源作為一種賦存于地質(zhì)體內(nèi)且受地質(zhì)條件控制的資源，首先具有天然的自然屬性；其次其開發(fā)利用受經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平限制；并且其利用領(lǐng)域廣泛，適用性與實(shí)用性強(qiáng)。正確認(rèn)識(shí)地下空間的資源屬性，對(duì)科學(xué)開發(fā)利用具有極其重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

地下空間資源；自然屬性；經(jīng)濟(jì)技術(shù)屬性

0 地下空間資源應(yīng)用現(xiàn)狀

“資源”是指一國(guó)或一定地區(qū)內(nèi)擁有的物力、財(cái)力、人力等各種物質(zhì)要素的總稱（彭定新，2014）。從性質(zhì)上分，資源可以分為自然資源和社會(huì)資源（張文賢等，2006）。

“新資源觀”是在知識(shí)經(jīng)濟(jì)條件下解決資源問(wèn)題的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)（毛彧等，2011）。地下空間資源利用認(rèn)知方面，也是遵循“新資源觀”的，要考慮地下空間資源利用的層次問(wèn)題，也要考慮不同地區(qū)的不同地質(zhì)條件以及綜合利用問(wèn)題。

地下空間資源是國(guó)土資源的重要組成部分，本質(zhì)上屬于自然資源，也是稀缺資源。城市地下空間是指城市規(guī)劃區(qū)以內(nèi)、地表以下，以土體或巖體為主要介質(zhì)的空間領(lǐng)域，其中能為人類所利用的部分稱為地下空間資源。將地下空間作為一種資源早己是學(xué)術(shù)界的共識(shí)，1982年聯(lián)合國(guó)自然資源委員會(huì)正式將地下空間列為“潛在而豐富的自然資源”。

（1）國(guó)外開發(fā)利用現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)地下空間資源的利用已經(jīng)歷經(jīng)一個(gè)半世紀(jì)的發(fā)展，開發(fā)類型從簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)空間、大型建筑物向地下的自然延伸逐步發(fā)展到復(fù)雜的地下綜合體（李國(guó)梁，2011）。

日本至少在26個(gè)城市中建造地下街146處（劉勇等，2014），平均建筑面積約30000m2（任彧等，2017）；共同溝（綜合管廊在日本被稱為共同溝）興建數(shù)量也位居世界前列。1981年末總長(zhǎng)156.6km，至21世紀(jì)已達(dá)526km（胡守忠，2013）。在地下高速道路、停車場(chǎng)、共同溝排洪與蓄水的地下河川、地下熱電站、蓄水的融雪槽和防災(zāi)設(shè)施等市政設(shè)施方面，充分發(fā)揮了地下空間的作用。

美國(guó)紐約市地鐵是世界上最悠久的地下鐵路系統(tǒng)之一，也是全球最龐大的城市軌道交通系統(tǒng)，車站量最多，共計(jì)472個(gè)。用以營(yíng)運(yùn)的軌道長(zhǎng)度約1070km，總鋪軌長(zhǎng)度達(dá)1370km(Wikipedia)。美國(guó)地下建筑單體設(shè)計(jì)在學(xué)校、圖書館、辦公、實(shí)驗(yàn)中心、工業(yè)建筑中成效顯著，地下空間利用形成為綜合性系統(tǒng)。紐約市的大型供水系統(tǒng)，完全布置在地下巖層中，除一條長(zhǎng)22km，直徑7.5m的輸水隧道外，還有幾組控制和分配用的大型地下洞室，每一級(jí)都是一項(xiàng)空間布置上復(fù)雜的大型巖石工程（劉勇等，2014）。在能源供應(yīng)方面，美國(guó)已于1984年建成世界上第一個(gè)10MW功率的地下熱干巖石發(fā)電站。美國(guó)還提出了在地下空間實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)磁直接儲(chǔ)存電能的方案，在消除垃圾污染及其收集和處理問(wèn)題上，美國(guó)近年來(lái)推廣在高層建筑的地下室設(shè)置垃圾分類收集系統(tǒng)(宋福春等，2014）。現(xiàn)今美國(guó)對(duì)地下空間的研究主要集中在可持續(xù)發(fā)展與抗災(zāi)性方面，前者主要體現(xiàn)在某一地下空間開發(fā)項(xiàng)目對(duì)后續(xù)開發(fā)的影響；而可抗災(zāi)性則反映結(jié)構(gòu)對(duì)各種災(zāi)難的響應(yīng)和恢復(fù)能力。近年來(lái)，經(jīng)過(guò)幾次較大的颶風(fēng)及地震災(zāi)難后，可抗災(zāi)性越來(lái)越被重視（Raymond et al，2017）

國(guó)外在開發(fā)地下空間的同時(shí)，重視相關(guān)的立法工作。例如日本制定了《大深度地下公共使用特別措施法》。此外還有單項(xiàng)立法，主要包括：1921年《軌道法》、1952年《道路法》、1954年《煤氣事業(yè)法》、1957年《上水道法》、1958年《下水道法》、1964年《河川法》、1959年《工業(yè)用水事業(yè)法》、1964年《電氣事業(yè)法》、1980《鐵道事業(yè)法》、 1984年《電氣通信事業(yè)法》、等對(duì)相關(guān)事業(yè)涉及地下空間開發(fā)利用內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定。此外1951年《土地征用法》、1963年《共同溝法》、1968年《都市計(jì)劃法》等法律對(duì)土地征用、共同溝及地下空間規(guī)劃進(jìn)行了規(guī)定。

（2）國(guó)內(nèi)地下空間開發(fā)利用現(xiàn)狀

目前，北京、天津、上海、廣州、武漢等31個(gè)城市已開通地鐵，濟(jì)南、蕪湖、蘭州等多個(gè)城市在建或擬建地鐵，極大地緩解了城市交通擁擠的問(wèn)題。

隨著城市化進(jìn)程的加速，城市用地矛盾日益尖銳，一些大城市開始對(duì)一些用地矛盾集中的地區(qū)實(shí)行綜合開發(fā)和改造，其中包括城市地下空間的開發(fā)和利用。如長(zhǎng)春、哈爾濱等城市地下街的建設(shè)；沈陽(yáng)新客站地區(qū)的開發(fā)；上海人民廣場(chǎng)的地下商城；鞍山、西安、石家莊、鄭州等城市的站前廣場(chǎng)的再開發(fā)以及蘭州中心廣場(chǎng)的再開發(fā)規(guī)劃，在這些再開發(fā)工程中地下空間的開發(fā)利用都占有相當(dāng)大的比例。這一時(shí)期有的城市將部分人防工程改建為地下商城，哈爾濱的數(shù)條地下街已連成一片；位于大連市站前廣場(chǎng)的我國(guó)最大的城市地下綜合體——“不夜城”建筑面積為14.7萬(wàn)m2，是以商業(yè)、娛樂、停車等功能為主的地下綜合體；廣州綜合性地下空間已建和待建項(xiàng)目總計(jì)超過(guò)200萬(wàn)m2，據(jù)《廣州市城市總體規(guī)劃（2011—2020）》顯示，到2020年，廣州的地下商業(yè)空間面積將達(dá)800萬(wàn)m2；據(jù)上海地調(diào)院數(shù)據(jù)，上海市已建成地下場(chǎng)室約3.3萬(wàn)個(gè)，地面建筑物樁基2.5萬(wàn)套，高架道路承臺(tái)樁基約1.66萬(wàn)套，12條軌道交通線路；北京地下空間資源開發(fā)已進(jìn)入快速發(fā)展期，以地下軌道交通為例，根據(jù)北京地鐵規(guī)劃（2006），到2020年將建成22條700km的地鐵線網(wǎng)，而最新資料表明，該規(guī)劃已經(jīng)調(diào)整為到2020年地鐵運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到1000km。

1 地下空間資源

地下空間資源的開發(fā)利用不僅受到人為因素的影響，更因?yàn)槠渥匀粚傩远艿降刭|(zhì)環(huán)境的影響。由于地下空間資源的開發(fā)是建立在一定的地質(zhì)體中，其開發(fā)的安全、成本及可利用規(guī)模必然受到地質(zhì)環(huán)境的影響；同時(shí)，在這一開發(fā)利用的過(guò)程中，也使得城市地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題日益顯現(xiàn)，出現(xiàn)了地面開裂、地面塌陷、周邊建（構(gòu)）筑物的影響與破壞以及擠土效應(yīng)（地面房屋開裂）等問(wèn)題。因此，正確認(rèn)識(shí)地下空間資源屬性特征，對(duì)科學(xué)規(guī)劃利用地下空間、保證地質(zhì)環(huán)境安全具有至關(guān)重要的意義。

對(duì)于地下空間資源的定義存在不同的表述，有強(qiáng)調(diào)其自然屬性的，也有按利用目的進(jìn)行分類的。從研究地下空間資源與地質(zhì)環(huán)境相互關(guān)系的角度，地下空間資源定義為：在城市地表以下一定深度范圍內(nèi)，在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)條件、技術(shù)條件下，能開發(fā)利用的土層或巖層中天然形成或經(jīng)人工開發(fā)而成的空間，以及空間中蘊(yùn)藏的各類地質(zhì)資源。

地下空間資源是土地資源不可分割的部分，是土地資源向地下的延伸，與地表土地共同構(gòu)成土地資源的三維立體結(jié)構(gòu)。地下空間資源的利用程度是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求而逐漸提高的。

從全國(guó)角度看，我國(guó)的城市化進(jìn)入了快速發(fā)展階段。各個(gè)城市群的發(fā)展與土地利用紅線之間的矛盾日益尖銳，因此地下空間資源成為在城市發(fā)展過(guò)程中日益受到重視。

北京作為一個(gè)國(guó)際化大都市，城市規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)空間需求急劇擴(kuò)張與土地資源稀缺的矛盾日益尖銳，人口、能源、環(huán)境和交通等問(wèn)題日趨顯現(xiàn)，面臨著如何保持人與環(huán)境協(xié)調(diào)與可持續(xù)發(fā)展的大問(wèn)題。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)表明，合理而有效地開發(fā)利用城市地下空間資源，能夠緩解城市用地緊張，滿足日益增長(zhǎng)的城市人口對(duì)環(huán)境和交通設(shè)施的要求，實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展，是建設(shè)節(jié)約型城市的重要組成部分。本文主要探討地下空間的資源屬性，為調(diào)查和評(píng)價(jià)其數(shù)量、質(zhì)量奠定理論基礎(chǔ)。

2 地下空間的資源屬性

2.1 地下空間資源的有限性

通常所說(shuō)的地下空間資源的開發(fā)利用往往是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在城市建成區(qū)或城市規(guī)劃區(qū)開展的，因此其資源屬性的有限性是顯見的：其一是數(shù)量有限，地下空間的開發(fā)平面上受城市布局限制；縱向上受利用目的和開發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平限制而非無(wú)限下延，還受到經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件限制。其二是質(zhì)量有限，既受地表以下巖土體的性能限制，又受到周邊地質(zhì)環(huán)境的影響。因此，地下空間的開發(fā)利用應(yīng)該充分考慮其有限性，在城市的規(guī)劃建設(shè)之前開展充分的調(diào)查和評(píng)價(jià)，以指導(dǎo)其合理的開發(fā)利用。

2.2 地下空間資源的關(guān)聯(lián)性

地下空間開發(fā)利用的前提是將自然狀態(tài)下與周邊巖土體密切相關(guān)的空間實(shí)體開挖出來(lái)，置換成人工建筑。而被開挖的巖土體原本與周邊環(huán)境是完整關(guān)聯(lián)的。比如地溫場(chǎng)、地下水徑排系統(tǒng)、地應(yīng)力的傳遞系統(tǒng)、地下生態(tài)系統(tǒng)等。一方面，這些自然條件因區(qū)域上地質(zhì)、自然條件的變化而引起的地質(zhì)環(huán)境的變化，對(duì)嵌入其中的人工建筑施加著持續(xù)的作用，有些甚至是極具破壞性；另一方面，人工嵌入體的加入，也對(duì)周邊自然環(huán)境存在持續(xù)影響，尤其是大型和較長(zhǎng)的線性建（構(gòu)）筑物，其對(duì)周圍的地質(zhì)自然環(huán)境影響很大，也對(duì)周邊地下空間的開發(fā)利用產(chǎn)生影響。要充分注意研究和評(píng)估地下空間資源開發(fā)利用與地質(zhì)自然環(huán)境的相互作用，對(duì)可能出現(xiàn)的災(zāi)害性作用降到最低，以保障人與自然的和諧共存。

2.3 地下空間開發(fā)利用的不可逆性

嵌入地下巖土體的人工建（構(gòu)）筑物由于周邊受限，且往往作為地表建筑的承載體，需要更高的堅(jiān)固性，加之往往單體規(guī)模較大，難以進(jìn)行二次規(guī)劃和拆除重建，歷史上有些不合理的地下建筑不得不廢棄，造成有限資源的浪費(fèi)，因此地下空間資源開發(fā)利用在一定程度上具有不可逆性。所以在開發(fā)之前應(yīng)充分預(yù)見本地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展前景，“把每一寸土地都規(guī)劃的清清楚楚再開工建設(shè)”，避免重復(fù)建設(shè)和有限地下空間資源的浪費(fèi)。

此外，地下空間的自然屬性在恒溫性、恒濕性、氣密性、安全性等方面優(yōu)于地表空間，因此在規(guī)劃時(shí)要充分調(diào)查地下巖土體的自然屬性，結(jié)合城市定位和規(guī)劃用途，科學(xué)合理地規(guī)劃和利用城市地下空間資源。同時(shí)要在充分調(diào)查和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，為今后社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平的提高而需要開展更深層次的地下空間開發(fā)預(yù)留條件。為此，需要調(diào)查和了解構(gòu)成地下空間的自然因素屬性特征，分析開發(fā)利用的技術(shù)條件。

3 構(gòu)成地下空間資源的自然因素

地下空間資源賦存在地表以下的巖土體中。自然狀態(tài)下的巖土體是由多種自然因素組成的。這些因素包括：基礎(chǔ)物質(zhì)構(gòu)成即巖土體巖性特征，控制性因素即地質(zhì)環(huán)境條件（包括活動(dòng)斷裂、地面或地體沉降、有害氣體以及其他流體等）。

3.1 基礎(chǔ)物質(zhì)組成

對(duì)于城市地下空間資源開發(fā)利用來(lái)說(shuō)，巖土體的結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)參數(shù)是地下空間資源最基礎(chǔ)的物質(zhì)組成，決定了地下空間資源的品質(zhì)與功能特征，包括巖土體結(jié)構(gòu)、天然含水量、孔隙比、塑限、壓縮模量、內(nèi)摩擦角、粘聚力、地下水滲透系數(shù)、腐蝕性、巖土內(nèi)地應(yīng)力、地基承載力等，這些因素對(duì)地下空間的開發(fā)利用來(lái)說(shuō)是要認(rèn)真調(diào)查、分析的基本自然條件。

各地的基本地質(zhì)條件差異很大，要精確調(diào)查本地待開發(fā)利用地下空間的基礎(chǔ)物質(zhì)組成，指導(dǎo)規(guī)劃部門科學(xué)合理的開發(fā)地下空間資源。

3.2 控制性因素

控制性因素（約束性條件）是指對(duì)地下空間資源開發(fā)利用起到制約性作用的地質(zhì)環(huán)境條件。這些因素或條件加大開發(fā)利用的風(fēng)險(xiǎn)，提高其成本。有些甚至是破壞性因素，需要在規(guī)劃建設(shè)階段和運(yùn)行階段引起高度重視，一是事前調(diào)查和評(píng)估，二是事后嚴(yán)密監(jiān)測(cè)，杜絕風(fēng)險(xiǎn)。

這些因素包括：基本烈度(級(jí))、斷裂活動(dòng)速率、地面沉降年沉降速率、累計(jì)沉降量、不同深度的砂土液化、隱伏巖溶塌陷、淺層承壓水埋深、次淺層承壓水埋深、地下水水位變化、滲透系數(shù)、單井涌水量等。這些地質(zhì)環(huán)境因素的存在和隨時(shí)間而產(chǎn)生的變化多數(shù)情況下是不可控或難以控制，但對(duì)嵌入其中的建（構(gòu)）筑物影響很大。

例如如果水位上升，影響地下空間的抗浮穩(wěn)定性及防滲性，降低周邊巖土體的工程力學(xué)性能，對(duì)地下空間安全構(gòu)成威脅。北京西客站北廣場(chǎng)前的蓮花東路深挖路塹時(shí)，因?yàn)榈叵滤簧仙?，水滲入后發(fā)生過(guò)嚴(yán)重破壞（李曉松等，2007）。承壓水上下隔水巖土體內(nèi)進(jìn)行洞室施工開挖時(shí)，可能發(fā)生涌水而造成嚴(yán)重危害。雖然近年巖土體排水、堵水等防治水的工程技術(shù)有了很大進(jìn)展，但由于地下水引發(fā)的地下工程事故仍不斷，其根本原因是對(duì)問(wèn)題的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性認(rèn)識(shí)不足，選用的工程措施與工程地質(zhì)環(huán)境特征不協(xié)調(diào)。

4 地下空間資源的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件

地下空間資源具備功能、經(jīng)濟(jì)及技術(shù)屬性特征，三種屬性緊密相關(guān)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展水平提高，其功能應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，開挖深度持續(xù)加大，凸現(xiàn)資源的經(jīng)濟(jì)技術(shù)特征。

4.1 地下空間的功能屬性

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市規(guī)模逐漸變大，人口和各種資源高度集中，往往地表的土地利用超過(guò)極限，開發(fā)利用地下空間資源就成為保持城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。而且城市化程度越高，地下空間利用的范圍越廣泛、開發(fā)的深度也越大。像北京這樣的特大城市，對(duì)地下空間資源的規(guī)劃深度已經(jīng)達(dá)到120m。利用的目的也從單純的高層建筑配屬的地下室，逐漸發(fā)展為建設(shè)地下交通網(wǎng)絡(luò)、地下大型商業(yè)設(shè)施、物質(zhì)存儲(chǔ)、地下綜合管廊等，包括了城市運(yùn)行和日常生活的方方面面。這樣就賦予了地下空間資源“功能屬性”，這個(gè)屬性是社會(huì)發(fā)展帶來(lái)的，不是天然的自然屬性。但卻是管理和規(guī)劃部門在城市發(fā)展到一定規(guī)模時(shí)應(yīng)及時(shí)關(guān)注的屬性，否則就會(huì)陷入城市越大，城市病越嚴(yán)重的怪圈中。及早地摸清城市的地下空間資源家底，適時(shí)有預(yù)見性地進(jìn)行地表和地下整體土地資源規(guī)劃，是保證城市地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的必要條件之一。

4.2 地下空間資源的經(jīng)濟(jì)屬性

由于利用地下空間需要大規(guī)模開挖土方、并且要預(yù)防周邊巖土體及各種地質(zhì)環(huán)境要素變化對(duì)地下建（構(gòu)）筑物的影響和破壞，另外需要持續(xù)地提供照明和通風(fēng)等，同體量的地下建筑的建設(shè)、運(yùn)行成本要比地表建筑成倍數(shù)增加。地下空間資源的這種“經(jīng)濟(jì)屬性”要求根據(jù)城市功能定位、社會(huì)需求和地表規(guī)劃結(jié)合，合理地開展地下空間開發(fā)利用規(guī)劃。

4.3 地下空間資源技術(shù)屬性

地下空間嵌入于地表以下的巖土體中，周圍的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、多樣，其開發(fā)利用的前提是調(diào)查各類的屬性特征，分析相互作用關(guān)系，這樣才能科學(xué)、合理地指導(dǎo)規(guī)劃、建設(shè)和開展運(yùn)行監(jiān)測(cè)的布置。由于調(diào)查實(shí)體埋在地表以下，需要各種間接性輔助技術(shù)手段才能清晰揭示各種地下自然要素的分布和特征；運(yùn)行過(guò)程中的監(jiān)測(cè)也需要有效的精準(zhǔn)設(shè)備。因此地下空間同樣具備了“技術(shù)屬性”。由于各個(gè)城市所處的地質(zhì)背景差異性很大，調(diào)查評(píng)價(jià)和運(yùn)行監(jiān)測(cè)所需要使用的技術(shù)手段也不同，需要相關(guān)部門高度重視技術(shù)手段的選擇和研制，以適應(yīng)城市發(fā)展的需求。

5 結(jié)論

地下空間資源具有自然屬性、功能屬性和經(jīng)濟(jì)技術(shù)屬性。這些屬性構(gòu)成地下空間資源的完整整體。對(duì)于這些屬性特征，應(yīng)該本著：規(guī)劃前調(diào)查評(píng)價(jià)—規(guī)劃后指導(dǎo)設(shè)計(jì)建設(shè)—建設(shè)后進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測(cè)的技術(shù)思路予以高度重視，惟此才能保證科學(xué)、合理地規(guī)劃、建設(shè)和安全使用地下空間資源，促進(jìn)城市的健康發(fā)展。

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Attribute Characteristics of Underground Space Resources

ZHENG Guisen1, WANG Jiming1, HE Jing2, CAI Xiangmin2, WANG Yuejin1, LIU Yu2
(1. Beijing Geological Prospecting and Developing Bureau, Beijing 100195; 2. Beijing Institute of Geological Survey, Beijing 100195, China)

The underground space is a kind of resource which occurs within geologic bodies and is controlled by geological conditions, and has its own natural attributes. Besides, its exploitation is restricted by economic and technical level; however, the underground space resources have wide range of application, strong applicability and practicability. Therefore, it would be of great theoretical value and practical significance for the future exploitation and utilization to correctly understand attribute characteristics of underground space resources.

Underground space resources; Natural attributes; Economic and technical attributes

A

1007-1903（2017）04-0001-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.04.001

鄭桂森（1959- ），男，教高，長(zhǎng)期從事城市地質(zhì)研究。