城市地下巖洞開發(fā)利用研究進展

李萬倫，陳 晶，孫君一，李 莉，呂 鵬

（中國地質調查局地學文獻中心，北京 100083）

今天，人們已普遍將地下空間開發(fā)利用視為解決城市化遇到的各種問題的最佳方案（Cui Jianqiang et al., 2021）。特別是進入新世紀以來，我國城市地下空間開發(fā)速度明顯加快，已形成規(guī)模化態(tài)勢（王成善等，2019），然而以往“攤大餅式”城市擴張，對空間資源的浪費很大，并引發(fā)了諸多“城市病”?；鶐r是一種比較特殊的地下資源，除了巖石本身價值以外，所在巖石空間還能增加土地供應，是今后城市地下空間開發(fā)的重要戰(zhàn)略儲備資源（伏海艷等，2016）。另外，利用巖洞的獨特性質，將其規(guī)劃部署用于某些特殊用途，有時可發(fā)揮極其重要的作用（Wallace et al., 2016）。我國內地的山地城市數(shù)量眾多，隨著城市化進程的加快，對巖洞開發(fā)的需求也在迅速增加。例如成都提出要打造“638”格局，青島要再建一個“地下青島”（謝和平，2019），迫切需要摸清相關城市地區(qū)的巖石資源“家底”。盡管這些城市近年來在地下空間開發(fā)過程中，也涉及到巖洞開發(fā)（主要修建交通隧道），并取得了快速進步，然而跟世界先進水平相比，仍然存在碎片化應用和規(guī)劃不到位等一些問題。目前，世界上赫爾辛基、新加坡和中國香港等城市均已在地下巖洞開發(fā)中取得了很大進展，成為現(xiàn)代城市地下巖洞開發(fā)的成功范例。這里的巖洞，僅指人工開挖的巖石洞室，而非天然形成的洞穴。本文通過典型案例分析，介紹基于巖洞開發(fā)的城市地下空間研究技術進展，為我國內地城市地下空間的開發(fā)利用提供參考借鑒。

1 城市地下巖洞開發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展特點

盡管遠古人類早就已利用巖石洞穴作為居所，但現(xiàn)代在城市地區(qū)大規(guī)模挖掘巖石洞室且已經(jīng)比較成熟的當數(shù)北歐國家。隨著挖掘技術和設備的進步，巖洞開發(fā)的成本已大幅下降。早期主要出于戰(zhàn)時安全考慮，后來開發(fā)的目的已經(jīng)轉向保護地面質量，比如將地表設施（包括交通基礎設施）轉移到巖洞內。當然，北歐極度嚴寒的氣候，也使人們對巖洞開發(fā)情有獨鐘。如瑞典在城市地區(qū)利用堅固的巖洞修建地下商城、地下街道、地鐵隧道、公用設施管道、停車場及地下污水處理廠、地下工廠、地下核電站、石油儲罐、食品倉庫和地下避難所等（Tengborg et al., 2016）；挪威地下發(fā)電業(yè)已形成“地下產(chǎn)業(yè)”（Broch，2016），除了利用地下洞庫儲物外，各種市政設施也修建在巖洞內，包括娛樂與休閑設施，其中最有名的是Gj?vik地下游泳池和1994年冬季奧運會期間在該游泳池旁邊修建的Gj?vik奧林匹克山大廳（洞室長91 m，最大高度25 m，跨度達61 m，可容納5500人）。不過，從可持續(xù)的觀點來看，芬蘭赫爾辛基市制定了世界第一個較完整的巖洞開發(fā)總體規(guī)劃（V?h?aho, 2016），在理念和整體水平上都比其他北歐城市更成熟、更先進。

隨著全球城市化進程加劇，一些土地資源稀缺的山地城市，面臨巨大的擴張壓力。但也有一些城市（比如中國香港和新加坡）通過巖洞開發(fā)，建成為世界上最繁華的大都會之一。香港巖洞開發(fā)始于20世紀70年代的地鐵（MRT）建設，現(xiàn)已修建了一批特定類型的設施（表1），且大都已發(fā)展完善并在整個城市的運轉當中發(fā)揮重要作用（Wallace et al., 2016）。

表1 香港特定用途的巖洞設施Tab.1 Cave facilities for specific purposes in Hong Kong

新加坡早就提出了再造一個“地下新加坡”的目標，近年來已在巖洞里修建了許多基礎設施和倉庫（Zhou Yingxin et al., 2016；Yong et al., 2015；李地元等，2015）。如2008年建成了1個地下軍火庫，節(jié)省了300 hm2的地面土地；2014年建成了裕廊洞庫第一期，可儲油147萬m3，第二期仍在開發(fā)中。最近還提出在肯特崗修建30層樓的地下科學城，在裕廊山/丹戎嶺修建1個地下倉儲、物流設施和數(shù)據(jù)中心。目前新加坡的巖洞開發(fā)計劃包括2018年開始修建南北和東西兩條隧道，2024年修建湯中—東部沿海線，2026年修建南北廊道。

總的來看，當前城市地區(qū)巖洞開發(fā)具有如下特點：1）巖洞開發(fā)已經(jīng)從戰(zhàn)時安全向環(huán)境保護轉變，目的是實現(xiàn)城市更可持續(xù)發(fā)展；2）巖洞開發(fā)已作為城市地區(qū)地下空間開發(fā)必不可少的重要內容，并有可能成為一種主要趨勢；3）巖洞開發(fā)也需要依據(jù)統(tǒng)一的規(guī)劃。

2 研究內容

2.1 城市地區(qū)巖石資源調查與區(qū)劃

高山和丘陵過去經(jīng)常被城市規(guī)劃人員視為障礙，然而，現(xiàn)在基巖已成為城市地區(qū)越來越寶貴的戰(zhàn)略資源（Broch, 2016）。如北歐的巖洞開發(fā)實踐證明，擁有巖石資源的城市反而具有很大優(yōu)勢。北歐城市基巖地質條件良好，具備很好的巖洞開發(fā)條件。但以往的基巖資料主要來源于區(qū)域基礎地質填圖，沒有從資源角度對基巖所在區(qū)域進行立體調查?，F(xiàn)代巖石資源調查不僅從巖石本身，還要從巖石空間角度來開展全面綜合調查與區(qū)劃。比如新加坡建筑上使用的石料和沙子大多依靠進口，因此把基巖也看成極為重要的戰(zhàn)略資源。新加坡地表巖石主要由武吉知馬花崗巖（BT）、沙加哈特組（S）變質石英砂巖和泥巖、貢巴克蘇長巖（GN）和裕廊組（JF）沉積巖等組成。BT是最主要的基底巖石，占新加坡島嶼面積的三分之一；JF是最年輕的沉積巖地層。2007年新加坡城市地下總體規(guī)劃工作組設立了國家地質辦公室，負責收集和管理地下信息，并開展基巖地質調查，繪制了巖洞開發(fā)潛力區(qū)圖（圖1）。

圖1 新加坡巖洞開發(fā)潛力區(qū)簡化圖Fig. 1 Simplified map of cave development potential area in Singapore(Lee et al., 2018)

香港有60%的面積為丘陵地區(qū)，地下空間開發(fā)利用離不開基巖區(qū)巖洞開發(fā)。全港出露地表的巖石中火成巖占85%，其中花崗巖（35%），火山巖（50%），這些巖石有利于開發(fā)，也是香港巖洞開發(fā)的主體。20世紀80年代后期針對巖洞開發(fā)進行了多方面研究，目的是查明香港巖洞開發(fā)的潛力。比如地下空間潛在用途（SPUN）研究項目，目的是詳細調查香港巖洞的潛在用途（Wallace et al., 2016）。結果表明，香港的基巖地質條件適合開發(fā)，尤其市區(qū)邊緣地帶的丘陵，那里的巖石堅固、交通便利，是最適宜巖洞開發(fā)的區(qū)域。

2.2 城市巖洞三維建模

鑒于地下巖洞的立體性質，在不同深度的開發(fā)可行性存在較大差別，應用三維建模技術使巖洞可視化具有重要意義。盡管在隧道工程地質勘察時，常常采用三維地質建模來反映巖洞應力應變等不同地質參數(shù)的變化及圍巖穩(wěn)定性等狀況（Ma Ke et al., 2020），但一般都僅限于隧道、地下倉庫等特定場地（Wang Xiaowei et al., 2020），而不同于區(qū)域三維地質建模。另外，服務于規(guī)劃用途的城市巖洞三維建模，不僅需要地質資料，還要綜合其他相關的巖洞信息，可是這些信息往往缺乏或獲取困難，從而給構建精細的巖洞三維模型帶來了很大挑戰(zhàn)。國內由于開展城市三維地質調查（程光華等，2019），近年來在三維地質建模方面取得了很大進步（譚飛等，2020）。最近，上海已成功開發(fā)了三維地質結構和屬性模型一體化建模方法，實現(xiàn)了三維地質模型與地下構筑物模型的自動融合（薛濤等，2021）。盡管三維綜合建模技術的發(fā)展很快，但對城市地區(qū)巖洞資源的三維建模工作還比較少。

2.3 城市巖洞開發(fā)可行性研究

巖石資源開發(fā)是一次性、不可逆的過程，因此在摸清巖石資源分布的基礎上，還必須進行開發(fā)可行性研究，并開展適宜性評價。新加坡在近年來的巖洞開發(fā)過程中，就特別注重巖洞開發(fā)可行性研究。其中，在武吉知馬花崗巖中開展的洞室建設可行性研究，所取得成果幫助國防部下定決心修建了地下彈藥庫（UAF）（Anonymous, 2008）。該項目的成功不僅引發(fā)了新加坡對巖洞開發(fā)的興趣和思考，而且推動了新加坡第二大巖洞項目——裕廊儲油巖洞的建設（Anonymous, 2014）。此外，新加坡還開展了根據(jù)發(fā)電站、廢水處理廠、焚燒廠、垃圾填埋場、水庫、倉儲和物流、數(shù)據(jù)中心、港口和機場物流等不同用途的洞室專項研究（Zhou Yingxin et al.，2011）。這些研究為新加坡制定城市地下空間總體規(guī)劃奠定了良好基礎。

香港土木工程拓展署于20世紀90年代也開展了一系列“巖洞地區(qū)研究”（CAS），將大嶼山北部、香港島及九龍半島3個地區(qū)的土地進行了巖洞開發(fā)適宜度分類。2010—2011年，又啟動了“加強香港地下空間利用”的研究（簡稱“巖洞可行性研究”），目的是在全港篩選出那些適合巖洞開發(fā)的區(qū)域。香港已構建了比較完善的巖洞開發(fā)適宜性評價指標體系（Wallace et al.，2016）；在巖洞開發(fā)適宜性評價過程，首先建立了地形數(shù)據(jù)、地質圖、各種土地用途、地下設施、地質構造、鉆孔及私人土地等多個數(shù)據(jù)庫，然后利用地理信息系統(tǒng)（GIS）進行分析、比較和展示，對適宜巖洞開發(fā)的區(qū)域按照適宜度從高到低的順序分級，最終得到比較詳細的全港巖洞開發(fā)適宜性圖（圖2），該圖顯示香港有約三分之二的地區(qū)適合巖洞開發(fā)（Wallace et al.，2014）。

圖2 洞室開發(fā)適宜性示意圖Fig. 2 Schematic diagram of suitability for cavern development(Wallace et al., 2014)

2.4 城市巖洞開發(fā)規(guī)劃

為了協(xié)調巖石資源的利用，甚至循環(huán)利用巖洞空間，確保重要用途和關鍵設施優(yōu)先使用，制定統(tǒng)一規(guī)劃是最佳方法。芬蘭赫爾辛基市制定了世界上第一個城市地下空間總體規(guī)劃，據(jù)此對地下空間用途進行分配，基巖資源主要留作公共用途。由于該市基巖之上的土壤層平均厚度僅7 m，因此基巖在地下空間開發(fā)中的地位十分重要，巖洞開發(fā)十分廣泛。該規(guī)劃也預留了部分基巖資源，以便將來修建未知用途的地下設施。這些預留區(qū)包括大約40個基巖區(qū)，每個區(qū)域的平均面積為0.3 km2，總面積將近14 km2，占赫爾辛基陸地面積的6.4%（V?h?aho, 2016）。在圈定預留區(qū)前，先要查明這些地區(qū)能否被利用、目前和規(guī)劃的地面用途、交通狀況、土地所有權以及可能的娛樂、景觀和環(huán)境保護價值等。

新加坡城市重建局于2019年發(fā)布了最新的城市地下空間總體規(guī)劃。該規(guī)劃將地下空間分為淺層、深層和巖洞層進行分類管理，淺層以建設人的活動場所為主，深層以進行基礎設施和公用服務設施建設為主，巖洞則用于廢物處置、蓄水、儲存油氣等戰(zhàn)略物資及保存彈藥武器等。新加坡巖洞規(guī)劃主要依據(jù)已開展的不同用途的洞室專項調查結果（Zhou Yingxin et al., 2011）。

香港土木工程拓展署2012年底進行的“巖洞開發(fā)長期戰(zhàn)略”研究（以下簡稱“巖洞戰(zhàn)略研究”）旨在為香港的巖洞開發(fā)制定一個長期的戰(zhàn)略規(guī)劃和實施計劃，包括制定巖洞總體規(guī)劃（CMP），以圈出可容納巖洞設施的戰(zhàn)略性區(qū)域（SCVA）。目前，該規(guī)劃仍在修改完善中。已知的計劃包括在城市邊緣地帶劃出大約50個戰(zhàn)略性巖洞開發(fā)區(qū)，總面積約45 km2；將大約30個現(xiàn)有的政府公共設施搬遷到地下巖洞中。該規(guī)劃尤其注意土地用途與鄰近地面的兼容性發(fā)展，并建立戰(zhàn)略機制，以保護巖洞地區(qū)的發(fā)展?jié)摿Γ℉o et al., 2016）。

3 存在問題

通常在城市地下空間調查和評價過程中，往往把基巖排除在外，即僅把基巖之上的部分作為考察對象（鄭桂森等，2017）。當前影響巖洞開發(fā)的主要因素是成本和安全，另外也有心理、社會等方面的原因，而且這種局面還會長期存在（Broch, 2016）。盡管目前已經(jīng)在城市巖洞開發(fā)理論和技術方面取得了很大進展，但仍然存在需要進一步研究的問題。

（1）城市地下巖洞開發(fā)的必要性。顯然，不同城市應區(qū)別對待。目前對巖洞在城市地下空間開發(fā)中的作用和地位普遍認識不足，一般都認為基巖比較堅固，只適用于修建人防工事，在軍事和國防方面用途很大，傾向于一直存而不用；但實踐表明，當有些城市發(fā)展到一定階段，尤其是當非巖石地下空間幾乎開發(fā)殆盡后，開發(fā)巖洞幾乎是不可避免的。比如山地城市，巖洞不僅可以為城市提供增量土地供應，而且?guī)r石本身也具有戰(zhàn)略利用價值，對此類城市，巖洞開發(fā)具有雙重意義。

（2）巖洞開發(fā)面臨新形勢、新需求和新用途的挑戰(zhàn)。巖洞具有多種潛在用途，例如過去常用于儲藏油氣資源，近年來出現(xiàn)了二氧化碳封存及清潔能源儲存等新的需求。另外，相對外太空開發(fā)的巨大風險和投入，地下深部空間（特別是巖洞）在深地醫(yī)學、科學實驗室、精密儀器制造和構建地下生態(tài)城市等領域均有望發(fā)揮重要作用（謝和平等，2017；謝和平，2019），而且成本和風險均較低。

（3）巖洞三維建模和數(shù)字化建設仍需加強。城市地區(qū)現(xiàn)有的巖洞資料還不完善，基巖資料主要來源于傳統(tǒng)的區(qū)域地質調查，盡管現(xiàn)代城市工程建設過程中已獲得了大量地質、鉆探和隧道施工方面的詳細資料，但目前這些資料還比較分散，信息獲取難度較大。

（4）巖洞探測方法尚未進行系統(tǒng)梳理。城市包括待建區(qū)和建成區(qū)（何靜等，2019），待建區(qū)主要采用傳統(tǒng)的地質和地球物理方法，建成區(qū)適合于采用相對無損的地球物理方法，然而物探方法要求被探測對象達到能夠被儀器探測的規(guī)模，且與周圍環(huán)境存在較大物性差異，因為一般城市環(huán)境對地球物理場都存在明顯干擾，可能影響巖洞探測精度和效率。

（5）對巖洞規(guī)劃和開發(fā)模式的研究不夠。在城市地下空間規(guī)劃中常用的分層法，主要依據(jù)深度來分層（Li Xiaozhao et al., 2016）。有些規(guī)劃盡管單獨列出了巖洞層，但并未進行詳細的規(guī)劃。巖洞開發(fā)模式應因地制宜，根據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃目標和需要解決的實際問題確定開發(fā)模式。如中國香港和新加坡對巖洞開發(fā)是綜合性的立體開發(fā)，巖洞用途多樣；而符拉迪沃斯托克（原名海參崴）則主要通過修建巖洞作為交通隧道，顯著縮短市內交通出行時間（Makarov et al., 2016），附帶解決相關城市問題，屬于比較單一的巖洞開發(fā)模式。

（6）尚未構建城市巖洞開發(fā)的適宜性評價標準和指標體系。適宜性評價目的是為巖洞開發(fā)規(guī)劃提供依據(jù)，基巖體本身性質及所在區(qū)域的地面開發(fā)狀況和土地用途等多種因素都會影響巖洞和將來用途之間的相適宜程度。

（7）尚未建立全生命周期的城市巖洞監(jiān)測體系。鑒于城市巖洞開發(fā)對周圍環(huán)境存在不可逆的影響，運營過程中潛在安全問題不可忽視，因而在其生命周期內，對城市巖洞安全和設施運營狀況進行監(jiān)測很有必要。今后應盡可能采用最新的大數(shù)據(jù)和人工智能技術進行監(jiān)測。

4 結論和建議

城市巖洞開發(fā)今后可能成為城市地下空間開發(fā)的一種主要趨勢。巖石空間是城市地下空間資源的一部分，基巖本身也具有開發(fā)利用價值。利用巖洞的獨特優(yōu)勢，將其規(guī)劃部署用于某些特殊用途，有時可發(fā)揮極其重要的作用。為實現(xiàn)城市未來的可持續(xù)發(fā)展，有必要科學規(guī)劃城市地下巖洞開發(fā)，以提高對各種地下資源的精細化利用水平。

我國內地城市（尤其山地城市）在城市規(guī)劃時也應開展基于巖洞開發(fā)的城市地下空間理論和關鍵技術研究。包括：1）選擇有代表性的山地城市，開展城市地區(qū)巖石資源調查和區(qū)劃，在摸清城市基巖分布狀況的前提下，對巖石資源進行初步的分區(qū)規(guī)劃；2）進而根據(jù)國家中長期發(fā)展規(guī)劃、重要城市群和經(jīng)濟中心建設以及區(qū)域發(fā)展規(guī)劃的需求，開展有針對性的專題可行性研究，并進行適宜性評價；3）開發(fā)巖洞三維模型，建立城市地區(qū)數(shù)字化巖洞；4）結合城市地下空間規(guī)劃，確定巖洞開發(fā)模式，制定和完善巖洞開發(fā)規(guī)劃。