城市地下空間安全管理風(fēng)險(xiǎn)及物聯(lián)感知建設(shè)研究

何心緣

一、引言

近年來，我國城市地下空間開發(fā)不斷增強(qiáng)，地下空間開發(fā)利用逐步綜合化、系統(tǒng)化、深層化。上海作為超大城市，開發(fā)利用城市地下空間是緩解城市土地資源緊缺、提高土地利用效率、補(bǔ)充完善城市功能、提高城市總體防災(zāi)抗毀能力的有效途徑，是城市空間的內(nèi)涵式擴(kuò)展。2019年，全球城市地下空間開發(fā)利用上海峰會(huì)發(fā)布簽署《上海宣言》，提出要提高城市韌性、增強(qiáng)城市綜合抗災(zāi)能力。

根據(jù)《上海市地下空間安全使用管理辦法》，地下空間是指上海市行政區(qū)域內(nèi)對(duì)公眾開放的作為生產(chǎn)、經(jīng)營場所的地下空間以及其他作為公共活動(dòng)場所的地下空間。據(jù)上海市地下空間綜合管理信息系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)，截至2023年年底，全市已建成地下工程共4.3萬余個(gè)，總建筑面積達(dá)1.51億平方米。

二、城市地下空間風(fēng)險(xiǎn)事故

目前，城市地下空間的迅速發(fā)展大多以軌道交通系統(tǒng)、地下停車場、地下商場和相互連通區(qū)域等多個(gè)復(fù)雜對(duì)象為綜合體，不再具有單一環(huán)境，所涉及的危險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)源種類雜、數(shù)量多，風(fēng)險(xiǎn)因子在封閉的地下空間內(nèi)互相作用、共同影響，易導(dǎo)致災(zāi)害鏈的形成，事故聯(lián)動(dòng)可能性大。同時(shí)，由于城市地下空間存在人員聚集的情況，一旦發(fā)生事故，易產(chǎn)生擁擠、踩踏，疏散困難、救援難度大，人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)高。城市地下空間的安全事故不僅危及地下空間，還會(huì)危及與地下空間相連的區(qū)域，甚至波及更大范圍，對(duì)周邊居民、行人的生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅，直接損害城市的公共安全。

地下空間存在的風(fēng)險(xiǎn)事故包括火災(zāi)、水災(zāi)、施工事故、結(jié)構(gòu)事故、內(nèi)容物泄漏、地下空間交通事故等，還有可能發(fā)生人為破壞行為如恐怖襲擊等犯罪行為。表1展示了城市地下空間的風(fēng)險(xiǎn)事件。爆炸、火災(zāi)、有害氣體污染容易相互轉(zhuǎn)變，引發(fā)衍生事故。泄漏事故易造成火災(zāi)、爆炸和空氣污染，爆炸事故會(huì)引起火災(zāi)和破壞結(jié)構(gòu)并造成粉塵顆粒污染，火災(zāi)會(huì)引起爆炸并造成空氣污染，地震往往伴生有火災(zāi)和洪災(zāi)等次生災(zāi)害，水災(zāi)則會(huì)破壞地下設(shè)備，從而影響交通和通信等方面，而施工事故會(huì)引起火災(zāi)和爆炸。

根據(jù)中國工程院戰(zhàn)略咨詢中心等單位聯(lián)合發(fā)布的《2021中國城市地下空間發(fā)展藍(lán)皮書》，“十三五”期間，地下空間發(fā)生災(zāi)害與事故的類型逐年變化的分析如圖1所示?？梢钥吹剑叵驴臻g災(zāi)害中的施工事故發(fā)生數(shù)量較往年有所下降，而火災(zāi)、水災(zāi)、地質(zhì)災(zāi)害以及有害氣體相關(guān)事故發(fā)生次數(shù)較往年明顯增多，尤其需要得到注意。

（一）城市地下空間火災(zāi)

城市地下空間發(fā)生火災(zāi)的主要原因包括：設(shè)備及電路故障、人為因素（管理失誤及破壞等）和自然因素。一旦地下空間發(fā)生火災(zāi)，尤其是人員密集的場所，將會(huì)出現(xiàn)人員疏散難度大和應(yīng)急救援困難等狀況，且伴隨斷水?dāng)嚯娀虿忍な鹿省?/p>

火災(zāi)事故根據(jù)周圍環(huán)境的空間特性，可以分為開放空間的火災(zāi)和受限空間的火災(zāi)。其中受限空間火災(zāi)典型的發(fā)展過程是：在火災(zāi)發(fā)展的初起階段，空氣中的氧氣含量充足，燃料的燃燒受燃料量的控制；然而由于空間受限，火災(zāi)形成大量煙氣在頂棚下聚積，形成煙氣層，而煙氣層的存在對(duì)火源形成一個(gè)熱反饋的作用，促使火災(zāi)強(qiáng)度不斷增大，達(dá)到一定程度后火災(zāi)進(jìn)入充分發(fā)展階段，火災(zāi)強(qiáng)度將發(fā)生突變，燃料的燃燒受到氧氣含量的控制，火災(zāi)強(qiáng)度不再繼續(xù)增大，直至燃料燃燒殆盡。據(jù)相關(guān)火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，地下空間內(nèi)燃料燃燒速度是敞開空間的3倍，溫度可以高達(dá)1000 ℃。并且由于燃燒進(jìn)入后期氧氣含量不足，燃燒不充分，CO、CO2及其他有毒氣體濃度也會(huì)迅速增加。地下空間火災(zāi)的另一個(gè)重要特點(diǎn)是，火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員逃生的方向和煙氣的擴(kuò)散方向重合，人員疏散通道的出入口可能就是噴煙口，同時(shí)煙氣的擴(kuò)散速度要比人群擴(kuò)散速度大得多，容易造成人員疏散不及時(shí)，地下受限空間火災(zāi)極易造成人員傷亡事故。地下受限空間屬于典型的受限空間建筑，由于空間通風(fēng)狀況不良，周圍土壤層存在一定的保溫性，地下空間排熱排煙能力較弱，一旦發(fā)生火災(zāi)，將產(chǎn)生大量煙氣和熱量，熱煙氣和熱量在地下受限空間的大量積累，使得空間內(nèi)部熱系統(tǒng)失衡，導(dǎo)致空間內(nèi)溫度急劇上升。

（二）城市地下空間水災(zāi)

地下空間水災(zāi)事故的主要原因是暴雨積水、洪澇災(zāi)害等。全球變暖使海水溫度升高，水循環(huán)加快導(dǎo)致降雨量增多，大暴雨等極端降水頻率加大。

近年來，我國城市洪澇災(zāi)害頻發(fā)，具有形成范圍廣及發(fā)生頻率高等特點(diǎn)。特大暴雨、沿江河海城市被水倒灌等導(dǎo)致城市內(nèi)澇積水問題嚴(yán)重，地下空間位于地下而首當(dāng)其沖。短時(shí)大量降雨使得地下建筑物周圍的地下水位上升，引起地下空間“超標(biāo)”潮濕，影響地下空間和承載的地面建筑物的安全。洪水由地下建筑物入口迅速到達(dá)地勢(shì)偏低的多層地下空間，甚至相連通的地下空間，會(huì)破壞建筑結(jié)構(gòu)，造成地下設(shè)備和儲(chǔ)存物資的損壞甚至人員傷亡。由頻發(fā)、突發(fā)的水災(zāi)造成的地下空間的防汛安全問題應(yīng)予以重視。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年北京7·21特大暴雨期間共有278處人防工程進(jìn)水；2021年7月，河南省遭遇極端強(qiáng)降雨，全省人防工程共有475處受災(zāi)，地下空間溺亡39人，鄭州多條地鐵線路受災(zāi)嚴(yán)重，1號(hào)線共有12座車站、26個(gè)區(qū)間被淹，2號(hào)線3座車站和14個(gè)區(qū)間存在不同程度浸水，5號(hào)線一列列車被洪水圍困，最終釀成14人不幸遇難的悲劇。

黨中央、國務(wù)院高度重視地下空間倒灌類安全事故的預(yù)防和整治。2021年4月，國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)城市內(nèi)澇治理的實(shí)施意見》指出：“對(duì)車庫、地下室、下穿通道、地鐵等地下空間出入口采取防倒灌安全措施。”完善地下空間防汛工程體系，對(duì)減少安全事故的發(fā)生、保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

（三）城市地下空間結(jié)構(gòu)災(zāi)害

地下空間結(jié)構(gòu)會(huì)受到周圍不利地質(zhì)條件的影響，如地下水滲漏、地震以及其他不良地質(zhì)作用等，從而引起沉降、崩塌等事故。另外，近年來，大規(guī)模的城市地下空間開發(fā)導(dǎo)致原有地層應(yīng)力的集中與重分布，對(duì)地面原有建筑物的安全及圍巖的穩(wěn)定性造成威脅，由此引起的地面沉降問題也逐漸顯現(xiàn)。

地面塌陷是指，地表巖、土體在自然或人為因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑的一種地質(zhì)現(xiàn)象。根據(jù)形成塌陷的原因，可將地面塌陷分為自然塌陷和人為塌陷兩類。自然塌陷是地表巖土體在自然環(huán)境因素的作用下發(fā)生的，主要誘因包括地震、降雨等。人為塌陷是指在超采地下水、礦坑疏排水等人為作用下引起的地表塌落。隨著城市的高速發(fā)展，城市的地下空間不斷被開發(fā)，絕大多數(shù)城市的地下密布著各種管線、隧道等地下“空洞”。這些地下“空洞”在地面荷載、地下工程施工擾動(dòng)等外因作用下，極易發(fā)生向上的崩塌進(jìn)而造成地面塌陷。1989年1月1日，南京市中山南路慢車路面突然發(fā)生塌陷，形成一個(gè)面積約為30平方米、深度近2米的陷坑。2023年8月22日，上海閔行區(qū)新龍路由于地下排污管道破損滲漏導(dǎo)致地面坍塌，出現(xiàn)一個(gè)長4米、寬3米的坑，坑洞內(nèi)蓄滿了污水，對(duì)周邊的交通以及居民的用水造成嚴(yán)重影響。

三、城市地下空間物聯(lián)感知傳感器

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是信息科技產(chǎn)業(yè)的第三次革命。物聯(lián)網(wǎng)通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，物體通過信息傳播媒介進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。

城市地下空間物聯(lián)網(wǎng)通過各類傳感器在不同位置、以不同形式部署，結(jié)合激光掃描器、射頻識(shí)別技術(shù)、定位系統(tǒng)等技術(shù)，做到實(shí)時(shí)采集城市地下空間中的各類物體或運(yùn)動(dòng)變化的過程，并將這些不同的聲、光、熱、電信號(hào)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，通過有線網(wǎng)、無線網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)接入，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)城市地下空間各類實(shí)物和變化過程的智能化感知、識(shí)別和管理，從而構(gòu)建物與物、物與人的鏈接。

（一）火災(zāi)監(jiān)測

我國在火災(zāi)預(yù)警方面的研究起步較晚，目前主要分為分立元件階段、多線制開關(guān)量式階段、總線制階段、數(shù)字式分布階段四個(gè)階段。主要研究的技術(shù)和方法有以下幾種：蠟片試溫法或變色漆法、傳統(tǒng)接觸式測溫法、故障電弧探測技術(shù)、紅外熱像技術(shù)、紅外傳感器技術(shù)等。

國外對(duì)于火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的研究相對(duì)較早，主要經(jīng)歷了單一傳感器階段、數(shù)據(jù)融合技術(shù)的多傳感器階段、無線火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)等幾個(gè)階段。當(dāng)前，國外采用無線火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，主要不受場景限制、易于安裝和調(diào)試靈活。在實(shí)際應(yīng)用方面，國外研究的技術(shù)和方法主要包括多傳感探測技術(shù)、空氣采樣感煙探測技術(shù)、紅外點(diǎn)型可燃?xì)怏w檢測技術(shù)。其中，紅外點(diǎn)型可燃?xì)怏w檢測技術(shù)是研究的重點(diǎn)。

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，地下空間內(nèi)有多種特征變化較大，如溫度、煙霧、氣體、圖像檢測等。多傳感器信息融合的火災(zāi)預(yù)警，即通過收集承載著不同特征傳感器中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行融合分析決策的技術(shù)。由于采用圖像檢測特征的缺點(diǎn)是建設(shè)成本過高，因此電纜火災(zāi)通常檢測溫度、煙霧和氣體3種特征。溫度主要通過熱對(duì)流傳感器進(jìn)行探測。煙霧主要采用煙感進(jìn)行傳感，煙霧信號(hào)也是最常用的單一傳感器信號(hào)。氣體主要是燃燒產(chǎn)生的CO和CO2。常用的特征組合有以下四種：溫度與煙霧的組合、溫度與氣體的組合、煙霧與氣體的組合以及溫度、煙霧與氣體的組合。根據(jù)電纜火災(zāi)的特點(diǎn)，宜采用第四種火災(zāi)特征組合方式，即溫度、煙霧與氣體組合的形式，其中溫度采用熱電阻傳感器，煙霧采用離子感煙傳感器，氣體采用CO濃度傳感器（圖2—圖5）。

（二）水災(zāi)監(jiān)測

排水管網(wǎng)液位在線監(jiān)測設(shè)備按照測量方式可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式測量方式中常見的監(jiān)測設(shè)備主要是投入式壓力水位計(jì)；非接觸式測量方式主要是超聲波水位計(jì)和雷達(dá)水位計(jì)。

1.投入式壓力水位計(jì)（接觸式）

價(jià)格便宜，安裝簡單，測量精度高，量程寬，可測滿管與非滿管，管網(wǎng)溢流時(shí)仍能準(zhǔn)確測量。但排水管網(wǎng)水環(huán)境中含有大量的淤泥、油污、漂浮物等，會(huì)將壓力傳感器探頭覆蓋，導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作（圖6）。

2.超聲波水位計(jì)（非接觸式）

體積小巧，耐腐蝕，與水體非接觸，不受水體中的雜物覆蓋、腐蝕等影響。但在窖井內(nèi)的有效監(jiān)測量程較小，并且聲波容易受到溫度、濕度、壓力等環(huán)境影響發(fā)生漂移，從而會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測精度較低。在排水管道溢流狀態(tài)下，若該類型傳感器被淹沒，則其監(jiān)測值會(huì)跳變，無法準(zhǔn)確測量（圖7）。

3.雷達(dá)水位計(jì)（非接觸式）

在窖井內(nèi)的有效監(jiān)測量程較大，最大可達(dá)10米。采用的是電磁波作為收發(fā)信號(hào)，由于電磁波不受溫度、濕度、壓力等環(huán)境影響，所以監(jiān)測精度很高，且其與水體非接觸，不受水體中的雜物覆蓋、腐蝕等影響。但價(jià)格昂貴；安裝位置和角度對(duì)測量結(jié)果有影響，安裝工藝要求較高；若該類型傳感器被淹沒，其監(jiān)測值也會(huì)跳變，無法準(zhǔn)確測量（圖8）。

（三）地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測

針對(duì)目前地面塌陷日益嚴(yán)重的趨勢(shì)，對(duì)地面塌陷的監(jiān)測成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。常用的監(jiān)測技術(shù)主要包括以下三大類。

1.土體變形監(jiān)測

傳統(tǒng)地面變形測量方式以高精度的水準(zhǔn)測量為主，有基巖標(biāo)、水準(zhǔn)測量及層標(biāo)測量，采用水準(zhǔn)儀、全站儀測量方式或者兩類方式聯(lián)合應(yīng)用來實(shí)施。該類方法作為地表變形監(jiān)測的主要手段之一，具有監(jiān)測精度高的優(yōu)點(diǎn)，但由于巖溶塌陷的發(fā)育過程具有隱蔽性，僅依靠地面變形測量監(jiān)測手段難以達(dá)到對(duì)巖溶塌陷監(jiān)測預(yù)報(bào)的目的。

2.動(dòng)態(tài)地球物理探測

地層的密度、電性、磁性和彈性差異隨時(shí)間變化，可表征溶洞上方巖土體的運(yùn)動(dòng)變化。利用動(dòng)態(tài)地球物理探測法，即多次重復(fù)探測，從探測隱患目標(biāo)體轉(zhuǎn)變?yōu)樘綔y其物理屬性隨時(shí)間變化特征，可達(dá)到巖溶地面災(zāi)害監(jiān)測的目的。國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)開始利用動(dòng)態(tài)地球物理探測進(jìn)行覆巖運(yùn)動(dòng)的精細(xì)化探測和監(jiān)測。

3.巖溶地下水觸發(fā)因素

該方法對(duì)巖溶裂隙管道系統(tǒng)中水（氣）壓力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)水（氣）壓力變化超過臨界條件，則認(rèn)為監(jiān)測區(qū)將有形成巖溶塌陷的危險(xiǎn)。相關(guān)研究工作表明，控制巖溶地下水位變化，一定程度上也可降低塌陷發(fā)生，并可以通過對(duì)巖溶裂隙管道系統(tǒng)中水（氣）壓力變化的監(jiān)測實(shí)現(xiàn)巖溶塌陷的預(yù)警。

四、總結(jié)

保障城市地下空間的正常運(yùn)行，需要對(duì)關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)及相應(yīng)的感知手段進(jìn)行研究，以提出適用于城市地下空間管理的物聯(lián)感知架構(gòu)。關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)由地下空間風(fēng)險(xiǎn)事件所對(duì)應(yīng)的監(jiān)測內(nèi)容決定，本文根據(jù)城市地下空間特征，探討了其防災(zāi)特點(diǎn)。由于地下空間結(jié)構(gòu)和設(shè)施復(fù)雜，出入口少，疏散路線長，通風(fēng)照明條件差，一旦發(fā)生災(zāi)害事故，極易造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

通過分析地下空間主要災(zāi)害類別和災(zāi)害主要特點(diǎn)，本文總結(jié)了目前城市地下空間在運(yùn)營階段的風(fēng)險(xiǎn)事件，主要有地下空間火災(zāi)、地下空間水災(zāi)以及地下空間地質(zhì)災(zāi)害三類。通過文獻(xiàn)調(diào)研，闡述了各類型災(zāi)害形成的原因，并結(jié)合案例說明了其各可能導(dǎo)致的嚴(yán)重后果。

通過調(diào)研，對(duì)各類型災(zāi)害所對(duì)應(yīng)的監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測手段進(jìn)行了充分研究，確定了適用于城市地下空間物聯(lián)感知架構(gòu)的關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)及可用傳感設(shè)備。表2展示了地下空間各類風(fēng)險(xiǎn)事故所對(duì)應(yīng)的物聯(lián)感知傳感器及其應(yīng)當(dāng)安裝的位置。

參考文獻(xiàn)

[1]張曉彬，趙巍平，曹偉偉，等.基于物聯(lián)網(wǎng)與GIS的城市地下空間內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究[J].工業(yè)技術(shù)與職業(yè)教育，2022，20（1）：20-23+58.

[2]韓丙光，趙子源，劉建，等.基于多傳感器信息融合的電纜火災(zāi)預(yù)警建模與仿真[J].電子設(shè)計(jì)工程，2022，30（10）：150-154.

[3]李志濤，張慧，印小軍，城市排水管網(wǎng)液位在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].四川水利，2021，42（6）：131-134.

（責(zé)任編輯：陳希文）