城市地下空間探測與安全利用戰(zhàn)略構(gòu)想

程光華 蘇晶文 李采

摘要： 城市地下空間開發(fā)利用是經(jīng)濟社會發(fā)展到一定階段的必然選擇。通過梳理和分析我國城市地下空間開發(fā)利用理論、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，圍繞城市地下空間探測與安全利用面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)難題，提出了“全要素”精細探測、“全資源”整體評價、“全空間”協(xié)同規(guī)劃與“全環(huán)境”監(jiān)測預(yù)警的城市地下空間探測與安全利用戰(zhàn)略構(gòu)想，構(gòu)建了城市地下系統(tǒng)平衡和擾動再平衡、地下全空間資源評價、地下空間區(qū)劃與協(xié)同規(guī)劃三大理論體系和城市地下空間精細探測-資源評價、城市地下空間區(qū)劃-協(xié)同規(guī)劃、地下空間勘察-施工建造、地下空間監(jiān)測-預(yù)警四大技術(shù)體系，為推動我國建立城市立體開發(fā)新模式提供理論和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞： 城市地下空間;城市地下空間資源;探測;安全利用;全要素;協(xié)同規(guī)劃

中圖分類號：TU 984.11+3

文獻標識碼：A

文章編號：2096-1871（2019）03-226-08

向太空、向海洋、向地下“要空間、要資源、要安全”是人類發(fā)展到一定階段的必然選擇，我國已經(jīng)全面部署“深空、深海、深地”國家戰(zhàn)略，“深空、深?！睉?zhàn)略已全面啟動并取得突破性進展，“深地”戰(zhàn)略已列為國家科技戰(zhàn)略重點領(lǐng)域。我國地下空間需求大、發(fā)展快，已成為世界城市地下空間建設(shè)規(guī)模和速度第一大國，在地下空間開發(fā)工程技術(shù)方面居領(lǐng)先地位，但在城市地下空間探測、評價、規(guī)劃和監(jiān)測等方面的理論水平和技術(shù)水平相對較弱。完善城市地下空間理論體系和技術(shù)體系，是科學(xué)開發(fā)、安全利用城市地下空間資源的必然選擇，可為城市立體發(fā)展提供理論和技術(shù)支撐。

1 我國地下空間開發(fā)利用現(xiàn)狀

歷史上，伴隨人類的聚居、城市的形成和發(fā)展，地下空間不斷被利用和開發(fā)。1863年建成使用的倫敦地鐵是第一次工業(yè)革命后西歐城市化進程的產(chǎn)物，成為近代地下空間開發(fā)的重要標志。此后，19—20世紀，西歐和美國城市化和大型中心城市建設(shè)中，掀起了地下空間建設(shè)的第一次高潮，倫敦、巴黎、紐約的地下空間各具特色，在促進城市交通及市政功能中發(fā)揮了重要作用[1]。20世紀后期是亞洲城市崛起階段，日本、韓國、新加坡等亞洲國家城市化進展飛速[2-3]，地鐵、地下綜合管廊、深隧調(diào)蓄系統(tǒng)得到了高速發(fā)展。

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

與世界發(fā)達國家相比，我國城市地下空間資源開發(fā)利用起步較晚，但發(fā)展迅速。21世紀，我國已成為世界城市和地下空間建設(shè)的中心，在建設(shè)速度和建設(shè)規(guī)模方面均達到較高水平。雖然不同地區(qū)、不同城市發(fā)展地下空間的主要目的和驅(qū)動因素不同，但在城市化不斷發(fā)展，人口、資源聚集的過程中，地下空間發(fā)展趨勢具有較高的相似性。按照軌道交通發(fā)展階段并結(jié)合未來發(fā)展趨勢，我國城市地下空間開發(fā)利用可分為初始化、規(guī)?；⒊跏季W(wǎng)絡(luò)化、規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化和生態(tài)城5個階段（表1）。

目前，我國城市地下空間開發(fā)以地鐵建設(shè)為主，需求大、發(fā)展快，總規(guī)模已居世界第一位。近年來，以綜合管廊為代表的地下市政基礎(chǔ)設(shè)施開始興起，東部大城市以交通樞紐建設(shè)的地下綜合體為重點?！笆濉币詠恚覈鞘械叵驴臻g建設(shè)量顯著增長，年均增速達20%以上，約60%的現(xiàn)有地下空間為“十二五”期間建設(shè)完成。據(jù)不完全統(tǒng)計，地下空間與同期地面建筑的面積比例逐漸增加，尤其在人口密集和經(jīng)濟活動高度發(fā)達的大城市，在軌道交通和地上地下綜合建設(shè)帶動下，城市地下空間開發(fā)規(guī)模增長迅速。

伴隨著城市地下空間開發(fā)利用的普遍開展，我國制定了“十三五”地下空間開發(fā)利用規(guī)劃。各城市規(guī)劃建設(shè)公開信息顯示，截至2015年底，我國已有北京、上海、重慶、南京、杭州、深圳、青島、沈陽、昆明、武漢等幾十個城市編制完成了地下空間總體層面規(guī)劃。一些城市，特別是特大、超大城市中心區(qū)，結(jié)合舊城改造和新區(qū)建設(shè)，已編制或正在編制地下空間詳細規(guī)劃。

1.2 發(fā)展趨勢

（1）地質(zhì)調(diào)查先行支撐。地下地質(zhì)情況復(fù)雜，位于不同地質(zhì)地貌單元的城市地質(zhì)結(jié)構(gòu)和資源稟賦各不相同，加之地下空間系統(tǒng)涉及面廣，多種地質(zhì)要素相互交織，互饋作用復(fù)雜，對環(huán)境變化和工程擾動響應(yīng)敏感。因此，在城市地下空間開發(fā)利用規(guī)劃階段，首先要系統(tǒng)開展地下空間資源調(diào)查和評估，為區(qū)劃和整體規(guī)劃提供地質(zhì)依據(jù)。在地質(zhì)調(diào)查中，對城市地上地下地質(zhì)條件、資源、環(huán)境、空間、災(zāi)害等進行全面調(diào)查，構(gòu)建城市三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，綜合評估城市地下空間資源和地下空間開發(fā)適宜性，城市地下空間資源調(diào)查與評估必須作為城市地下空間規(guī)劃的前置剛性約束。

（2）分層化與網(wǎng)絡(luò)化規(guī)劃布局。目前，我國處于城市地下空間規(guī)?；_發(fā)階段，規(guī)劃指導(dǎo)作用尤為凸顯。在城市總體規(guī)劃層面上，根據(jù)城市未來經(jīng)濟條件和發(fā)展需求，結(jié)合當?shù)氐刭|(zhì)特點與城市延伸方向，合理布局和分層規(guī)劃是城市地下空間未來發(fā)展的必然趨勢。

（3）地下資源協(xié)同開發(fā)利用。城市地下除了可利用空間，還賦存地下水、地熱能、地質(zhì)礦產(chǎn)等多種寶貴的地質(zhì)資源，每種資源的開發(fā)將會對其它資源產(chǎn)生擾動和影響，嚴重時會產(chǎn)生災(zāi)害。因此，在開發(fā)地下空間時，識別和評價與其共生的其它地下資源的特征和互相作用模式，是未來安全開發(fā)地下空間的趨勢[4]。廣義上，地下空間的協(xié)同化發(fā)展包括地上設(shè)施與地下空間的一體化協(xié)同、地下不同層位之間的功能布局協(xié)同、不同開發(fā)類型地下空間的功能配合協(xié)同，以及地下空間開發(fā)過程中探測、評價、規(guī)劃、施工、監(jiān)測、監(jiān)督管理的全鏈條協(xié)同。

（4）管理數(shù)字化、智能化。城市地下空間規(guī)劃、設(shè)計、建造、運營維護與防災(zāi)安全管理均離不開全面了解和準確掌握城市地下空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采用數(shù)字化、智能化方式對城市地下空間數(shù)據(jù)進行管理是必然的發(fā)展趨勢，即在地下空間探測—規(guī)劃—建設(shè)全過程中對地下空間的所有數(shù)據(jù)實行信息化管理，為城市地下空間合理規(guī)劃、建設(shè)和決策，城市防災(zāi)和應(yīng)急處置提供依據(jù)。

2 我國地下空間開發(fā)面臨的問題

2.1 地下地質(zhì)情況不明

要高效、安全、充分利用地下空間，必須首先查清楚地下空間的地質(zhì)情況[5]。地下地質(zhì)系統(tǒng)包含巖、土、水、氣等各種物質(zhì)，是溫度場、應(yīng)力場、電磁場、化學(xué)場、能量場等相互作用的復(fù)雜平衡系統(tǒng)，是經(jīng)過漫長地質(zhì)歷史演化形成的，是不同時期、不同階段內(nèi)、外動力地質(zhì)作用形成的共生組合體。目前，雖然城市地質(zhì)調(diào)查工作在城市規(guī)劃布局中發(fā)揮了重要作用，但工作精度、深度和廣度不足以支撐城市地下空間開發(fā)利用，對制約城市地下空間開發(fā)利用的地層結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)特征、地下水特征、活動斷層、特殊巖土、地下巖溶等關(guān)鍵工程地質(zhì)要素的調(diào)查不足，支撐地下空間規(guī)劃開發(fā)利用的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和信息不全，導(dǎo)致地下工程施工、運營中對可能發(fā)生的重特大事故或生態(tài)環(huán)境破壞無法進行及時有效的預(yù)測和防治。

城市地下空間開發(fā)初期關(guān)注的重點是區(qū)位和通達性等社會經(jīng)濟因素，對地下地質(zhì)條件的考慮較少。隨著城市發(fā)展的需要，基礎(chǔ)工程的迅猛增加，人類工程活動對地質(zhì)環(huán)境的影響與改造前所未有，地下空間開發(fā)過程中常伴有地面沉降、地裂縫和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，而對這些地質(zhì)災(zāi)害機理的認識還遠沒有像對臺風掌握的清楚。究其原因，是對與地下空間開發(fā)利用相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害的孕育、發(fā)生和發(fā)展規(guī)律還沒有完全掌握，對城市地下空間開發(fā)擾動地下水、誘發(fā)地層移動與損傷變形等演化與災(zāi)變機理不明確。此外，大部分城市對地下空間資源屬性及其已開發(fā)利用的基本現(xiàn)狀掌握不足，已有地下空間利用或占用情況不明，如不同時期建設(shè)的各類地下管線、地下室、地下通道、建筑物基樁分布等情況不清楚。對后期工程施工造成的安全隱患或不利影響為：造成工程報廢、為了規(guī)避導(dǎo)致工程造價提高、改道后又影響下一個工程等等。

因此，全面掌握城市地下地質(zhì)情況和已有地下空間開發(fā)利用現(xiàn)狀，分析城市地下空間開發(fā)與地質(zhì)環(huán)境的相互作用規(guī)律，評價工程擾動下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變形破壞規(guī)律及其對工程結(jié)構(gòu)物的影響，是減少地下空間開發(fā)對地質(zhì)環(huán)境影響、保障城市地下空間安全利用和地下工程安全的關(guān)鍵。

2.2 城市復(fù)雜環(huán)境下地質(zhì)探測技術(shù)存在瓶頸

1980年，我國開始開展地下空間探測與調(diào)查工作，在100多個大中城市使用航磁、重力、電阻率法和放射性法等物探手段開展了1∶5萬-1∶1萬綜合區(qū)域物探工作，基本探明大區(qū)域尺度的構(gòu)造及其穩(wěn)定性。但針對城市區(qū)域的地下空間探測工作始于2003年，以北京、上海、天津、廣州、南京、杭州為城市地質(zhì)調(diào)查試點地區(qū)[6]，開展了城市尺度的地下地質(zhì)探測，綜合采用了鉆探及高精度重磁、電磁法勘查、地震縱橫波勘探、測井、井中物探等地球物理探測方法或方法技術(shù)組合。地球物理探測方法和技術(shù)在國外地下空間探測中基本用于工程物探勘察，日本主要使用面波、淺層地震反射勘探;加拿大主要使用地質(zhì)雷達、高密度電阻率成像、淺層地震;新加坡主要使用電阻率成像、淺層地震、測井及井中物探。對于系統(tǒng)性的城市地下空間探測，案例還較少。

城市地區(qū)開展地質(zhì)探測，除了要解決淺層探測的分辨率問題，還要面臨城市復(fù)雜環(huán)境下的干擾問題?，F(xiàn)有地球物理探測技術(shù)在解譯淺部地層（0～200 m）信息的精度還不夠，無法克服城市高干擾問題。此外，目前國內(nèi)鉆探測試技術(shù)尚不成熟，測試要素較少，獲取天然狀態(tài)下巖土體信息不足。

2.3 地下空間資源評價與協(xié)同規(guī)劃理論不成熟

我國對地下空間資源的評價和研究起步較晚。1990年，北京最早使用遙感技術(shù)進行淺層地下空間資源調(diào)查，進行了二環(huán)內(nèi)10 m以上淺層的既有地下設(shè)施調(diào)查和地下空間可供開發(fā)資源評價，開始嘗試大城市中心城區(qū)和重點地區(qū)地下空間資源調(diào)查評估[7]。2000年，香港進行了地下空間開發(fā)適宜性評價和巖體質(zhì)量評級，并結(jié)合開發(fā)難度、開發(fā)適宜性和政策需求開展了地下空間綜合質(zhì)量評級[8]。目前，地下空間資源評價通?；诘匦?、地質(zhì)條件、水文條件、社會經(jīng)濟需求等多因子加權(quán)打分的“地下空間開發(fā)適宜性評價” [9-11]，然而這種評價對地下空間的資源屬性表達不充分，沒有把地下空間作為資源來評價其質(zhì)、量等蘊藏的稟賦特征。缺乏對地下空間資源屬性的認識和評估，可能對于國內(nèi)城市，尤其是開發(fā)力度大的城市，在地下空間開發(fā)過程中的可持續(xù)開發(fā)能力造成影響。

我國地下空間規(guī)劃始于2001年北京市政府組織編寫的《北京市中心地區(qū)地下空間開發(fā)利用規(guī)劃大綱》。21世紀以來，隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，我國大中城市地下空間規(guī)劃工作陸續(xù)展開，截止2015年，已有三分之一以上的城市編制了城市地下空間專項規(guī)劃?！冻鞘械叵驴臻g開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》[12]提出，力爭到2020年不低于50%的城市完成地下空間開發(fā)利用規(guī)劃編制和審批工作，促使更多的城市推進地下空間探測和評價工作。從全國整體看，當前地下空間規(guī)劃實際編制與評審過程中與地質(zhì)調(diào)查部門銜接不緊密，導(dǎo)致對地質(zhì)信息的獲取和解讀嚴重不足，使已查明的地質(zhì)信息無法充分運用在地下空間規(guī)劃中。此外，在未摸清地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的前提下，對地下空間分層利用、深層市政設(shè)施進行布局和規(guī)劃，其科學(xué)性和安全性將大打折扣。

3 戰(zhàn)略構(gòu)想

3.1 “地下空間”內(nèi)涵

狹義上，“地下空間”是地表以下自然形成或人工開發(fā)形成的空間，自然地下空間是地質(zhì)作用形成的洞穴、孔隙、裂隙等地下空間，可以開發(fā)為地下工廠、地下倉庫、地下電站、地下停車場、地下防空洞。廣義上，“地下空間”泛指地表以下的空間，包括地表以下的地質(zhì)體、天然形成的各種洞穴以及人類建造的地下建筑體。本文的研究對象是指廣義上的地下空間，包括地下空間工程與地質(zhì)環(huán)境的相互影響作用。

“地下空間資源”是可供人類開發(fā)利用并可開發(fā)形成地下空間的巖土體。1982年，聯(lián)合國自然資源委員會正式將地下空間列為“潛在和豐富的自然資源”，并被認為是與宇宙、海洋并列的、未來最具有開拓價值的領(lǐng)域[13-15]。

3.2 地下空間探測與安全利用新理念

3.2.1 地下空間“全要素”精細探測

地下空間開發(fā)利用是在地下地質(zhì)體中進行，因此，探明城市地下“土巖水氣”屬性特征和演化規(guī)律、摸清地下地質(zhì)情況、識別地下空間開發(fā)關(guān)鍵地質(zhì)環(huán)境要素，是地下空間安全開發(fā)利用的關(guān)鍵。本文提出開展城市地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)、屬性、參數(shù)等“全要素”精細探測，識別不同地質(zhì)條件、不同深度的城市地下地質(zhì)情況，實現(xiàn)城市地下“透明化”。

針對城市地下巖土地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，按地質(zhì)條件，將城市劃分為單一地質(zhì)結(jié)構(gòu)和復(fù)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)兩大類型。單一地質(zhì)結(jié)構(gòu)指200 m以上淺部松散層或某一類基巖為主的地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型，如上海等平原城市以松散層地層為主、青島以花崗巖為主、桂林以碳酸鹽巖為主。復(fù)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)型是200 m以下淺松散層與基巖組合發(fā)育的地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型，包括二元復(fù)合結(jié)構(gòu)和多元復(fù)合結(jié)構(gòu)，二元復(fù)合結(jié)構(gòu)主要為2種巖土類型組合，如上部為松散層，下伏基巖，巖性和結(jié)構(gòu)相對單一;多元復(fù)合結(jié)構(gòu)主要為3種及以上巖土類型組合，如上部松散層下伏多種基巖組合。

圍繞城市地下空間安全開發(fā)和利用，根據(jù)不同地質(zhì)條件類型的城市對地下空間開發(fā)利用的控制因素，明確探測對象和探測重點，篩選全要素指標，建立城市地下空間全要素探測指標體系（表2）。

3.2.2 地下空間“全資源”整體評價

傳統(tǒng)的地下空間評價，僅從工程條件的適宜性開展地下空間開發(fā)利用適宜性評價，未考慮城市地下空間開發(fā)過程對礦產(chǎn)、地下水、地溫、地質(zhì)材料等資源的利用和影響。本文建立地下空間“全資源”評價理念，統(tǒng)籌考慮各類資源，是新時代地下空間開發(fā)利用的發(fā)展方向。

要開展地下空間“全資源”評價，首先需要開展地質(zhì)構(gòu)造、巖土地層、地下水、地溫場等資源與地下空間工程耦合作用下城市地下空間系統(tǒng)的分區(qū)分層特征研究，全面分析地下空間資源類型（包括地下空間、礦產(chǎn)、地下水、地溫能、地質(zhì)材料、巖土材料等）、品質(zhì)、容量及開發(fā)強度，識別各類資源稟賦的量化參數(shù)及其區(qū)位差異;其次是確立單一、復(fù)合兩大類地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下評價要素選取與量化方法，建立地下空間全資源整體評價的指標體系與評價模型;最后，提出地下空間資源不同類型子系統(tǒng)劃分規(guī)則，實現(xiàn)城市地下空間全資源、多尺度動態(tài)評價。

地下空間開發(fā)后對地質(zhì)環(huán)境條件和地質(zhì)資源的影響是需要密切關(guān)注的問題，堅持可持續(xù)發(fā)展，在“全空間資源”評價的基礎(chǔ)上，開展研究全球變化背景下，地質(zhì)環(huán)境擾動及地下空間開發(fā)利用對城市地下空間資源的反饋影響研究，開展城市地下空間全資源動態(tài)分析，揭示城市地下空間開發(fā)和利用過程中地下空間資源及其他資源的質(zhì)量與容量變化特征及其規(guī)律，研究地下空間資源環(huán)境演化模擬方法，以確保城市地下資源可持續(xù)利用，保障地質(zhì)環(huán)境安全和城市安全。

3.2.3 地下空間“全空間”協(xié)同規(guī)劃

城市地下空間規(guī)劃包括平面布局與豎向深度規(guī)劃控制。城市地下空間功能需求與潛在價值的不同，城市地質(zhì)環(huán)境及各種保護要求，共同決定城市地下空間開發(fā)的適宜性，并成為地下空間功能區(qū)劃與規(guī)劃控導(dǎo)的主要影響因素。因此，在現(xiàn)有城市規(guī)劃理論的基礎(chǔ)上，開展城市地下空間資源規(guī)劃原理與方法研究，實現(xiàn)城市地下空間“全空間”協(xié)同規(guī)劃。

不同發(fā)展階段、不同類型的城市，對城市地下空間開發(fā)利用需求也不同。以開展面向未來的城市地下空間功能需求及其預(yù)測方法研究為前提，分析不同類型的城市需求，開展不同功能、不同規(guī)劃期地下空間開發(fā)研究，進行潛在價值與經(jīng)濟、環(huán)境、生態(tài)等多目標社會和環(huán)境效益分析，從而獲得地下空間開發(fā)難度與潛在價值預(yù)測，為協(xié)同規(guī)劃提供依據(jù)。

城市地下空間協(xié)同規(guī)劃，需要從整體角度統(tǒng)籌考慮地下空間開發(fā)內(nèi)在需求與潛在價值、資源環(huán)境保護以及地上地下統(tǒng)一規(guī)劃，在現(xiàn)有城市規(guī)劃理論的基礎(chǔ)上，基于地下空間功能需求及資源利用與保護、環(huán)境影響與控制、經(jīng)濟成本與效益、韌性城市恢復(fù)力等，開展地下空間協(xié)同規(guī)劃理論與方法創(chuàng)新，確立城市地下空間規(guī)劃的控導(dǎo)方法，建立地下空間平面區(qū)劃方法及不同功能分層開發(fā)模式，并形成地下空間重點、優(yōu)化、限制、禁止與開發(fā)的原理與評價指標體系，實現(xiàn)城市地下“全空間”協(xié)同規(guī)劃。

針對目前地下空間開發(fā)引發(fā)的環(huán)境問題，了解規(guī)劃在城市地下空間可持續(xù)開發(fā)中的職責，開展規(guī)劃后評估研究。一是研究地下空間開發(fā)利用對城市大環(huán)境的影響機制（包括正面影響和負面影響），建立城市地下空間規(guī)劃環(huán)境影響評價指標體系和相應(yīng)的方法，保證地下空間開發(fā)利用的環(huán)境效益最大化發(fā)揮。二是提出城市地下空間規(guī)劃對于城市地下 “全空間資源”，包括空間資源、地熱資源、地下水資源、礦產(chǎn)資源等的協(xié)調(diào)利用水平和未來資源可持續(xù)利用的影響。

3.2.4 地下空間“全環(huán)境”監(jiān)測預(yù)警

地下空間開發(fā)過程中出現(xiàn)的各類地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境演變值得關(guān)注，因此，掌握城市地下空間開發(fā)與地質(zhì)環(huán)境的相互作用規(guī)律，通過對地下工程和地下水、土、氣等地質(zhì)環(huán)境開展監(jiān)測，評價工程擾動下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變形破壞規(guī)律及其對工程結(jié)構(gòu)物的影響，從而減少地下空間開發(fā)對地質(zhì)環(huán)境影響，保障地下工程安全和城市整體安全，保證經(jīng)濟社會和地質(zhì)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

我國城市地下空間的發(fā)展?jié)摿薮?，監(jiān)測任務(wù)艱巨。首先，要開展地下空間監(jiān)測理論與方法研究，解決監(jiān)測指標選取、精度控制、監(jiān)測分析模型和方法選定、數(shù)據(jù)平滑去噪、模式識別、數(shù)據(jù)挖掘、溫度補償?shù)入y題。其次，加大研發(fā)新型地下空間傳感器和解調(diào)系統(tǒng)，解決網(wǎng)絡(luò)集成、數(shù)據(jù)存儲傳輸、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化、供電方案等問題。

在理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合城市地下空間開發(fā)利用和地質(zhì)環(huán)境特點，選擇合適的監(jiān)測點網(wǎng)布設(shè)和監(jiān)測方法，在線實時獲得城市地下空間開發(fā)利用全過程的地質(zhì)環(huán)境變化和災(zāi)變分布信息，如地面沉降與塌陷、滑坡、地裂縫、城市水污染、海（咸）水入侵、巖土化學(xué)污染等災(zāi)害信息，地溫場升高及其引起的災(zāi)害效應(yīng)，地下古河道系統(tǒng)破壞等。另一方面，通過數(shù)值模擬和模型試驗等信息技術(shù)，掌握地質(zhì)巖性與構(gòu)造、水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件、含水層與古河道分布等地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信息變化規(guī)律，掌握既有城市地下設(shè)施，如水、電、氣管道（廊），地鐵等地下通道，建筑基礎(chǔ)，儲存庫、防空洞、地下硐室等的監(jiān)測信息變化規(guī)律。

通過對監(jiān)測原則、技術(shù)以及監(jiān)測資料匯總整理分析，建立用于地下空間開發(fā)風險評估和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警的人工智能預(yù)測預(yù)報模型、非線性預(yù)測預(yù)報模型和基于GIS 技術(shù)的信息模型。

3.3 地下空間探測與安全利用理論與技術(shù)新體系

以地球系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，融合地質(zhì)、規(guī)劃、工程、建筑、經(jīng)濟管理等多學(xué)科理論，在系統(tǒng)開展“全要素”精細探測、“全資源”整體評價、“全空間”協(xié)同規(guī)劃、“全環(huán)境”監(jiān)測預(yù)警的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新地下空間探測與安全利用理論，構(gòu)建精細探測-資源評價、區(qū)劃-協(xié)同規(guī)劃、勘察設(shè)計-施工建設(shè)、監(jiān)測預(yù)警-應(yīng)急處置四大技術(shù)體系，服務(wù)地下空間開發(fā)利用全過程，支撐地下空間安全利用和科學(xué)管理，為相關(guān)法律法規(guī)制定提供支撐（圖1）。

3.3.1 理論體系

與傳統(tǒng)地下空間開發(fā)利用強國相比，我國在地下空間資源評價和區(qū)劃規(guī)劃等理論方面存在明顯差距和不足，必須從地下空間資源與協(xié)同可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)，考慮城市地質(zhì)環(huán)境與地下空間協(xié)同、地上設(shè)施與地下空間協(xié)同、地下空間不同層次之間協(xié)同、地下空間不同開發(fā)類型協(xié)同，城市地下空間與地質(zhì)資源綜合開發(fā)利用協(xié)同等方面，創(chuàng)新城市地下空間理論體系。

（1）地下空間系統(tǒng)平衡與擾動再平衡理論。城市地下巖、土、水、氣是經(jīng)過漫長地質(zhì)歷史演化形成的相對穩(wěn)定的地下動態(tài)平衡系統(tǒng)，是由不同時期、不同階段內(nèi)、外動力地質(zhì)作用形成的共生組合體。目前，缺少城市地下地質(zhì)系統(tǒng)平衡和擾動后再平衡的理論基礎(chǔ)，地質(zhì)平衡系統(tǒng)形成與演變過程、變化規(guī)律、驅(qū)動因素對地下空間資源控制不清楚，傳統(tǒng)的水文、工程、環(huán)境學(xué)科理論難以為城市地下全要素探測、全空間資源評價提供理論支撐，以至于地下空間探測要素不齊全，探測目標不明確，立體表達的單元與系統(tǒng)劃分不統(tǒng)一，影響動態(tài)地質(zhì)平衡關(guān)鍵因素、關(guān)鍵參數(shù)、關(guān)鍵區(qū)域的識別。因此，需要創(chuàng)新城市地下地質(zhì)系統(tǒng)平衡和擾動再平衡理論，指導(dǎo)城市地下空間探測與評價。通過地下空間全要素探測，劃分相對穩(wěn)定的動態(tài)平衡系統(tǒng)，探明系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)組成、邊界，建立應(yīng)力場、溫度場、化學(xué)場、地下水流場、力學(xué)參數(shù)等系列參數(shù)檔案，評價各系統(tǒng)的自平衡狀態(tài)，系統(tǒng)邊界的穩(wěn)定性，以及不同系統(tǒng)之間的關(guān)系。

（2）地下空間資源評價理論。地下空間資源受制于地下構(gòu)造展布、地層結(jié)構(gòu)、巖土屬性及地下水系統(tǒng)等地質(zhì)環(huán)境要素，地下多種資源類型（包括地下空間、礦產(chǎn)、地下水、地溫能、地質(zhì)材料等）并存，從全空間資源角度，建立城市地下全空間資源、多尺度動態(tài)評價新理論。

（3）地下空間區(qū)劃與協(xié)同規(guī)劃理論。城市地下空間區(qū)劃和規(guī)劃是個復(fù)雜的體系，地下空間資源是有限的，科學(xué)、安全開發(fā)利用城市地下空間資源必須首先進行地上地下一體化的統(tǒng)一、協(xié)同頂層規(guī)劃，這一頂層規(guī)劃必須是科學(xué)、縝密、綜合的長遠規(guī)劃，必須是全面考慮地質(zhì)、經(jīng)濟、安全、環(huán)境，進行多因素、全功能、全深度、全資源區(qū)劃和協(xié)同規(guī)劃。

3.3.2 技術(shù)體系

為促進我國地下空間安全利用，在攻關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，形成保障地下空間科學(xué)利用和安全運行全過程的整套技術(shù)體系。

（1）城市地下空間精細探測-資源評價技術(shù)體系。城市地下空間重點探測0～200 m地下空間開發(fā)利用層，同時兼顧人類影響層（0～500 m）和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制層（0～1 000 m），針對我國不同區(qū)域城市地下空間開發(fā)現(xiàn)狀與地質(zhì)環(huán)境具體特點，確定探測深度。一是研發(fā)適用于探測地下0～1 000 m以內(nèi)不同深度、不同精度巖、土、水、氣組成、結(jié)構(gòu)、參數(shù)、指標、儲存、顯示、分析、表達所需要的定位測量技術(shù)、物探技術(shù)、鉆探技術(shù)、測井技術(shù)、測試技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)、數(shù)據(jù)集成技術(shù)、三維建模技術(shù);二是研究城市地下空間資源稟賦、安全資源量、資源品質(zhì)、資源經(jīng)濟價值、環(huán)境影響等及地下空間分層功能適用性。形成地下空間資源整體評價指標、模型和技術(shù)方法。通過關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和技術(shù)方法集成，形成城市地下空間精細探測-資源評價技術(shù)體系。

（2）城市地下空間區(qū)劃-協(xié)同規(guī)劃方法體系。建立地下空間協(xié)同區(qū)劃-協(xié)同規(guī)劃技術(shù)體系是地下空間安全利用的必由之路。研究不同功能地下設(shè)施埋深適宜性、協(xié)同演化機理、空間布局要求;研究城市地下全資源（地下空間、地下水、地溫能、地質(zhì)材料）開發(fā)相互影響的識別評價方法，包括模式識別、表征指標體系、系統(tǒng)動力學(xué)模型與模擬方法等;提出城市地下多種資源協(xié)同開發(fā)的原理、優(yōu)先級及避讓保護方法、開發(fā)邊界與規(guī)劃控導(dǎo)方法、協(xié)同規(guī)劃與管控方法等技術(shù)。

（3）地下空間勘察-施工建造技術(shù)體系。研究考慮巖土介質(zhì)、地下結(jié)構(gòu)以及多種界面影響的城市既有地下空間的探測理論和技術(shù)，基于地下結(jié)構(gòu)的服役規(guī)律，建立城市既有地下空間服役性、使用性、結(jié)構(gòu)安全性的評估模型及既有空間改造的可行性分析方法;研究既有結(jié)構(gòu)與新結(jié)構(gòu)的長期協(xié)同機理，分析改擴建工程的環(huán)境擾動影響，形成城市既有地下空間改造工程的設(shè)計方法、施工關(guān)鍵技術(shù)，并研發(fā)配套施工裝備。建立不同深度巖土體結(jié)構(gòu)模型，研究多場環(huán)境下地下工程擾動-平衡機理，形成深層地下空間多場、多尺度地層-結(jié)構(gòu)-環(huán)境耦合理論和計算模型，建立深層地下結(jié)構(gòu)全壽命的安全評估方法以及其對地下水、地質(zhì)環(huán)境、淺層地下結(jié)構(gòu)和區(qū)域地表沉降的影響分析方法;研究復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境、場地環(huán)境下的地下工程響應(yīng)和擾動規(guī)律，形成地下工程建造關(guān)鍵技術(shù)體系;研發(fā)適合深層地下空間的新型結(jié)構(gòu)形式、施工工藝和設(shè)備，建立深層地下空間施工的微擾動施工控制體系，構(gòu)建基于風險管控的建設(shè)、運維安全體系，實現(xiàn)深層地下空間的綠色、友好、開放、安全建設(shè)。

（4）地下空間監(jiān)測-預(yù)警技術(shù)體系。主要包括與地下深部大變形相適配的傳感器設(shè)計，高壓、高溫環(huán)境下應(yīng)力、應(yīng)變傳感器研發(fā)，深部鉆孔傳感器的植入及保護技術(shù)以及地下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能集成與自適應(yīng)技術(shù);多參量傳感器數(shù)據(jù)整合融合和智能處理技術(shù);深部巖體和地質(zhì)環(huán)境全面、完整的動態(tài)信息獲取技術(shù);地下空間地質(zhì)環(huán)境演變與地下工程安全預(yù)測預(yù)警模型。通過監(jiān)測-預(yù)警技術(shù)體系的信息獲取和模型厚繭，利用動態(tài)監(jiān)測信息，實現(xiàn)地下空間地質(zhì)環(huán)境演變與地下工程安全狀況的態(tài)勢分析、超前預(yù)測和安全預(yù)警。

4 結(jié) 論

（1）向地下要空間，科學(xué)開發(fā)、安全利用城市地下空間資源，是轉(zhuǎn)變城市發(fā)展方式、突破城市發(fā)展瓶頸、破解城市發(fā)展困境的必然選擇。

（2）圍繞我國地下空間探測與開發(fā)利用的現(xiàn)狀，提出了地下空間“全要素”精細探測、“全資源”整體評價、“全空間”協(xié)同規(guī)劃和“全環(huán)境”監(jiān)測預(yù)警新理念，圍繞地下空間開發(fā)利用中面臨的重要科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)問題，構(gòu)建了城市地下空間探測與安全利用新的理論體系和技術(shù)體系。

（3）上述新理念、新理論、新技術(shù)的提出，旨在促進我國城市地下空間探測、開發(fā)、安全利用和科學(xué)管理，豐富和完善地下空間學(xué)科的理論體系。

致謝：本文是在中國地質(zhì)調(diào)查局和中國地質(zhì)科學(xué)院地球深部探測中心的支持下，是城市地下空間探測與安全利用領(lǐng)域?qū)＜?、學(xué)者的集體智慧結(jié)晶，探測技術(shù)方法方面專家有：戴春森、石顯新、鄧曉紅、夏江海、譚卓英、羅水余、賈軍、宋殿蘭等;地質(zhì)調(diào)查、資源評價和協(xié)同規(guī)劃方面的專家有：徐錫偉、李曉昭、吳立新、廖云平、史玉金、張光輝等;監(jiān)測預(yù)警方面的專家有：施斌、張丹、朱鴻鵠等;信息系統(tǒng)方面的專家有：李超嶺、花衛(wèi)華、李豐丹等;特殊地下空間利用專家有：鄧建輝、高明忠、李旭峰等。本文編寫過程中，董樹文研究員、高銳院士、王成善院士、王復(fù)明院士、彭建兵教授、朱合華教授、陳志龍教授給予了高屋建瓴的指導(dǎo)，南京大學(xué)、中南大學(xué)、同濟大學(xué)、解放軍陸軍工程大學(xué)、四川大學(xué)、北京科技大學(xué)、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、中國地震局等有關(guān)高校和科研院所給予了大力支持，在此一并表示感謝！

參考文獻

[1] 崔曙平. 國外地下空間開發(fā)利用的現(xiàn)狀和趨勢[J]. 城鄉(xiāng)建設(shè)， 2007（6）： 68-71.

[2] 李地元， 莫秋喆. 新加坡城市地下空間開發(fā)利用現(xiàn)狀及啟示[J]. 科技導(dǎo)報， 2015， 33（6）：115-119.

[3] 李小春， 蔣宇靜. 日本的地下空間利用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2004， 23（Z）： 4770-4777.

[4] LI X Z， LI C C， PARRIAUX A， et al. Multiple resources and their sustainable development in urban underground space[J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2016： 55： 59-66.

[5] 趙鐠， 姜杰， 王秀榮. 城市地下空間探測關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢[J]. 中國煤炭地質(zhì)， 2017， 29（9）： 61-66.

[6] 程光華， 翟剛毅， 莊育勛， 等. 中國城市地質(zhì)調(diào)查成果與應(yīng)用：北京、上海、天津、杭州、南京、廣州試點調(diào)查[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2014： 5.

[7] 黃玉田， 張欽喜，孫家樂. 北京市中心區(qū)地下空間資源評估探討[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 1995， 21（2）：93-99.

[8] HO J. Feasibility study of vertical greening for underground space in Hong Kong[D/DB]. 2015. http：//dx.doi.org/10.5353/th_b5673742.

[9] 柳昆， 彭建， 彭芳樂. 地下空間資源開發(fā)利用適宜性評價模型[J]. 地下空間與工程學(xué)報， 2011， 7（2）： 219-231.

[10]方寅琛， 龔日祥， 李三鳳， 等. 基于三維地質(zhì)模型的地下空間開發(fā)適宜性評價——以嘉興城市地質(zhì)調(diào)查工作為例[J]. 上海國土資源， 2017， 38（2）： 43-45.

[11]夏友， 馬傳明. 鄭州市地下空間資源開發(fā)利用地質(zhì)適宜性評價[J]. 地下空間與工程學(xué)報， 2014， 10（3）： 493-497.

[12]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于印發(fā)城市地下空間開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃的通知[EB/OL]. 2016-05-25[2016-06-27]. http：//www.mohurd.gov.cn/wjfb/201606/t20160622_227841.html.

[13]錢七虎. 城市可持續(xù)發(fā)展與地下空間開發(fā)利用[J]. 地下空間， 1998， 18（2）： 69-74.

[14]錢七虎. 中國城市地下空間開發(fā)利用的現(xiàn)狀評價和前景展望[J]. 民防苑， 2006（Z）： 1-5.

[15]朱大明. “地下空間學(xué)”學(xué)科體系引論[J]. 地下空間與工程學(xué)報， 2011， 7（4）： 619-627.