城市地下空間安全監(jiān)管系統(tǒng)研究

孫芳 許令順 楊英 方芳

摘 要：城市空間資源的不足限制了城市建設(shè)和發(fā)展，城市地下空間的開發(fā)與利用在城市建設(shè)和發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用，但由于城市地下空間的特殊地理位置和復(fù)雜功能，地下空間的管理長期處于被忽略的位置。針對城市地下空間具有隱蔽性、復(fù)雜性、易破壞性等特點，運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，將地下空間面臨的風(fēng)險進行分類，并進行專門性監(jiān)測和統(tǒng)一管理，建立具有風(fēng)險隱患提前預(yù)警、安全事件及時報警和應(yīng)急指揮輔助決策的監(jiān)管系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：城市地下空間;風(fēng)險;監(jiān)管系統(tǒng);公共安全;網(wǎng)絡(luò)傳輸;實時監(jiān)測

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）01-000-03

0 引 言

隨著人口急劇增長，城市規(guī)模迅速擴大，城市地上可利用土地資源逐漸緊張。20世紀70年代后期，工業(yè)發(fā)達國家將地表下由天然形成或人工開發(fā)形成的地下空間[1]視為資源，大力發(fā)展各類地下建筑工程。縱向看，地下空間是城市地面基礎(chǔ)設(shè)施的主要載體;橫向看，地下空間可提供城市建設(shè)的利用空間，地下空間又是城市發(fā)展的二次土地資源。地下空間的開發(fā)和利用是城市建設(shè)的重要組成部分，是改善城市環(huán)境、提高城市容量的重要手段，是實施社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要資源。據(jù)2016年7月發(fā)布的《2016—2022年中國地下空間開發(fā)利用產(chǎn)業(yè)深度調(diào)研及市場前景預(yù)測報告》顯示，我國可供合理開發(fā)的地下空間資源量達3 873.60億立方米。

人類開發(fā)利用地下空間具有悠久的歷史，城市地下空間的發(fā)展經(jīng)歷了一個從自發(fā)利用到自覺開發(fā)、從被動走向主動的漫長過程[2]。遠古時期，遠古人類擇天然洞穴為居，躲避寒暑風(fēng)雨和猛獸侵襲。7 000～5 000年前，出現(xiàn)了人工挖掘的居住洞穴和向地表延伸的擁有簡單屋頂?shù)陌氲匮ā? 000多年前的窯洞文化是人類定居生活的活化石。

我國城市地下空間的開發(fā)起初是以戰(zhàn)備為主要目的的人防工程，如地道網(wǎng)。北京地鐵基于戰(zhàn)爭疏散和城市交通思想，是中國首次開發(fā)和利用城市地下空間。

國外城市地下空間的開發(fā)利用起步較早的有日本、美國、歐洲等。從1863年建成使用的倫敦地鐵到西方城市線性城市、雙層城市、垂直城市等理論概念的提出與實踐[3]，伴隨著人類社會發(fā)展的歷史過程，地下空間呈現(xiàn)出不同的模式和特征。

圖1展示了一個將現(xiàn)代化城市空間發(fā)展向地表下延伸的多功能 “地下城”。分層布置構(gòu)筑物，以地下交通設(shè)施為主要聯(lián)系通道，顯示出地下空間強大的可疊加性，統(tǒng)一規(guī)劃，使相對獨立的地下空間體現(xiàn)出發(fā)展的完整性、優(yōu)越性。

此外，地下空間的發(fā)展也是由于地下空間的環(huán)境性質(zhì)與地上空間不同，地下環(huán)境恒溫恒濕的特性有利于糧食、酒類的長期保存，我國古代將糧倉（如隋代洛陽的含嘉倉）等建在地下。

目前城市地下空間發(fā)展方向主要包括地下建筑、地下商業(yè)、地下管線、地下管廊、地下隧道、地下交通、地下物流、人防工程、應(yīng)急防災(zāi)等基礎(chǔ)設(shè)施。地下建筑包括居住建筑、公共建筑以及各種公共基礎(chǔ)設(shè)施[4]、地下倉儲設(shè)施及容納市政管線的廊道設(shè)備等。地下商業(yè)和地下市政設(shè)施可相互連接成動態(tài)交通網(wǎng)，具有“平戰(zhàn)”雙重功能的人防工程[5]為城市發(fā)展保駕護航。城市地下空間的功能方向見表1所列。

同時，城市地下空間大開發(fā)面臨著諸多挑戰(zhàn)，如地下開挖技術(shù)[6]、地下空間安全、地下空間利用戰(zhàn)略、地下空氣污染等，涉及規(guī)劃、法規(guī)、消防、結(jié)構(gòu)、管理[7]、環(huán)境、心理等方面，這些挑戰(zhàn)導(dǎo)致地下空間利用存在交錯混亂、相互影響等隱患。

1 城市地下空間面臨的安全風(fēng)險

地下空間建筑與城市地面街區(qū)功能相同，與地面相比，地下建筑環(huán)境具有封閉特性，如果室內(nèi)濕度較大，不僅會引起悶熱不適等生理反應(yīng)，還將有助于蚊、蠅害蟲及霉菌繁殖生長。另外，地下空間應(yīng)特別注意CO，CO2濃度，放射性物質(zhì)含量和灰塵、氣味等。

目前地下空間的迅速發(fā)展大多以軌道交通系統(tǒng)（地鐵、輕軌）、地下商場（商店、停車場）和相互連通區(qū)域（地鐵不同線路的換乘點）等多個復(fù)雜對象為綜合體，不具有單一環(huán)境，所涉及的危險風(fēng)險源種類雜、數(shù)量多[8]，風(fēng)險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，耦合事故聯(lián)動可能性大。同時由于城市地下空間人員聚集，一旦發(fā)生事故，人員擁擠、疏散困難、施救難度大，人員傷亡風(fēng)險高。

城市地下空間的安全事故不僅危及地下空間和地下、地面消費者，還會危及與地下空間相連的區(qū)域，甚至波及更大范圍，對周邊居民、行人的生命和財產(chǎn)安全形成威脅[9]，安全事故將直接損害城市的公共安全。

地下空間存在的風(fēng)險事故包括火災(zāi)、水災(zāi)、施工事故、爆炸事故、坍塌事故、內(nèi)容物泄露、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2展示了城市地下空間的風(fēng)險事件。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。泄露事故易造成火災(zāi)、爆炸和空氣污染，爆炸事故引起火災(zāi)和破壞結(jié)構(gòu)并造成粉塵顆粒污染，火災(zāi)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)，一旦水災(zāi)破壞了地下設(shè)備便將影響交通和通信等方面，而施工事故會引起火災(zāi)和爆炸[10]。

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

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[11]，大暴雨等極端降水頻率加大。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”潮濕;嚴重時甚至?xí)茐慕ㄖY(jié)構(gòu)，影響地下空間和承載的地面建筑物的安全。

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[12]。洪澇一旦發(fā)生，水由地下建筑物的入口迅速到達地勢偏低的多層地下空間，甚至相連通的地下空間[13]，將直接造成地下設(shè)備和儲存物資的損壞甚至人員傷亡。

地下空間結(jié)構(gòu)受周圍不利地質(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，都會引起沉降、崩塌等事故[14]。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，對地面原有建筑物的安全及圍巖的穩(wěn)定性造成威脅[15]，由此引起的地面沉降問題也逐漸顯現(xiàn)。

2 城市地下空間監(jiān)管系統(tǒng)介紹

地下空間安全監(jiān)管的目的是預(yù)防事故發(fā)生，或事故發(fā)生后最大程度阻止事態(tài)擴大，減少損失。地下空間安全監(jiān)管系統(tǒng)包括地下空間風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、地下空間安全監(jiān)管應(yīng)用系統(tǒng)三部分。

2.1 地下空間風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)

地下空間風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)針對地下空間面臨的風(fēng)險，構(gòu)建“天空地”立體化監(jiān)測網(wǎng)。針對每一類風(fēng)險，監(jiān)測的類型包括多個方面，實現(xiàn)隱患及時發(fā)現(xiàn)、事件實時報警和科學(xué)分析的數(shù)據(jù)支持，具體內(nèi)容如圖2所示。

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)包括前端監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸以及地下空間監(jiān)管系統(tǒng)與各管理單位之間的網(wǎng)絡(luò)。如圖3所示，可以通過無線由地下空間現(xiàn)場向監(jiān)管中心的網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，如3G/4G，GPRS，NB等，也可以通過專線方式進行傳輸。地下空間監(jiān)管中心通過專線與各地下空間使用管理單位進行信息傳輸。

2.3 地下空間安全監(jiān)管應(yīng)用系統(tǒng)

地下空間安全監(jiān)管應(yīng)用系統(tǒng)包括地下空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、地下空間運行狀態(tài)實時監(jiān)測、地下空間運行風(fēng)險報警分析和地下空間安全事件綜合處置。

（1）地下空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)是將地下空間從規(guī)劃到建設(shè)和運行的全周期數(shù)據(jù)進行管理，并對數(shù)據(jù)進行及時更新和維護，保證數(shù)據(jù)的時效性，具體包括地下空間的類型、基礎(chǔ)地理信息、日常維護維修信息等。

（2）地下空間運行狀態(tài)實時監(jiān)測是在地下空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之上顯示傳感器數(shù)據(jù)，實時展示地下空間的運行狀態(tài)。

（3）地下空間運行風(fēng)險報警分析是根據(jù)對每類監(jiān)測傳感器設(shè)置的閾值，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值后對地下空間的運行異常和發(fā)生的危險源進行報警。

（4）地下空間安全事件綜合處置是當(dāng)?shù)叵驴臻g出現(xiàn)安全問題后，通過綜合分析，提出地下空間安全問題處置的建議及應(yīng)急處置方案。

3 結(jié) 語

在以往我國的城市管理中，存在“重地上、輕地下”的現(xiàn)象，在城市地下空間發(fā)展迅速、地下空間各類風(fēng)險事故頻發(fā)的背景下，城市管理必須更多地向地下轉(zhuǎn)移，因此，期待各城市管理單位設(shè)置地下空間管理部門，對城市地下空間進行綜合管理，解決多頭管理和管理缺位的問題。地下空間管理部門的具體工作職責(zé)包括地下空間統(tǒng)籌規(guī)劃和地下空間的日常管理。前者指地下空間建設(shè)需提前進行申請，然后地下空間管理部門根據(jù)地下空間的利用安全性、經(jīng)濟性等原則對申請進行評估，統(tǒng)籌規(guī)劃全市地下空間建設(shè)，既可避免工程擾動對已有地下建筑物的影響，也可避免空間資源浪費、整體空間功能布局不合理、空間利用效率低下等問題，強化地下空間開發(fā)對城市發(fā)展的積極促進作用。后者指負責(zé)地下空間日常的安全管理、環(huán)境管理等工作。對城市地下空間安全進行全方位識別、合理估測評價，建立有效的風(fēng)險預(yù)警管理機制以預(yù)防風(fēng)險事故發(fā)生，制定切實可行的應(yīng)急預(yù)案以降低風(fēng)險事故的危害，從而達到安全利用地下空間的目的。

將“智慧”“信息化”等先進的技術(shù)手段應(yīng)用于地下空間監(jiān)管，做好地下空間基礎(chǔ)信息的采集與處理，依托地下空間智慧化平臺為城市地下空間的規(guī)劃、建設(shè)、管理等提供智慧決策。對地下空間范圍內(nèi)的建筑、結(jié)構(gòu)、供熱、通風(fēng)、空調(diào)、給排水和電力照明等實現(xiàn)可視化表達及展示，實現(xiàn)感知-傳遞-智能控制功能，為事故現(xiàn)場的應(yīng)急指揮與決策以及事故發(fā)生后的搶險與遷移等提供信息與輔助支持，提升地下空間安全防控水平，為地下空間規(guī)劃、建設(shè)和管理提供強有力的決策依據(jù)。

參 考 文 獻

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