城市快速路地下淺層帶狀空間利用研究

黃蘭可，周俊杰

(蘇交科集團股份有限公司，南京 210019)

隨著我國城市化進程的快速推進，人口密集型城市建設(shè)空間的需求急劇增加，用地緊張、城市擴張無序、環(huán)境污染加劇等問題尤為突出，如何科學(xué)合理地開發(fā)利用地下空間、優(yōu)化城市地下空間結(jié)構(gòu)成為城市設(shè)計的新挑戰(zhàn)。保證地下空間和地面空間協(xié)調(diào)有序，注重城市高質(zhì)量發(fā)展，能夠有效緩解城市可利用空間緊張的問題[1]，并最終實現(xiàn)大型城市地下空間利用的緊湊化、立體化、職能化、高效化。

城市淺層地下空間開發(fā)利用已有研究，日本在20世紀(jì)70年代頒布了地下空間開發(fā)方針，并在多個城市開展了工程應(yīng)用，實際效果良好[2]。在歐美城市的地下空間利用中，地下系統(tǒng)建設(shè)主要表現(xiàn)在大型綜合體的興建和地下交通系統(tǒng)的聯(lián)動，形成地下空間層間功能區(qū)分、職能協(xié)調(diào)的發(fā)展模式[3]。我國在城市化進程中對地下空間開發(fā)也進行了大量探索，據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2018年年底，我國大陸地區(qū)有35個城市開發(fā)了185條城市軌道運營線路，地鐵占比為75.6%。上海軌道交通運營里程年均增幅大于10%[4]。武漢地下空間規(guī)模從2008年的0.6 km2增至2019年的42 km2，還規(guī)劃了多個大型地下綜合城[5]。北京地下空間規(guī)模自2006年的30 km2增至2020年的90 km2[6]。截至2019年年底，南京地下建筑面積為38 km2，是2005年南京地下建筑面積的10倍，中心城區(qū)約30 km2[7]。對于地下淺層空間深度的研究，雷升祥等[8]認(rèn)為地面以下0～50 m可用于地下軌道交通和避難設(shè)施，城市地下開發(fā)需要考慮空間開發(fā)的層次性和時序性，0～30 m可作為主要開發(fā)范圍，深度30 m以上可作為遠期資源保留。童本勤等[6]將地下淺層范圍分為3個層次，開發(fā)時需根據(jù)淺層地下資源進行分區(qū)評估。楊奎等[9]分析得出地下0～10 m是人類活動最頻繁的地下空間區(qū)域。由上述研究可知，城市地下空間規(guī)劃范圍為地下0～50 m的淺層區(qū)域。

然而，現(xiàn)有城市地下空間資源往往受到地域地形、地理環(huán)境、土地利用情況等因素限制，不能或不宜進行地下空間開發(fā)[6,10-11]，如城墻遺址保護區(qū)、地下空間低需求區(qū)、軍事設(shè)施、名勝古跡等禁止建設(shè)區(qū)等，導(dǎo)致地下空間規(guī)劃呈現(xiàn)間斷型、點狀等不連續(xù)狀態(tài)。同時，地下空間豎向不同層位的資源規(guī)劃利用無明確規(guī)定和建設(shè)思路[7]，導(dǎo)致地下空間利用率低，地面與地下以及地下各構(gòu)筑物間的發(fā)展不協(xié)調(diào)。

因此，本文針對上述問題，對快速路建設(shè)過程中隧道與路面間的淺層空間利用進行研究，基于現(xiàn)有地下空間利用狀況，分析現(xiàn)有問題，提出一種快速路地下淺層帶狀空間的利用原則和利用方法，并依托南京橫江大道快速路改造工程，對利用方法進行應(yīng)用探討和合理性評價，對地下空間利用前后交通量進行預(yù)測對比，探究帶狀地下空間資源開發(fā)對城市發(fā)展的重要性。

1 城市快速路地下帶狀空間利用

1.1 快速路地下帶狀空間概念

城市地下空間結(jié)構(gòu)開發(fā)往往需要大量資金投入，同時，城市快速路不可避免地需要進行地下交通建設(shè)，有時數(shù)公里的地下空間僅設(shè)置一條隧道或一條綜合管廊，易造成空間資源浪費。城市快速路地下帶狀空間以快速路、軌道交通等快速交通為紐帶，沿線建設(shè)綜合管廊、地下城市、街區(qū)、大型停車場和輔助道路(匝道、進出口)等配套設(shè)施，既能有效降低建設(shè)成本，又能高效利用地下空間資源。相較于傳統(tǒng)地下空間點狀開發(fā)模式，地下帶狀空間開發(fā)模式能更好地打造一體化城市空間。

以城市快速路沿線的地下淺層空間(0～50 m)至兩側(cè)紅線作為地下帶狀空間資源開發(fā)范圍。地下空間開發(fā)經(jīng)歷規(guī)劃、建設(shè)和使用管理，形成了城市快速路地下沿線連續(xù)、各層位協(xié)調(diào)發(fā)展的空間資源開發(fā)全周期建設(shè)。

1.2 地下空間利用原則

根據(jù)現(xiàn)有地下空間利用狀況，提出城市快速路建設(shè)過程中地下空間資源的利用原則。

1.2.1 協(xié)調(diào)利用原則

城市地下空間開發(fā)過程多存在地面與地下地下空間利用不協(xié)調(diào)問題，楊曉剛等[7]通過調(diào)查我國8個典型城市地下空間利用現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)不同城市開發(fā)程度差別較大，且部分存在冒進式和不協(xié)調(diào)的開發(fā)問題。雷升祥等[8]研究表明我國地下空間開發(fā)系統(tǒng)主要集中于地下淺層空間，對于地下豎向分層規(guī)劃考慮不足，影響開挖潛力。

城市快速路建設(shè)需要沿線建設(shè)大量的地面道路、高架路和隧道，地面交通與地下交通間存在大量互通節(jié)點，可以為后期地面和地下構(gòu)筑物的協(xié)調(diào)互通提供便捷通道，同時，地下交通建設(shè)過程需要大量土方開挖，直接回填會導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失和開發(fā)的不可逆性。

鑒于以上原因，快速路建設(shè)過程中需要對隧道和路面間的淺層地下空間進行改造利用，快速路隧道淺層部位設(shè)置示意如圖1所示。在保證原有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全的基礎(chǔ)上，進行配套構(gòu)筑物建設(shè)，既有隧道出入口兩側(cè)土層較淺部分可設(shè)置輔道出入口，中部土層較深區(qū)域可根據(jù)上部建筑結(jié)構(gòu)設(shè)置相應(yīng)的停車場、地下商城等配套設(shè)施，充分利用快速路隧道建設(shè)過程中沿線的地下帶狀空間。

圖1 快速路隧道淺層部位設(shè)置示意

1.2.2 以人為本原則

規(guī)劃設(shè)計過程需充分考慮人員的流動性。地下空間封閉性較強，空氣流通性較差，災(zāi)害破壞程度大，救援難度高[12]，在設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮流通人員的安全舒適。地下空間不同深度構(gòu)筑物規(guī)劃分類如表1所示。地下空間的位置不同，地下開發(fā)的功能屬性不同，隨著深度的增加，人員流動自由程度逐漸降低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸提高，封閉空間的污染影響逐漸降低。在此基礎(chǔ)上建設(shè)各種配套保護措施，形成安全、快捷、環(huán)保的一體化地下空間城市。

表1 地下空間不同深度構(gòu)筑物規(guī)劃分類

1.2.3 層間職能分化原則

不同層位的構(gòu)筑物差別較大：地下空間淺層位置主要服務(wù)于人行和慢行系統(tǒng)，方便人員流通，能夠提供近似于地面建筑結(jié)構(gòu)的功能；中層位置一般可通過明挖基坑方式進行施工，設(shè)置隧道、管廊結(jié)構(gòu)，有效緩解交通擁堵，減少交通占地，降低噪聲污染；深層位置的開發(fā)較少，一般通過盾構(gòu)方式進行地下軌道交通建設(shè)。

1.3 快速路地下空間利用方法

現(xiàn)有城市地下空間豎向分層的規(guī)劃尚無明確方案和思路，但地下空間利用應(yīng)遵循可持續(xù)性和結(jié)構(gòu)合理性，同時應(yīng)根據(jù)城市實際需求，完善配套設(shè)施建設(shè)?；诔鞘锌焖俾烦墒斓慕ㄔO(shè)改造工程方案，提出以快速路為紐帶的地下帶狀空間建設(shè)方法?？焖俾返叵驴臻g利用技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 快速路地下空間利用技術(shù)路線

快速路地下空間利用應(yīng)當(dāng)：①對城市快速路網(wǎng)進行建設(shè)規(guī)劃，分析城市地下空間持續(xù)發(fā)展需求；②結(jié)合沿線兩側(cè)建筑需求和空間利用原則，對快行系統(tǒng)地下空間進行分層規(guī)劃；③根據(jù)不同層位施工方式、道路線型要求、層間處理方式，進行地下空間結(jié)構(gòu)合理設(shè)計；④根據(jù)消防、交通安全、照明等要求進行多專業(yè)設(shè)施配套建設(shè)；⑤對規(guī)劃、設(shè)計、施工、管理建設(shè)工程全周期進行標(biāo)準(zhǔn)化、信息化管理制度完善。

2 工程案例分析

根據(jù)上文所述快速路地下空間開發(fā)利用原則和方法，對南京橫江大道快速路改造工程的地下空間利用情況進行案例分析。

2.1 工程概況

橫江大道是南京江北新區(qū)規(guī)劃“六橫十縱”快速路中的“一橫”，橫江大道(緯三路至城南河段)全長7.2 km，北接橫江大道長江大橋至緯三路段，南接橫江大道城南河路至S356段，設(shè)計速度為80 km/h，遠景年交通量為9.2萬pcu/d?？焖俾反┰浇毙聟^(qū)CBD(中央商務(wù)區(qū))，采用下穿隧道方式，全線設(shè)有“一長隧、一中隧、一節(jié)點隧”，隧道總長4.165 km，占總里程的57.95%。其中，長隧(CBD隧道)埋深最大達30 m，明挖隧道基坑支護主要采用地連墻工藝，地連墻最大深度可達68 m，隧道埋深和樁基深度均為國內(nèi)領(lǐng)先水平，地下空間資源豐富，發(fā)展?jié)摿^大。

2.2 城市地下空間可持續(xù)發(fā)展需求

根據(jù)現(xiàn)有規(guī)劃要求，江北新區(qū)中心區(qū)地下空間一期工程(以下簡稱“地下空間一期工程”)與在建的橫江大道快速路改造工程垂直交叉，屬于多層開發(fā)的地下綜合體，開發(fā)體量大，特別是地下空間一期工程的地下環(huán)路、綜合管廊等，對地下空間開發(fā)要求較高。通過比選研究，規(guī)劃近期地下空間利用以江北新區(qū)中心區(qū)建設(shè)為主，主要服務(wù)于CBD兩側(cè)的大型商城，通過在隧道頂部設(shè)置多層夾層的方式進行遠期地下空間開發(fā)預(yù)留，以達到地下空間可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃要求。橫江大道沿線地下空間建設(shè)地塊平面圖如圖3所示。

圖3 橫江大道沿線地下空間建設(shè)地塊平面圖

江北新區(qū)中心區(qū)占地面積約16 km2，其中CBD區(qū)域占地面積約7.6 km2。解決區(qū)域的快速到發(fā)難題，可以預(yù)先將車輛誘導(dǎo)至地下。在減少對地面干線道路產(chǎn)生負(fù)荷的同時，在核心區(qū)建立“地下道路—地下聯(lián)絡(luò)道—地下車庫”的單循環(huán)三級車行系統(tǒng)，使部分到發(fā)交通能夠在外圍快速路網(wǎng)和地下車庫之間迅速轉(zhuǎn)換，釋放地面道路空間，提高交通出行效率和區(qū)域環(huán)境品質(zhì)。

2.3 快行系統(tǒng)地下空間分層規(guī)劃

根據(jù)地下空間開發(fā)原則，提出快行系統(tǒng)地下空間建設(shè)方案：快速路主線隧道最深位置位于地下4層；地下商務(wù)層占用地下1層，主要用于地下商城建設(shè)；地下2層和3層為地下環(huán)路和停車場，用于商務(wù)區(qū)車輛進出和停車。定山大街沿線設(shè)有綜合管廊，位于地下4層，由于管廊節(jié)點位于4層環(huán)路，與主線不交叉，二者可以設(shè)置在同一層。隧道下面的地下5層為地鐵4號線和13號線。CBD地下多層空間開發(fā)示意如圖4所示。

圖4 CBD地下多層空間開發(fā)示意

該規(guī)劃能夠顯著提升CBD區(qū)域的交通流量和消費能力，同時保證人行安全、交通便捷，通過對噪聲、尾氣等污染集中處理，還能降低對地面環(huán)境的影響。

地下空間與地面道路協(xié)調(diào)設(shè)計如圖5所示。根據(jù)地面交通與地下各層結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)利用原則，第2、3層的地下停車場采用地下環(huán)路進行溝通，地下環(huán)路在商務(wù)西街西側(cè)和定山大街東側(cè)分別設(shè)置預(yù)留出入口，將其上下匝道接入橫江大道輔路。第4層快速路主線隧道采用長隧道穿越CBD的方式，在隧道的前后分別設(shè)置一對主輔連接道，方便CBD的車輛進出橫江大道主線。另外，考慮地下交通的快速疏散，在商務(wù)西街西側(cè)增加一對出入口，方便西側(cè)交通流與地下空間快速溝通，減少通過地面紅綠燈的次數(shù)，東側(cè)只經(jīng)過一個紅綠燈，不增加出入口設(shè)置，以此保證地下各層與地面空間相互貫通。

圖5 地下空間與地面道路協(xié)調(diào)設(shè)計(單位：m)

2.4 地下空間結(jié)構(gòu)合理設(shè)計

考慮到地下空間可持續(xù)開發(fā)問題，采用隧道上部多層夾層空間預(yù)留的方式進行地下各層開發(fā)。以地下2層的地下停車場為例，明挖隧道埋深較大的地段，可在滿足結(jié)構(gòu)安全的條件下對夾層進行地下車庫建設(shè)，同時對暫時無開發(fā)要求的空間保持遠期預(yù)留。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，橫江大道CBD隧道工程在穿越江北新區(qū)CBD地下空間時，形成南北兩側(cè)空腔，其中南側(cè)空腔可利用部分長度約660 m、寬度約31 m、隧道最大埋深達20 m，通過考慮管線、抗浮等因素，規(guī)劃明挖隧道頂部夾層區(qū)域建設(shè)城市公共停車場。夾層空間地下停車場布置如圖6所示。

(a) 縱斷面

(b) 斷面圖6 夾層空間地下停車場布置

由于土建工程成本已在隧道結(jié)構(gòu)施工中結(jié)算，故只需考慮停車場自身結(jié)構(gòu)的建設(shè)成本，該規(guī)劃不僅能夠有效節(jié)省建設(shè)成本，還能在豎向空間新增近700個停車位，有效服務(wù)兩側(cè)地塊。在設(shè)計合理性方面，考慮到隧道埋深較大，上部荷載經(jīng)過應(yīng)力擴散后對隧道結(jié)構(gòu)影響較小，同時，空腔結(jié)構(gòu)的停車場所產(chǎn)生的附加應(yīng)力荷載比直接回填土產(chǎn)生的附加應(yīng)力荷載更小，能夠有效保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.5 多領(lǐng)域配套設(shè)施建設(shè)

為保證地下空間行人和車輛的安全和舒適，需要多領(lǐng)域配套設(shè)施建設(shè)，包括：①電氣工程，以保障地下商場和交通系統(tǒng)的供配電和照明要求，重點保障人員流動性較大區(qū)域的各類預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)；②通風(fēng)工程，包括對平時通風(fēng)管理和火災(zāi)后的事故通風(fēng)處理，采用就地手動、就地自動和遠程控制相結(jié)合的多種系統(tǒng)控制方式，以保證地下空間的人員和財產(chǎn)安全；③消防工程，主要包括地下各層空間配備的獨立消防控制系統(tǒng)，不同構(gòu)造物設(shè)置不同的防火分區(qū)。

2.6 標(biāo)準(zhǔn)化、信息化管理

該中心區(qū)為江北新區(qū)核心，屬于建設(shè)的重中之重，在今后較長時間內(nèi)，將同時進行大量的建設(shè)工程，需要建立地下空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，進行實時結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測，其中主要監(jiān)測項目為隧道結(jié)構(gòu)的位移。該監(jiān)測系統(tǒng)主要包括傳感器子系統(tǒng)、采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和評估子系統(tǒng)。

監(jiān)測的主要流程為：①將相關(guān)傳感器(位移計、應(yīng)變計等)安裝在結(jié)構(gòu)病害風(fēng)險較大的位置，并采集結(jié)構(gòu)相關(guān)信息；②將采集到的數(shù)據(jù)通過傳輸系統(tǒng)(光纖、電纜、網(wǎng)線等)傳輸至相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行數(shù)據(jù)解調(diào)和初步處理；③將初步處理后的數(shù)據(jù)傳輸至管理中心，通過服務(wù)器上運行的損傷識別、健康評估和管理決策等軟件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析，提供地下環(huán)路的健康狀況，對病害的發(fā)展趨勢進行預(yù)測，并對超出預(yù)警值的病害及時報警，提醒管理人員及時處理。

3 基于地下空間開發(fā)的交通量預(yù)測分析

基于橫江大道CBD城市快速路地下帶狀空間開發(fā)實例，結(jié)合近年來原路段的交通量統(tǒng)計進行未來的交通量預(yù)測，同時參考南京江北新區(qū)人口規(guī)模擴張預(yù)測，探討帶狀空間開發(fā)的合理性。

根據(jù)規(guī)劃要求，至2030年，南京江北新區(qū)城鎮(zhèn)化水平應(yīng)達到90%，地下空間開發(fā)能夠有效適應(yīng)人口規(guī)模的劇增。通過對帶狀空間中不同層位的交通渠化，基于TransCAD軟件對橫江大道和定山大街交叉口進行交通量預(yù)測，橫江大道與定山大街交叉口交通量預(yù)測模型如圖7所示。交通量預(yù)測結(jié)果如圖8所示。該交叉口位于城市快速路地下帶狀空間的地面道路，可用于分析新老道路交通量逐年變化和人口規(guī)模的逐年擴大的匹配程度。

圖7 橫江大道與定山大街交叉口交通量預(yù)測模型(單位：pcu/h)

圖8 交通量預(yù)測結(jié)果

由圖8可知，隨著南京江北新區(qū)城市化進程的快速推進，人口規(guī)模隨年限呈線性增長，然而現(xiàn)狀是道路交通量在2020年后增速明顯放緩。2020年后，交通量增速小于人口規(guī)模增速，原有道路通行能力基本趨于飽和。

改造后道路于2020年通車后，交通量增長近30%，同時隨著運營年限的增加，交通量以年均增速10%快速增加，說明城市道路改造后，交通狀況顯著改善。改造后道路年交通量與人口規(guī)?；境收嚓P(guān)，對比原路段，快速路地下帶狀空間開發(fā)后，該交叉口通行能力顯著提高，與人口增長趨勢匹配度高，地下帶狀空間資源開發(fā)利用具備合理性。

4 結(jié)論

以南京橫江大道快速路改造工程為典型案例，分析城市地下淺層帶狀空間資源開發(fā)利用的合理性，主要得到以下結(jié)論。

(1) 地下淺層帶狀空間規(guī)劃應(yīng)注重以人為本，確保流通人員安全、方便，減少環(huán)境污染，保證地下帶狀空間中人行、車行和軌道交通順利運行，與地面協(xié)調(diào)互通。

(2) 地下淺層帶狀空間設(shè)計規(guī)劃以隧道為基礎(chǔ)，環(huán)繞隧道建設(shè)近期規(guī)劃結(jié)構(gòu)和遠期發(fā)展預(yù)留夾層，降低建設(shè)成本，確保地下空間資源的可持續(xù)發(fā)展。豎向構(gòu)筑物建設(shè)深度越深，人員流動自由程度越低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越高，封閉空間的污染越小。

(3) 多層構(gòu)筑物的地下空間結(jié)構(gòu)，需要配備多領(lǐng)域的配套設(shè)施及標(biāo)準(zhǔn)化、信息化管理體系，確保帶狀空間各層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定運行。

(4) 城市地下帶狀空間開發(fā)后，交通量以年均增速10%線性增加，且與人口規(guī)模增量基本呈正相關(guān)，能夠合理匹配人口規(guī)模劇增帶來的交通量的增長。