1　概述

1.1　引言

隨著社會經濟的不斷發(fā)展，我國城市規(guī)模越來越大，大中城市的市內交通擁堵、用地緊張、人文歷史景觀保護與城市發(fā)展矛盾十分突出。為了緩解地面交通系統(tǒng)的壓力，近年來地下交通系統(tǒng)得到了迅猛的發(fā)展，越來越多的地下綜合交通樞紐開始大量地開發(fā)建設和投入使用。同時各行各業(yè)對地下空間的開發(fā)需求也越來越大，要求越來越高，發(fā)展越來越快。集地下商業(yè)、停車場、倉儲、城市下穿車行隧道、人行過街隧道、地鐵車站、人防工程等綜合性質的城市綜合地下空間成為一些大城市中心區(qū)地下空間新的發(fā)展趨勢，如圖1-1所示。

地下綜合體是在近三四十年間發(fā)展起來的一種新的建筑類型，歐洲、北美和日本等發(fā)達國家的一些大城市，在新城鎮(zhèn)的建設和舊城市的再開發(fā)過程中，都建設了不同規(guī)模的地下綜合體，稱為具有現(xiàn)代大城市象征意義的建筑類型之一。

歐洲國家，如德國、法國、英國的一些大城市，在戰(zhàn)后的重建和改建中，發(fā)展高速道路系統(tǒng)和快速軌道交通系統(tǒng)，因此結合交通換乘樞紐的建設，發(fā)展了多種類型的地下綜合體，特點是規(guī)模大、內容多，水平和垂直兩個方向上的布置都比較復雜。美國城市由于高層建筑過分集中，城市空間環(huán)境惡化，因此在高層建筑最集中的地區(qū)，如紐約的曼哈頓區(qū)、費城的市場西區(qū)、芝加哥的中心區(qū)等，開發(fā)建筑物之間的地下空間，與高層建筑地下室連成一片，形成大面積的地下綜合體。加拿大的冬季漫長，半年左右的積雪給地面交通帶來困難，因此大量開發(fā)城市地下空間，建設地下綜合體，用地下鐵道和地下步行系統(tǒng)將綜合體之間和綜合體與地面上的重要建筑物連接起來。日本地下街始建于1930年，20世紀50年代起開始大發(fā)展，到1983年，每天全國約有1200萬人進出地下街，因此日本地下街在城市生活中和在城市地下空間利用的領域中，都占有重要的位置，在國際上也享有較高的聲譽。東京地鐵的線路圖如圖1-2所示，東京地鐵涉谷站的站內地圖如圖1-3所示。

近年來，我國有些大城市為了緩解城市發(fā)展中的矛盾，進行了建設城市地下綜合體的嘗試。據不完全統(tǒng)計，目前正在進行規(guī)劃、設計、建造和已經建成使用的已近500個，規(guī)模從幾千至幾萬平方米不等，主要分布在城市中心廣場、站前廣場和一些主要街道的交叉口，以在站前交通集散廣場的較多，對改善城市交通和環(huán)境，補充商業(yè)網點的不足，都是有益的。

從近幾十年來城市地下空間利用的大量實踐可以看出，開發(fā)和利用地下空間對于緩解城市發(fā)展中的各種矛盾，起到了非常積極的作用，在改善城市交通、節(jié)省城市用地、提高環(huán)境質量、加強城市抗災能力、方便居民生活、改善居住條件、保存城市傳統(tǒng)風貌等方面的作用十分明顯。但是城市在發(fā)展過程中，在不同的發(fā)展階段，所出現(xiàn)的矛盾和問題是不一樣的。例如，許多發(fā)達國家已基本完成了城市化進程，那里的一些大城市已經經歷了高速發(fā)展階段各種矛盾的困擾，由于采取了各種治理措施，在相當程度上得到了緩解，當前面臨的是進一步現(xiàn)代化和建設未來城市的問題。另一方面，這樣一個歷程正在發(fā)展中國家的許多大城市中重復發(fā)生。這個現(xiàn)象說明一個問題，即盡管各個城市的發(fā)展階段不同，但是起支配作用的城市發(fā)展規(guī)律是一致的。因此，展望城市地下空間利用的前景，應當著重預計在相當長時期以后，在建設所謂未來城市中，地下空間應起的作用；同時，應從為人類開拓新的生存空間的高度，認識開發(fā)城市地下空間的價值和意義。

（1）當前，人們在研究未來城市地下空間開發(fā)利用的方向時，應當從未來城市的特點出發(fā)。這些特點可能表現(xiàn)在以下幾個方面：

①城市人口和規(guī)模基本穩(wěn)定，人口結構發(fā)生變化，平均壽命延長，老齡化趨勢增強，人口的文化素養(yǎng)提高。

②經濟、技術高度發(fā)達，產業(yè)結構發(fā)生變化，腦力勞動者比重增加，社會的信息化將使人由直接參加勞動逐步轉變?yōu)閷趧舆^程進行調節(jié)和控制。

③高技術、信息化將使人的起居、出行、工作、購物、社會活動等的內容與方式發(fā)生相應的變化。

④土地、水、原材料等自然資源的消耗量與擁有量之間的矛盾將日益尖銳化。

⑤常規(guī)能源（煤、石油等）將日漸枯竭，必須開發(fā)新能源以滿足生活水平提高對能源的大量需求。

（2）根據以上特點，地下空間在未來城市中主要可在三個方面發(fā)揮應有的作用：

①在城市功能上，實現(xiàn)地上與地下空間的合理分工。

開發(fā)城市地下空間的總目的是在不過多擴大城市用地的情況下，使城市空間得到擴大，而擴大城市空間的最終目的，是使人們獲得更多的開敞空間，更充足的陽光，更新鮮的空氣，更方便的交通，更優(yōu)美的景觀和更舒適的生活。為此，應當使占人每天活動大部分時間的居住和工作留在地上自然環(huán)境中，而將其他各類活動，特別是短時間的活動，如出行、購物、文娛、體育、業(yè)務聯(lián)系等移到地下空間中去。此外，只需少量人員加以管理的物流，如貨物運輸、郵件運輸、垃圾運輸，以及各種公用設施系統(tǒng)，就更應當到地下去。瑞典學者伯格·揚森提出，“讓人留在地上，把物放到地下”（“Place things below the surface，and put man on the top”），也是類似的一種設想。

②建立城市基礎設施的封閉式再循環(huán)系統(tǒng)。

盡管當代科學技術已相當發(fā)達，然而城市生活基本上處于一種開放式的自然循環(huán)系統(tǒng)中。例如，太陽能最多只是被動式利用，在陰天或夜間就無法利用；水資源主要是靠天上下雨，人們從自然界取水，使用后不加處理又排入自然界的江河湖海中；能源也多為一次性使用，熱效率很低，大量余熱、廢熱未經利用即排放空中。這樣的自然循環(huán)對于自然資源來說是極大的浪費，必然形成一方面資源短缺而另一方面又在大量浪費的局面。這種現(xiàn)象在未來城市中應得到改變。日本學者尾島俊雄提出了在城市地下空間中建立再循環(huán)系統(tǒng)的構想，就是變開放式的自然循環(huán)為封閉式的再循環(huán)系統(tǒng)。后者被稱為城市的“集積回路”（integrated urban circuit）。例如，集中的供熱、供冷系統(tǒng)對于空氣的使用來說就是一個封閉循環(huán)；污水經過處理后重復使用對于水的使用就成為一個封閉系統(tǒng)（現(xiàn)稱“中水道”系統(tǒng)）；垃圾經過焚燒或氣化后回收熱能，也是一種封閉循環(huán)系統(tǒng)；將電力供應或某些生產過程中散發(fā)的余熱回收，再重復用于發(fā)電或供熱等，都是封閉式的再循環(huán)系統(tǒng)。將這些系統(tǒng)統(tǒng)一組織在一定深度的地下空間中，將會對緩和城市發(fā)展與資源不足的矛盾起到積極的作用。尾島俊雄建議在東京地下50～100m深處建造一條直徑為11m的共同溝干線，其中布置上述多種再循環(huán)系統(tǒng)，形成一個地上使用，地下輸送、處理、回收的封閉式再循環(huán)總系統(tǒng)。如果尾島俊雄的構想中再加上熱能的貯存與交換系統(tǒng)，則將更為完善。

③建立能源的地下貯存和交換系統(tǒng)。

對于未來城市中的居民，不但將獲得更多的開敞空間，更寬敞的住宅，而且要有更高的居住和工作的環(huán)境標準。除了氣候適宜的季節(jié)外，室內應進行全面的空氣調節(jié)。目前在一些發(fā)達國家，室內環(huán)境已經相當舒適，但為此要耗費大量能源，像美國、瑞典等國，建筑能耗在全部總能耗中，都占40％以上，如果進一步提高標準和普遍采用空調，則能耗還將大大增加。在常規(guī)能源日漸枯竭的情況下，只能努力去尋找既保證生活舒適又節(jié)省能源的新途徑。從當前的努力方向看，主要有兩個方面，一是提高一次能源的利用效率，二是開發(fā)新能源，尤其是可再生能源。圖1-4是美國河岸電力公司的地下抽水蓄能電站的構想圖。

即使像日本這樣發(fā)達的國家，一次能源利用率也還不到50％，其他部分都在生產、運輸或使用過程中散失或廢棄。從技術上看，提高一次能源的利用效率，主要從改進設備和最大限度地回收廢棄能源兩個方面著手。前者不屬于本書討論范圍，對于回收廢棄能源，地下空間可以提供比較有利的條件。例如，回收余熱、廢熱的主要措施是將熱能交換成熱水用于區(qū)域供熱，以及將電廠在低峰負荷時多余的電能轉化為熱能（如熱水）或機械能（如壓縮空氣）貯存起來，供高峰負荷時使用。這樣大量的熱能或機械能的貯存，只有在地下空間中才有可能實現(xiàn)。再如，由于城市廢棄物（垃圾）中的含熱量越來越高，回收城市垃圾中的有機物和污水處理后的污泥中的熱能，已在一些發(fā)達國家大城市中初步實現(xiàn)，這樣一種能源回收系統(tǒng)，布置在地下空間中要比在地面上有利得多。日本的筑波科學城就建立一整套垃圾管道運送和焚燒處理系統(tǒng)，輸送管道就布置在地下公用設施的“共同溝”中。同時，日本已經做出每年回收和利用廢熱折合石油1200萬～1500萬t的規(guī)劃。

在開發(fā)新能源方面，太陽能的潛力最大，可謂取之不盡，用之不竭，但目前太陽能利用受到集熱器效率不高和熱能貯存問題的障礙，還不可能大規(guī)模地進行開發(fā)。地下空間的熱穩(wěn)定性和封閉性，為大量貯存太陽能提供了可能性。具體來說，就是把用各種方法收集起來的太陽能，通過一定的介質（如水、空氣、巖石等），進行熱交換后貯存到地下空間中。在需要時，經管道系統(tǒng)輸送到用戶或再轉化成其他能源。使用后的熱能溫度降低，經過循環(huán)系統(tǒng)再加熱后重新注入地下空間貯存。由于不同溫度的介質的密度不同，故高溫和低溫的介質可以分上下兩層貯存在同一地下貯庫中，循環(huán)使用。

綜上所述，可以認為，地下空間在一些大城市和特大城市中已經得到廣泛的利用，但是地下空間資源還遠遠沒有被充分開發(fā)，因此城市地下空間的開發(fā)利用有著廣闊的前景，不論在緩解城市發(fā)展中的矛盾方面，還是對城市未來的發(fā)展，都將起到十分重要的作用，具有高度的戰(zhàn)略意義。同時，開發(fā)利用城市地下空間，必須與本國的具體情況和城市的不同發(fā)展階段相適應，制訂出既考慮長遠需要又現(xiàn)實可行的全面規(guī)劃。

地下空間的開發(fā)利用是一項復雜的系統(tǒng)工程，對設計和施工也提出了更高的要求。在設計階段，由于地下空間處于地層中，在地下空間的設計上不僅要保證地下、地面和地上一體化的城市景觀質量；同時要針對地下空間缺乏自然光、外向景觀和封閉性等特點，在內部空間環(huán)境設計時應處理好地面、地下的易達性，使室內環(huán)境具有開發(fā)感、通透感、動態(tài)感和自然化等特點；在創(chuàng)造空間舒適和美感的同時應強調地下防災的特殊設計。在地下結構設計上要考慮地下結構與圍巖形成一個統(tǒng)一的受力體系的特點，強調使用現(xiàn)代支護結構理論和方法。同時，由于地鐵線網規(guī)劃的深化，地鐵換乘車站增加，換乘更加方便、快捷，但車站在基坑深度、層數、車站換乘方式等方面更加復雜，對結構設計要求提高；地鐵換乘車站建筑功能要求不斷提升，要求增加結構跨度，減小車站內部結構構件數量及尺度以便于建筑相關布置等；地鐵車站與其他交通體系換乘接駁的功能更為全面，導致結構形式更為復雜，結構構件受力采用傳統(tǒng)平面計算模型計算已經不能滿足要求。在施工階段，地下建筑周圍介質為巖石或土壤，因而給地下工程的施工提出了特殊的要求。因此，地下工程的施工經歷了從手工開挖發(fā)展到盾構施工，并逐漸形成了以信息化為指導的地下施工新模式。城市環(huán)境保護及拆遷難度提高等，對地下空間的施工等方面限制更加苛刻，結構與既有建筑、管線等相互影響，制約地下建筑的設計施工。因此地下空間設計施工的方法不僅要滿足地下工程本身的使用功能要求以及合理開發(fā)利用地上、地下有效空間，而且要考慮由于施工給周圍環(huán)境帶來的不良影響。