地下空间资源的属性特征

郑桂森 ,王继明,何 静,蔡向民,王跃进,刘 予

（1．北京市地质矿产勘查开发局,北京 100195；2．北京市地质调查研究院，北京 100195）

地下空间资源的属性特征

郑桂森 ,王继明1,何 静2,蔡向民2,王跃进1,刘 予2

（1．北京市地质矿产勘查开发局,北京 100195；2．北京市地质调查研究院，北京 100195）

地下空间资源作为一种赋存于地质体内且受地质条件控制的资源，首先具有天然的自然属性；其次其开发利用受经济技术水平限制；并且其利用领域广泛，适用性与实用性强。正确认识地下空间的资源属性，对科学开发利用具有极其重要的理论价值和实际意义。

地下空间资源；自然属性；经济技术属性

0 地下空间资源应用现状

“资源”是指一国或一定地区内拥有的物力、财力、人力等各种物质要素的总称（彭定新，2014）。从性质上分，资源可以分为自然资源和社会资源（张文贤等，2006）。

“新资源观”是在知识经济条件下解决资源问题的认识基础（毛彧等，2011）。地下空间资源利用认知方面，也是遵循“新资源观”的，要考虑地下空间资源利用的层次问题，也要考虑不同地区的不同地质条件以及综合利用问题。

地下空间资源是国土资源的重要组成部分，本质上属于自然资源，也是稀缺资源。城市地下空间是指城市规划区以内、地表以下，以土体或岩体为主要介质的空间领域，其中能为人类所利用的部分称为地下空间资源。将地下空间作为一种资源早己是学术界的共识，1982年联合国自然资源委员会正式将地下空间列为“潜在而丰富的自然资源”。

（1）国外开发利用现状

国外对地下空间资源的利用已经历经一个半世纪的发展，开发类型从简单的存储空间、大型建筑物向地下的自然延伸逐步发展到复杂的地下综合体（李国梁，2011）。

日本至少在26个城市中建造地下街146处（刘勇等，2014），平均建筑面积约30000m2（任彧等，2017）；共同沟（综合管廊在日本被称为共同沟）兴建数量也位居世界前列。1981年末总长156.6km，至21世纪已达526km（胡守忠，2013）。在地下高速道路、停车场、共同沟排洪与蓄水的地下河川、地下热电站、蓄水的融雪槽和防灾设施等市政设施方面，充分发挥了地下空间的作用。

美国纽约市地铁是世界上最悠久的地下铁路系统之一，也是全球最庞大的城市轨道交通系统，车站量最多，共计472个。用以营运的轨道长度约1070km，总铺轨长度达1370km(Wikipedia)。美国地下建筑单体设计在学校、图书馆、办公、实验中心、工业建筑中成效显著，地下空间利用形成为综合性系统。纽约市的大型供水系统，完全布置在地下岩层中，除一条长22km，直径7.5m的输水隧道外，还有几组控制和分配用的大型地下洞室，每一级都是一项空间布置上复杂的大型岩石工程（刘勇等，2014）。在能源供应方面，美国已于1984年建成世界上第一个10MW功率的地下热干岩石发电站。美国还提出了在地下空间实现超导磁直接储存电能的方案，在消除垃圾污染及其收集和处理问题上，美国近年来推广在高层建筑的地下室设置垃圾分类收集系统(宋福春等，2014）。现今美国对地下空间的研究主要集中在可持续发展与抗灾性方面，前者主要体现在某一地下空间开发项目对后续开发的影响；而可抗灾性则反映结构对各种灾难的响应和恢复能力。近年来，经过几次较大的飓风及地震灾难后，可抗灾性越来越被重视（Raymond et al，2017）

国外在开发地下空间的同时，重视相关的立法工作。例如日本制定了《大深度地下公共使用特别措施法》。此外还有单项立法，主要包括：1921年《轨道法》、1952年《道路法》、1954年《煤气事业法》、1957年《上水道法》、1958年《下水道法》、1964年《河川法》、1959年《工业用水事业法》、1964年《电气事业法》、1980《铁道事业法》、 1984年《电气通信事业法》、等对相关事业涉及地下空间开发利用内容进行了规定。此外1951年《土地征用法》、1963年《共同沟法》、1968年《都市计划法》等法律对土地征用、共同沟及地下空间规划进行了规定。

（2）国内地下空间开发利用现状

目前，北京、天津、上海、广州、武汉等31个城市已开通地铁，济南、芜湖、兰州等多个城市在建或拟建地铁，极大地缓解了城市交通拥挤的问题。

随着城市化进程的加速，城市用地矛盾日益尖锐，一些大城市开始对一些用地矛盾集中的地区实行综合开发和改造，其中包括城市地下空间的开发和利用。如长春、哈尔滨等城市地下街的建设；沈阳新客站地区的开发；上海人民广场的地下商城；鞍山、西安、石家庄、郑州等城市的站前广场的再开发以及兰州中心广场的再开发规划，在这些再开发工程中地下空间的开发利用都占有相当大的比例。这一时期有的城市将部分人防工程改建为地下商城，哈尔滨的数条地下街已连成一片；位于大连市站前广场的我国最大的城市地下综合体——“不夜城”建筑面积为14.7万m2，是以商业、娱乐、停车等功能为主的地下综合体；广州综合性地下空间已建和待建项目总计超过200万m2，据《广州市城市总体规划（2011—2020）》显示，到2020年，广州的地下商业空间面积将达800万m2；据上海地调院数据，上海市已建成地下场室约3.3万个，地面建筑物桩基2.5万套，高架道路承台桩基约1.66万套，12条轨道交通线路；北京地下空间资源开发已进入快速发展期，以地下轨道交通为例，根据北京地铁规划（2006），到2020年将建成22条700km的地铁线网，而最新资料表明，该规划已经调整为到2020年地铁运营里程将达到1000km。

1 地下空间资源

地下空间资源的开发利用不仅受到人为因素的影响，更因为其自然属性而受到地质环境的影响。由于地下空间资源的开发是建立在一定的地质体中，其开发的安全、成本及可利用规模必然受到地质环境的影响；同时，在这一开发利用的过程中，也使得城市地质环境问题日益显现，出现了地面开裂、地面塌陷、周边建（构）筑物的影响与破坏以及挤土效应（地面房屋开裂）等问题。因此，正确认识地下空间资源属性特征，对科学规划利用地下空间、保证地质环境安全具有至关重要的意义。

对于地下空间资源的定义存在不同的表述，有强调其自然属性的，也有按利用目的进行分类的。从研究地下空间资源与地质环境相互关系的角度，地下空间资源定义为：在城市地表以下一定深度范围内，在现有经济条件、技术条件下，能开发利用的土层或岩层中天然形成或经人工开发而成的空间，以及空间中蕴藏的各类地质资源。

地下空间资源是土地资源不可分割的部分，是土地资源向地下的延伸，与地表土地共同构成土地资源的三维立体结构。地下空间资源的利用程度是随着社会经济发展的需求而逐渐提高的。

从全国角度看，我国的城市化进入了快速发展阶段。各个城市群的发展与土地利用红线之间的矛盾日益尖锐，因此地下空间资源成为在城市发展过程中日益受到重视。

北京作为一个国际化大都市，城市规模持续增长，城市经济发展对空间需求急剧扩张与土地资源稀缺的矛盾日益尖锐，人口、能源、环境和交通等问题日趋显现，面临着如何保持人与环境协调与可持续发展的大问题。国外发达国家的经验表明，合理而有效地开发利用城市地下空间资源，能够缓解城市用地紧张，满足日益增长的城市人口对环境和交通设施的要求，实现城市的可持续发展，是建设节约型城市的重要组成部分。本文主要探讨地下空间的资源属性，为调查和评价其数量、质量奠定理论基础。

2 地下空间的资源属性

2.1 地下空间资源的有限性

通常所说的地下空间资源的开发利用往往是随着社会经济的发展，在城市建成区或城市规划区开展的，因此其资源属性的有限性是显见的：其一是数量有限，地下空间的开发平面上受城市布局限制；纵向上受利用目的和开发利用的经济技术水平限制而非无限下延，还受到经济技术条件限制。其二是质量有限，既受地表以下岩土体的性能限制，又受到周边地质环境的影响。因此，地下空间的开发利用应该充分考虑其有限性，在城市的规划建设之前开展充分的调查和评价，以指导其合理的开发利用。

2.2 地下空间资源的关联性

地下空间开发利用的前提是将自然状态下与周边岩土体密切相关的空间实体开挖出来，置换成人工建筑。而被开挖的岩土体原本与周边环境是完整关联的。比如地温场、地下水径排系统、地应力的传递系统、地下生态系统等。一方面，这些自然条件因区域上地质、自然条件的变化而引起的地质环境的变化，对嵌入其中的人工建筑施加着持续的作用，有些甚至是极具破坏性；另一方面，人工嵌入体的加入，也对周边自然环境存在持续影响，尤其是大型和较长的线性建（构）筑物，其对周围的地质自然环境影响很大，也对周边地下空间的开发利用产生影响。要充分注意研究和评估地下空间资源开发利用与地质自然环境的相互作用，对可能出现的灾害性作用降到最低，以保障人与自然的和谐共存。

2.3 地下空间开发利用的不可逆性

嵌入地下岩土体的人工建（构）筑物由于周边受限，且往往作为地表建筑的承载体，需要更高的坚固性，加之往往单体规模较大，难以进行二次规划和拆除重建，历史上有些不合理的地下建筑不得不废弃，造成有限资源的浪费，因此地下空间资源开发利用在一定程度上具有不可逆性。所以在开发之前应充分预见本地区的社会经济发展前景，“把每一寸土地都规划的清清楚楚再开工建设”，避免重复建设和有限地下空间资源的浪费。

此外，地下空间的自然属性在恒温性、恒湿性、气密性、安全性等方面优于地表空间，因此在规划时要充分调查地下岩土体的自然属性，结合城市定位和规划用途，科学合理地规划和利用城市地下空间资源。同时要在充分调查和评价的基础上，为今后社会发展和经济技术水平的提高而需要开展更深层次的地下空间开发预留条件。为此，需要调查和了解构成地下空间的自然因素属性特征，分析开发利用的技术条件。

3 构成地下空间资源的自然因素

地下空间资源赋存在地表以下的岩土体中。自然状态下的岩土体是由多种自然因素组成的。这些因素包括：基础物质构成即岩土体岩性特征，控制性因素即地质环境条件（包括活动断裂、地面或地体沉降、有害气体以及其他流体等）。

3.1 基础物质组成

对于城市地下空间资源开发利用来说，岩土体的结构特征及其对应的各项参数是地下空间资源最基础的物质组成，决定了地下空间资源的品质与功能特征，包括岩土体结构、天然含水量、孔隙比、塑限、压缩模量、内摩擦角、粘聚力、地下水渗透系数、腐蚀性、岩土内地应力、地基承载力等，这些因素对地下空间的开发利用来说是要认真调查、分析的基本自然条件。

各地的基本地质条件差异很大，要精确调查本地待开发利用地下空间的基础物质组成，指导规划部门科学合理的开发地下空间资源。

3.2 控制性因素

控制性因素（约束性条件）是指对地下空间资源开发利用起到制约性作用的地质环境条件。这些因素或条件加大开发利用的风险，提高其成本。有些甚至是破坏性因素，需要在规划建设阶段和运行阶段引起高度重视，一是事前调查和评估，二是事后严密监测，杜绝风险。

这些因素包括：基本烈度(级)、断裂活动速率、地面沉降年沉降速率、累计沉降量、不同深度的砂土液化、隐伏岩溶塌陷、浅层承压水埋深、次浅层承压水埋深、地下水水位变化、渗透系数、单井涌水量等。这些地质环境因素的存在和随时间而产生的变化多数情况下是不可控或难以控制，但对嵌入其中的建（构）筑物影响很大。

例如如果水位上升，影响地下空间的抗浮稳定性及防渗性，降低周边岩土体的工程力学性能，对地下空间安全构成威胁。北京西客站北广场前的莲花东路深挖路堑时，因为地下水位上升，水渗入后发生过严重破坏（李晓松等，2007）。承压水上下隔水岩土体内进行洞室施工开挖时，可能发生涌水而造成严重危害。虽然近年岩土体排水、堵水等防治水的工程技术有了很大进展，但由于地下水引发的地下工程事故仍不断，其根本原因是对问题的复杂性和动态性认识不足，选用的工程措施与工程地质环境特征不协调。

4 地下空间资源的经济技术条件

地下空间资源具备功能、经济及技术属性特征，三种属性紧密相关。随着社会经济技术发展水平提高，其功能应用领域不断扩展，开挖深度持续加大，凸现资源的经济技术特征。

4.1 地下空间的功能属性

随着社会经济的发展、城市规模逐渐变大，人口和各种资源高度集中，往往地表的土地利用超过极限，开发利用地下空间资源就成为保持城市社会经济可持续发展的必然选择。而且城市化程度越高，地下空间利用的范围越广泛、开发的深度也越大。像北京这样的特大城市，对地下空间资源的规划深度已经达到120m。利用的目的也从单纯的高层建筑配属的地下室，逐渐发展为建设地下交通网络、地下大型商业设施、物质存储、地下综合管廊等，包括了城市运行和日常生活的方方面面。这样就赋予了地下空间资源“功能属性”，这个属性是社会发展带来的，不是天然的自然属性。但却是管理和规划部门在城市发展到一定规模时应及时关注的属性，否则就会陷入城市越大，城市病越严重的怪圈中。及早地摸清城市的地下空间资源家底，适时有预见性地进行地表和地下整体土地资源规划，是保证城市地区社会经济持续发展的必要条件之一。

4.2 地下空间资源的经济属性

由于利用地下空间需要大规模开挖土方、并且要预防周边岩土体及各种地质环境要素变化对地下建（构）筑物的影响和破坏，另外需要持续地提供照明和通风等，同体量的地下建筑的建设、运行成本要比地表建筑成倍数增加。地下空间资源的这种“经济属性”要求根据城市功能定位、社会需求和地表规划结合，合理地开展地下空间开发利用规划。

4.3 地下空间资源技术属性

地下空间嵌入于地表以下的岩土体中，周围的地质环境复杂、多样，其开发利用的前提是调查各类的属性特征，分析相互作用关系，这样才能科学、合理地指导规划、建设和开展运行监测的布置。由于调查实体埋在地表以下，需要各种间接性辅助技术手段才能清晰揭示各种地下自然要素的分布和特征；运行过程中的监测也需要有效的精准设备。因此地下空间同样具备了“技术属性”。由于各个城市所处的地质背景差异性很大，调查评价和运行监测所需要使用的技术手段也不同，需要相关部门高度重视技术手段的选择和研制，以适应城市发展的需求。

5 结论

地下空间资源具有自然属性、功能属性和经济技术属性。这些属性构成地下空间资源的完整整体。对于这些属性特征，应该本着：规划前调查评价—规划后指导设计建设—建设后进行运行监测的技术思路予以高度重视，惟此才能保证科学、合理地规划、建设和安全使用地下空间资源，促进城市的健康发展。

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Attribute Characteristics of Underground Space Resources

ZHENG Guisen1, WANG Jiming1, HE Jing2, CAI Xiangmin2, WANG Yuejin1, LIU Yu2
(1. Beijing Geological Prospecting and Developing Bureau, Beijing 100195; 2. Beijing Institute of Geological Survey, Beijing 100195, China)

The underground space is a kind of resource which occurs within geologic bodies and is controlled by geological conditions, and has its own natural attributes. Besides, its exploitation is restricted by economic and technical level; however, the underground space resources have wide range of application, strong applicability and practicability. Therefore, it would be of great theoretical value and practical significance for the future exploitation and utilization to correctly understand attribute characteristics of underground space resources.

Underground space resources; Natural attributes; Economic and technical attributes

A

1007-1903（2017）04-0001-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.04.001

郑桂森（1959- ），男，教高，长期从事城市地质研究。