城市地下岩洞开发利用研究进展

李万伦，陈 晶，孙君一，李 莉，吕 鹏

（中国地质调查局地学文献中心，北京 100083）

今天，人们已普遍将地下空间开发利用视为解决城市化遇到的各种问题的最佳方案（Cui Jianqiang et al., 2021）。特别是进入新世纪以来，我国城市地下空间开发速度明显加快，已形成规模化态势（王成善等，2019），然而以往“摊大饼式”城市扩张，对空间资源的浪费很大，并引发了诸多“城市病”。基岩是一种比较特殊的地下资源，除了岩石本身价值以外，所在岩石空间还能增加土地供应，是今后城市地下空间开发的重要战略储备资源（伏海艳等，2016）。另外，利用岩洞的独特性质，将其规划部署用于某些特殊用途，有时可发挥极其重要的作用（Wallace et al., 2016）。我国内地的山地城市数量众多，随着城市化进程的加快，对岩洞开发的需求也在迅速增加。例如成都提出要打造“638”格局，青岛要再建一个“地下青岛”（谢和平，2019），迫切需要摸清相关城市地区的岩石资源“家底”。尽管这些城市近年来在地下空间开发过程中，也涉及到岩洞开发（主要修建交通隧道），并取得了快速进步，然而跟世界先进水平相比，仍然存在碎片化应用和规划不到位等一些问题。目前，世界上赫尔辛基、新加坡和中国香港等城市均已在地下岩洞开发中取得了很大进展，成为现代城市地下岩洞开发的成功范例。这里的岩洞，仅指人工开挖的岩石洞室，而非天然形成的洞穴。本文通过典型案例分析，介绍基于岩洞开发的城市地下空间研究技术进展，为我国内地城市地下空间的开发利用提供参考借鉴。

1 城市地下岩洞开发现状与发展特点

尽管远古人类早就已利用岩石洞穴作为居所，但现代在城市地区大规模挖掘岩石洞室且已经比较成熟的当数北欧国家。随着挖掘技术和设备的进步，岩洞开发的成本已大幅下降。早期主要出于战时安全考虑，后来开发的目的已经转向保护地面质量，比如将地表设施（包括交通基础设施）转移到岩洞内。当然，北欧极度严寒的气候，也使人们对岩洞开发情有独钟。如瑞典在城市地区利用坚固的岩洞修建地下商城、地下街道、地铁隧道、公用设施管道、停车场及地下污水处理厂、地下工厂、地下核电站、石油储罐、食品仓库和地下避难所等（Tengborg et al., 2016）；挪威地下发电业已形成“地下产业”（Broch，2016），除了利用地下洞库储物外，各种市政设施也修建在岩洞内，包括娱乐与休闲设施，其中最有名的是Gjøvik地下游泳池和1994年冬季奥运会期间在该游泳池旁边修建的Gjøvik奥林匹克山大厅（洞室长91 m，最大高度25 m，跨度达61 m，可容纳5500人）。不过，从可持续的观点来看，芬兰赫尔辛基市制定了世界第一个较完整的岩洞开发总体规划（Vähäaho, 2016），在理念和整体水平上都比其他北欧城市更成熟、更先进。

随着全球城市化进程加剧，一些土地资源稀缺的山地城市，面临巨大的扩张压力。但也有一些城市（比如中国香港和新加坡）通过岩洞开发，建成为世界上最繁华的大都会之一。香港岩洞开发始于20世纪70年代的地铁（MRT）建设，现已修建了一批特定类型的设施（表1），且大都已发展完善并在整个城市的运转当中发挥重要作用（Wallace et al., 2016）。

表1 香港特定用途的岩洞设施Tab.1 Cave facilities for specific purposes in Hong Kong

新加坡早就提出了再造一个“地下新加坡”的目标，近年来已在岩洞里修建了许多基础设施和仓库（Zhou Yingxin et al., 2016；Yong et al., 2015；李地元等，2015）。如2008年建成了1个地下军火库，节省了300 hm2的地面土地；2014年建成了裕廊洞库第一期，可储油147万m3，第二期仍在开发中。最近还提出在肯特岗修建30层楼的地下科学城，在裕廊山/丹戎岭修建1个地下仓储、物流设施和数据中心。目前新加坡的岩洞开发计划包括2018年开始修建南北和东西两条隧道，2024年修建汤中—东部沿海线，2026年修建南北廊道。

总的来看，当前城市地区岩洞开发具有如下特点：1）岩洞开发已经从战时安全向环境保护转变，目的是实现城市更可持续发展；2）岩洞开发已作为城市地区地下空间开发必不可少的重要内容，并有可能成为一种主要趋势；3）岩洞开发也需要依据统一的规划。

2 研究内容

2.1 城市地区岩石资源调查与区划

高山和丘陵过去经常被城市规划人员视为障碍，然而，现在基岩已成为城市地区越来越宝贵的战略资源（Broch, 2016）。如北欧的岩洞开发实践证明，拥有岩石资源的城市反而具有很大优势。北欧城市基岩地质条件良好，具备很好的岩洞开发条件。但以往的基岩资料主要来源于区域基础地质填图，没有从资源角度对基岩所在区域进行立体调查。现代岩石资源调查不仅从岩石本身，还要从岩石空间角度来开展全面综合调查与区划。比如新加坡建筑上使用的石料和沙子大多依靠进口，因此把基岩也看成极为重要的战略资源。新加坡地表岩石主要由武吉知马花岗岩（BT）、沙加哈特组（S）变质石英砂岩和泥岩、贡巴克苏长岩（GN）和裕廊组（JF）沉积岩等组成。BT是最主要的基底岩石，占新加坡岛屿面积的三分之一；JF是最年轻的沉积岩地层。2007年新加坡城市地下总体规划工作组设立了国家地质办公室，负责收集和管理地下信息，并开展基岩地质调查，绘制了岩洞开发潜力区图（图1）。

图1 新加坡岩洞开发潜力区简化图Fig. 1 Simplified map of cave development potential area in Singapore(Lee et al., 2018)

香港有60%的面积为丘陵地区，地下空间开发利用离不开基岩区岩洞开发。全港出露地表的岩石中火成岩占85%，其中花岗岩（35%），火山岩（50%），这些岩石有利于开发，也是香港岩洞开发的主体。20世纪80年代后期针对岩洞开发进行了多方面研究，目的是查明香港岩洞开发的潜力。比如地下空间潜在用途（SPUN）研究项目，目的是详细调查香港岩洞的潜在用途（Wallace et al., 2016）。结果表明，香港的基岩地质条件适合开发，尤其市区边缘地带的丘陵，那里的岩石坚固、交通便利，是最适宜岩洞开发的区域。

2.2 城市岩洞三维建模

鉴于地下岩洞的立体性质，在不同深度的开发可行性存在较大差别，应用三维建模技术使岩洞可视化具有重要意义。尽管在隧道工程地质勘察时，常常采用三维地质建模来反映岩洞应力应变等不同地质参数的变化及围岩稳定性等状况（Ma Ke et al., 2020），但一般都仅限于隧道、地下仓库等特定场地（Wang Xiaowei et al., 2020），而不同于区域三维地质建模。另外，服务于规划用途的城市岩洞三维建模，不仅需要地质资料，还要综合其他相关的岩洞信息，可是这些信息往往缺乏或获取困难，从而给构建精细的岩洞三维模型带来了很大挑战。国内由于开展城市三维地质调查（程光华等，2019），近年来在三维地质建模方面取得了很大进步（谭飞等，2020）。最近，上海已成功开发了三维地质结构和属性模型一体化建模方法，实现了三维地质模型与地下构筑物模型的自动融合（薛涛等，2021）。尽管三维综合建模技术的发展很快，但对城市地区岩洞资源的三维建模工作还比较少。

2.3 城市岩洞开发可行性研究

岩石资源开发是一次性、不可逆的过程，因此在摸清岩石资源分布的基础上，还必须进行开发可行性研究，并开展适宜性评价。新加坡在近年来的岩洞开发过程中，就特别注重岩洞开发可行性研究。其中，在武吉知马花岗岩中开展的洞室建设可行性研究，所取得成果帮助国防部下定决心修建了地下弹药库（UAF）（Anonymous, 2008）。该项目的成功不仅引发了新加坡对岩洞开发的兴趣和思考，而且推动了新加坡第二大岩洞项目——裕廊储油岩洞的建设（Anonymous, 2014）。此外，新加坡还开展了根据发电站、废水处理厂、焚烧厂、垃圾填埋场、水库、仓储和物流、数据中心、港口和机场物流等不同用途的洞室专项研究（Zhou Yingxin et al.，2011）。这些研究为新加坡制定城市地下空间总体规划奠定了良好基础。

香港土木工程拓展署于20世纪90年代也开展了一系列“岩洞地区研究”（CAS），将大屿山北部、香港岛及九龙半岛3个地区的土地进行了岩洞开发适宜度分类。2010—2011年，又启动了“加强香港地下空间利用”的研究（简称“岩洞可行性研究”），目的是在全港筛选出那些适合岩洞开发的区域。香港已构建了比较完善的岩洞开发适宜性评价指标体系（Wallace et al.，2016）；在岩洞开发适宜性评价过程，首先建立了地形数据、地质图、各种土地用途、地下设施、地质构造、钻孔及私人土地等多个数据库，然后利用地理信息系统（GIS）进行分析、比较和展示，对适宜岩洞开发的区域按照适宜度从高到低的顺序分级，最终得到比较详细的全港岩洞开发适宜性图（图2），该图显示香港有约三分之二的地区适合岩洞开发（Wallace et al.，2014）。

图2 洞室开发适宜性示意图Fig. 2 Schematic diagram of suitability for cavern development(Wallace et al., 2014)

2.4 城市岩洞开发规划

为了协调岩石资源的利用，甚至循环利用岩洞空间，确保重要用途和关键设施优先使用，制定统一规划是最佳方法。芬兰赫尔辛基市制定了世界上第一个城市地下空间总体规划，据此对地下空间用途进行分配，基岩资源主要留作公共用途。由于该市基岩之上的土壤层平均厚度仅7 m，因此基岩在地下空间开发中的地位十分重要，岩洞开发十分广泛。该规划也预留了部分基岩资源，以便将来修建未知用途的地下设施。这些预留区包括大约40个基岩区，每个区域的平均面积为0.3 km2，总面积将近14 km2，占赫尔辛基陆地面积的6.4%（Vähäaho, 2016）。在圈定预留区前，先要查明这些地区能否被利用、目前和规划的地面用途、交通状况、土地所有权以及可能的娱乐、景观和环境保护价值等。

新加坡城市重建局于2019年发布了最新的城市地下空间总体规划。该规划将地下空间分为浅层、深层和岩洞层进行分类管理，浅层以建设人的活动场所为主，深层以进行基础设施和公用服务设施建设为主，岩洞则用于废物处置、蓄水、储存油气等战略物资及保存弹药武器等。新加坡岩洞规划主要依据已开展的不同用途的洞室专项调查结果（Zhou Yingxin et al., 2011）。

香港土木工程拓展署2012年底进行的“岩洞开发长期战略”研究（以下简称“岩洞战略研究”）旨在为香港的岩洞开发制定一个长期的战略规划和实施计划，包括制定岩洞总体规划（CMP），以圈出可容纳岩洞设施的战略性区域（SCVA）。目前，该规划仍在修改完善中。已知的计划包括在城市边缘地带划出大约50个战略性岩洞开发区，总面积约45 km2；将大约30个现有的政府公共设施搬迁到地下岩洞中。该规划尤其注意土地用途与邻近地面的兼容性发展，并建立战略机制，以保护岩洞地区的发展潜力（Ho et al., 2016）。

3 存在问题

通常在城市地下空间调查和评价过程中，往往把基岩排除在外，即仅把基岩之上的部分作为考察对象（郑桂森等，2017）。当前影响岩洞开发的主要因素是成本和安全，另外也有心理、社会等方面的原因，而且这种局面还会长期存在（Broch, 2016）。尽管目前已经在城市岩洞开发理论和技术方面取得了很大进展，但仍然存在需要进一步研究的问题。

（1）城市地下岩洞开发的必要性。显然，不同城市应区别对待。目前对岩洞在城市地下空间开发中的作用和地位普遍认识不足，一般都认为基岩比较坚固，只适用于修建人防工事，在军事和国防方面用途很大，倾向于一直存而不用；但实践表明，当有些城市发展到一定阶段，尤其是当非岩石地下空间几乎开发殆尽后，开发岩洞几乎是不可避免的。比如山地城市，岩洞不仅可以为城市提供增量土地供应，而且岩石本身也具有战略利用价值，对此类城市，岩洞开发具有双重意义。

（2）岩洞开发面临新形势、新需求和新用途的挑战。岩洞具有多种潜在用途，例如过去常用于储藏油气资源，近年来出现了二氧化碳封存及清洁能源储存等新的需求。另外，相对外太空开发的巨大风险和投入，地下深部空间（特别是岩洞）在深地医学、科学实验室、精密仪器制造和构建地下生态城市等领域均有望发挥重要作用（谢和平等，2017；谢和平，2019），而且成本和风险均较低。

（3）岩洞三维建模和数字化建设仍需加强。城市地区现有的岩洞资料还不完善，基岩资料主要来源于传统的区域地质调查，尽管现代城市工程建设过程中已获得了大量地质、钻探和隧道施工方面的详细资料，但目前这些资料还比较分散，信息获取难度较大。

（4）岩洞探测方法尚未进行系统梳理。城市包括待建区和建成区（何静等，2019），待建区主要采用传统的地质和地球物理方法，建成区适合于采用相对无损的地球物理方法，然而物探方法要求被探测对象达到能够被仪器探测的规模，且与周围环境存在较大物性差异，因为一般城市环境对地球物理场都存在明显干扰，可能影响岩洞探测精度和效率。

（5）对岩洞规划和开发模式的研究不够。在城市地下空间规划中常用的分层法，主要依据深度来分层（Li Xiaozhao et al., 2016）。有些规划尽管单独列出了岩洞层，但并未进行详细的规划。岩洞开发模式应因地制宜，根据城市发展规划目标和需要解决的实际问题确定开发模式。如中国香港和新加坡对岩洞开发是综合性的立体开发，岩洞用途多样；而符拉迪沃斯托克（原名海参崴）则主要通过修建岩洞作为交通隧道，显著缩短市内交通出行时间（Makarov et al., 2016），附带解决相关城市问题，属于比较单一的岩洞开发模式。

（6）尚未构建城市岩洞开发的适宜性评价标准和指标体系。适宜性评价目的是为岩洞开发规划提供依据，基岩体本身性质及所在区域的地面开发状况和土地用途等多种因素都会影响岩洞和将来用途之间的相适宜程度。

（7）尚未建立全生命周期的城市岩洞监测体系。鉴于城市岩洞开发对周围环境存在不可逆的影响，运营过程中潜在安全问题不可忽视，因而在其生命周期内，对城市岩洞安全和设施运营状况进行监测很有必要。今后应尽可能采用最新的大数据和人工智能技术进行监测。

4 结论和建议

城市岩洞开发今后可能成为城市地下空间开发的一种主要趋势。岩石空间是城市地下空间资源的一部分，基岩本身也具有开发利用价值。利用岩洞的独特优势，将其规划部署用于某些特殊用途，有时可发挥极其重要的作用。为实现城市未来的可持续发展，有必要科学规划城市地下岩洞开发，以提高对各种地下资源的精细化利用水平。

我国内地城市（尤其山地城市）在城市规划时也应开展基于岩洞开发的城市地下空间理论和关键技术研究。包括：1）选择有代表性的山地城市，开展城市地区岩石资源调查和区划，在摸清城市基岩分布状况的前提下，对岩石资源进行初步的分区规划；2）进而根据国家中长期发展规划、重要城市群和经济中心建设以及区域发展规划的需求，开展有针对性的专题可行性研究，并进行适宜性评价；3）开发岩洞三维模型，建立城市地区数字化岩洞；4）结合城市地下空间规划，确定岩洞开发模式，制定和完善岩洞开发规划。