城市快速路地下浅层带状空间利用研究

2022-01-21黄兰可周俊杰

现代交通技术 2021年6期

黄兰可，周俊杰

(苏交科集团股份有限公司，南京 210019)

随着我国城市化进程的快速推进，人口密集型城市建设空间的需求急剧增加，用地紧张、城市扩张无序、环境污染加剧等问题尤为突出，如何科学合理地开发利用地下空间、优化城市地下空间结构成为城市设计的新挑战。保证地下空间和地面空间协调有序，注重城市高质量发展，能够有效缓解城市可利用空间紧张的问题[1]，并最终实现大型城市地下空间利用的紧凑化、立体化、职能化、高效化。

城市浅层地下空间开发利用已有研究，日本在20世纪70年代颁布了地下空间开发方针，并在多个城市开展了工程应用，实际效果良好[2]。在欧美城市的地下空间利用中，地下系统建设主要表现在大型综合体的兴建和地下交通系统的联动，形成地下空间层间功能区分、职能协调的发展模式[3]。我国在城市化进程中对地下空间开发也进行了大量探索，据不完全统计，截至2018年年底，我国大陆地区有35个城市开发了185条城市轨道运营线路，地铁占比为75.6%。上海轨道交通运营里程年均增幅大于10%[4]。武汉地下空间规模从2008年的0.6 km2增至2019年的42 km2，还规划了多个大型地下综合城[5]。北京地下空间规模自2006年的30 km2增至2020年的90 km2[6]。截至2019年年底，南京地下建筑面积为38 km2，是2005年南京地下建筑面积的10倍，中心城区约30 km2[7]。对于地下浅层空间深度的研究，雷升祥等[8]认为地面以下0～50 m可用于地下轨道交通和避难设施，城市地下开发需要考虑空间开发的层次性和时序性，0～30 m可作为主要开发范围，深度30 m以上可作为远期资源保留。童本勤等[6]将地下浅层范围分为3个层次，开发时需根据浅层地下资源进行分区评估。杨奎等[9]分析得出地下0～10 m是人类活动最频繁的地下空间区域。由上述研究可知，城市地下空间规划范围为地下0～50 m的浅层区域。

然而，现有城市地下空间资源往往受到地域地形、地理环境、土地利用情况等因素限制，不能或不宜进行地下空间开发[6,10-11]，如城墙遗址保护区、地下空间低需求区、军事设施、名胜古迹等禁止建设区等，导致地下空间规划呈现间断型、点状等不连续状态。同时，地下空间竖向不同层位的资源规划利用无明确规定和建设思路[7]，导致地下空间利用率低，地面与地下以及地下各构筑物间的发展不协调。

因此，本文针对上述问题，对快速路建设过程中隧道与路面间的浅层空间利用进行研究，基于现有地下空间利用状况，分析现有问题，提出一种快速路地下浅层带状空间的利用原则和利用方法，并依托南京横江大道快速路改造工程，对利用方法进行应用探讨和合理性评价，对地下空间利用前后交通量进行预测对比，探究带状地下空间资源开发对城市发展的重要性。

1 城市快速路地下带状空间利用

1.1 快速路地下带状空间概念

城市地下空间结构开发往往需要大量资金投入，同时，城市快速路不可避免地需要进行地下交通建设，有时数公里的地下空间仅设置一条隧道或一条综合管廊，易造成空间资源浪费。城市快速路地下带状空间以快速路、轨道交通等快速交通为纽带，沿线建设综合管廊、地下城市、街区、大型停车场和辅助道路(匝道、进出口)等配套设施，既能有效降低建设成本，又能高效利用地下空间资源。相较于传统地下空间点状开发模式，地下带状空间开发模式能更好地打造一体化城市空间。

以城市快速路沿线的地下浅层空间(0～50 m)至两侧红线作为地下带状空间资源开发范围。地下空间开发经历规划、建设和使用管理，形成了城市快速路地下沿线连续、各层位协调发展的空间资源开发全周期建设。

1.2 地下空间利用原则

根据现有地下空间利用状况，提出城市快速路建设过程中地下空间资源的利用原则。

1.2.1 协调利用原则

城市地下空间开发过程多存在地面与地下地下空间利用不协调问题，杨晓刚等[7]通过调查我国8个典型城市地下空间利用现状，发现不同城市开发程度差别较大，且部分存在冒进式和不协调的开发问题。雷升祥等[8]研究表明我国地下空间开发系统主要集中于地下浅层空间，对于地下竖向分层规划考虑不足，影响开挖潜力。

城市快速路建设需要沿线建设大量的地面道路、高架路和隧道，地面交通与地下交通间存在大量互通节点，可以为后期地面和地下构筑物的协调互通提供便捷通道，同时，地下交通建设过程需要大量土方开挖，直接回填会导致巨大的经济损失和开发的不可逆性。

鉴于以上原因，快速路建设过程中需要对隧道和路面间的浅层地下空间进行改造利用，快速路隧道浅层部位设置示意如图1所示。在保证原有结构稳定安全的基础上，进行配套构筑物建设，既有隧道出入口两侧土层较浅部分可设置辅道出入口，中部土层较深区域可根据上部建筑结构设置相应的停车场、地下商城等配套设施，充分利用快速路隧道建设过程中沿线的地下带状空间。

图1 快速路隧道浅层部位设置示意

1.2.2 以人为本原则

规划设计过程需充分考虑人员的流动性。地下空间封闭性较强，空气流通性较差，灾害破坏程度大，救援难度高[12]，在设计过程中应充分考虑流通人员的安全舒适。地下空间不同深度构筑物规划分类如表1所示。地下空间的位置不同，地下开发的功能属性不同，随着深度的增加，人员流动自由程度逐渐降低，结构稳定性逐渐提高，封闭空间的污染影响逐渐降低。在此基础上建设各种配套保护措施，形成安全、快捷、环保的一体化地下空间城市。

表1 地下空间不同深度构筑物规划分类

1.2.3 层间职能分化原则

不同层位的构筑物差别较大：地下空间浅层位置主要服务于人行和慢行系统，方便人员流通，能够提供近似于地面建筑结构的功能；中层位置一般可通过明挖基坑方式进行施工，设置隧道、管廊结构，有效缓解交通拥堵，减少交通占地，降低噪声污染；深层位置的开发较少，一般通过盾构方式进行地下轨道交通建设。

1.3 快速路地下空间利用方法

现有城市地下空间竖向分层的规划尚无明确方案和思路，但地下空间利用应遵循可持续性和结构合理性，同时应根据城市实际需求，完善配套设施建设。基于城市快速路成熟的建设改造工程方案，提出以快速路为纽带的地下带状空间建设方法。快速路地下空间利用技术路线如图2所示。

图2 快速路地下空间利用技术路线

快速路地下空间利用应当：①对城市快速路网进行建设规划，分析城市地下空间持续发展需求；②结合沿线两侧建筑需求和空间利用原则，对快行系统地下空间进行分层规划；③根据不同层位施工方式、道路线型要求、层间处理方式，进行地下空间结构合理设计；④根据消防、交通安全、照明等要求进行多专业设施配套建设；⑤对规划、设计、施工、管理建设工程全周期进行标准化、信息化管理制度完善。

2 工程案例分析

根据上文所述快速路地下空间开发利用原则和方法，对南京横江大道快速路改造工程的地下空间利用情况进行案例分析。

2.1 工程概况

横江大道是南京江北新区规划“六横十纵”快速路中的“一横”，横江大道(纬三路至城南河段)全长7.2 km，北接横江大道长江大桥至纬三路段，南接横江大道城南河路至S356段，设计速度为80 km/h，远景年交通量为9.2万pcu/d。快速路穿越江北新区CBD(中央商务区)，采用下穿隧道方式，全线设有“一长隧、一中隧、一节点隧”，隧道总长4.165 km，占总里程的57.95%。其中，长隧(CBD隧道)埋深最大达30 m，明挖隧道基坑支护主要采用地连墙工艺，地连墙最大深度可达68 m，隧道埋深和桩基深度均为国内领先水平，地下空间资源丰富，发展潜力较大。

2.2 城市地下空间可持续发展需求

根据现有规划要求，江北新区中心区地下空间一期工程(以下简称“地下空间一期工程”)与在建的横江大道快速路改造工程垂直交叉，属于多层开发的地下综合体，开发体量大，特别是地下空间一期工程的地下环路、综合管廊等，对地下空间开发要求较高。通过比选研究，规划近期地下空间利用以江北新区中心区建设为主，主要服务于CBD两侧的大型商城，通过在隧道顶部设置多层夹层的方式进行远期地下空间开发预留，以达到地下空间可持续发展规划要求。横江大道沿线地下空间建设地块平面图如图3所示。

图3 横江大道沿线地下空间建设地块平面图

江北新区中心区占地面积约16 km2，其中CBD区域占地面积约7.6 km2。解决区域的快速到发难题，可以预先将车辆诱导至地下。在减少对地面干线道路产生负荷的同时，在核心区建立“地下道路—地下联络道—地下车库”的单循环三级车行系统，使部分到发交通能够在外围快速路网和地下车库之间迅速转换，释放地面道路空间，提高交通出行效率和区域环境品质。

2.3 快行系统地下空间分层规划

根据地下空间开发原则，提出快行系统地下空间建设方案：快速路主线隧道最深位置位于地下4层；地下商务层占用地下1层，主要用于地下商城建设；地下2层和3层为地下环路和停车场，用于商务区车辆进出和停车。定山大街沿线设有综合管廊，位于地下4层，由于管廊节点位于4层环路，与主线不交叉，二者可以设置在同一层。隧道下面的地下5层为地铁4号线和13号线。CBD地下多层空间开发示意如图4所示。

图4 CBD地下多层空间开发示意

该规划能够显著提升CBD区域的交通流量和消费能力，同时保证人行安全、交通便捷，通过对噪声、尾气等污染集中处理，还能降低对地面环境的影响。

地下空间与地面道路协调设计如图5所示。根据地面交通与地下各层结构协调利用原则，第2、3层的地下停车场采用地下环路进行沟通，地下环路在商务西街西侧和定山大街东侧分别设置预留出入口，将其上下匝道接入横江大道辅路。第4层快速路主线隧道采用长隧道穿越CBD的方式，在隧道的前后分别设置一对主辅连接道，方便CBD的车辆进出横江大道主线。另外，考虑地下交通的快速疏散，在商务西街西侧增加一对出入口，方便西侧交通流与地下空间快速沟通，减少通过地面红绿灯的次数，东侧只经过一个红绿灯，不增加出入口设置，以此保证地下各层与地面空间相互贯通。

图5 地下空间与地面道路协调设计(单位：m)

2.4 地下空间结构合理设计

考虑到地下空间可持续开发问题，采用隧道上部多层夹层空间预留的方式进行地下各层开发。以地下2层的地下停车场为例，明挖隧道埋深较大的地段，可在满足结构安全的条件下对夹层进行地下车库建设，同时对暂时无开发要求的空间保持远期预留。

在结构设计方面，横江大道CBD隧道工程在穿越江北新区CBD地下空间时，形成南北两侧空腔，其中南侧空腔可利用部分长度约660 m、宽度约31 m、隧道最大埋深达20 m，通过考虑管线、抗浮等因素，规划明挖隧道顶部夹层区域建设城市公共停车场。夹层空间地下停车场布置如图6所示。

(a) 纵断面

(b) 断面图6 夹层空间地下停车场布置

由于土建工程成本已在隧道结构施工中结算，故只需考虑停车场自身结构的建设成本，该规划不仅能够有效节省建设成本，还能在竖向空间新增近700个停车位，有效服务两侧地块。在设计合理性方面，考虑到隧道埋深较大，上部荷载经过应力扩散后对隧道结构影响较小，同时，空腔结构的停车场所产生的附加应力荷载比直接回填土产生的附加应力荷载更小，能够有效保证整体结构的稳定性。

2.5 多领域配套设施建设

为保证地下空间行人和车辆的安全和舒适，需要多领域配套设施建设，包括：①电气工程，以保障地下商场和交通系统的供配电和照明要求，重点保障人员流动性较大区域的各类预警预报系统；②通风工程，包括对平时通风管理和火灾后的事故通风处理，采用就地手动、就地自动和远程控制相结合的多种系统控制方式，以保证地下空间的人员和财产安全；③消防工程，主要包括地下各层空间配备的独立消防控制系统，不同构造物设置不同的防火分区。

2.6 标准化、信息化管理

该中心区为江北新区核心，属于建设的重中之重，在今后较长时间内，将同时进行大量的建设工程，需要建立地下空间结构健康监测系统，进行实时结构安全监测，其中主要监测项目为隧道结构的位移。该监测系统主要包括传感器子系统、采集子系统、数据处理子系统和评估子系统。

监测的主要流程为：①将相关传感器(位移计、应变计等)安装在结构病害风险较大的位置，并采集结构相关信息；②将采集到的数据通过传输系统(光纤、电缆、网线等)传输至相应的数据采集设备进行数据解调和初步处理；③将初步处理后的数据传输至管理中心，通过服务器上运行的损伤识别、健康评估和管理决策等软件系统对数据进行分析，提供地下环路的健康状况，对病害的发展趋势进行预测，并对超出预警值的病害及时报警，提醒管理人员及时处理。

3 基于地下空间开发的交通量预测分析

基于横江大道CBD城市快速路地下带状空间开发实例，结合近年来原路段的交通量统计进行未来的交通量预测，同时参考南京江北新区人口规模扩张预测，探讨带状空间开发的合理性。

根据规划要求，至2030年，南京江北新区城镇化水平应达到90%，地下空间开发能够有效适应人口规模的剧增。通过对带状空间中不同层位的交通渠化，基于TransCAD软件对横江大道和定山大街交叉口进行交通量预测，横江大道与定山大街交叉口交通量预测模型如图7所示。交通量预测结果如图8所示。该交叉口位于城市快速路地下带状空间的地面道路，可用于分析新老道路交通量逐年变化和人口规模的逐年扩大的匹配程度。

图7 横江大道与定山大街交叉口交通量预测模型(单位：pcu/h)

图8 交通量预测结果

由图8可知，随着南京江北新区城市化进程的快速推进，人口规模随年限呈线性增长，然而现状是道路交通量在2020年后增速明显放缓。2020年后，交通量增速小于人口规模增速，原有道路通行能力基本趋于饱和。

改造后道路于2020年通车后，交通量增长近30%，同时随着运营年限的增加，交通量以年均增速10%快速增加，说明城市道路改造后，交通状况显著改善。改造后道路年交通量与人口规模基本呈正相关，对比原路段，快速路地下带状空间开发后，该交叉口通行能力显著提高，与人口增长趋势匹配度高，地下带状空间资源开发利用具备合理性。