李萬倫，陳 晶，孫君一，李 莉，呂 鵬

（中國地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)文獻(xiàn)中心，北京 100083）

今天，人們已普遍將地下空間開發(fā)利用視為解決城市化遇到的各種問題的最佳方案（Cui Jianqiang et al., 2021）。特別是進(jìn)入新世紀(jì)以來，我國城市地下空間開發(fā)速度明顯加快，已形成規(guī)?；瘧B(tài)勢（王成善等，2019），然而以往“攤大餅式”城市擴(kuò)張，對(duì)空間資源的浪費(fèi)很大，并引發(fā)了諸多“城市病”?；鶐r是一種比較特殊的地下資源，除了巖石本身價(jià)值以外，所在巖石空間還能增加土地供應(yīng)，是今后城市地下空間開發(fā)的重要戰(zhàn)略儲(chǔ)備資源（伏海艷等，2016）。另外，利用巖洞的獨(dú)特性質(zhì)，將其規(guī)劃部署用于某些特殊用途，有時(shí)可發(fā)揮極其重要的作用（Wallace et al., 2016）。我國內(nèi)地的山地城市數(shù)量眾多，隨著城市化進(jìn)程的加快，對(duì)巖洞開發(fā)的需求也在迅速增加。例如成都提出要打造“638”格局，青島要再建一個(gè)“地下青島”（謝和平，2019），迫切需要摸清相關(guān)城市地區(qū)的巖石資源“家底”。盡管這些城市近年來在地下空間開發(fā)過程中，也涉及到巖洞開發(fā)（主要修建交通隧道），并取得了快速進(jìn)步，然而跟世界先進(jìn)水平相比，仍然存在碎片化應(yīng)用和規(guī)劃不到位等一些問題。目前，世界上赫爾辛基、新加坡和中國香港等城市均已在地下巖洞開發(fā)中取得了很大進(jìn)展，成為現(xiàn)代城市地下巖洞開發(fā)的成功范例。這里的巖洞，僅指人工開挖的巖石洞室，而非天然形成的洞穴。本文通過典型案例分析，介紹基于巖洞開發(fā)的城市地下空間研究技術(shù)進(jìn)展，為我國內(nèi)地城市地下空間的開發(fā)利用提供參考借鑒。

1 城市地下巖洞開發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展特點(diǎn)

盡管遠(yuǎn)古人類早就已利用巖石洞穴作為居所，但現(xiàn)代在城市地區(qū)大規(guī)模挖掘巖石洞室且已經(jīng)比較成熟的當(dāng)數(shù)北歐國家。隨著挖掘技術(shù)和設(shè)備的進(jìn)步，巖洞開發(fā)的成本已大幅下降。早期主要出于戰(zhàn)時(shí)安全考慮，后來開發(fā)的目的已經(jīng)轉(zhuǎn)向保護(hù)地面質(zhì)量，比如將地表設(shè)施（包括交通基礎(chǔ)設(shè)施）轉(zhuǎn)移到巖洞內(nèi)。當(dāng)然，北歐極度嚴(yán)寒的氣候，也使人們對(duì)巖洞開發(fā)情有獨(dú)鐘。如瑞典在城市地區(qū)利用堅(jiān)固的巖洞修建地下商城、地下街道、地鐵隧道、公用設(shè)施管道、停車場及地下污水處理廠、地下工廠、地下核電站、石油儲(chǔ)罐、食品倉庫和地下避難所等（Tengborg et al., 2016）；挪威地下發(fā)電業(yè)已形成“地下產(chǎn)業(yè)”（Broch，2016），除了利用地下洞庫儲(chǔ)物外，各種市政設(shè)施也修建在巖洞內(nèi)，包括娛樂與休閑設(shè)施，其中最有名的是Gj?vik地下游泳池和1994年冬季奧運(yùn)會(huì)期間在該游泳池旁邊修建的Gj?vik奧林匹克山大廳（洞室長91 m，最大高度25 m，跨度達(dá)61 m，可容納5500人）。不過，從可持續(xù)的觀點(diǎn)來看，芬蘭赫爾辛基市制定了世界第一個(gè)較完整的巖洞開發(fā)總體規(guī)劃（V?h?aho, 2016），在理念和整體水平上都比其他北歐城市更成熟、更先進(jìn)。

隨著全球城市化進(jìn)程加劇，一些土地資源稀缺的山地城市，面臨巨大的擴(kuò)張壓力。但也有一些城市（比如中國香港和新加坡）通過巖洞開發(fā)，建成為世界上最繁華的大都會(huì)之一。香港巖洞開發(fā)始于20世紀(jì)70年代的地鐵（MRT）建設(shè)，現(xiàn)已修建了一批特定類型的設(shè)施（表1），且大都已發(fā)展完善并在整個(gè)城市的運(yùn)轉(zhuǎn)當(dāng)中發(fā)揮重要作用（Wallace et al., 2016）。

表1 香港特定用途的巖洞設(shè)施Tab.1 Cave facilities for specific purposes in Hong Kong

新加坡早就提出了再造一個(gè)“地下新加坡”的目標(biāo)，近年來已在巖洞里修建了許多基礎(chǔ)設(shè)施和倉庫（Zhou Yingxin et al., 2016；Yong et al., 2015；李地元等，2015）。如2008年建成了1個(gè)地下軍火庫，節(jié)省了300 hm2的地面土地；2014年建成了裕廊洞庫第一期，可儲(chǔ)油147萬m3，第二期仍在開發(fā)中。最近還提出在肯特崗修建30層樓的地下科學(xué)城，在裕廊山/丹戎嶺修建1個(gè)地下倉儲(chǔ)、物流設(shè)施和數(shù)據(jù)中心。目前新加坡的巖洞開發(fā)計(jì)劃包括2018年開始修建南北和東西兩條隧道，2024年修建湯中—東部沿海線，2026年修建南北廊道。

總的來看，當(dāng)前城市地區(qū)巖洞開發(fā)具有如下特點(diǎn)：1）巖洞開發(fā)已經(jīng)從戰(zhàn)時(shí)安全向環(huán)境保護(hù)轉(zhuǎn)變，目的是實(shí)現(xiàn)城市更可持續(xù)發(fā)展；2）巖洞開發(fā)已作為城市地區(qū)地下空間開發(fā)必不可少的重要內(nèi)容，并有可能成為一種主要趨勢；3）巖洞開發(fā)也需要依據(jù)統(tǒng)一的規(guī)劃。

2 研究內(nèi)容

2.1 城市地區(qū)巖石資源調(diào)查與區(qū)劃

高山和丘陵過去經(jīng)常被城市規(guī)劃人員視為障礙，然而，現(xiàn)在基巖已成為城市地區(qū)越來越寶貴的戰(zhàn)略資源（Broch, 2016）。如北歐的巖洞開發(fā)實(shí)踐證明，擁有巖石資源的城市反而具有很大優(yōu)勢。北歐城市基巖地質(zhì)條件良好，具備很好的巖洞開發(fā)條件。但以往的基巖資料主要來源于區(qū)域基礎(chǔ)地質(zhì)填圖，沒有從資源角度對(duì)基巖所在區(qū)域進(jìn)行立體調(diào)查?，F(xiàn)代巖石資源調(diào)查不僅從巖石本身，還要從巖石空間角度來開展全面綜合調(diào)查與區(qū)劃。比如新加坡建筑上使用的石料和沙子大多依靠進(jìn)口，因此把基巖也看成極為重要的戰(zhàn)略資源。新加坡地表巖石主要由武吉知馬花崗巖（BT）、沙加哈特組（S）變質(zhì)石英砂巖和泥巖、貢巴克蘇長巖（GN）和裕廊組（JF）沉積巖等組成。BT是最主要的基底巖石，占新加坡島嶼面積的三分之一；JF是最年輕的沉積巖地層。2007年新加坡城市地下總體規(guī)劃工作組設(shè)立了國家地質(zhì)辦公室，負(fù)責(zé)收集和管理地下信息，并開展基巖地質(zhì)調(diào)查，繪制了巖洞開發(fā)潛力區(qū)圖（圖1）。

圖1 新加坡巖洞開發(fā)潛力區(qū)簡化圖Fig. 1 Simplified map of cave development potential area in Singapore(Lee et al., 2018)

香港有60%的面積為丘陵地區(qū)，地下空間開發(fā)利用離不開基巖區(qū)巖洞開發(fā)。全港出露地表的巖石中火成巖占85%，其中花崗巖（35%），火山巖（50%），這些巖石有利于開發(fā)，也是香港巖洞開發(fā)的主體。20世紀(jì)80年代后期針對(duì)巖洞開發(fā)進(jìn)行了多方面研究，目的是查明香港巖洞開發(fā)的潛力。比如地下空間潛在用途（SPUN）研究項(xiàng)目，目的是詳細(xì)調(diào)查香港巖洞的潛在用途（Wallace et al., 2016）。結(jié)果表明，香港的基巖地質(zhì)條件適合開發(fā)，尤其市區(qū)邊緣地帶的丘陵，那里的巖石堅(jiān)固、交通便利，是最適宜巖洞開發(fā)的區(qū)域。

2.2 城市巖洞三維建模

鑒于地下巖洞的立體性質(zhì)，在不同深度的開發(fā)可行性存在較大差別，應(yīng)用三維建模技術(shù)使巖洞可視化具有重要意義。盡管在隧道工程地質(zhì)勘察時(shí)，常常采用三維地質(zhì)建模來反映巖洞應(yīng)力應(yīng)變等不同地質(zhì)參數(shù)的變化及圍巖穩(wěn)定性等狀況（Ma Ke et al., 2020），但一般都僅限于隧道、地下倉庫等特定場地（Wang Xiaowei et al., 2020），而不同于區(qū)域三維地質(zhì)建模。另外，服務(wù)于規(guī)劃用途的城市巖洞三維建模，不僅需要地質(zhì)資料，還要綜合其他相關(guān)的巖洞信息，可是這些信息往往缺乏或獲取困難，從而給構(gòu)建精細(xì)的巖洞三維模型帶來了很大挑戰(zhàn)。國內(nèi)由于開展城市三維地質(zhì)調(diào)查（程光華等，2019），近年來在三維地質(zhì)建模方面取得了很大進(jìn)步（譚飛等，2020）。最近，上海已成功開發(fā)了三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)和屬性模型一體化建模方法，實(shí)現(xiàn)了三維地質(zhì)模型與地下構(gòu)筑物模型的自動(dòng)融合（薛濤等，2021）。盡管三維綜合建模技術(shù)的發(fā)展很快，但對(duì)城市地區(qū)巖洞資源的三維建模工作還比較少。

2.3 城市巖洞開發(fā)可行性研究

巖石資源開發(fā)是一次性、不可逆的過程，因此在摸清巖石資源分布的基礎(chǔ)上，還必須進(jìn)行開發(fā)可行性研究，并開展適宜性評(píng)價(jià)。新加坡在近年來的巖洞開發(fā)過程中，就特別注重巖洞開發(fā)可行性研究。其中，在武吉知馬花崗巖中開展的洞室建設(shè)可行性研究，所取得成果幫助國防部下定決心修建了地下彈藥庫（UAF）（Anonymous, 2008）。該項(xiàng)目的成功不僅引發(fā)了新加坡對(duì)巖洞開發(fā)的興趣和思考，而且推動(dòng)了新加坡第二大巖洞項(xiàng)目——裕廊儲(chǔ)油巖洞的建設(shè)（Anonymous, 2014）。此外，新加坡還開展了根據(jù)發(fā)電站、廢水處理廠、焚燒廠、垃圾填埋場、水庫、倉儲(chǔ)和物流、數(shù)據(jù)中心、港口和機(jī)場物流等不同用途的洞室專項(xiàng)研究（Zhou Yingxin et al.，2011）。這些研究為新加坡制定城市地下空間總體規(guī)劃奠定了良好基礎(chǔ)。

香港土木工程拓展署于20世紀(jì)90年代也開展了一系列“巖洞地區(qū)研究”（CAS），將大嶼山北部、香港島及九龍半島3個(gè)地區(qū)的土地進(jìn)行了巖洞開發(fā)適宜度分類。2010—2011年，又啟動(dòng)了“加強(qiáng)香港地下空間利用”的研究（簡稱“巖洞可行性研究”），目的是在全港篩選出那些適合巖洞開發(fā)的區(qū)域。香港已構(gòu)建了比較完善的巖洞開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（Wallace et al.，2016）；在巖洞開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)過程，首先建立了地形數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖、各種土地用途、地下設(shè)施、地質(zhì)構(gòu)造、鉆孔及私人土地等多個(gè)數(shù)據(jù)庫，然后利用地理信息系統(tǒng)（GIS）進(jìn)行分析、比較和展示，對(duì)適宜巖洞開發(fā)的區(qū)域按照適宜度從高到低的順序分級(jí)，最終得到比較詳細(xì)的全港巖洞開發(fā)適宜性圖（圖2），該圖顯示香港有約三分之二的地區(qū)適合巖洞開發(fā)（Wallace et al.，2014）。

圖2 洞室開發(fā)適宜性示意圖Fig. 2 Schematic diagram of suitability for cavern development(Wallace et al., 2014)

2.4 城市巖洞開發(fā)規(guī)劃

為了協(xié)調(diào)巖石資源的利用，甚至循環(huán)利用巖洞空間，確保重要用途和關(guān)鍵設(shè)施優(yōu)先使用，制定統(tǒng)一規(guī)劃是最佳方法。芬蘭赫爾辛基市制定了世界上第一個(gè)城市地下空間總體規(guī)劃，據(jù)此對(duì)地下空間用途進(jìn)行分配，基巖資源主要留作公共用途。由于該市基巖之上的土壤層平均厚度僅7 m，因此基巖在地下空間開發(fā)中的地位十分重要，巖洞開發(fā)十分廣泛。該規(guī)劃也預(yù)留了部分基巖資源，以便將來修建未知用途的地下設(shè)施。這些預(yù)留區(qū)包括大約40個(gè)基巖區(qū)，每個(gè)區(qū)域的平均面積為0.3 km2，總面積將近14 km2，占赫爾辛基陸地面積的6.4%（V?h?aho, 2016）。在圈定預(yù)留區(qū)前，先要查明這些地區(qū)能否被利用、目前和規(guī)劃的地面用途、交通狀況、土地所有權(quán)以及可能的娛樂、景觀和環(huán)境保護(hù)價(jià)值等。

新加坡城市重建局于2019年發(fā)布了最新的城市地下空間總體規(guī)劃。該規(guī)劃將地下空間分為淺層、深層和巖洞層進(jìn)行分類管理，淺層以建設(shè)人的活動(dòng)場所為主，深層以進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施和公用服務(wù)設(shè)施建設(shè)為主，巖洞則用于廢物處置、蓄水、儲(chǔ)存油氣等戰(zhàn)略物資及保存彈藥武器等。新加坡巖洞規(guī)劃主要依據(jù)已開展的不同用途的洞室專項(xiàng)調(diào)查結(jié)果（Zhou Yingxin et al., 2011）。

香港土木工程拓展署2012年底進(jìn)行的“巖洞開發(fā)長期戰(zhàn)略”研究（以下簡稱“巖洞戰(zhàn)略研究”）旨在為香港的巖洞開發(fā)制定一個(gè)長期的戰(zhàn)略規(guī)劃和實(shí)施計(jì)劃，包括制定巖洞總體規(guī)劃（CMP），以圈出可容納巖洞設(shè)施的戰(zhàn)略性區(qū)域（SCVA）。目前，該規(guī)劃仍在修改完善中。已知的計(jì)劃包括在城市邊緣地帶劃出大約50個(gè)戰(zhàn)略性巖洞開發(fā)區(qū)，總面積約45 km2；將大約30個(gè)現(xiàn)有的政府公共設(shè)施搬遷到地下巖洞中。該規(guī)劃尤其注意土地用途與鄰近地面的兼容性發(fā)展，并建立戰(zhàn)略機(jī)制，以保護(hù)巖洞地區(qū)的發(fā)展?jié)摿Γ℉o et al., 2016）。

3 存在問題

通常在城市地下空間調(diào)查和評(píng)價(jià)過程中，往往把基巖排除在外，即僅把基巖之上的部分作為考察對(duì)象（鄭桂森等，2017）。當(dāng)前影響巖洞開發(fā)的主要因素是成本和安全，另外也有心理、社會(huì)等方面的原因，而且這種局面還會(huì)長期存在（Broch, 2016）。盡管目前已經(jīng)在城市巖洞開發(fā)理論和技術(shù)方面取得了很大進(jìn)展，但仍然存在需要進(jìn)一步研究的問題。

（1）城市地下巖洞開發(fā)的必要性。顯然，不同城市應(yīng)區(qū)別對(duì)待。目前對(duì)巖洞在城市地下空間開發(fā)中的作用和地位普遍認(rèn)識(shí)不足，一般都認(rèn)為基巖比較堅(jiān)固，只適用于修建人防工事，在軍事和國防方面用途很大，傾向于一直存而不用；但實(shí)踐表明，當(dāng)有些城市發(fā)展到一定階段，尤其是當(dāng)非巖石地下空間幾乎開發(fā)殆盡后，開發(fā)巖洞幾乎是不可避免的。比如山地城市，巖洞不僅可以為城市提供增量土地供應(yīng)，而且?guī)r石本身也具有戰(zhàn)略利用價(jià)值，對(duì)此類城市，巖洞開發(fā)具有雙重意義。

（2）巖洞開發(fā)面臨新形勢、新需求和新用途的挑戰(zhàn)。巖洞具有多種潛在用途，例如過去常用于儲(chǔ)藏油氣資源，近年來出現(xiàn)了二氧化碳封存及清潔能源儲(chǔ)存等新的需求。另外，相對(duì)外太空開發(fā)的巨大風(fēng)險(xiǎn)和投入，地下深部空間（特別是巖洞）在深地醫(yī)學(xué)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、精密儀器制造和構(gòu)建地下生態(tài)城市等領(lǐng)域均有望發(fā)揮重要作用（謝和平等，2017；謝和平，2019），而且成本和風(fēng)險(xiǎn)均較低。

（3）巖洞三維建模和數(shù)字化建設(shè)仍需加強(qiáng)。城市地區(qū)現(xiàn)有的巖洞資料還不完善，基巖資料主要來源于傳統(tǒng)的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，盡管現(xiàn)代城市工程建設(shè)過程中已獲得了大量地質(zhì)、鉆探和隧道施工方面的詳細(xì)資料，但目前這些資料還比較分散，信息獲取難度較大。

（4）巖洞探測方法尚未進(jìn)行系統(tǒng)梳理。城市包括待建區(qū)和建成區(qū)（何靜等，2019），待建區(qū)主要采用傳統(tǒng)的地質(zhì)和地球物理方法，建成區(qū)適合于采用相對(duì)無損的地球物理方法，然而物探方法要求被探測對(duì)象達(dá)到能夠被儀器探測的規(guī)模，且與周圍環(huán)境存在較大物性差異，因?yàn)橐话愠鞘协h(huán)境對(duì)地球物理場都存在明顯干擾，可能影響巖洞探測精度和效率。

（5）對(duì)巖洞規(guī)劃和開發(fā)模式的研究不夠。在城市地下空間規(guī)劃中常用的分層法，主要依據(jù)深度來分層（Li Xiaozhao et al., 2016）。有些規(guī)劃盡管單獨(dú)列出了巖洞層，但并未進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃。巖洞開發(fā)模式應(yīng)因地制宜，根據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)和需要解決的實(shí)際問題確定開發(fā)模式。如中國香港和新加坡對(duì)巖洞開發(fā)是綜合性的立體開發(fā)，巖洞用途多樣；而符拉迪沃斯托克（原名海參崴）則主要通過修建巖洞作為交通隧道，顯著縮短市內(nèi)交通出行時(shí)間（Makarov et al., 2016），附帶解決相關(guān)城市問題，屬于比較單一的巖洞開發(fā)模式。

（6）尚未構(gòu)建城市巖洞開發(fā)的適宜性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)體系。適宜性評(píng)價(jià)目的是為巖洞開發(fā)規(guī)劃提供依據(jù)，基巖體本身性質(zhì)及所在區(qū)域的地面開發(fā)狀況和土地用途等多種因素都會(huì)影響巖洞和將來用途之間的相適宜程度。

（7）尚未建立全生命周期的城市巖洞監(jiān)測體系。鑒于城市巖洞開發(fā)對(duì)周圍環(huán)境存在不可逆的影響，運(yùn)營過程中潛在安全問題不可忽視，因而在其生命周期內(nèi)，對(duì)城市巖洞安全和設(shè)施運(yùn)營狀況進(jìn)行監(jiān)測很有必要。今后應(yīng)盡可能采用最新的大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

4 結(jié)論和建議

城市巖洞開發(fā)今后可能成為城市地下空間開發(fā)的一種主要趨勢。巖石空間是城市地下空間資源的一部分，基巖本身也具有開發(fā)利用價(jià)值。利用巖洞的獨(dú)特優(yōu)勢，將其規(guī)劃部署用于某些特殊用途，有時(shí)可發(fā)揮極其重要的作用。為實(shí)現(xiàn)城市未來的可持續(xù)發(fā)展，有必要科學(xué)規(guī)劃城市地下巖洞開發(fā)，以提高對(duì)各種地下資源的精細(xì)化利用水平。

我國內(nèi)地城市（尤其山地城市）在城市規(guī)劃時(shí)也應(yīng)開展基于巖洞開發(fā)的城市地下空間理論和關(guān)鍵技術(shù)研究。包括：1）選擇有代表性的山地城市，開展城市地區(qū)巖石資源調(diào)查和區(qū)劃，在摸清城市基巖分布狀況的前提下，對(duì)巖石資源進(jìn)行初步的分區(qū)規(guī)劃；2）進(jìn)而根據(jù)國家中長期發(fā)展規(guī)劃、重要城市群和經(jīng)濟(jì)中心建設(shè)以及區(qū)域發(fā)展規(guī)劃的需求，開展有針對(duì)性的專題可行性研究，并進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)；3）開發(fā)巖洞三維模型，建立城市地區(qū)數(shù)字化巖洞；4）結(jié)合城市地下空間規(guī)劃，確定巖洞開發(fā)模式，制定和完善巖洞開發(fā)規(guī)劃。