地球科学面临的十大挑战之十：利用和开发地下空间

这是法国地质调查总局（BRGM）最新出版的《地球科学面临的十大挑战》中的第十大挑战，即如何安全合理利用和开发地下空间。当前在世界范围内，地下空间开发和利用已经成为地质调查工作的一项重要任务。

地面空间日益短缺，人类开始向上建设利用上层空间，但同时也在近地表的地下建设一些设施，如下水道、地铁等。随着技术的进步、能源危机和环保意识的综合影响将导致可能被多元化利用地下空间，而根本的原因还是城市区非常普遍且不动产压力加剧。

未来的“紧凑型城市”将必须加大对第三维的利用，即向上和向下发展。

一、地下空间的优点和用途

1.地下空间的内在特征

除了私人地下室外，从19世纪开始，城市地下空间主要用于安装一些公用设施和其它系统（如供水系统、下水道和地铁），，地下空间是一种潜在的开发空间，其本身的优点很明显：

一是其可得性；二是其坚固性；三是其不透光性可隐藏一些贵重且丑陋的物体；四是其隔热性使其具有非常有吸引力的特点；五是低传导率，使地下空间具有相当强的绝缘能力；六是热容使周围岩体可储热或储冷；七是具有供热的潜力，地下深部可作为块状热源（干热岩）。

地下空间同样可承载具有多种和相互连接流的复杂装置，各流量相交可“自然地”发生，无需增加额外建筑。这在斯德哥尔摩市的环城高速公路中得到证实：特意将交汇处建在地下，而中间的路段位于地上。

除了本身具有的这些所有优点外，地下空间也有一些缺点：

一是地下空间的法律身份很复杂，所有权交叉重叠和公权利受到限制，这一状况不利于大型作业；

二是地下建筑具有不可逆性（不可能恢复到初始状态）；

三是在市区内，地下空间的利用常受到地下设施叠加的阻碍；

四是对常规建筑物而言，安装或拆除地下设施一般看似需要更高的建设成本；但外部或作业收益可能会改变这一局面。

19世纪后半叶，由于铁路运输方式只能在坡度小于2%（最大为3%）的斜坡运行，这刺激了对建设大量隧道的需求。因此在法国境内，共建成1660座隧道。这一时期，建成了第一批跨阿尔卑斯山的大型隧道：塞尼山口（14公里）、圣哥达（15公里）、勒奇山（15公里）和辛普朗（20公里），这些隧道将意大利和欧洲其他地区联系起来。这项巨大的工程在第一次世界大战之前停止，但也有例外，后来有些隧道用于旅游用高速公路，有些隧道因当地居民害怕其山谷可能变成“货车通道”而引发争议，同时，安全和环境污染等问题也引起人们的关注。20世纪90年代，舆论发生转变，高速公路隧道建设停滞。瑞士是第一个将运输从高速公路逐渐转为铁路的国家，并具有前瞻性地承担了建设“铁路用隧道”，这样载重量大的火车可在低海拔地区穿过阿尔卑斯山。法国、意大利、奥地利以及西班牙也采用了这一做法，修建铁路用隧道穿过比利牛斯山脉（见表1）。

表1 欧洲铁路隧道

Ambin隧道的出入口工程显示，由于极端的应力/强度比导致出现超过2米的径向敛合。跨阿尔卑斯山大隧道均面临这种难以避免的地质科学问题。

2.各类用途所具有的优势

地下解决方案是否具有优势取决于计划实施的活动类型。表2列出了不同的优势，这些优势分别与环境、安全性和经济性相关。按各列的顺序，从表2可得出以下结论：

一是环境方面的优势无可争议，特别是地上可获得的空间以及地下提供的无成本容量；

二是关于安全性，活动的技术要求越高，越需要防护，安装在地下就越有利。在这个方面仅有一个“红色标识”（表2）是：与客车或货车有关的风险（甚至包括火车运输，正如已介绍的英法海底隧道内最近发生的两次火灾）。这里再次注意到大型隧道（具有精密技术的建筑）和单一运输方式“不专业”特征之间的经典矛盾。

三是从经济性角度看，挖掘洞穴不可避免地要增加开支。但是这样做可能对于绝对需要隔离和保护的安装具有优势，可提供地质条件更适合的位置。另外，不动产成本越高（如城市中心），越倾向于地下解决方案。

表2 各类地下设施或活动所具有的优势

3.地下空间是一种理想的储存场所

无论是临时储存物品（具有价值因此必须保存）或者永久储存废物，地下空间所具有的防护性、限制性和隔离性均可使其成为特别理想的储存场所。地下空间的这些优点促进了两种类型的地下储存设施及其设计：

（1）天然储存场所

合适的地质构造可用于通过钻孔注入物质。人员无法进入这类场所，列举如下：

◆含水层内的天然气储存库，位于勘探石油时识别出的背斜（不泄漏）之下；法国已有约15个这类储气库，用于调峰不规律的消费量或可能是不可预测地影响运输的事件。Beynes未开发含水层内地下天然气储存库半个世纪地下开发的例子很有代表性。对该事件的回顾可以很清楚地看出，地下空间的优化管理不是预料之中的结论：在合同和作业公司之间达成良好一致之前，必须设想到两点：如果仅是在未开发的含水层内建设未来的二氧化碳储气库，从管理方面，需要关注矿业法规（这里没有展开）。行政管理方面很复杂，从技术本身来说足以进行独立处理。

◆含水层内季节间储热水库，常与热泵结合利用。如今这项应用已逐渐边缘化，曾在能源危机期间得到快速发展。

◆永久储存二氧化碳，欧洲各国现在均在大力推动这项工作，可使煤在燃烧后不排放温室气体。

目前大部分专家都同意以下观点：气候变化是向大气排放的温室气体（包括二氧化碳）产生的后果。为了限制这些排放，一种可能的解决方案是将二氧化碳回注到地下的地质储气库中。这种方案存在的障碍是第一，发现捕获和注入的成本和耗能很高：必须进行研发来降低成本且提高捕获的能效。第二，必须建立可行性的注入方案以及长期持久的储存。地质储存的三种目标介质为：衰竭的油气藏；饱含无利用价值盐水可渗透岩层组成的盐水层；一些太深而难以开采的煤层。理论和实验研究工作已进行十多年，已建成工业示范试点安装。由于已知的工作原理和获得的成果，石油行业已很好地设想并运行了这些储气库。

Lacq碳捕获/储存项目是道达尔公司进行的示范试点项目。本项目计划对燃烧后的捕获全流程进行测试，包括二氧化碳运输、注入和储存。示范项目指定的目标首先是证实和优化纯氧燃烧技术。也包括证实整个流程的工业可行性。

由于这个项目是法国境内首个二氧化碳地质储存试验，需要与行政部门和不同的利益相关者保持持续的交流。实际上，确定规章制度和二氧化碳捕获和储存的可接受性也将是减少大范围温室气体排放的先决条件。

该项目2009年初启动，是法国第一个二氧化碳储存项目（图2）。

（2）人工储存设施

人工挖掘很多用于储存的洞穴，可分为以下三个大类：包括厚盐层溶解形成的设施；开采洞穴形成的设施；废弃矿山或采石场形成的设施等。

4.地下空间和核工业

核工业天然地根植于地下，从地下采出铀。同样，铀循环也将在地下结束。世界范围内已达成共识，这种毒性最强的放射性废物必须选出具有极好稳定性和不泄漏的位置后，在深部地层内排放和隔离。该报告介绍了放射性废物地质储存的地球科学研究问题。2006年6月28日，国会立法要求法国放射性废物管理机构（ANDRA）对深部地层内的短期和长期储存开展或支持开展研究，保证协调并遵从国家放射性材料和废物管理计划。特别是关于地质储存，法律的第三条明确要求“相应的研究工作必须从选择储存位置和设计储存设施的角度进行”。这项法律是对放射性废物地质储存15年研究工作的结晶，在2005年准备了实例文件，可以证实高放废物（HLV）和长衰变期中等强度的放射性废物（LLILW，法语称为HA-MALV）在侏罗系粘土地层中地质储存的可行性。这个地层组位于巴黎盆地内，深度500米，沿默兹和上马恩省界分布。法律规定，在2014年完成准备工作，向管理部门提出应用文件，建立真正的储存设施，确定地下储存的准确位置。

在研究活动中地球科学占突出地位。放射性废物地质储存涉及的科学问题很多，遍布多个科学领域。在这些问题中，法国放射性废物管理机构（ANDRA）所进行研究活动的重心是地球科学问题。在地质领域，目标是通过采样和采用不同地球物理方法（测井和地震反射）记录的参数，得出岩石性质的测量结果之间的关系，从而建立覆盖面积约100平方公里的详细的三维地质模型。在地球化学方面，目标是了解放射性原子核的物理化学特性，并对地层内不同地球化学示踪剂系统的空间分布建模。

为了研究深部的长期的高放射性和中等放射性废物的储存，法国放射性废物管理机构（ANDRA）已在默兹/上马恩地区地表之下500米深处建成地下研究实验室，即默兹/上马恩地下实验室。该实验室的地表环境同样为地质科学领域的很多研究提供场所。从2007年开始，法国放射性废物管理机构（ANDRA）已在安装对环境的长期监测设施，还有在储存的基础设施作业中触发的零基准和监测中的干扰，为科学家们提供数十年间的三种不同生态系统内的生物化学循环的追踪的机会以及评价局部和全局影响产生的效应。到2012年，这些观察将与“ecotheque”共同进行，永久收集来自最优条件中保留的环境中的样品。

正如地面实验室进行的研究一样，地下实验室的试验将远不止限于放射性废物储存的框架内。 2008年，研究所权威部门考虑的主要内容是评价地下实验室转化的潜力，将其环境转化为可供整个科学界研究废物处理的超大研究基础设施。

但是用于核电发电的地下空间仍局限在一些实验性发电厂（挪威、瑞典、瑞士）和法国阿登高地地区内的Chooz发电厂。在地下安装反应堆的优点很多，但是要提供非常敏感的行业设施。

该方面最近数十年来，已取得实质进展，之前对地下空间的担忧已不再存在。挪威已在人工洞穴中建成奥林匹克溜冰场，长度是61米！Sakharov定律能应用与未来的核能设施，无论是在岩石洞穴内还是巨大的露天采坑中，随后会被回填。

二、地下空间建设方面取得的进展

1.不再有“不适合的”地形

如今在进行大规模的隧道建设的同时已可以很好地控制成本和进度（前提条件是开展足够详细的普查，利用现代技术手段设法避免地质上的不确定性）。对于城市内的隧道，20世纪80年代和90年代的两项创新被认为是具有转折性的事件：

◆“约束性”隧道掘进机：这种机器可在弱固结或饱和地形中非常安全地挖掘隧道，而之前对于这类条件，要求采用成本很高的灌浆作业；这种设备可在诸如真正的水体之下的地下作业，速度可达200-500米/月。

◆“补偿性灌浆”：任何浅隧道都可能造成沉降，需要在建筑物地基下以及隧道挖掘过程中逐渐注入水泥浆；这可以在危害性沉降发生前进行补偿。

由于这些技术进步，目前在历史名城中心甚至在河流之下进行隧道挖掘已不再有任何技术障碍：而且挖掘隧道已日益成为地铁的推荐方案。隧道挖掘机（TBM）已完全取代了覆盖型沟槽（曾在很长时间内切割着很多城市），甚至可与高架桥竞争，尽管高架桥更便宜，且在施工和运营过程中对地面没有影响。

2.巴黎水库隧道

采用长柱形方式创设地下空间最具经济性。但是这里的主要问题是：城市地面已变成完全不可渗透的地面。

3.掌握深部露天采坑

另一种建造地下空间的方法是挖空巨大的露天采坑。这些全面成熟的技术使得挖掘与现有地上结构相同体积的地下室成为可能（见图3和图4），同时不会对周围的建筑物造成影响或损坏。

目前，这类地下空间大部分用于为客车提供停车空间，但是可想象未来这种可容纳的技术设施可用于社区。

图3 在稠密城市区建造地下空间（采用混凝土墙和预应力固定器挖掘）

三、地下空间和城市可持续开发

1.法国地下空间开发的一些促进者

在谈及开发地下空间的优点时，必须对三位致力于促进地下空间开发的法国工程师表示敬意：

◆Edouard Utudjian：1932年创立GECUS（城市地下空间开发研究和协调小组），并坚定不移地领导这一机构开展研究40年。

◆Maurice Doublet，巴黎地区地方行政长官，组织编制了巴黎地区第一部开发组织纲要，1988年创立地下空间协会。

◆Pierre Duffaut：工程师，地下空间协会荣誉主席，2005年地下空间协会与AFTES（法国隧道和地下空间协会）合并。他对地下空间的不懈支持激发了很多研究人员致力于设想并推进地下空间利用的新方式。

遗憾的是，在20世纪后半叶，法国城市开发者们对机动车数量急剧膨胀感到不安，无法约束城市扩张带来的灾难性后果。现在当局已认识到城市必须稠密化，不能无限度蔓延。为达到这一目标，法国地下工程协会AFTES尽最大努力激活具有很好应用潜力的地下空间这一巨大资源，促进大城市的“可持续”运行。

2.地下快车道的幻灭

20世纪80年代和90年代，巴黎地区交通堵塞日益严重，导致大量地下收费高速公路项目（LASER，MUSE）上马。管理机构最终认为这类高速公路将不可避免地导致新的汽车涌入，只能使问题越来越糟。里昂的Fourviere隧道则提供了一个很好的反面实例。20世纪70年代建成这个隧道，以保证巴黎至马赛高速公路连续穿过里昂；但是目前它的运输目的已完全被其主要作用替代，实际上变成将大量车流注入到城市中心，而城市中心不能做到无障碍的消化。相反，里昂北部环高速的Caluire隧道是围绕城市中心的有效迂回。

巴黎和里昂并不是例外；目前大部分主要城市都已放弃了之前拥堵的穿过城市的高速公路，阻止汽车进入城市中心，有时会实行城市收费（如新加坡、斯德哥尔摩和伦敦）。已建成的专用于运输目的的地下高速公路都没有进城的出口。

3.利用公共交通修复城市

21世纪初的特点是大城市内的汽车对城市带来了普遍且巨大的伤害。在欧洲，因效率日益提高的公共交通使德国已开始领先20年。而按等级看，法国仅处于开始认识并模仿的阶段。

目前，德国已有21个城市建设了地铁或轨道电车。在法国则仅有七个城市。法国目前正努力弥补这一差距，但由于缺乏资金，只能支持相对便宜的解决方案。

实际上“大巴黎项目”中已设计规划了新的环形地铁系统（图6）。

总之，在21世纪初，人们已广泛意识到生态重要性，需要减缓温室气体效应或者限制机动车交通。人类活动中更多地利用地下空间可在很大程度上达到以下目标：未来的可持续城市将更稠密，并且必须要依靠其地下空间。