城市道路下方地下空間資源利用評(píng)估方法研究

趙 光，丁鴻志，李 奧，董 飛，鄒鴻浩

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210019；2.南京市公共工程建設(shè)中心，江蘇 南京 210019）

0 引 言

城市地下空間的開發(fā)利用在城鎮(zhèn)化發(fā)展的進(jìn)程中，經(jīng)歷了由淺層利用到深層利用，從單一開發(fā)到大規(guī)模開發(fā)，從解決“城市病”問(wèn)題到提升城市發(fā)展空間和核心競(jìng)爭(zhēng)力[1]。截至2020 年底，中國(guó)城市地下空間累計(jì)建設(shè)面積達(dá)24 億m2[2]，城市地下空間的建設(shè)規(guī)模和速度已居世界首位，中國(guó)已成為名副其實(shí)的地下空間開發(fā)利用大國(guó)。城市地下空間資源兼?zhèn)滟Y源與環(huán)境雙重屬性，且極其寶貴也十分敏感，具有復(fù)雜性、戰(zhàn)略性和不可逆性，其開發(fā)利用務(wù)必科學(xué)有序、合理統(tǒng)籌[3]。城市地下空間資源評(píng)價(jià)是地下空間開發(fā)利用的基礎(chǔ)性工作和重要前提，然而當(dāng)前城市地下空間資源研究還存在許多問(wèn)題，不能滿足蓬勃發(fā)展的城市地下空間資源開發(fā)利用巨大的實(shí)踐需求[4-5]。主要表現(xiàn)為：

（1）各城市在地下空間開發(fā)深度方面差異較大。《城市地下空間規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 51358—2019）提出城市地下空間可分4 層，即：淺層（0～-15 m）、次淺層（-15 m～-30 m）、次深層（-30 m～-50 m）和深層（-50 m 以下）[6]，部分城市的要求如下：天津（分4層，即淺層0～-5 m、次淺層-5～-15 m、中層-15～-30 m、深層-30～-60 m）長(zhǎng)春（分3 層，即淺層0～-3 m、中層-3～-15 m、深層-15～-30 m）、寧波（分3 層，即淺層0～-15 m、中層-15～-30 m、深層-30～-50 m）、青島（分4 層，即淺層0～-10 m、次淺層-10～-30 m、中層-30～-50 m、深層-50～-100 m）[8]。因此，造成不同城市間分層開發(fā)深度的評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)比性差、可靠性也不同。

（2）城市地下空間資源質(zhì)量評(píng)價(jià)及適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分上不盡相同，質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)存在設(shè)置5 級(jí)（很好、好、中等、較差、差）或4 級(jí)（優(yōu)、良、中、差）。適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)方面，一般劃分為適宜、較適宜、較不適宜和不適宜等4 個(gè)等級(jí)，或者適宜、較適宜/ 基本適宜/一般適宜、適宜性差/不適宜等3 個(gè)等級(jí)。不同評(píng)價(jià)結(jié)果的定量性不足，可遷移性和參考性較差，無(wú)法指導(dǎo)城市地下空間的高效利用。

（3）城市地下空間資源容量評(píng)估僅考慮了地面空間現(xiàn)狀，沒(méi)有顧及既有地下空間、工程水文地質(zhì)條件、鄰近開挖或出于保護(hù)既有地下空間的需求等對(duì)地下可開發(fā)利用空間的影響，使得城市地下空間資源評(píng)估結(jié)果與實(shí)際差異較大，缺乏實(shí)用性。

當(dāng)前必須掌握道路下方地下空間的容量、已利用及可利用的基本情況，提出實(shí)用性城市道路下方地下空間資源利用評(píng)估方法，從而為未來(lái)道路下方地下空間的科學(xué)規(guī)劃和利用提供依據(jù)。

1 城市道路下方地下空間資源利用評(píng)估的基本內(nèi)容

道路下方地下空間資源是城市地下空間資源的重要組成部分，也是開發(fā)利用率較高的地下空間資源，承載了眾多的地下基礎(chǔ)設(shè)施功能。道路下方地下空間利用的基本用途為：地下道路，地下綜合管廊、地鐵車站、地鐵區(qū)間隧道、過(guò)街通道、地下商場(chǎng)等（見(jiàn)圖1）[8]。城市道路下方地下空間資源評(píng)估主要包含3項(xiàng)基本內(nèi)容：（1）道路地下空間容量計(jì)算；（2）道路下方現(xiàn)有地下空間計(jì)算；（3）進(jìn)一步可以得出道路下方地下空間利用率。

圖1 道路下方地下空間豎向?qū)哟蝿澐质疽鈭D

2 城市道路下方地下空間容量計(jì)算方法

《城市地下空間規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 51358—2019）提出“在確定的評(píng)估范圍內(nèi)，以城市規(guī)劃建設(shè)用地為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別對(duì)規(guī)劃用地范圍內(nèi)的建筑物、道路、綠地廣場(chǎng)下部等可供開發(fā)的地下空間容量進(jìn)行估算，整合后形成可供合理開發(fā)的地下空間容量。城市地下空間開發(fā)利用及地下軌道交通線路、車站建設(shè)時(shí)，應(yīng)預(yù)留地下市政管線所需的淺層地下空間。當(dāng)?shù)缆废陆ㄔO(shè)地下空間時(shí)，其覆土深度不宜小于3.0 m，并應(yīng)滿足重力流地下市政管線的實(shí)際埋深需求?！蓖瑫r(shí)，對(duì)城市道路和綠地下方地下空間容量計(jì)算方法進(jìn)行了規(guī)定，提出道路下方地下空間容量表達(dá)式為：

式中：Vr為道路下方地下空間容量；Sr為道路面積；Hi為開發(fā)深度。

城市綠地地下空間容量可按下式計(jì)算：

式中：Vg為綠地下地下空間容量；Sg為綠地面積；Hi為開發(fā)深度；Hii為植被所需深度（約1.5 m）；Hiii為排水層厚度（約0.3 m）。一般情況下Hii＋Hiii之和小于3.0 m 取值。

結(jié)合現(xiàn)有的規(guī)范成果、城市道路地下設(shè)施及道路下方地下空間的利用情況，從而提出道路下方地下空間容量表達(dá)式為：

式中：V 為道路下方地下空間容量；Sr為道路面積；Sg為道路兩側(cè)的綠地面積；Sf為道路兩側(cè)的輔道面積；Ha為允許開發(fā)深度，Hl為限制開發(fā)深度。

由于道路下方的地下空間分布較為分散，存在某一段道路下方地方空間密集的情況，比如城市核心區(qū)地段的道路，同時(shí)也有部分道路的下方無(wú)地下空間，同時(shí)即使同一條道路，由于所屬的區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度、巖土體參數(shù)及地質(zhì)條件差異較大，允許開發(fā)和限制深度也不一致。因此為了便于道路任意區(qū)段內(nèi)的地下空間容量的計(jì)算，提出一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)道路下方地下空間容量（見(jiàn)圖2）表達(dá)式為：

圖2 道路下方地下空間容量圖示

式中：Vi為某一段內(nèi)道路下方地下空間容量；li為主道路長(zhǎng)度；lr為道路寬度；lg為道路兩側(cè)的綠地寬度，lf為道路兩側(cè)的輔道寬度。

因此，整條道路下方地下空間容量可通過(guò)各個(gè)區(qū)域內(nèi)道路下方地下空間容量疊加計(jì)算得到，表達(dá)式為：

3 城市道路下方現(xiàn)有地下空間計(jì)算方法

城市地下空間規(guī)劃應(yīng)以地下空間資源評(píng)估為基礎(chǔ)，對(duì)城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)地下空間資源劃定管制范圍，劃定城市地下空間禁建區(qū)、限建區(qū)和適建區(qū)，提出管制措施要求[9]。禁建區(qū)應(yīng)為基于自然條件或城市發(fā)展要求，在一定時(shí)期內(nèi)不得開發(fā)的城市地下空間區(qū)域；限建區(qū)應(yīng)為滿足特定條件，或限制特定功能、或限制規(guī)模開發(fā)利用的城市地下空間區(qū)域；適建區(qū)應(yīng)為規(guī)劃區(qū)內(nèi)適宜各類地下空間開發(fā)利用的城市地下空間區(qū)域。禁建區(qū)的劃定是為了避免城市地下空間的開發(fā)建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞，主要是基于保護(hù)的目的劃定該區(qū)域。限建區(qū)是一般條件下不得開發(fā)、僅在滿足特定條件后可進(jìn)行開發(fā)的城市地下空間區(qū)域。適建區(qū)主要指在一般條件下允許開發(fā)建設(shè)的城市地下空間區(qū)域。

道路下方地下空間建設(shè)完成后，為了確保地下空間的結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)對(duì)地下空間周圍的一定范圍內(nèi)的巖土體進(jìn)行保護(hù)，即地下空間周圍存在安全保障區(qū)。安全保障區(qū)應(yīng)適用于禁建區(qū)的要求[10]。因此道路下方地下空間的實(shí)際利用區(qū)面積應(yīng)是有效利用區(qū)和安全保障區(qū)面積的和（見(jiàn)圖3），表達(dá)式如下：

圖3 道路下方現(xiàn)有地下空間實(shí)際利用區(qū)面積計(jì)算圖示

式中：Ua為道路下方地下空間的實(shí)際利用區(qū)面積；Ue為有效利用區(qū)面積；Us為安全保障區(qū)面積。

對(duì)于不規(guī)則形狀的既有地下空間，應(yīng)對(duì)既有地下空間的實(shí)際利用區(qū)進(jìn)行修正，取其最長(zhǎng)邊與水平面或者垂直面進(jìn)行投影，進(jìn)而形成的包絡(luò)區(qū)域?yàn)樾拚蟮膶?shí)際利用區(qū)，具體方法如圖4 所示。

圖4 不規(guī)則形狀的既有地下空間實(shí)際利用區(qū)計(jì)算方法圖示

考慮到地下空間安全保障區(qū)的范圍與巖土體特性，施工方法及地形等因素有關(guān)，各個(gè)區(qū)段內(nèi)安全保障區(qū)面積差異較大，同時(shí)地下空間斷面尺寸也會(huì)發(fā)生變化，因此在某一段區(qū)域內(nèi)，當(dāng)隧道安全保障區(qū)的范圍一致時(shí)，道路下方既有地下空間量Vai表達(dá)式為：

式中：Uai，Ue，Usi分別為某一區(qū)段內(nèi)道路下方地下空間的實(shí)際利用區(qū)，有效利用區(qū)及有效利用區(qū)面積。

則整條道路下方既有地下空間容量可由各段內(nèi)的地下空間量疊加計(jì)算得到，表達(dá)式為：

4 城市道路下方地下空間利用率計(jì)算方法

基于道路下方的地下空間容量和既有地下空間容量計(jì)算方法（見(jiàn)圖5），可以得到某一區(qū)段內(nèi)道路下方地下空間利用率的表達(dá)式為：

圖5 道路下方分層地下空間實(shí)際利用區(qū)面積計(jì)算方法圖示

式中：li為某一區(qū)段內(nèi)道路長(zhǎng)度，則整條道路下方地下空間利用率表達(dá)式為：

為了進(jìn)一步揭示道路下方不同深度位置處地下空間的利用率，提出道路下方分層地下空間利用率計(jì)算方法。將道路下方地下空間進(jìn)行分層，可以按照一定的深度（5/10/20 m 等）進(jìn)行均分，也可以參考其他標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行非均分設(shè)置，比如《城市地下空間規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 51358—2019） 中的4 層城市地下空間劃分結(jié)果等，因此某一區(qū)段內(nèi)道路下方某一層地下空間容量表達(dá)式為：

式中：li為道路長(zhǎng)度；lr為道路寬度；lg為道路兩側(cè)的綠地寬度；lf為道路兩側(cè)的輔道寬度；hci為道路下方某一層的深度。

同時(shí)在某一段區(qū)域內(nèi)，道路下方既有地下空間容量Vai表達(dá)式為：

式中：la分別為某一區(qū)段內(nèi)道路下方地下空間的實(shí)際利用區(qū)的寬度。

則某一區(qū)段內(nèi)道路下方某一層地下空間利用率ξi的表達(dá)式為：

據(jù)此，可以實(shí)現(xiàn)沿道路縱向任意位置和分層條件下道路下方地下空間利用率的計(jì)算，進(jìn)一步結(jié)合MapGIS，Suffer 等地理信息系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)道路任意位置處和任意深度范圍內(nèi)道路下方地下空間資源評(píng)估（見(jiàn)圖6），也可獲得整條道路下方地下空間整體利用率。

5 結(jié) 論

（1）為便于道路任意區(qū)段內(nèi)的地下空間容量的計(jì)算，提出一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)道路下方地下空間容量計(jì)算方法。

（2）提出道路下方地下空間的實(shí)際利用區(qū)面積應(yīng)是有效利用區(qū)和安全保障區(qū)面積的和，對(duì)于不規(guī)則形狀的既有地下空間，應(yīng)對(duì)既有地下空間的實(shí)際利用區(qū)進(jìn)行修正，取其最長(zhǎng)邊與水平面或者垂直面進(jìn)行投影。

（3）揭示道路下方不同深度位置處地下空間的利用率，提出道路下方分層地下空間利用率計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了沿道路縱向任意位置和分層條件下道路下方地下空間利用率的計(jì)算。