地下空间的开发利用

肖 明武汉大学水利水电学院

地下空间开发和利用的可持续性战略

第二章 地下空间开发和利用的可持续性战略

§2－ 1 地下空间开发的四大浪潮 随着能源、交通、国防、市政等国民经济的迅

速发展和全球性的环境保护及人类生存可持续发展的要求，地下空间的开发利用出现了前所未有的新浪潮。

国际上出现了“二十一世纪是人类开发利用地下空间时代”的口号 ;

§2－ 1 地下空间开发的四大浪潮 美国《未来学家》杂志预测二十一世纪将有

1/3 人口生活和活动在地下。 我国是正处于高速发展的国家，将可持续发

展作为现代化建设的一项重大战略是我国的基本国策。二十一世纪地下空间开发和利用时代，为我国隧道和地下工程的飞速发展提供了广阔前景。

§2－ 1 地下空间开发的四大浪潮

一、第一次浪潮：人类发展初期

特点：利用洞穴居住、防风、防雨、防野兽的有袭击

一、第一次浪潮 : 人类发展初期绳文时代洞窟遗迹 ( 第一期 )

所在地：群馬県万場町青梨 堀谷洞窟（静岡県浜北市）

用途 : 居住、避难、储藏数量 : 400 余处特点 : 朝南、靠近水源、前庭宽敞

§2－ 1 地下空间开发的四大浪潮

二、第二次浪潮： 19 世纪工业革命开始 特点：以欧美为主的矿山工程、城市市政和

地铁、军事和水电工程发展迅速

矿山工程

二、第二次浪潮：

19 世纪工业革命开始

§2－ 1 地下空间开发的四大浪潮

三、第三次浪潮： 20 世纪初中开始（ 1930 年）

特点：以地下空间利用为特征，人类活动移居地下

如：商业街、停车场、商业街、文化娱乐活动场所、体育艺术场馆

20 世纪兴起， 21 世纪为高潮 原因：人类巳意识到生存环境和资源的危机 特点：联合国和世界各国提出“可持续发展

战略”，以节约资源、改善环境，保护生态，建立可持续发展的城市的地下空间利用

21 世纪世界两大事件：美国的高科技，中国的城市化

四、第四次浪潮：

20 世纪兴起， 21 世纪为高潮 降低高层建筑，保持文化、艺术，给人们以宽广、舒适感。

四、第四次浪潮：

建立可持续发展的城市

地下空间开发第四次浪潮的中心是什么？

问 题

§2－ 2 、地下空间开发的动因

动因：建立可持续发展战略 ------ 第四次地下空间开发浪潮的中心内容

所谓可持续发展战略：保持人类生存可持续发展一、“可持续发展战略”提出的原因发展是人类社会永恒的主题，人类从诞生就不断

追求生产力的发展和社会文明的提高。

18 世纪人类进入了一个快速发展时代，随着生产力的迅速发展，人类创造的财富成倍增加，生活日益舒适；但人口迅速增加，资源剧烈消耗、环境严重污染，不合理的资源开发利用，导致生态环境日益恶化，严重威胁人类生存。所以：

“ 可持续发展战略”―― 1987 年联合国世界环境和发展大会提出

原因：世界经济“畸形”发展，导致环境日益恶化

状况：世界经济飞速发展，使自然资源惊人的损耗，使自然资源开发利用程度，超过了人类发展的正常需要，使得世界问题日益突出。

二、世界问题

① 人口爆炸：人口成几何发展――生存环境危机 (a) 世界人口急剧膨胀　 公元 1 年： 2.5 亿人； 1600 年： 5 亿人； 1950 年： 25 亿人； 1987 年： 50 亿（ 50 年的 2 倍） ;

　 2000 年： 61.3 亿 预计： 2025年 82.2 亿； 2050 年： 150 亿

二、世界问题

(b) 中国人口急剧膨胀　 公元 6 年： 0.16 亿人； 1602 年： 0.56 亿

人； 1949 年： 5.4 亿人； 1982 年： 10.32

亿（ 30年 2 倍） ;

1995 年： 12.0 亿 预计： 2020年 15.0 亿； 2050 年： 17 亿

地球不堪重负——人口大爆炸

人口问题，是全世界广泛关注而又急迫需要解决的问题。就人类所面临的挑战而言，人口问题首屈一指。它与资源紧张、环境污染等人类生态环境恶化现象密切相关。因此，世界大多数国家在洞察这一问题后，快速地作出反应，控制人口的大爆炸。

1987年 7 月 11 日，世界上第 50 亿个人出生在前南斯拉夫的萨格勒布。这个数字不是与生惧来的，也不可能停止不前，但我们可以人为地控制它，使其缓慢地增长。

从 1650 年至 1850 年，中间经历了 200 年，人口翻了一番，达到了第一个 10 亿；而从第一个10 亿到第二个 10 亿，用了 80 年时间；

从 1930 年至 1960 年，只用了 30 年时间，世界人口就跃进到第三个 10 亿。到 1975 年世界人口突破 40 亿大关。人口翻番的时间越来越短。

人类的脚步

②资源剧耗：石油、煤气、有色金属只有可数开发年限，按现有能源耗速度：石油 50 年；煤100~200多年；天然气 60 年耗竭；

矿场已非常有限。 世界能源消耗速度 单位：亿吨标准煤

能源

1980年 1986年增长百分比%消耗量 占总量

（%） 消耗量 占总量（%）

石油 37.67 44.2 41.08 38 9

煤炭 26.25 30.7 32.43 30 14

天然气 18.31 21.4 21.26 20 19

核能、水电 3.01 3.5 12.97 12 335

总计 85.24 100 108.10 100 27

水污染是普遍存在的

资源剧耗 大约 50年后，人类目前广泛使用的传统能源煤、石油和天然气将面临严重短缺……　　到那时，汽车还能不能在马路上奔跑，飞机还能不能在太空飞翔，冬天是否有暖气，夏天是否有空调，假如没有了能源，我们的生活中还能有什么？　　是可怕的预言，还是真实的未来？

③土地沙化，耕地减少：土地：是具有自然属性、经济属性和社会属性，人类赖

以生成的自然资源。土地功用：支撑人类生产和生活； 提供人类生成的植物和动物； 容纳和转化危机人类的排泄物。土地特性：面积有限。全球陆地 1.318亿 km2 ，占地

球表面的 29% ； 土地资源不可替代； 土地资源不可再生；土地沙化，耕地减少严重危机人类生成。

我国 1986－ 1996 年十年：耕地减少 2963万亩；1997、 1998、 1999 年分别减少 203万亩， 392万亩， 655万亩。

目前我国荒漠化面积 262.2万 km2 ，占土地面积27.3% ；而且沙化面积不断增加： 1960~1970 年每年平均增加沙化土地 1560万 km2 ；

1980 年以后，每年平均增加沙化土地 2460万 km2 ； 如果保持现有土地不减，中国耕地最大的人口承载为 17 亿人

城市范围扩大，耕地减少――城市用地紧张 中国： 960万土地　　耕地： 100万（占 1/10 ） 人均耕地 933 （与前苏联比，人均 7337 　约 1/8 ），

年平均递减耕地 1.66%

中国土地问题

土地沙化 : 我国是世界上土地沙化面积较大，分布较广、危害严重的国家之一。 目前我国沙化土地为 168.9万 km2 ，占国土面积的 17.6% 。风沙活动最为活跃的沙化土地近30万 km2 。 近年沙化土地面积的扩展速度在不断加快， 50-60年代平均每年扩展 1560km2 ， 70-80年代平均每年扩展 2100km2 ， 90年代平均每年扩展 2460km2 ，相当于一年损失一个中等县的土地面积。

内蒙古二连浩特市遭遇强沙尘暴袭击，风力短时达 9 、 10级，能见度不到 300米，当地气象部门于 14 时许发布沙尘暴橙色预警信号

耕地减少 :

国土资源部公布全国城镇存量建设用地专项调查结果，截至 2004 年底，全国城镇规划范围内共闲置、空闲、批而未供土地近 400万亩。

　 国土资源部介绍，从 1996 年到 2004 年，全国耕地减少 1 亿多亩；与此同时，大量土地被粗放利用，甚至浪费 .

人类工程活动沙漠化趋势增强新形成的沙丘

温室效应：是由于能原过度消耗，导致地球表面气温上升，全球变暖，冰川后撤，海平面上升。

臭气层空洞扩大：煤、石油过度消耗是温室和酸雨形成的元凶，加速臭气层的破坏――使地球失去了保护。酸雨面积超过国土 40% ，南方城市 81.8% 出现过酸雨。

1996 年世界卫生组织警告说：四年以来，南极上空臭气层空洞面积扩大一倍，大约为 2000万 km2 ，并有消失的可能。

臭气层是人类的保护伞；酸雨危害人体健康、损害生态系统、导致土地酸化、影响建筑材料和结构寿命。

④温室效应，臭气层空洞扩大：

温室效应导致冰川融化温室效应导致冰川融化

冰层融化会不断令海平面升高。海平面上升很可能带来毁灭性的灾害。海平面上升一米，单在孟加拉，会有过百万的人失去家园。融化的冰水会把海水冲淡－海水盐份改变会损害渔产并会扰乱全球的水流。

⑤环境污染：地理环境污染是指由于人为原因，向地理环境释放物质和能量，影响人类和其他生物的正常生存与发展，或造成某些地理要素的使用价值下降等现象。

水资源的污染：――导致水资源短缺，急需污水处理

大气污染：燃煤和汽车尾气排放，需解决城市燃料结构

危害：影响我们后代的生存和发展

水污染是普遍存在的

大气污染的危害

为什么青蛙妈妈找不到小蝌蚪了 ?

三、中国问题三、中国问题

1 、庞大的人口压力

2 、严重的资源短缺

自然资源 总量在世界排名人均占有量占世界人均值的比例

土地资源 3 1/3

矿产资源 3 3/5

耕地资源 4 1/3

河流径流量 6 1/4

森林面积 6 1/5

以城市为中心的环境污染仍在发展，并迅速向农村蔓延；土地流失、荒漠化等生态破坏的范围仍在扩大，程度在加剧

33

深深刻刻的的环环境境危危机机

（ 1 ）以甲地为代表的／／／／／所示地区突出的生态环境问题是荒漠化，造成这一问题的的自然原因主要是干旱、风蚀作用强、植被稀少 ，人为原因主要有过度放牧、滥垦滥挖、草原退化。

4 、土地的贫乏

（ 2 ）乙为低山丘陵地区，由于气候多雨，加之人类不合理的活动，如不合理耕作，过度砍伐树木 ，使这一地区的易发生的生态环境问题是水土流失。

（ 3 ）丙所在的地形区是盆地 ，这个地区的大城市由于大气污染形成的环境问题主要是酸雨，形成这一环境问题的气候条件是湿润多雨 ，当地的能源消费结构特点是以燃煤为主 。

（ 4 ）图中 A-F 各城市，由于能源结构以燃煤为主，冬季采暖季长，又以重工业最为集中，所以环境污染以大气污染 最为突出。

（ 5 ）从以上事例，可以总结得出，环境问题的分布具有明显的地域 性特征，这主要是由于各地区的社会经济不同，以及自然环境条件的差异所致。

目标： 建立一个健康、合理的人类可持续发展模式 ---- 开发利用地下空间，解决人类生存危机。

§2－ 3 地下空间开发的意义

地下空间开发的意义 建立可持续发展的必由之路――开发地下空

间美国（宾西法尼亚大学）格兰尼博士说：未

来的城市会搬到地下，以保持城市的完整性；把自然、艺术留给城市，把交通、活动放入地下。

地下空间的开发是保护环境、改善环境，提供人类所需资源，保证人类可持续发展的重要措施。

1 、地下空间提供巨大的活动空间，节省大量的能耗，人类活动转入地下

社会生产力的巨大发展，伴随着威胁人类生存的巨大破坏

社会每增加一个人，就必须提供一个生活空间，给人类生存带来压力和危机问题：人口问题、土地、粮食、水资源、矿物资源、生态环境、社会等问题

人类的生态空间和生活空间都是以土地为依托 人类生存所需的生活品（生态空间） 人类活动所需的场所（生活空间） 人口增长，土地减少――导致生存危机 人口增加，城市不能扩容――开发生存空间 开发空间：海洋――正在开发，难度较大。 宇宙――正在研究，较为遥远 地下――能直接受益，必然趋势

Western Kowloon Reclamation 西九龙西九龙

Ma On Shan reclamation completed in 1993 Ma On Shan reclamation completed in 1993 马鞍山马鞍山

地下空间给人们提供城市地下资源发展城市空间的立体化

　（ 1 ）居住空间：――随着技术的发展，地下空间居住能达到地面标准　（ 2 ）业务空间：――办公、会议、教学、实验、医疗、社会福利活动空间　（ 3 ）商业空间：――批发、零售、金融、贸易等场所　（ 4 ）文化空间：――娱乐、体育等场所　（ 5 ）交通空间：――人类利用最早、最有效的利用　

地下空间给人们提供城市地下资源发展城市空间的立体化

　（ 6 ）物流空间：――城市市政设施、管线、污水、垃圾处理　（ 7 ）生产空间：―军事、轻工、地下电站等　（ 8 ）贮存空间：――地下仓库、车库等 （ 9 ）防灾空间：――人防地道 　（ 10 ）埋葬空间：――地下埋葬和存放骨灰等

美国进行地下与地面建筑对比试验，地下建筑节能率：

明尼苏达、波士顿为 48% ； 盐湖城、罗克斯分别为 58%和 51% 。

结论： 地下空间的开发为人类的生存空间提供巨大潜力

2 、地下空间提供自然洁净能源 开发地下空间，挖掘地下空间资源的潜力——煤、油、水、热、矿物等丰富的地下资源。

（ 1 ）太阳能利用－利用地下能源库贮存美国 1982－ 1984 提建了一个地下供热库，夏季贮存，冬季使用。

瑞典建立一个 15000 洞室热水库（以焚烧废物为热源）

（ 2 ）深层干热岩（ HDR－ hot dry rock ）发电

美国、德国 1984 年建了一个 10MW 的干热岩电站

（ 3 ）建立地下蓄水库－水质好，解决水

资源短缺，挪威、芬兰、日本等都巳实现

3 、地下空间开发减少环境污染

地下交通网与城市中心市政、商业、活动场所相连，减少城市汽车，限制汽车流通

扩大地下空间活动场所，增加城市地面绿化面积采用地下废水处理系统，减少对城市污染，使污

水再利用（冲洗、浇花、灌溉），缓解水资源危机。

4 、开发地下空间，保持耕地，降低高层空间

开发 30m 以下空间，可将城市空间扩大一倍降低高层建筑，保持文化、艺术，给人们以宽广、舒适感。欧美提出限制高楼；我国上海也提出限制高楼。

开发地下空间，综合治理城市环境。 建立市政公用隧道，美化城市，管理规范化。 建立地下步行街，改变城市人流川流不息的压抑气氛。

状况： 19 世纪－桥梁； 20 世纪－高层建筑；21 世纪－地下空间

地下空间的开发利用

肖 明武汉大学水利水电学院

地下空间开发和利用的发展趋势

§2－ 4 地下空间开发持续发展趋势

一、地面地下综合化

地下综合体的开发和利用新城区一定要有地下空间规划地下铁道和地下步行街系统地下空间功能分区和协调发展

地面高架

浅层：人类活动：交通、娱乐、商业车库等。

中层：污水、垃圾处理、市政管线次深和深层：地下水、输送、处理、回收、

能源贮存、储存的循环系统更深层：能源（地热）和核废料处理

二、 地下空间分层化和深层化

• 高放废物中的放射性核素： 半衰期长、毒性大、对人类危害大。

• 安全处置高放废物：各国人民和政府十分关心的大事。

• 高放废物处置的目的：是让废物与人类生存的环境完全隔绝。

• 高放废物的处置：长期的、艰巨的、复杂的战略任务。

国际放射性废物地质处置十年进展 高放处置的方法：

宇宙处置： 不可行不可行

深海沟处置： 不可行不可行

冰盖处置： 不可行不可行

岩石熔化处置：不可行不可行

核素嬗变和分离：停留在实验室阶段，针对极高放废物停留在实验室阶段，针对极高放废物

长期储存：不属于最终处置不属于最终处置 ,, 是没有办法的办法是没有办法的办法

高放废物深地质处置：可行可行

处置库的寿命： 至少一万年。这一要求是目前任何工程所没有的，因而处置库选址、设计、建造和性能评价就极为复杂。

长期的系统化的过程，包括：· 基础研究· 处置库选址· 地下实验室研究· 处置库建设等阶段

处置库开发

处置库开发的技术路线：处置库开发的技术路线：

选址和场址评价特定场址地下实验室 对中国，最大的可能是地下实验室可逐步演变成未来的处置库。

处置库建设

国际高放废物地质处置地下实验室

瑞典

日本

瑞士

我国我国高放废物地质处高放废物地质处置的长远目标：置的长远目标：

20402040 年初步建成年初步建成高放废物深地质处置库高放废物深地质处置库

德国高放废物地质处置库概念设计

美国于卡山基地地下隧道入口

统一：经济、技术、社会三大问题法规和道德地下空间的利用评价、防灾、管理理论、开发

造价评估

三、地下空间开发规划立法化

四、地下空间开发促进的技术发展

a、地下隧道的开挖设备发展：　掘进机（ TBM）――大型硬岩地层开挖　盾构机――软岩地层开挖

b、小断面的地铁隧道　小牵引机、小隧道――使地铁经济化和灵活化

Conveyor

c、微型隧道工程加速发展　直径 25－ 30cm隧道：高层、铁路交通等管线信息隧道d、市政管线公用隧道

e 、 3s技术在地下空间开发中的广泛运用 3s－ GPS （卫星全球定位系统）， RS

（遥感）， GIS （地球物理信息）

f、勘察、设计和施工的信息化整合　勘察信息→设计图纸→模拟施工→施工信息反馈设计。

要求：Ⅰ类：编程；Ⅱ类：改编程序；Ⅲ类：运用程序

谢 谢休 息 一 会

武汉大学水利水电学院肖 明