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城市地质环境与地下空间利用 李晓昭 南 京 大 学 地 下 空 间 与 地 质 环 境 研 究 所 NJU-ECE Insititute for Underground Space & Geoenvironment,住建部地下空间开发利用与低碳城市建设特邀讲座 （昆明） 人社部“岩土工程与防灾减灾”国家级人才高研班特邀讲座（中国浦东干部学院） 中国科协第80期新观点新学说学术沙龙大会报告（ 北京） 中国地下空间学会首次特邀公开讲座（南京）,Forum on Green Buildings and Urban Environment, Syracuse University, USA, Feb.3-6, 2013,Keynote for the International Forum on Underground City 2012, Saint Petersburg,中国地调局全国地质环境监测总站（院、中心）站长总工研讨班 武汉地调中心，2014,地下空间开发城市可持续发展的唯一出路,拥堵与环境恶化：平面扩张有限度，且诱发交通拥挤、空气污染、生态环境恶化 城市人口2万/km2，属拥挤。 我国平均4万/km2，局部16万/km2 城市中心离散：逃离，失去活力,1991年东京国际地下空间大会东京宣言：21世纪是人类开发利用地下空间的世纪 国际学者预测：21世纪末将有1/3人工作生活在地下空间,地下空间利用与立体化开发城市解困与复兴,地下空间开发城市可持续发展的唯一出路,生存空间,城市困局,中国：要城镇化，又要保18亿亩耕地红线 世界：2150年人口150亿，现有耕地达供养极限,向地下要空间,Objective of UUS utilization,解决交通拥堵、增加城市容量 广州海珠广场：容积率4.58（参照香港15-18）、绿地率10%? 总计容22万m2（交通承载力19万），地下10万m2（计容5.5万） 经济高效、环境友好、生态和谐、文脉延续,中国地下空间学会首次公开讲座提纲 1.入地：人类的历史与未来 2.为什么入地 3.地下空间与城市环境（物理、生态、视觉、地质、水环境） 4.地下空间与城市规划 5.地下空间建筑艺术 6.地下空间建造技术 7.地下空间经济与多重效益 8.地下空间与社会 9.地下空间与法律政策 10.地下空间与多种资源可持续开发,城市地质调查研究是地下空间科学合理开发的基础,工程条件 Properties and structures of underground geological bodies clearly are of paramount importance to underground works. The stratum of London clay provided a favourable site for the London metro, the limestone stratum of “calcaire grossier” under Paris for the Banque de France safe room and the “blue chalk” stratum for the Channel Tunnel. In relation to surface topology, underground space in hills or near slopes offers many advantages : there is no need to go down to enter, no need for energy to go out, gravity drainage of the structure is possible, etc. 资源禀赋 Some special geologic features of national importance may receive special attention as important underground sites (e.g. sites for radioactive waste isolation, anticlines for aquifer storage of fuel gases, and salt deposits for large scale cavern construction and storage uses) 地质环境的脆弱敏感性 Although we use underground space as a means of reducing surface environmental impact, it is necessary to remember that underground space also is part of the environment and must also be protected. It is vulnerable in several ways: The use of underground space is irreversible. The vulnerability of ground water tables is the most characteristic aspect of the fragility of underground space. The geological environment is permanently changed by developments made in it. Underground space in many locations holds archaeological treasures that either are or should be protected.,Criteria for an “Optimum Use of Underground Space”： Geology is the first basis for land use and town planning. Make the most effective use of the features and properties of the geologic setting. Local geologic features are of great importance for the location, orientation and design of underground works.,城市地质调查要解决什么问题？ 我们目前的分析评价合理吗？有用吗？,地下空间开发适宜性分区示例（科学吗？有用吗?）,地质条件决定性与开发深度 随着深度增加，地下空间与地面空间联系程度变弱，地质条件的决定性增加 浅层（0-10m，与地面直接相连），一般不决定规划的适宜性（受控于地面空间性状、建筑基础与既有UUS），影响UUS开发条件（优劣）与难度 次浅层（10-30m，联系较直接），部分影响有些UUS（轨道交通不受控）规划适宜性（受地面空间性状、建筑基础与既有UUS、地质条件影响）和UUS开发条件 次深层（30-50m，联系不很直接，大型基础设施、地铁隧道），影响UUS（轨道交通不受控）规划适宜性（建筑基础与既有UUS的影响变小）和UUS开发条件 深层（50-100m，联系不直接，基础设施、物流通道），可能是适宜性区划的决定因素,竖向分层,昭和十年1936年,地下空间开发适宜性分区示例（科学吗？有用吗）,理想地层？,不适宜区：水源、文物风貌保护区、严重地质灾害区等,城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,理想通过地层,地基基础 优良持力层 下卧与上覆软弱土层,机械开挖（盾构法） SPT: 3-8 Ps: 0.8-1.0 MPa f0: 80-200 KPa Ip: 25,土压盾构在砂性土和硬塑性粘土中,过小的开口率会造成出土困难、推进缓慢。辐条式刀盘扭矩较小,土舱压力较明确,土砂较容易进舱;而面板式刀盘对保证开挖面稳定更有利，但土舱压力值更难管理,砂土易在面板上固结成“泥饼”。上海软弱流塑粘土-层, c、分别在11. 515. 7kPa和8. 516. 9。较小开口率对控制开挖面土层变形有利,选30%40%。硬塑粘土-1、2 层, c、分别为42. 953. 0kPa和15. 520. 9（苏州5-1层20-74,平均57KPa）。由于土层粘聚力非常高,过小开口率出土难，开口率50% ,或向舱内加水减小土强度,增加进舱能力。,静探阻力Ps4MPa最困难。 软硬界面区域应特别注意 坚硬岩石致TBM破损：沈阳、北京、成都、广州等砾砂地层，每200300米，甚至50-60米就要换一次刀具,新加坡,城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,不良地质条件与制约性因素,明挖 承压水突涌 粘性土降水难度 基坑与基底稳定性 抗浮（软土立柱上浮，上部结构破坏）,暗挖（盾构法） 软弱敏感地层与软硬组合 富水性与水头 土体粘性 沼气突出,城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,不良地质条件与制约性因素,矿山法 基岩起伏与风化壳分布 控稳控水断裂与围岩破碎性 富水夹泥情况 盾构法 上覆及周围建构筑物、埋藏物（基础较弱、古井等） 地层结构与含水岩组（软硬、渗透与富水性、粘性：-Q43, 新近、松散、粘粒少； -Q23,老密粘抬头，上浮） 土层粘性（粘粉粒（40%，土压） 磨蚀性、硬度、脆性（岩石、卵砾石、姜结石、石英砂等）AVS，CAIRc（茅山组石英砂岩）（五通组泥质砂岩？）（开口、刀具、改良土性） 岩体裂隙发育特征与渗透性,城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,地质环境条件对地下空间规划与开挖方案的制约典型案例,不良地质条件与限制性因素 下穿建筑（临近与下穿建筑为多层建筑，并且斜交，不利） 下穿河道（水深、清淤？） 突涌危险性 地层组合（富水性、软硬、粘性） 抬头、上浮、土压与姿态控制难 上部（层）粉土夹粉粘 粘粒少、Ip25砂性大；年轻、e0.8松、软；透水性强 下部（层）粉粘、粘土 粘土、 e=0.67、N10 硬；Ip大、小粘性大(40%),土压平衡盾构（泥水平衡盾构粘性大,筛板 泥饼,泥水分离(过筛)难） 埋深下压（车站、隧坡）拟抬头、上浮,线路优化（不要斜交） 拆迁准备,制约地下空间规划与工程方案的地质环境要素,软弱敏感地层（软土、液化土、富水土岩混合体等）分布、地质特征与工程特性 控稳控水断裂、古河道等的分布与特征 规划线路的地面水体水深、清淤状况 规划线路的建筑基础、地下管线、遗留物、障碍物等 区域地层沉降与地裂缝及其对地下结构的威胁 地层粘性（1-2.5盾径范围内） 含水层渗透性、水头（水压） 理想通过地层,从影响和制约地下空间开发的地质环境条件看 城市地质调查的思路和重点,地质调查整合+补充：对现有资料的整合与关键空白点的补充调查。 对象：岩、土、水+人为作用（城市地下设施、障碍物、古井、遗留空洞与松散体等） 调查范围：工程层、新生界（或第四系）、基岩。前者是重点。 强调： 宏观整体性：比如，不同尺度工程地质单元与城市地下水流系统的识别 系统深入性：针对重点区域（现阶段）关键地质要素的特性差异、内在 原因与地质成因,地质调查系统深入性,结构性软土 明显的结构性特征与灵敏度 内在的土质结构与成因 极高的活性与塑性指数，结构疏松，悬浮组分,100% 悬浮,活动性高-结合水膜厚-活动性矿物多,地质调查系统深入性,精细识别 沉积时代与环境 长江漫滩：3600-4300年 阶地埋藏坳沟（II2(CS):中晚全新世 古河道透镜状分布（III2(CS) ):晚更新世 微层序与岩性变异 小层序:层与层组-single bed, bedset 微层序:纹层与纹层组-lamina, laminaset 粉土、粉砂薄层,同样穿越淤泥质粉质粘土， 市区古河道区与阶地区、长江漫滩区不同 同一类地层稳定性和沉降变形表现不同,夹薄层或透镜状粉土、粉砂，局部有效应力分布及其变化与周边不同,城市地质调查系统深入性,低塑性含夹层土的识别 土体类别的判识 塑性指数Ip （） 颗粒组成 （） 塑性图 （?）,砂性与粘性土互层 层间约束作用 墙后土体变形和土压力变化。 排水路径改变 固结变形的时空特征,沉积环境与分布特征 潮坪相，海平面位置,环境水动力不稳定，具强弱交替变化规律,本质原因 低塑性土的土水体系与土层构造 对策,苏州7层土粉粘夹粉土、粉砂，层状构造，物理与力学指标不匹配原因：液塑限试验时，土结构（层状构造）被破坏，同时粉土、粉砂的加入使重塑土的液限降低较大，显软-流塑态（IL1）；原状土粘性土层结构性不强，处可塑-软塑态，粉土、砂夹层起到加筋作用。,加强野外鉴别；慎用基于重塑土的液塑限试验；以原位测试为基础，缺少时可用压缩试验结果,城市地质调查系统深入性,关键地质环境要素的工程特征及其地区差异性 内在原因与地质成因 分布特征及其对城市规划建设的影响,关键地质环境要素之一软弱敏感土体 识别土体软弱敏感特性及其与不同类型典型城市的差异性 从土质结构研究其原因与本质 揭示造就土质结构差异性的地质原因 （内外地质作用类型与影响力大小）,2.1 工程地质分区及其地质环境特点与工作地质问题,分区尺度：市域、城区、地铁沿线,各区段的地质环境特点与主要工程地质问题 地层结构与组合特征 基底+第四系结构 基底格局控制着第四系沉积、 地下水流场与地质灾害分布 第四纪地层组合特征 控稳、控沉关键层 地质环境特点 主要工程地质问题,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价 - Li X.-Z. et al. Tunnelling and Underground Space Technology, 2004, 19(4/5).,轨道工程线路工程地质分区原则,在每个区段内工程地质、水文地质条件与施工方法一致或相似。 地形地貌与工程地质条件 地貌单元；地质结构；岩性与沉积相； 工程地质层组；岩土体工程特性 水文地质条件 水文地质类型；含水岩组；水文地质参数 基本工法,2.1 工程地质分区及其地质环境特点与工作地质问题,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价 - Li X.-Z. et al. Tunnelling and Underground Space Technology, 2004, 19(4/5).,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.2 工程地质层组的概化与软弱敏感层组的精细化识别,工程地质层组的概化,地铁穿越多达50层第四纪地层 地层划分过细，设计师不便于进行工程地质模型的概化和参数的取用。 工程地质层组的概化。,划分依据 层组划分 成因 沉积时代 亚组划分 沉积相与组成 物理状态 工程特性,工程地质层组的代码串表述,透过代码串： 可以更直观地总览第四纪地层的沉积时代、成因类型和地质结构； 又可直观地看出场地土层的基本工程特性和组合特征，便于地质模型的概化和等效力学模型的建立。,工程地质层组的概化,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.2 工程地质层组的概化与软弱敏感层组的精细化识别,李晓昭等,岩土力学, 2004,25(5),划分结果,工程地质层组的概化,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.2 工程地质层组的概化与软弱敏感层组的精细化识别,李晓昭等,岩土力学, 2004,25(5),层组划分意义与软弱敏感层组,更清楚地显示沉积结构 更便于工程地质模型的概化,Profile based on the Eng. Geo. Strata Group,工程地质层组的概化,软弱敏感粘性土层组 亚组 II2(CS), III2(CS)淤泥质粉质粘土 沉积时代: II2(CS)为中晚全新世 III2(CS) 晚更新世 分布: II2(CS)一级与二级阶地的埋藏坳沟 III2(CS) 古河道透镜状分布 相对而言，亚组 II2(CS) 沉积时代更晚，更软弱,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.2 工程地质层组的概化与软弱敏感层组的精细化识别,李晓昭等,岩土力学, 2004,25(5),Major threat of inflow in underground engineering; permeability coefficient k=1.8-4.4cm/s2; the discharge of single well:100-300 m3/d,The depth and thickness of the Key Stratum I-the semi-confined aquifer (SA),Classification of Engineering Geological Strata Unit and identification of Key Strata for UUS development,The depth and thickness of the Key Stratum II-the second soft layer,- which is a weak foundation soil needing special treatment if it is directly underlying the underground structure.,Classification of Engineering Geological Strata Unit and identification of Key Strata for UUS development,Classification of Engineering Geological Strata Unit and identification of Key Strata for UUS development,Considering the occurrence of the key strata, potential geotechnical issues can be identified and assessed, the route and profile of underground structure could be adjusted to reduce the construction difficulty.,The dangerous zone of quicksand (Depth of excavation: 5m),The dangerous zone of quicksand (Depth of excavation: 10m),软弱敏感层组的精细化识别,结构性软土 明显的结构性特征与灵敏度 内在的土质结构与成因 极高的活性与塑性指数，结构疏松，悬浮组分,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.2 工程地质层组的概化与软弱敏感层组的精细化识别,曾玲玲等，2010,100% 悬浮,活动性高-结合水膜厚-活动性矿物多,软弱敏感层组的精细化识别,液化危险性层组 II4(SL) （沉积时代晚的松散砂性土） 地质特征 沉积时代: 全新世；岩性: 粉土、粉细砂；工程特性: 饱水、松散、粘粒含量低 分布: 古河床上部； 最大可能液化深度: 12m, 主要出现在隧道拱顶部位 土质结构、动力特性与判别方法 南京地铁穿越砂层多呈片状结构，结构疏松，孔隙比与不均匀系数大， 同圆粒结构相比，在相同标贯击数下，更易于液化。也就是说，套用现行 规范，会低估其液化指数。 当粘粒含量较高时，计算液化临界剪切波速Vcr偏小，用现行剪切波速法 判别偏于冒险。,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.2 工程地质层组的概化与软弱敏感层组的精细化识别,软弱敏感层组的精细化识别,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.2 工程地质层组的概化与软弱敏感层组的精细化识别,低塑性土的识别 土体类别的判识 塑性指数Ip （） 颗粒组成 （） 塑性图 （?） 本质原因 土体活性明显偏低（有其内在的土质和成因） 处理措施的适应性,软弱敏感层组的精细化识别,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.2 工程地质层组的概化与软弱敏感层组的精细化识别,砂性与粘性土互层 层间约束作用 墙后土体变形和土压力变化。 排水路径改变 固结变形的时空特征,沉积环境与分布特征 潮坪相，海平面位置,环境水动力不稳定，具强弱交替变化规律,敏感层组的精细化识别,岩性界面、强风化与构造岩精细勘察表述 成因类型、沉积时代与环境 分布与工程部位 微层序与岩性变异 土体组分与结构 物理力学指标（灵敏度、蠕变特性、粘性等） 工程扰动与变异,钻探、现场探测与取样,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.2 工程地质层组的概化与软弱敏感层组的精细化识别,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.3 地质环境要素的时空变异特征与多源数据融合,分析评价模型与地质环境要素时空变异特征总结 工程地质环境要素空间分布及趋势特征的分析模型； 地质环境要素相关关系的分析模型； 自然地质作用下地质环境要素的动态变化模型； 工程扰动下的脆弱敏感要素的动态演化模型,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.3 地质环境要素的时空变异特征与多源数据融合,数据融合 无论是现阶段的地质建模，还是将来的城市重大工程建设，获取充分的数据都是关键（多数城市重大工程安全事故的调查，最后归结为地质环境条件的不确定性和探测不明）。 仅靠钻孔及室内外实验资料（硬数据）不够，对比、融合地球物理等资料（软数据），是重要途径。地学数据融合研究，主要集中于对遥感数据融合处理，城市地质环境要素及参数数据融合研究还很少。 为了进行可靠的数据融合，除了现场实测数据的对比，还宜进行大量对比试验研究（我研究所以多波参数分析为主进行了大量研究，并正在建设相关大型试验系统）。,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.4 岩土质量分级评价及风险分析,Suitability and cost of cavern construction for different rock mass quality,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.4 岩土质量分级评价及风险分析,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.4 岩土质量分级评价及风险分析,目前没有源自于且适合浅埋的城市地下空间工程岩体质量分级体系 现有的可参考的分级体系 地铁规范（沿用铁路山岭隧道） BQ（以深埋隧道为主要对象） Q、RMR 城市浅埋隧道围岩质量特点 低应力 岩性变化大，土岩皆有 地下水的条件变化大 分级评价 研究沿用原有分级体系的指标取值与综合分级计算方法 研究建立新的分级方法,现有分级体系的缺陷 没能反映城市浅层岩土体地质特征与围岩变形失稳模式 土体质量的评价过于粗糙、笼统,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.4 岩土质量分级评价及风险分析,- Li X.-Z. et al. Tunnelling and Underground Space Technology, 2004, 19(4/5).,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.4 岩土质量分级评价及风险分析,岩体质量总体特征 I级以上：1.78%； II级以上：44.8%； III以上：68.2%； IV以上：87.2% 总体看来： 两种分类结果有些差异 BQ相对粗糙 部分岩体可用局部锚杆；大部分岩体可采用系统锚杆+ 喷射混凝土,评价结果：提高15区段，降低7区段。,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.4 岩土质量分级评价及风险分析,盾构法-磨蚀性,CAI岩石 AVS各类地层,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.4 岩土质量分级评价及风险分析,盾构法-脆性 脆性（brittleness）是材料在外力作用下（如拉伸、冲击等）仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。在盾构施工中，岩体受到刀具的挤压而破坏，因此，岩石是影响盾构刀具选型、施工掘进效率的主要因素。,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.5 岩土体工程特性参数与关键层组代表性指标,土体工程特性参数 控制变形的关键层组的固结度、固结与次固结特性 软弱敏感土体的灵敏度 地层的K0 关键持力层组的抗力系数 渗透特性,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.5 岩土体工程特性参数与关键层组代表性指标,基床系数的测试方法 室内试验： 固结法 （初勘时近似估算） 小尺度模型试验法 三轴慢剪法（一般四个路径） 原位测试： 扁铲 旁压,（全国工程地质大会大会报告，2004，昆明）,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.5 岩土体工程特性参数与关键层组代表性指标,基床系数的理论问题 水平与垂直方向差异 随着应力路径的变化而变 随着开挖支护的时空效应出而变,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.5 岩土体工程特性参数与关键层组代表性指标,日本部分土压平衡盾构开挖面管理压力实例,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.5 岩土体工程特性参数与关键层组代表性指标,静止土压力系数的确定方法 室内试验： 剪切实验 （初勘时近似估算） K0仪测试（利用国产测试仪测定结果普遍偏小） 三轴试验 原位测试： 扁铲 旁压 载荷试验,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.5 岩土体工程特性参数与关键层组代表性指标,静止侧压力系数 一般情况，土越硬，K0越小 超固结，反之，K0越大,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.5 岩土体工程特性参数与关键层组代表性指标,土压力理论不同计算方式：合算分算 实验和掌握土体强度指标变化（有效应力+卸载） 加强孔隙水压力监测 监测和掌握土体变形与土压力规律（尤其是互层状地层）,土压力理论本身问题：实际状态极限状态 浅表土压力？（第一道支撑受力往往大于设计计算值） 配筋要增加、支撑不宜过长、立柱要可靠。,水土压力估算,2.城市地质环境及其对地下空间开发影响的识别评价,2.5 岩土体工程特性参数与关键层组代表性指标,地基承载力与代表性指标,承载力取值依据？（差别大） 荷载试验与工程案例收集、比较 原位测试承载力,各工程地质层组的代表性指标,图件 (清晰深入的揭示地质环境条件，从而很好反映了开发建设的适宜性),城市地下空间资源禀赋与调查评价,Singapores underground cavern can be used (appropriate and/or permissible) for: shelters and recreational centres water collection and storage sewage treatment plants oil and gas storage cold and dry storage power stations, underground pumped storage military installation waste repositories,城市地下空间资源与质量评价,示例：新加坡UTRE计划-多种用途,基础功能：1）交通与停车；2）市政基础设施；3）防灾 补充功能：4）公共服务与商娱设施；5）仓储；6）工作与居住 发展功能：7）能源与水资源的调蓄、利用等,给水（DN300）、雨水（D300-800）、污水（D300-D400）、弱电通信（12114）、电力（1x1m）、燃气（DN200）六类市政管线,Essential considerations for the suitability of an area for cavern construction are as follows: Facility function Site access Regulations and property ownership Rock quality Environmental impacts Safety considerations,城市地下空间资源与质量评价,城市地下空间资源与质量评价,某些区域可能有着特殊的地下空间资源禀赋,城市地下空间资源与质量评价,城市地下空间资源与质量评价,城市地下空间资源与质量评价,示例：赫尔辛基地下空间总体规划-资源禀赋,Waste water treatment plant in Helsinki,除赫尔辛基、加拿大部分城市外，国外地下空间规划多限于城市局部地区。与土地私有的社会与管理体制有关,There are more than 200 new reservations in the register for long-term underground projects,特殊资源禀赋，比如：地下工业建筑的跨度受岩体质量的控制；战略储备库一般要求地质条件良好，岩石覆盖层不小于30m,城市地下空间资源与质量评价,示例：赫尔辛基地下空间总体规划-资源禀赋,Primarily for residential use or for full-time work should not be located underground. Infrastructure tunnels and other joint-use tunnels in which people do not work or stay other-than temporarily do not need to go through the city planning procedure.,There are more than 200 new reservations in the register for long-term underground projects Before deciding the location of the new underground space, designer must check out the location of the existing and future underground spaces. Site investigation information helps designer to find out the topography of the rock surface and the properties of the soil and rock mass among all the other things. This is very important when designing the accesses from underground space up to surface as well as in placing the underground space in optimal location horizontally and vertically.,7. Underground spaces are to be located mainly in bedrock. Bedrock resources are to be investigated in sufficient detail.,8. Bedrock resources are to be reserved mainly for uses that are for the common good.,城市地下空间资源与质量评价,示例：赫尔辛基地下空间总体规划-资源禀赋,基岩分布,城市地下空间资源与质量评价,示例：赫尔辛基地下空间总体规划-资源禀赋,Assessments are required of the feasibility of rock areas for construction purposes, detailing the following: General feasibility: Depth of rock and suitability of soil cover for construction; Quality and geomorphology of rock area; Potential for rock engineering in different areas, size and number of spaces. Access: Portal alternatives and other surface connections; Comparison of different alternatives. Restrictive factors: Built space, reserved space, and safety zones; Surface connections, portal options; Land ownership and restrictions on land use; Environmental impacts, e.g., groundwater.,Ia-Feasible rock area (very good, good) Ib-Feasible rock area with reservations (fair, poor) II-Unsuitable rock area (very poor): Fracture zones require expensive sealing even in deep tunnels and heavy reinforcement or support is called for.,There are more than 200 new reservations in the register for long-term underground projects Before deciding the location of the new underground space, designer must check out the location of the existing and future underground spaces. Site investigation information helps designer to find out the topography of the rock surface and the properties of the soil and rock mass among all the other things. This is very important when designing the accesses from underground space up to surface as well as in placing the underground space in optimal location horizontally and vertically.,城市地下空间资源与质量评价,示例：香港,Original Cavern Suitability Classification (Roberts&Kirk,2000),山体，远离断裂和地下设施,城市地下空间资源与质量评价,示例：香港,Proposed Additional CAS Suitability Attribute,城市地下空间资源与质量评价,示例：香港,城市地下空间资源与质量评价,Index system for the evaluation of Underground Space Resource (USR),Index system for the evaluation of Underground Space Resource (USR),Index system and weights from 0m- -15m,The higher Value and lower Difficulty, the higher comprehensive Quality,Comprehensive Quality,城市地下空间多种资源与可持续开发,From engineering to resource: Multiple resources and their sustainable development,It is important for urban development to utilize the underground space. Meanwhile, we should also be aware that there are multiple resources in urban underground. Besides space, there are also water, energy and geomaterials.,城市地下四种主要资源：地下空间（Space）、地下水(Water)、地热能（Energy:能源提取与储存介质，可大量减少城市CO2排放）、地质材料（Geomaterial:一方面地下开挖大量废弃岩土体的处理令人头疼，另一面城市建设又需要大量建筑材料。废物？资源！）,我国产生了20亿吨以上建筑垃圾（许海峰，2008） 。深圳20年来，建筑垃圾存量6000万吨，每年新增1000万吨以上，塘朗山填埋场已达设计封顶状态，新建筑垃圾填埋场选址问题还未解决。,地温能资源,国家能源局、财政部、国土资源部、住建部促进地热能开发利用的指导意见（国能新能201348号）：其资源储量大、分布广，发展前景广阔，市场潜力巨大。,地温能资源储量大、分布广 （仅浅层地温能资源就超过水电资源总量，Geothermics, 2003） 节能减排潜力巨大,A-Oil-heating system; B-Geothermal system (Haka Gerodur, 2009),节能20-80%,建筑占全社会CO2排放近50%，地温能利用的减排意义巨大,在潜力较大的可再生能源中，单位减排成本较低,近年来蜂拥而上,出现了制约性问题: 系统能效低、性能不稳（甚至被迫放弃） 环境效应与资源浪费严重 主要采用钻孔埋管(BHHP)方式： 1)大量钻孔增加投资； 2)在建筑密集区往往受限； 3)还可能成为将来地下空间开发障碍,症结（四部委“指导意见“出台后,国土报专访国家地调局浅层地能中心主任卫万顺） 可靠、便捷的岩土热物性模型与测试技术“大马拉小车或小马拉大车” 资源家底及可能诱发的环境效应 降低成本、提高潜能的高效开发技术,李晓昭教授主持了一系列相关课题，科技部评审认为“在理论、方法与技术方面取得了重要突破”。,2.地温能高效开发关键技术 2.1 能源地下结构EG（Energy Geo-structure）新技术,同传统钻孔埋管（BHHP）相比优势,节约工程造价20-30% ； (土15-20;岩30-35;特殊45-50%) 能源利用效率提高20%； 适合中国人多地少、建筑密集国情，克服钻孔限制，拓展适用范围； 不额外占用地下空间资源，符合城镇化发展和产业政策,【能源地下结构EG (Energy Geo-structure)】将热交换器置于与地层相接触的既有地下结构中，通过其中热媒循环提取地温能，不需专门钻孔,目前的钻孔埋管(BHHP)方式： 大量钻孔增加投资 在建筑密集区往往受限 还可能成为将来地下空间开发障碍,GSHP系统制冷或供暖期时间一般2000h,打井/建面约1:1,能源的地下储存与循环系统,季节性蓄冷蓄热 调峰蓄冷：利用峰谷电价政策，移峰填谷,(Aquifer Thermal Energy Storage, ATES),带对井储能的地下水源热泵，其COP可提高，更经济。,城市废热、余热地下贮热介质（水、空气、岩石）调峰发电与供热 地下储库：夏季高温雨水储存冬用；冬季人工或天热冰块储存夏用 间歇性新能源（太阳能、风能、潮汐能等）的余能储存（转化为热水）与补给 石油天热气储存,能源的地下储存与循环系统,岩洞或钻孔储热库 岩洞充水储热库：瑞典第一座，70-115（上部温度高），15000m3，热源为垃圾燃烧厂，居住区供热 岩洞充石储热库：2、3空间回填石渣，直接或埋管注水，洞高80-100m。瑞典已建10万m3试验洞。300万m3储库，可供2万户供热。 钻孔储热：岩石或粘土中，孔径100-165mm，深100-150m，距4m。瑞典一学校粘土中试验，8万m3，热源1500m2太阳能集热器 含水层储热：美国注入55热水，51天后降至33，储热效率65%，后回升至76%,岩洞储压缩空气（低谷压缩空气5-10MPa，高峰抽出，释放机械能发电。岩洞稳定性？） 坚硬、低渗岩石（10%，压出含水层水储气，200，18-150大气压，深200-1500m 盐岩：100，800-1200m。1979年联邦德国，29万kW，7.5MPa，两盐岩储气库最大直径60m，高150m，洞顶埋深650m，电网高峰油耗降60%。,地下超导磁储电（Superconductive Magnetic Energy Storage, SMES. 储能效率90%） 地面SMES制约：容器径向荷载大，要坚固：1000万kWh，容器需钢材77万 t. 唯一可行途径地下储库：围岩承载（美国方案：300深地下环形4-6m径TBM洞群）,The main aquifer - confined aquifer II Origin: the southern braches of buried ancient Yangtze river bed and plain Age: middle Pleistocene Q2 Lithology: medium-coarse sands in ancient river bed (20-30m/d), fine sands in ancient river plain Depth: 90-120 m Thickness: 20-50m Early groundwater table in 1930s: 3.0m in depth,Resource significances: Good quality and quantity for: drinking water or GWHP (Ground Water Heat Pump).,地下水资