内蒙科大土木工程概论课件05土木工程要高度关注地下空间的开发和利用

第五讲

土木工程要高度关注地下空间的开发和利用

15.1概述

2l世纪是智能建筑、高速交通、太空遨游，各学科高新技术融会贯通的土木工程新时代。人口增加、土地减少，要保持经济的可持续发展，向海洋要资源、向太空、地下要空间都是当今世界的热点，对中国来说，最现实、效益也最大的是向地下要空间。25.2耕地减少和人口增加的矛盾日益尖锐地球表面的分配大致是海洋占71%,陆地占29%，其中大部分是山陵、森林、草原和沙漠等各种不宜耕种的土地，适于耕种的仅占6.3%，如果计及城市化发展所占用的部分土地，真正用于生产粮食的可耕地还要小于这个比例。至于中国的情况则更加不乐观，表5.1给出了主要自然资源人均值中国与世界的对比情况。从表可以看出，无论是耕地、林地、水资源还是能源消耗量，中国的人均值都远小于世界的平均水平。表5.2则给出了几个大国的耕地状况。从该表可以看出，即使是国土面积仅为中国的1/3而人口仅次于中国的印度，其人均耕地面积也是我国的1.9倍。3表5.1表5.24一方面耕地日益减少，而另一方面人口又急剧增加。据统计，公元1年，即传说中耶稣诞生的那一年，全世界人口不足1亿人，经过了漫长的1850年，全世界人口增至10亿人，如图5.1所示，自此以后，人口的增长则呈现出陡增的趋势。从10亿人(1850年)增加至20亿人(1930年)用了80年；从20亿人增至30亿人(1960年)用了30年；从30亿人增至40亿人(1976年)用了16年；从40亿人增至50亿人(1987年)则只用了11年；1999年10月12日，世界人口达到60亿人，这一天被命名为世界60亿人口日。国际有关机构认为，由于中国推行计划生育，1971—1998年的28年间全球少出生人口3.38亿人，把世界人口到达60亿的日期推迟了4年，无疑是中国对世界的一大贡献。5.2耕地减少和人口增加的矛盾日益尖锐5图5.16人口增长资料7就在世界人口到达60亿人的1999年10月12日，联合国发出警告：人口危机对国际社会构成的潜在威胁比金融风波和军事冲突等其他问题更严重。有人按20世纪的生殖率推算，全世界每分钟要出生259人(中国占38人)，每天出生37万人(中国占5万人)，每年出生8296万人(中国占1184万人)相当于英国总人口的1.5倍，几乎与第二次世界大战死亡的总人数相等。这是一个非常可怕的数字。5.2耕地减少和人口增加的矛盾日益尖锐8中国是一个人口大国，早在夏朝初年就已有1300万人之多，1949年新中国成立时人口为5.4亿人，至1995年2月15日中国达到12亿人，这一天被定为中国12亿人口日，2001年第五次人口普查时中国已达13亿人。表5.3是根据史料归纳的中国主要历史时代的人口状况表，表明了一个不容忽视的严峻事实：越是近代人口的基数越大，而年均增加人口也越多。北宋后期到清乾隆初年大约间隔了500年，平均每年增加人口60万人；而新中国成立后的1987～1995年9年之间，每年平均增加1500万人，2007年底的人口数量是13.2亿。试想如果不开展计划生育，面对如此匮乏的资源，这么多人该如何生存下去呢?有人预测，即使坚持目前的计划生育政策，约到2030年中国的人口仍将达到峰值16亿人，而中国只有1.3亿hm2(100万km2)的耕地(见表5.2)，按较高水平的产量每公顷每年产粮l0000kg，再按低水平的消耗每人每年消耗600kg计算，每公顷要养活16个人，已远远超过了人口生态学家认为每公顷最多养活10个人的极限状态。9耕地越来越少，人口越来越多，除了开展计划生育遏制人口的过分膨胀以外，人类可以采取的有效措施之一就是开发地下空间，为人类提供生存空间。特别是为了解决城市交通拥挤，近代兴起的地下轨道交通发展尤其突出。1981年5月，联合国自然资源委员会把地下空间确定为“重要的自然资源”。有人甚至把地下空间视为与宇宙和海洋并列的人类三大自然资源之一。许多有识之士在不同的场合表述了开发城市地下空间的重要性，发达国家都率先规划和大规模投资兴建。早在1972年莫斯科城市规划中规定开发城市地下空间面积7200hm2(72km2)，占全市总面积的30%；1974～1984年的11年间，美国用于地下工程投资7500亿美元，占基建总投资的30%。10表5.3115.3人类对地球的认识和开发是滞后的

相对于太空来说，人类对地球的认识和开发是滞后的，图5.2给出人类对地表向上和向下开发水平的差距。早在300多年以前，牛顿根据自己发现的万有引力定律就预言：当运动物体达到7.9km/s，就可以环绕地球旋转做匀速圆周运动，称为第一宇宙速度；如果达11.2km/s，就可以脱离地球飞向太阳系的其他星体，称为第二宇宙速度；如果达到16.7km/s，就可以摆脱太阳系而飞向银河系广阔的宇宙空间。12图5.213

1961年4月12日，苏联的加加林开创了人类首次围绕地球的航天飞行，在200km的高空环绕地球飞行一周，安全返回。8年以后的1969年7月21日，格林尼治时间2点56分，美国的阿姆斯特朗、奥尔德林、柯林斯三名宇航员驾驶飞船”阿波罗号”登上月球，把人类的航天事业推进到一个新的高度，即冲破地球的引力圈进入太阳系航行，继而克服月球的引力实现了软着陆。当船长尼尔·阿姆斯特朗由船舱登上月球大陆时，他不无自豪地说：“这是一个人迈出的很小的一步，但却是人类的一个巨大飞跃。”他们在月球上放置了一块铜牌，上面镌刻着“地球上人类首次登上月球，我们是为了全人类和平而来，公元1969年7月。”飞船在月球上共停留2小时36分之后返航。从那以后，先后有24人尝试过登月飞行，其中半数登月成功。14我国的杨利伟在2003年10月15日，乘坐神舟五号飞上太空绕地球飞行两天后，于17日安全返回，圆了中国人民的航天梦。2005年10月12日神舟六号9点整发射，航天员费俊龙、聂海胜乘坐神舟六号飞船再次飞上太空，并且遨游太空5天、完成一系列太空实验后安全返回。神舟七号于2008年9月25日发射升空，飞船共计飞行2天20小时27分钟。于2008年9月28日17点37分成功着陆于中国内蒙古四子王旗主着陆场。与“神舟五号”、“神舟六号”不同，“神舟”七号火箭在研制上的关键点是宇航服和气闸舱。因为“神舟”七号实现太空行走，航天员能否从舱内气压骤然适应真空环境，气闸舱和宇航服将扮演重要角色。15自1969年人类首次登月成功开创了人类探索太空和宇宙的新纪元以来，相继有下面的一些人类太空活动

1970年8月17日，苏联发射金星7号；9月15日在金星表面着陆并停留23分钟。

1975年8月和9月，美国发射海盗1号和海盗2号探测车，它们分别于1976年7月和9月在火星(地球飞往火星需要269天)上软着陆成功。

1977年8月，1979年3月和7月，旅行者1号探测木星，共带去115张照片、35种自然音响、27种著名乐曲以及美国总统签署的贺电，这些信息录制在30.5cm的铜盘上，可保存10亿年，期望得到外星人的反馈。

1997年7月4日，(美)火星探路者号在火星着陆，并向地球发回信号。

1998年1月，月球探测者号(美)费时19个月绕月球旋转，终于找到了氢原子·，发现了藏在陨石坑下，数百亿吨甚至上千亿吨的水，为今后人类在月球上短期居住提供了一种可能性。16

2003年1月16日，美国哥伦比亚号航天飞机在坎那维拉尔角发射基地升空，机上有7名宇航员，其中有2名是女性，安排了多达80多项的试验项目，5天之后的1月21日航天飞机突然爆炸，7名宇航员殉难。

2003年6月7日，美国先后发射了探测火星的“勇气”号和“机遇”号，2004年1月3日“勇气”号在火星上软着陆，1月24日“机遇”号也随后着陆。它们被认为是一个人类发送到其他星球的大型实验室，已先后发回许多火星上有价值的信息，并钻出了一个直径45.5mm、深2.65mm的圆孔。这是人类第一次在地球以外的星球上实现钻探。

2007年10月24日，嫦娥一号探测器从西昌卫星发射中心成功发射。11月20日开始传回探测数据。在地表以上开辟人类的生存空间可以追溯到多层特别是高层建筑的兴建，地面上同样一块地皮可以发挥几倍乃至上百倍的作用，每增加一层就等于在地球表面增加了一块相应17的面积，20世纪高层建筑风起云涌，就是这种需求的表现。1973年，美国芝加哥建成高达443米的西尔斯大厦；1996年，马来西亚建成高达450m的吉隆坡双塔楼，我国在上海兴建高达492米的环球金融大厦。高层建筑的兴建不仅节约了土地，而且大大提高了城市的集约化程度图5.2显示了一幅自地表向上和向下的反差极大的图景，往上在1万米人们可以自由飞翔，继续往上有一块极广阔的供通信使用的传播和反射空间，由于它的繁忙，以至于人们不得不做细致的划分并给予统一管理，再往上就进入太空了，是一幅非常诱人而又足以令人类自豪的图景。可是自地表往下呢?目前，在1000米以下的矿井采煤就算比较深的，即使不下人的深井采油，目前也达不到l万米，相对于动辄以公里为距离单位(地球距月球38万km，而距火星长达2.6亿km，飞船要航行近9个月)的太空实践就是小巫见大巫了。18这种认识和开发上的差距无疑对土木工作者是一个激励和促进。向地下进军，开发地下空间是大势所趋，既是人类生存的需要，也是科学发展的必然趋势。毋庸讳言，地表以下的开发有一定的难度。1936～1942年，布伦根据当时求得的地球内部的直径数据以及地球的转动惯量值，提出A型地球模型(见图5.3)。A型地球模型分层的编号如下：A区代表地壳，B区、C区和D区代表地幔，E区、F区和G区代表地核；B、C层延伸至900km深度处，它们构成上地幔，D层为下地幔，E层和G层分别为外地核和内地核，F层为内地核和外地核之间的过渡层。19图5.320可供开发的地层，自然是指地壳(A层)，它是地球的最外层，其厚度差别很大，海洋特别是海沟处最薄，仅为3km左右，块状山链之下可厚达60km，一般平均厚度为15km。如果说，这个层次内在可以预见的未来是人力可及的范围，再往深处就很困难了。图5.4表明，自地表往下越深压力越大，进入地幔以后，深度每增加lkm压力增加470个大气压(约47MPa)，到达地核界面上(深2900km左右)，压力陡增可达137万个大气压(约13.7万MPa)，而重力加速度则开始突然下降，人将逐渐处于一种失重的状态。图5.5给出了在地球内部力学参数随深度的变化。如此严酷的条件显然不宜于人类活动，但在地壳层即A区内则是大有用武之地的21图5.422图5.5235.3现代战争的特点和人防的需要

随着武器的进化特别是空军和导弹的出现和发展，近代战争空袭被视为一种不可缺少的力量和手段，大量民用、工业设施被摧毁，平民的伤亡日益严重。第二次世界大战期间，德国飞机和V2飞弹的轰炸使英国多数城市被炸，伦敦市有一半被摧毁，累计死伤15万人；不久德国遭到报复，61个10万人以上的城市中，20%的住宅被破坏，30万人被炸死，78万人受伤，750万人无家可归；在亚洲，从1944年美国对日本作战处于攻势后，日本被美军轰炸，全国98个大中城市被破坏，其中东京、大阪和横滨等六大工业城市的41%被毁，总计死亡55万人，500万人无家可归，工矿企业67%被毁24

1991年1月17日，以美国为首的多国部队对伊拉克实施空中打击，持续38天，随后转入地面进攻，直至2月28日伊拉克宣布失败告终。多国部队动用飞机2780架，起飞11.2万架次，投弹20万t以上，空袭目标包括12类：指挥设施；发电设施；电信；战略防空系统；空军及机场；核生化武器研究所及储库；“飞毛腿”导弹发射架和生产储存地；海军及港口；石油提炼输送设施；铁路桥梁；陆军部队；军用仓库和生产基地。其结果，大量的地面军事、民用设施被摧毁，而隐藏于地下防护工程中的80%的飞机、70%的坦克和65%的装甲车都得以保存。令人吃惊的是人员伤亡情况的统计结果，伊军死亡2000人，而一般平民的伤亡高达20万人之多。25空袭和空中打击即使考虑了人道主义因素也具有很大的随意性，更何况战争的发动者常常将摧毁后勤及民用设施乃至摧毁城市、杀伤平民作为战争和政治的筹码。近代战争的一个重大特点就是军民伤亡比例的倒反差，平民的伤亡日益严重，表5.4给出了一战后几次典型战争的军民伤亡比例，由此可看出，1991年1～3月间多国部队与伊拉克的战争，军民伤亡比例竟为l：100，即位居前线的军士每死亡一人，后方的老百姓就要死亡100人。26令人忧虑的是前景并不看好，尽管从总体上来看世界范围尚维持了一个和平的环境，但局部战争一天也没有中断，而且第二次世界大战以后形成了冷战局面(1945～1980年)，美、苏双方都以大量扩充核武库，作为对敌方遏制和威胁的资本，其他一些发达国家也不例外，竞相参与这场以发展空中袭击为主要手段的较量。表5.5给出了冷战期间美方拥有的核武器的情况，这个并不完备的统计数字已是经过签署削减核武器条约，并作了某些销毁以后的可以公布出来的数字。当年有人预计，美、苏双方拥有的核弹头当量足以把地球毁灭许多次，这可能有些夸张，但对人们加强防护，特别是在城市大量兴建防护工程亦不失为是一种提醒和敦促。20世纪末叶苏联解体，原有的一个庞大的帝国从地球上消失了，在那片广袤的土地上代之而起的是16个各自独立的国家。作为前苏联主体的俄罗斯，从国名到国旗国歌都恢复了原样，世界维持多年的以两个超级大国为首的两个阵营的冷战时代结束了，华约解体，北约东扩，俄罗斯面对着一个比原来更为强大的北约军事集团。近年媒体透露(2004年4月)，俄罗斯还拥有2000枚核弹头，而北约则多达3000枚，充分说明战争的危险并没有过去。27表5.4表5.528更有甚者，2003年3月20日，美英联军出动23万大军和上千架战机，对伊拉克发动了先发制人的现代化战争，萨达姆被俘，政权倒台；2004年5月1日，布什宣布主要战事结束，一年的战争美方士兵死亡600多人，由于战争的非正义性以及宗教、民族主义情绪等各种因素引发的恐怖袭击及自杀式爆炸，军民的伤亡一直在上升，截止到2005年初，媒体报道美军的死亡已多达1000人左右，由于美英联军迟迟不撤军，伊方恐怖袭击不断，2005年10月媒体又报道已接近2000人。伊方的治安部队的死伤人数则远远超过这个数字，军民的伤亡比例也大约在1：100左右。总之，对于以空袭和导弹袭击为主要特点的现代战争，人防工程是不能放松的，它被公认为是开发地下空间最重要的一个方面。在核武器和常规武器高度发展的今天，保持在被摧毁后仍然具较强的人力资源和反击力量，主要取决于人防工程的落实，这种认识大大提高了人防的战略地位。瑞士作为一个中立国已有170多年的历史，但仍然未松懈人防建设。据资料透露，早在1984年瑞士已拥有人员掩蔽位置550万29个，占当时全国人口的86%，还有各级民防指挥所1500个，各类地下医院病床8万张；北欧的瑞典，20世纪80年代末已为全国人口的70%提供了掩蔽位置。我国的人防工程，鉴于朝鲜战争的经验，自20世纪50年代末直至70年代中期有一个相当规模的发展，那个年代有两个著名的政治口号，一个是“散、山、洞”(即分散、进山、打洞)。另一个是“深挖洞，广积粮，不称霸”。在这个强大的政治动员下，开展了全民挖筑人防工事。但截止到1999年，全国197个人防重点城市(总人口超过1.2亿人)，共修筑人防工程不足1亿m2，按战时一半留城市人均防护面积lm2计算，仍有缺口，且已建的工程又大部分不配套，其防护效能不高。与发达国家相比，我国的人防工程不是多了而是少了，其原因是我国人口太多，经济落后，对人防投入不足。30现代高技术战争对地下防护工程提出了更高的要求，主要的特点是“深”。早在20世纪50年代开始的冷战时期，美国在科罗拉多州斯普林市西南的夏延山构筑了深达600～700m的北美防空司令部地下指挥中心，而前苏联则相应地构建了一个庞大而复杂的莫斯科地下指挥中心；90年代以后，随着钻地核武器和精确制导武器的发展，美、俄对深地下防护工程的建设提出了更高的要求，筹建防护层厚度达1000～2000m的超坚固地下指挥中心，美国已明确在马姆山拟建一个深达1000～1500m地下指挥中心，作为夏延山地下指挥中心的备用工程315.4地下工程具有较强的抗灾能力

几乎没有人怀疑地下工程具有很强的抗爆能力，但地下工程对抵抗其他灾害的能力，却容易被人们忽视。首先，地下工程较地上建筑具有较强的抵抗地震的能力，表5.6给出了日本阪神地震后地上与地下震害的比较。从表可看出，无论是房屋建筑还是交通、市政设施等，地上的破坏情况远较地下严重。一个直观的解释是震害是地壳表层运动的结果，地下结构相对于地上结构而言，更容易与地壳同步运动，因而破坏小些，我国唐山地震、海城地震等也多次证明了这种情况。32表5.633表5.6续表34我国是个多震的国家，抗震设防的城市多、比例高、设防等级也高，960万km2的国土面积，地震烈度在6度以上的地区占79%。我国地震还有震源浅、强度大的特点，据统计，已发生的地震中有2/3属于30km内的浅震源，20世纪全世界7级以上的强震有l/10发生在中国，而释放的能量却占总能量的3/10。就震害而论，新中国成立以来7级以上的强震10余次，死34万人，伤109.7万人，震塌房屋超过1亿m2。仅2008年四川省汶川县里氏8.0级大地震就有69176人遇难，失踪17415人，受伤374008人，受灾4624万人。面对这样一个现实，在我国就应该充分考虑地下工程抗震功能强这个不易为人们重视的特性。

35其次，地下结构还有防火作用，当地表发生火灾，火灾中心达1l00℃时，对顶板厚30cm的混凝土板，内表温度在十几个小时之内不会超过100℃，如果结构表面再覆盖40cm厚的土层，则顶板内表面温度升至40℃需36小时，此时距顶板表面l0cm处室温只有20.5℃。可见，地表因爆炸等因素引发大火时地下是安全的，也有足够的时间扑救和逃离。365.5建筑节能措施

1建筑耗能的形势不容乐观

20世纪80年代以来，在国民经济持续发展,人民生活不断改善的条件下，房屋建设规模日益扩大。80年代初期，全国每年建成建筑面积7亿～8亿m2；到90年代初期，每年建成10亿m2左右；至今，已增加至每年建成16亿～20亿m2。世界银行认为，目前～2015年是中国民用建筑发展鼎盛期的中后期，并预测，到2015年民用建筑保有量的一半为2000年以后新建的。此外，我国既有建筑量相当巨大，2002年末，全国既有建筑面积达388亿m2，其中城市既有建筑面积为131.8亿m2。预计到2010年底，全国房屋建筑面积达519亿m2，其中城市为17l亿m2；2020年底，全国房屋建筑面积达686亿m2，其中城市为261亿m2

37但目前我国建造的房屋大部分仍属于高耗能建筑，单位建筑面积采暖能耗超过发达国家新建建筑的2～3倍。全国空调高峰负荷已达到4500万kW·h，相当于2.5个三峡电站的满负荷出力。按照目前建筑能耗水平预测，到2020年，我国建筑能耗将超过2000年的3倍。如果不采取积极的建筑节能措施，就不可能实现能源消费翻一番、GDP翻二番的目标，必然制约我国的可持续发展。建筑能耗总量在我国能源总消费量中所占的比例，已从1978年的10%上升到2001年的27.5%（07年30%），就采暖空调设备的生产而论，我国目前已成为仅次于美国的全世界第二位的空调器(包括制冷和供暖)生产大国，但我国的产品效率低、能耗高38我国的能源状况又是不容乐观的，煤炭在能源总储量中占92%，由于人口太多，因此,人均能源可采储量远低于世界平均水平。据2000年统计，我国人均煤炭可采储量90t，人均石油可采储量只有2.6t，人均天然气可采储量1074m3，分别为世界平均值的55.4%、11.1%和4.3%。自1993年起，我国已经由石油净出口国变为石油进口国。2001年，我国进口石油占消耗总量的30%，2004年则成为了世界第二大石油进口国。能源紧缺的形势越来越严重，有人预测，到2010年我国石油对外依存度将超过50%，需进口1.07亿～1.60亿t石油。面对如此严峻的能源短缺，占能源总消费1/4以上的建筑耗能，应该是下大力气节能的时候了，且也有潜力可挖。392我国建筑节能的标准低，差距大我国建筑节能标准规定的围护结构保温、隔热指标以及采暖通风、空调设备的能效与发达国家的相关标准相比，有很大的差距。建筑围护结构的传热系数是衡量建筑热工性能的主要指标。1973年世界性石油危机以来，各发达国家不断修订建筑标准，例如，丹麦分另于1972、1977、1982、1985、1995、1998年先后修订过6次，英国、法国、德国等国家至今已修订了4次，而每次修订标准时，都要求进一步改善建筑围护结构的热工性能。几十年来，其围护结构的热工性能指标已提高3～8倍。根据建筑标准要求，不仅新建建筑保温隔热性能越来越好，还对既有建筑进行了大规模高标准的节能改造。与此同时，还在成批建造比一般建筑标准能耗低得多的低能耗建筑和零能耗建筑，包括住宅和商用建筑，其中许多建筑利用了太阳能、风能和地热能等可再生能源，包括在寒冷地区修建地下和半地下建筑。40我国建筑耗能高、能源短缺、节能措施又不力，与发达国家相比差距很大。表5.7给出了国内外建筑围护结构传热系数限值的对比值。从表可看出，即使严格地按照建筑节能标准实施，我国建筑围护结构热工性能仍远落后于发达国家，采暖空调能耗高出很多，更不用说有的地方为了节省材料，并不严格执行建筑节能标准。41表5.7423最廉价的建筑节能措施

降低围护结构热传导系数最廉价而又最直接的措施之一是修建地下和半地下房屋，巧妙地做到既可以从上部采光，又可充分利用地壳的保温性能，做到冬暖夏凉。我国幅员辽阔，自南边接近赤道的南沙群岛到北边接近北纬550的漠河，气温变幅很大。考虑到地下工程保温的特点，在北方寒冷地区甚至可以政策性规定修建地下工程。我国寒冷地区50万人口以上的城市很多，下表5.8给出部分城市的非农业人口，仅从建筑节能来考虑，这些城市开发地下空间也是必要的。43我国寒冷地区50万人口以上的部分城市

表5.8445.6城市地下工程的分类及近期可供开发的层次

城市中地表以下的这块空间的应用是很广的，根据应用领域分类，包括交通、市政、防灾、储藏和商业活动等诸多方面，表5.9从八个方面列出了它们的具体项目或功能。45表5.946地下工程越深难度越大，造价也越高，而且深度越大温度越高。接近地表的地壳，一般来说每进尺100m温度升高l℃，炎热的夏天，当地面温度30℃以上时，1000m深的矿井里常常要高达40℃以上。旧社会，在没有通风设施的矿井里，采煤工人大都赤身露体，主要是由于高温问题，因此，太深的地下工程不仅施工困难、造价高昂，而且通风设备、人流、物流的上下运输等环节的处理和解决都非常困难，甚至已不适于人类的正常活动了。从图5.4和图5.5所示的地球深部的物理力学指标，可知至少在近期，太深的地下空间是不宜开发的。目前公认的适于人类活动，且成本造价较低的开发深度是在距地表50m以内的范围，超过50m就属于深层开发，难度要大。47图5.448图5.549图5.6给出了近期开发城市地下空间的竖向层次。从该图可以看出，不同功能的设施其埋设深度是不同的，既是一种功能的需要，也是一种地下空间的分配规划图；还可看出，重要的防护工程埋深在20～40m的范围，作为参考，图5.6旁边附了一个1000kg半穿甲弹侵彻深度表，表中显示即使是一般的黏土其侵彻深度也才仅为12.5m。埋深40m且由钢筋混凝土浇筑的防护工事，其抗力是相当高的。

50图5.651我国是发展中国家，至少，目前开发地下空间应以浅层开发为主。建设部会同有关部门勾画了一个我国现阶段城市地下空间开发利用的重点及其大致的深度，如表5.10。从表可以看出，规划的最大深度也就是30m，人防工程也不例外。52表5.1053表5.10续表545.7城市化和城市集约度的需要

城市化是解决“三农”问题的关键措施之一?。世界历史的发展证明，一个国家的发展水平与城市化率密切相关。19世纪中叶(1850年)，英国率先实现了城市化水平达到50%的标准，其发达程度被公认为是世界之首。此后100年来，截止到1950年前后，欧美主要发达国家城市化率达到了51.8%，使得100年中有4亿多人口从农村进入城市。美国1850～1950年城市人口由14.8%上升到64%；德国1870～1950年由36%上升到71%；法国1880—1950年由34.8%上升到52.9%。由于其他不发达国家(地区)发展缓慢，截止到1950年前后，全世界城市人口占总人口的比重仅为29.8%，而我国由于刚刚取得解放战争的胜利，当时尚无这方面的统计数字，两年之后，1952年统计的结果我国城市化率仅为7.4%，远远低于29.8%的世界平均水平。55“三农”问题是我国全面建设小康社会的瓶颈，被公认为是当前最基本、最重要的问题之一，而城市化(正式文件中常称其为城镇化)是解决“三农”问题不可或缺的关键措施之一，正因如此，自20世纪90年代开始大幅度地提高城市化率，表5.11是根据网上资料整理的我国城市化的发展历程。从表可以看出，1952～1991年(7.4%～19.2%)39年间，平均每年增长0.3个百分点；1991～1999年(19.2%～30.9%)8年间，平均每年增长1.5个百分点；而2000年较1999年1年就增长了5.3个百分点；预计到2020年，城市化率可达52%(有的资料认为可达60%以上)。56表5.1157衡量一个城市水平的重要指标是它的集约化程度，即单位面积的利用率，高层建筑和地下工程的兴建都是提高集约化程度的重要方面。图5.7给出了日本的东京和中国的北京两座人口和面积大致相当的城市，其集约化程度的差别。两者的悬殊如此之大，东京远胜于北京，除了现代化水平及历史发展上的差别之外，可能东京地下空间的开发水平高也是一个重要原因。58图5.7595.8当今开发地下空间的热点领域

1地下交通

1）.地下铁道随着国民经济发展，城市人口增加，交通量猛增，各大城市纷纷着手进行地下铁道的建设，近期统计，我国已有30多个城市计划修建地下轨道交通(包括市郊地上及高架在内，下同)，总长约1500km，这其中有8个城市，12条总长300km以上的线路正在建设。不少城市还着手编制了详细规划。北京市自1981年进行过规划，其后分别于1992、1995、1999年先后进行了调整，60图5.861图5.8为2008年北京地铁轨道交通方案，总长408.2km。考虑到长远发展，北京市还有一个2050年的更为长远的规划，是由22条线路(其中有16条地下铁道)组成，总长691.5km的巨大而完整的交通网。上海市现在运行的地铁约有11条线路(包括高架轻轨)，总运营里程可达240km，计划2010年轨道交通的总长将达到510km；还有一个总里程达810km的更为宏大的远期规划，包括12条市区地铁轨道交通和5条轻轨交通，总数17条线路。62事实上，中国直辖市及大部分省会城市都在筹建或即将筹建地铁，一般认为，当地铁及其他轨道交通在城市公共交通结构中的比重不低于30%时，才能在城市交通中较好地发挥骨干作用，这无疑为城市地铁的建设者们提供了一个良好的、长达数十年之久的契机图5.9为深圳市轨道交通近、中期规划图，市政府决定将l、2、3、4、6、11等6条轨道交通作为优先发展的线路63图5.964毋庸讳言，地铁的造价是较高的，我国深圳特区正在建设的地铁造价是5亿元/km，其中土木占40%，机电占21%，信息占8%，其他如拆迁等占31%。广州、上海等城市已建的地铁造价还要高一些，大约为6亿～7亿元/km，而地面铁路即使自然条件十分严酷的青藏线，按预算也才1亿元/km左右，这就是为什么地铁建设大都是政府行为，也少有赢利的原因，而在线路规划方面也毫无例外地，采取一旦离开市区进入郊外都要回到地面上来的措施。65过高的造价不仅多数城市难以承受，盲目建设还容易造成国民经济的局部失衡，为此，国务院于2003年下达了国办发[2003]81号文件，明确指出要“坚持量力而行，有序发展”，规定申报建设地铁的城市应达到下述基本条件才予受理：

(1)地方财政一般预算收入在100亿元以上。

(2)国内生产总值达到1000亿元以上。

(3)城区人口在300万人以上。

(4)规划线路的客流规模达到单向高峰3万人/小时次以上。一般来说，地面轻轨交通的成本要低些，每公里约为地铁的一半左右，仍然是一个很大的数字。66

2）.交通隧道早在兴建城市地铁以前，在公路、铁路穿山越岭时就广泛采用隧道了，目前，我国铁路隧道有7000多座，总长度超过4000km，居世界各国之首，其中包括：近期建成的青藏线上海拔4906m的风火山隧道以及穿越冻土带最长的昆仑山隧道(全长1689m，海拔4600m)，表5.12给出了世界15km以上的铁路隧道。中国的铁路隧道虽然比较多，总里程数字也较大，但已建成的最长的是衡广线上长14.295km的大瑶山隧道，所以表中未能列入。此外，在公路隧道方面，我国已建成总长度约1000km，包括：居世界第二位的特大长隧道陕西南山秦岭高速公路隧道，全长18km，双洞四车道，车速可达80km/h，还有3条穿越珠江、甬江和黄浦江的沉管公路隧道。在地下交通领域，自20世纪中叶兴起了一股修建海底隧道的热潮，原因就是减少水面航行的困难以及提高运输速度，表5.13给出了目前世界已建的4个大型海底隧道的关键数据。图5.10和图5.11分别为青函海底隧道和英吉利海峡海底隧道的示意图。67表5.1268表5.1369表5.1370图5.1071图5.1172清华大学21世纪发展研究院的台湾海底隧道论证中心，提出了一个建造台湾海峡隧道的设想(见图5.12)。该设想为一桥隧组合方案，即从福建的福清到沿海平潭岛为海上桥梁，从平潭岛到台湾岛的新竹为海底隧道，与两岸的铁路和公路网连接。隧道的海底段约长125km，陆地段约长19km，全长144km，埋设在海底基岩下50m(海水深30～70m)处，隧道洞身主要部分位于海面下80～120m处，可通行列车和汽车。如果建成，将成为超过跨越津轻海峡的日本青函海底隧道(全长53.85km，埋深l00m)和跨越英吉利海峡的英法海底隧道(全长50.5km，埋深45～60m)的世界最长、最深的海底隧道。73图5.12742地下储库

1）.地下储库的优越性许多物品用于地下储存，不仅节省地表空间，更重要的是它的经济性和有效性，如地下储粮，我国东北地区岩体内的地下粮库优点很多，密闭、无光照、不变质。库内放养老鼠试验，发现老鼠吃得饱饱的，但喝不到水，死在洞口附近，这种库粮的储存期很长，不用倒库和翻晒。当然这需要良好的气象条件和密闭的地质条件才能实现，我国南方多雨地区，用岩洞储粮就困难一些。粮食尚且可以地下储存，其他许多物资大概也就问题不大了，如古文物、炸药、雷管乃至更重的战略物资，均可实现地下储存，有趣的是挪威有一个地下储存冰激凌的岩洞库，进去时异香扑鼻，但也寒冷无比，库内温度达一30℃之低。挪威接近北极圈，地面气温也较低，这样储存是合算的。第二次世界大战向前线补给的战略物资中，燃料占50%75以上，燃料的供应几乎成为战争胜败的决定因素之一。战后各国兴起了一股储油储气热。美国油料的战略储备多达180多天(即在封闭各种来源渠道的情况，可以保证180天不缺燃料)；前苏联约在90天左右。这些油气大都储存在地下水位以下，不衬砌的岩洞里。我国是缺油的国家，油料的战略储备也很少，迅速而及时地兴建地下储油储气库已迫在眉睫。地下储库最成功最省钱又最富有竞争力的就是地下水封油气库。它是在江、河、湖、海之滨，岩体条件较好的地区，于地下水位以下开凿岩洞，不做任何衬砌直接储存油气的岩洞库，这种库由于周围的水压处处大于库内的油气压，油气不会漏失，而沿岩壁渗入的有限的裂隙水，由于油水不相混均沿岩壁流入库底的水垫层，当水垫层超过允许厚度时，潜水泵自动启动将水抽出，保证了库的容积。国际上多称之为不衬砌岩洞油气库。我国根据它的储存原理习惯性地称之为水封油气库，这种库与通行的储油罐比较，有以下优点：76

(1)投资少、造价低：罐体不做衬砌，取消了钢板罐，改变了储油方式，因此，无论是建筑材料，还是施工及管理运行费用都大大降低。据资料介绍，在北欧等国家，容量为10万t甚至100万t的地下水封石洞油库与同容量的岩洞钢板壁油罐比较，投资可以节省83%。我国第一座水封油库(见图5.13)尽管存在着容量小、施工过程变化较多等不利于降低造价的因素，但根据决算分析，该油库每立方米库容的单位造价仍比一般岩洞钢板壁罐降低50%左右。随着设计施工水平的提高、工艺设备的配套以及库容量的增大，我国的水封油库的投资及单位造价将会大大降低。

(2)节约材料：可以大大节约钢材、水泥、木材。以我国第一座水封油库与同容量的岩洞钢板壁罐比较，钢材可以节省90%，水泥节约50%，木材节约80%。77

(3)施工速度快：地下水封油气库不做衬砌，没有钢罐，因而取消了几道繁杂的施工工序，从而大大加快了施工速度。

(4)油品损耗小：罐体埋深较大，罐内温度较低，且常年稳定。因此，油品