黃蘭可,周俊杰
(蘇交科集團(tuán)股份有限公司,南京 210019)
隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的快速推進(jìn),人口密集型城市建設(shè)空間的需求急劇增加,用地緊張、城市擴(kuò)張無(wú)序、環(huán)境污染加劇等問(wèn)題尤為突出,如何科學(xué)合理地開(kāi)發(fā)利用地下空間、優(yōu)化城市地下空間結(jié)構(gòu)成為城市設(shè)計(jì)的新挑戰(zhàn)。保證地下空間和地面空間協(xié)調(diào)有序,注重城市高質(zhì)量發(fā)展,能夠有效緩解城市可利用空間緊張的問(wèn)題[1],并最終實(shí)現(xiàn)大型城市地下空間利用的緊湊化、立體化、職能化、高效化。
城市淺層地下空間開(kāi)發(fā)利用已有研究,日本在20世紀(jì)70年代頒布了地下空間開(kāi)發(fā)方針,并在多個(gè)城市開(kāi)展了工程應(yīng)用,實(shí)際效果良好[2]。在歐美城市的地下空間利用中,地下系統(tǒng)建設(shè)主要表現(xiàn)在大型綜合體的興建和地下交通系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng),形成地下空間層間功能區(qū)分、職能協(xié)調(diào)的發(fā)展模式[3]。我國(guó)在城市化進(jìn)程中對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)也進(jìn)行了大量探索,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截至2018年年底,我國(guó)大陸地區(qū)有35個(gè)城市開(kāi)發(fā)了185條城市軌道運(yùn)營(yíng)線路,地鐵占比為75.6%。上海軌道交通運(yùn)營(yíng)里程年均增幅大于10%[4]。武漢地下空間規(guī)模從2008年的0.6 km2增至2019年的42 km2,還規(guī)劃了多個(gè)大型地下綜合城[5]。北京地下空間規(guī)模自2006年的30 km2增至2020年的90 km2[6]。截至2019年年底,南京地下建筑面積為38 km2,是2005年南京地下建筑面積的10倍,中心城區(qū)約30 km2[7]。對(duì)于地下淺層空間深度的研究,雷升祥等[8]認(rèn)為地面以下0~50 m可用于地下軌道交通和避難設(shè)施,城市地下開(kāi)發(fā)需要考慮空間開(kāi)發(fā)的層次性和時(shí)序性,0~30 m可作為主要開(kāi)發(fā)范圍,深度30 m以上可作為遠(yuǎn)期資源保留。童本勤等[6]將地下淺層范圍分為3個(gè)層次,開(kāi)發(fā)時(shí)需根據(jù)淺層地下資源進(jìn)行分區(qū)評(píng)估。楊奎等[9]分析得出地下0~10 m是人類活動(dòng)最頻繁的地下空間區(qū)域。由上述研究可知,城市地下空間規(guī)劃范圍為地下0~50 m的淺層區(qū)域。
然而,現(xiàn)有城市地下空間資源往往受到地域地形、地理環(huán)境、土地利用情況等因素限制,不能或不宜進(jìn)行地下空間開(kāi)發(fā)[6,10-11],如城墻遺址保護(hù)區(qū)、地下空間低需求區(qū)、軍事設(shè)施、名勝古跡等禁止建設(shè)區(qū)等,導(dǎo)致地下空間規(guī)劃呈現(xiàn)間斷型、點(diǎn)狀等不連續(xù)狀態(tài)。同時(shí),地下空間豎向不同層位的資源規(guī)劃利用無(wú)明確規(guī)定和建設(shè)思路[7],導(dǎo)致地下空間利用率低,地面與地下以及地下各構(gòu)筑物間的發(fā)展不協(xié)調(diào)。
因此,本文針對(duì)上述問(wèn)題,對(duì)快速路建設(shè)過(guò)程中隧道與路面間的淺層空間利用進(jìn)行研究,基于現(xiàn)有地下空間利用狀況,分析現(xiàn)有問(wèn)題,提出一種快速路地下淺層帶狀空間的利用原則和利用方法,并依托南京橫江大道快速路改造工程,對(duì)利用方法進(jìn)行應(yīng)用探討和合理性評(píng)價(jià),對(duì)地下空間利用前后交通量進(jìn)行預(yù)測(cè)對(duì)比,探究帶狀地下空間資源開(kāi)發(fā)對(duì)城市發(fā)展的重要性。
城市地下空間結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)往往需要大量資金投入,同時(shí),城市快速路不可避免地需要進(jìn)行地下交通建設(shè),有時(shí)數(shù)公里的地下空間僅設(shè)置一條隧道或一條綜合管廊,易造成空間資源浪費(fèi)。城市快速路地下帶狀空間以快速路、軌道交通等快速交通為紐帶,沿線建設(shè)綜合管廊、地下城市、街區(qū)、大型停車(chē)場(chǎng)和輔助道路(匝道、進(jìn)出口)等配套設(shè)施,既能有效降低建設(shè)成本,又能高效利用地下空間資源。相較于傳統(tǒng)地下空間點(diǎn)狀開(kāi)發(fā)模式,地下帶狀空間開(kāi)發(fā)模式能更好地打造一體化城市空間。
以城市快速路沿線的地下淺層空間(0~50 m)至兩側(cè)紅線作為地下帶狀空間資源開(kāi)發(fā)范圍。地下空間開(kāi)發(fā)經(jīng)歷規(guī)劃、建設(shè)和使用管理,形成了城市快速路地下沿線連續(xù)、各層位協(xié)調(diào)發(fā)展的空間資源開(kāi)發(fā)全周期建設(shè)。
根據(jù)現(xiàn)有地下空間利用狀況,提出城市快速路建設(shè)過(guò)程中地下空間資源的利用原則。
1.2.1 協(xié)調(diào)利用原則
城市地下空間開(kāi)發(fā)過(guò)程多存在地面與地下地下空間利用不協(xié)調(diào)問(wèn)題,楊曉剛等[7]通過(guò)調(diào)查我國(guó)8個(gè)典型城市地下空間利用現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)不同城市開(kāi)發(fā)程度差別較大,且部分存在冒進(jìn)式和不協(xié)調(diào)的開(kāi)發(fā)問(wèn)題。雷升祥等[8]研究表明我國(guó)地下空間開(kāi)發(fā)系統(tǒng)主要集中于地下淺層空間,對(duì)于地下豎向分層規(guī)劃考慮不足,影響開(kāi)挖潛力。
城市快速路建設(shè)需要沿線建設(shè)大量的地面道路、高架路和隧道,地面交通與地下交通間存在大量互通節(jié)點(diǎn),可以為后期地面和地下構(gòu)筑物的協(xié)調(diào)互通提供便捷通道,同時(shí),地下交通建設(shè)過(guò)程需要大量土方開(kāi)挖,直接回填會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失和開(kāi)發(fā)的不可逆性。
鑒于以上原因,快速路建設(shè)過(guò)程中需要對(duì)隧道和路面間的淺層地下空間進(jìn)行改造利用,快速路隧道淺層部位設(shè)置示意如圖1所示。在保證原有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全的基礎(chǔ)上,進(jìn)行配套構(gòu)筑物建設(shè),既有隧道出入口兩側(cè)土層較淺部分可設(shè)置輔道出入口,中部土層較深區(qū)域可根據(jù)上部建筑結(jié)構(gòu)設(shè)置相應(yīng)的停車(chē)場(chǎng)、地下商城等配套設(shè)施,充分利用快速路隧道建設(shè)過(guò)程中沿線的地下帶狀空間。
圖1 快速路隧道淺層部位設(shè)置示意
1.2.2 以人為本原則
規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程需充分考慮人員的流動(dòng)性。地下空間封閉性較強(qiáng),空氣流通性較差,災(zāi)害破壞程度大,救援難度高[12],在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮流通人員的安全舒適。地下空間不同深度構(gòu)筑物規(guī)劃分類如表1所示。地下空間的位置不同,地下開(kāi)發(fā)的功能屬性不同,隨著深度的增加,人員流動(dòng)自由程度逐漸降低,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸提高,封閉空間的污染影響逐漸降低。在此基礎(chǔ)上建設(shè)各種配套保護(hù)措施,形成安全、快捷、環(huán)保的一體化地下空間城市。
表1 地下空間不同深度構(gòu)筑物規(guī)劃分類
1.2.3 層間職能分化原則
不同層位的構(gòu)筑物差別較大:地下空間淺層位置主要服務(wù)于人行和慢行系統(tǒng),方便人員流通,能夠提供近似于地面建筑結(jié)構(gòu)的功能;中層位置一般可通過(guò)明挖基坑方式進(jìn)行施工,設(shè)置隧道、管廊結(jié)構(gòu),有效緩解交通擁堵,減少交通占地,降低噪聲污染;深層位置的開(kāi)發(fā)較少,一般通過(guò)盾構(gòu)方式進(jìn)行地下軌道交通建設(shè)。
現(xiàn)有城市地下空間豎向分層的規(guī)劃尚無(wú)明確方案和思路,但地下空間利用應(yīng)遵循可持續(xù)性和結(jié)構(gòu)合理性,同時(shí)應(yīng)根據(jù)城市實(shí)際需求,完善配套設(shè)施建設(shè)?;诔鞘锌焖俾烦墒斓慕ㄔO(shè)改造工程方案,提出以快速路為紐帶的地下帶狀空間建設(shè)方法。快速路地下空間利用技術(shù)路線如圖2所示。
圖2 快速路地下空間利用技術(shù)路線
快速路地下空間利用應(yīng)當(dāng):①對(duì)城市快速路網(wǎng)進(jìn)行建設(shè)規(guī)劃,分析城市地下空間持續(xù)發(fā)展需求;②結(jié)合沿線兩側(cè)建筑需求和空間利用原則,對(duì)快行系統(tǒng)地下空間進(jìn)行分層規(guī)劃;③根據(jù)不同層位施工方式、道路線型要求、層間處理方式,進(jìn)行地下空間結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì);④根據(jù)消防、交通安全、照明等要求進(jìn)行多專業(yè)設(shè)施配套建設(shè);⑤對(duì)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理建設(shè)工程全周期進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、信息化管理制度完善。
根據(jù)上文所述快速路地下空間開(kāi)發(fā)利用原則和方法,對(duì)南京橫江大道快速路改造工程的地下空間利用情況進(jìn)行案例分析。
橫江大道是南京江北新區(qū)規(guī)劃“六橫十縱”快速路中的“一橫”,橫江大道(緯三路至城南河段)全長(zhǎng)7.2 km,北接橫江大道長(zhǎng)江大橋至緯三路段,南接橫江大道城南河路至S356段,設(shè)計(jì)速度為80 km/h,遠(yuǎn)景年交通量為9.2萬(wàn)pcu/d??焖俾反┰浇毙聟^(qū)CBD(中央商務(wù)區(qū)),采用下穿隧道方式,全線設(shè)有“一長(zhǎng)隧、一中隧、一節(jié)點(diǎn)隧”,隧道總長(zhǎng)4.165 km,占總里程的57.95%。其中,長(zhǎng)隧(CBD隧道)埋深最大達(dá)30 m,明挖隧道基坑支護(hù)主要采用地連墻工藝,地連墻最大深度可達(dá)68 m,隧道埋深和樁基深度均為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平,地下空間資源豐富,發(fā)展?jié)摿^大。
根據(jù)現(xiàn)有規(guī)劃要求,江北新區(qū)中心區(qū)地下空間一期工程(以下簡(jiǎn)稱“地下空間一期工程”)與在建的橫江大道快速路改造工程垂直交叉,屬于多層開(kāi)發(fā)的地下綜合體,開(kāi)發(fā)體量大,特別是地下空間一期工程的地下環(huán)路、綜合管廊等,對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)要求較高。通過(guò)比選研究,規(guī)劃近期地下空間利用以江北新區(qū)中心區(qū)建設(shè)為主,主要服務(wù)于CBD兩側(cè)的大型商城,通過(guò)在隧道頂部設(shè)置多層夾層的方式進(jìn)行遠(yuǎn)期地下空間開(kāi)發(fā)預(yù)留,以達(dá)到地下空間可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃要求。橫江大道沿線地下空間建設(shè)地塊平面圖如圖3所示。
圖3 橫江大道沿線地下空間建設(shè)地塊平面圖
江北新區(qū)中心區(qū)占地面積約16 km2,其中CBD區(qū)域占地面積約7.6 km2。解決區(qū)域的快速到發(fā)難題,可以預(yù)先將車(chē)輛誘導(dǎo)至地下。在減少對(duì)地面干線道路產(chǎn)生負(fù)荷的同時(shí),在核心區(qū)建立“地下道路—地下聯(lián)絡(luò)道—地下車(chē)庫(kù)”的單循環(huán)三級(jí)車(chē)行系統(tǒng),使部分到發(fā)交通能夠在外圍快速路網(wǎng)和地下車(chē)庫(kù)之間迅速轉(zhuǎn)換,釋放地面道路空間,提高交通出行效率和區(qū)域環(huán)境品質(zhì)。
根據(jù)地下空間開(kāi)發(fā)原則,提出快行系統(tǒng)地下空間建設(shè)方案:快速路主線隧道最深位置位于地下4層;地下商務(wù)層占用地下1層,主要用于地下商城建設(shè);地下2層和3層為地下環(huán)路和停車(chē)場(chǎng),用于商務(wù)區(qū)車(chē)輛進(jìn)出和停車(chē)。定山大街沿線設(shè)有綜合管廊,位于地下4層,由于管廊節(jié)點(diǎn)位于4層環(huán)路,與主線不交叉,二者可以設(shè)置在同一層。隧道下面的地下5層為地鐵4號(hào)線和13號(hào)線。CBD地下多層空間開(kāi)發(fā)示意如圖4所示。
圖4 CBD地下多層空間開(kāi)發(fā)示意
該規(guī)劃能夠顯著提升CBD區(qū)域的交通流量和消費(fèi)能力,同時(shí)保證人行安全、交通便捷,通過(guò)對(duì)噪聲、尾氣等污染集中處理,還能降低對(duì)地面環(huán)境的影響。
地下空間與地面道路協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)如圖5所示。根據(jù)地面交通與地下各層結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)利用原則,第2、3層的地下停車(chē)場(chǎng)采用地下環(huán)路進(jìn)行溝通,地下環(huán)路在商務(wù)西街西側(cè)和定山大街東側(cè)分別設(shè)置預(yù)留出入口,將其上下匝道接入橫江大道輔路。第4層快速路主線隧道采用長(zhǎng)隧道穿越CBD的方式,在隧道的前后分別設(shè)置一對(duì)主輔連接道,方便CBD的車(chē)輛進(jìn)出橫江大道主線。另外,考慮地下交通的快速疏散,在商務(wù)西街西側(cè)增加一對(duì)出入口,方便西側(cè)交通流與地下空間快速溝通,減少通過(guò)地面紅綠燈的次數(shù),東側(cè)只經(jīng)過(guò)一個(gè)紅綠燈,不增加出入口設(shè)置,以此保證地下各層與地面空間相互貫通。
圖5 地下空間與地面道路協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)(單位:m)
考慮到地下空間可持續(xù)開(kāi)發(fā)問(wèn)題,采用隧道上部多層夾層空間預(yù)留的方式進(jìn)行地下各層開(kāi)發(fā)。以地下2層的地下停車(chē)場(chǎng)為例,明挖隧道埋深較大的地段,可在滿足結(jié)構(gòu)安全的條件下對(duì)夾層進(jìn)行地下車(chē)庫(kù)建設(shè),同時(shí)對(duì)暫時(shí)無(wú)開(kāi)發(fā)要求的空間保持遠(yuǎn)期預(yù)留。
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,橫江大道CBD隧道工程在穿越江北新區(qū)CBD地下空間時(shí),形成南北兩側(cè)空腔,其中南側(cè)空腔可利用部分長(zhǎng)度約660 m、寬度約31 m、隧道最大埋深達(dá)20 m,通過(guò)考慮管線、抗浮等因素,規(guī)劃明挖隧道頂部夾層區(qū)域建設(shè)城市公共停車(chē)場(chǎng)。夾層空間地下停車(chē)場(chǎng)布置如圖6所示。
(a) 縱斷面
(b) 斷面圖6 夾層空間地下停車(chē)場(chǎng)布置
由于土建工程成本已在隧道結(jié)構(gòu)施工中結(jié)算,故只需考慮停車(chē)場(chǎng)自身結(jié)構(gòu)的建設(shè)成本,該規(guī)劃不僅能夠有效節(jié)省建設(shè)成本,還能在豎向空間新增近700個(gè)停車(chē)位,有效服務(wù)兩側(cè)地塊。在設(shè)計(jì)合理性方面,考慮到隧道埋深較大,上部荷載經(jīng)過(guò)應(yīng)力擴(kuò)散后對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響較小,同時(shí),空腔結(jié)構(gòu)的停車(chē)場(chǎng)所產(chǎn)生的附加應(yīng)力荷載比直接回填土產(chǎn)生的附加應(yīng)力荷載更小,能夠有效保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
為保證地下空間行人和車(chē)輛的安全和舒適,需要多領(lǐng)域配套設(shè)施建設(shè),包括:①電氣工程,以保障地下商場(chǎng)和交通系統(tǒng)的供配電和照明要求,重點(diǎn)保障人員流動(dòng)性較大區(qū)域的各類預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng);②通風(fēng)工程,包括對(duì)平時(shí)通風(fēng)管理和火災(zāi)后的事故通風(fēng)處理,采用就地手動(dòng)、就地自動(dòng)和遠(yuǎn)程控制相結(jié)合的多種系統(tǒng)控制方式,以保證地下空間的人員和財(cái)產(chǎn)安全;③消防工程,主要包括地下各層空間配備的獨(dú)立消防控制系統(tǒng),不同構(gòu)造物設(shè)置不同的防火分區(qū)。
該中心區(qū)為江北新區(qū)核心,屬于建設(shè)的重中之重,在今后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),將同時(shí)進(jìn)行大量的建設(shè)工程,需要建立地下空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),進(jìn)行實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè),其中主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為隧道結(jié)構(gòu)的位移。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括傳感器子系統(tǒng)、采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和評(píng)估子系統(tǒng)。
監(jiān)測(cè)的主要流程為:①將相關(guān)傳感器(位移計(jì)、應(yīng)變計(jì)等)安裝在結(jié)構(gòu)病害風(fēng)險(xiǎn)較大的位置,并采集結(jié)構(gòu)相關(guān)信息;②將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸系統(tǒng)(光纖、電纜、網(wǎng)線等)傳輸至相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)和初步處理;③將初步處理后的數(shù)據(jù)傳輸至管理中心,通過(guò)服務(wù)器上運(yùn)行的損傷識(shí)別、健康評(píng)估和管理決策等軟件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,提供地下環(huán)路的健康狀況,對(duì)病害的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè),并對(duì)超出預(yù)警值的病害及時(shí)報(bào)警,提醒管理人員及時(shí)處理。
基于橫江大道CBD城市快速路地下帶狀空間開(kāi)發(fā)實(shí)例,結(jié)合近年來(lái)原路段的交通量統(tǒng)計(jì)進(jìn)行未來(lái)的交通量預(yù)測(cè),同時(shí)參考南京江北新區(qū)人口規(guī)模擴(kuò)張預(yù)測(cè),探討帶狀空間開(kāi)發(fā)的合理性。
根據(jù)規(guī)劃要求,至2030年,南京江北新區(qū)城鎮(zhèn)化水平應(yīng)達(dá)到90%,地下空間開(kāi)發(fā)能夠有效適應(yīng)人口規(guī)模的劇增。通過(guò)對(duì)帶狀空間中不同層位的交通渠化,基于TransCAD軟件對(duì)橫江大道和定山大街交叉口進(jìn)行交通量預(yù)測(cè),橫江大道與定山大街交叉口交通量預(yù)測(cè)模型如圖7所示。交通量預(yù)測(cè)結(jié)果如圖8所示。該交叉口位于城市快速路地下帶狀空間的地面道路,可用于分析新老道路交通量逐年變化和人口規(guī)模的逐年擴(kuò)大的匹配程度。
圖7 橫江大道與定山大街交叉口交通量預(yù)測(cè)模型(單位:pcu/h)
圖8 交通量預(yù)測(cè)結(jié)果
由圖8可知,隨著南京江北新區(qū)城市化進(jìn)程的快速推進(jìn),人口規(guī)模隨年限呈線性增長(zhǎng),然而現(xiàn)狀是道路交通量在2020年后增速明顯放緩。2020年后,交通量增速小于人口規(guī)模增速,原有道路通行能力基本趨于飽和。
改造后道路于2020年通車(chē)后,交通量增長(zhǎng)近30%,同時(shí)隨著運(yùn)營(yíng)年限的增加,交通量以年均增速10%快速增加,說(shuō)明城市道路改造后,交通狀況顯著改善。改造后道路年交通量與人口規(guī)模基本呈正相關(guān),對(duì)比原路段,快速路地下帶狀空間開(kāi)發(fā)后,該交叉口通行能力顯著提高,與人口增長(zhǎng)趨勢(shì)匹配度高,地下帶狀空間資源開(kāi)發(fā)利用具備合理性。
以南京橫江大道快速路改造工程為典型案例,分析城市地下淺層帶狀空間資源開(kāi)發(fā)利用的合理性,主要得到以下結(jié)論。
(1) 地下淺層帶狀空間規(guī)劃應(yīng)注重以人為本,確保流通人員安全、方便,減少環(huán)境污染,保證地下帶狀空間中人行、車(chē)行和軌道交通順利運(yùn)行,與地面協(xié)調(diào)互通。
(2) 地下淺層帶狀空間設(shè)計(jì)規(guī)劃以隧道為基礎(chǔ),環(huán)繞隧道建設(shè)近期規(guī)劃結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)期發(fā)展預(yù)留夾層,降低建設(shè)成本,確保地下空間資源的可持續(xù)發(fā)展。豎向構(gòu)筑物建設(shè)深度越深,人員流動(dòng)自由程度越低,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越高,封閉空間的污染越小。
(3) 多層構(gòu)筑物的地下空間結(jié)構(gòu),需要配備多領(lǐng)域的配套設(shè)施及標(biāo)準(zhǔn)化、信息化管理體系,確保帶狀空間各層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行。
(4) 城市地下帶狀空間開(kāi)發(fā)后,交通量以年均增速10%線性增加,且與人口規(guī)模增量基本呈正相關(guān),能夠合理匹配人口規(guī)模劇增帶來(lái)的交通量的增長(zhǎng)。