近年來，城市地下空間的開發和利用引起了國內外一些學者和城市管理者的高度關注和熱烈討論。一些具有經濟實力的國家和城市都在大力發展地下空間並進行相關研究，以尋求更多人類可以使用的空間。有“花園城市”之稱的新加坡，也在地下空間開發和利用方面進行了系統的規劃和研究，雖然開發時間不長，但發展迅速，現已成爲城市地下空間開發和應用領域的佼佼者。而且，它所開展的地下空間工程建設克服了諸多科學和技術難題，爲地下空間的發展提供了重要的理論基礎和工程實踐經驗。本文在介紹新加坡主要工程地質條件的基礎上，列舉一些比較典型的新加坡城市地下空間開發利用實例，根據實踐和理論相結合的工程建設和開發思路，給出一些對中國城市地下空間開發利用具有啓發性的建議。
01 新加坡工程地質概況
新加坡共和國是位于東南亞馬來半島南端的一個島國，其北面隔著柔佛海峽與馬來西亞緊鄰，並以長堤相連于新馬兩岸之間，南面有新加坡海峽與印尼相望。新加坡的國土除了本島之外，還包括周圍數島。新加坡位于赤道附近，是典型的熱帶海洋性氣候，降水豐富。新加坡是一個人口稠密的高收入城市，它擁有近540萬人口（2013年），但國土面積卻只有697 km2。新加坡地勢起伏和緩，其西部和中部地區是丘陵地，東部以及沿海地帶都是平原，地理最高點爲武吉知馬，高163 m。圖 1爲新加坡的主要岩土體地質分布。
圖 1 新加坡主要地質分布
從地質構造學看，新加坡的地質大體上可分爲4類[4]：
1）由火成岩組成的甘柏蘇長岩（Gombak Norite）以及武吉知馬花崗岩（Bukit Timah granite），分布在北部和中心北部。
2）由沉積岩組成的裕廊組（Jurong Formation）地層，分布在西部和西南部。
3）由第四紀沉積土組成的老沖積層（Old Alluvium），分布在東部。
4）由加冷組（Kallang Formation）沉積組成的沖擊層、過渡土層和海洋黏土，遍及整個島國。
按新加坡政府在2002年時提出的“在地下再建立一個新加坡”的模式計算，考慮必要的地下原岩支撐面積，則新加坡的地下空間總面積可約等同于其國土面積的1/3~1/2，即約爲200~300 km2，人均地下空間面積可達30~50 m2。新加坡在對城市地下空間進行開發利用時，特別注重與工程地質的結合，其地下空間的開發充分考慮了工程岩土體本身的力學特性。以下對新加坡的一些典型地下空間開發利用實例進行介紹。
02 新加坡地下空間利用典型案例
２.1地鐵
新加坡作爲舉世聞名的國際航空和航運中心，其陸路公共運輸也極其發達。以地鐵爲例，新加坡地鐵，又叫大衆捷運系統（mass rapid transport，MRT），始建于1987年，現已成爲當今世界上最爲便捷、高效、明亮、整潔的公共運輸系統之一。圖 2是新加坡當前的捷運系統路線圖。新加坡地鐵系統分爲4條主幹線路：東西線（綠線）：從巴西立（或從樟宜國際機場）前往西部群島；南北線（紅線）：從濱海灣通往裕廊東；東北線（紫線）：連接港灣至東北部的榜鵝；環線（橘黃線）：從港灣通往多美哥和濱灣；其中南北線和東西線，總長83 km，縱橫穿越新加坡島全境，是地鐵網絡中最主要的幹線。
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圖 2 新加坡捷運系統路線
新加坡地鐵隧道大多是采用隧道掘進機（TBM）或新奧法（NATM）進行施工，有些地區的隧道則采用明挖法技術施工。由于新加坡很多地鐵車站都位于城市中心商務區，因此對隧道施工引起的沉降變形有嚴格的控制，根據新加坡MRT公司實踐和軌道保護規程規定，由隧道施工引起的隧道周邊建築物變形不允許超過15 mm。如此嚴格的規定，使得新加坡在修建地鐵隧道工程時，對隧道施工、變形監測和管理以及數值模擬分析方面都提出了更高的要求。根據新奧法的原理，隧道施工應特別強調變形觀測的重要性，以新加坡地鐵南北線建設的C710合同段爲例，他們對隧道建設過程中的一些關鍵截面進行了大量的變形監測，主要包括3部分：地表變形監測、開挖引起的襯砌變形監測和初次襯砌中的鋼拱架等主要部件的應力、應變監測。新加坡因其特殊的地質構造情況和廣泛分布的高層建築及建築群，其地鐵工程的建設爲解決一些同類型的複雜施工條件下的地鐵車站及隧道建設提供了良好的案例。此外，新加坡地鐵車站的綜合集成開發模式也值得國內外城市借鑒。
2.2地下管網系統
中國城市地下管網系統建設由于涉及到多個不同單位不同部門之間的協調，致使其規劃和建設都相對滯後，如近年來中國一些大中型城市都先後因地下排水系統能力不足而導致城市內澇現象，就是一個典型的例證。而新加坡在城市地下排水系統方面的規劃做得相當好，雖然該地區經常遭受暴雨的襲擊，但卻很少出現城市內澇現象。以下爲新加坡城市地下管網系統建設的3個典型例子。
1）綜合管路隧道（common services tunnel）。新加坡市區重建局在濱海灣區修建了1條綜合管路隧道，把該區的主要供水管道、通信電纜、電力電纜等全部集中到這個隧道中，該隧道的截面尺寸爲12 m×12 m，其中，管道通道爲12 m×8m，電纜通道爲4 m×8 m[11]。整個工程曆時十幾年，綜合管路隧道的第一階段長度約1.4 km，已于2004年完工；隧道第二階段長度約1.6 km，已于2010年完工。
2）深隧排汙系統（deep tunnel sewerage system）。新加坡公用設施局投資興建了一個深埋隧道排汙系統，這個系統的第一階段包括一條長約48 km的排水深隧道和一座汙水處理廠（樟宜汙水處理廠），排水隧道直徑最大6 m，隧道埋深20~40 m不等，汙水處理廠的設計排水量爲80 Mm3/d（最高極限能力可增至240 Mm3/d）。考慮到新加坡將來可能出現的缺水狀況，該汙水處理廠設計時預留了將處理過的汙水淨化爲工業用水的接口。
3）電纜隧道（electric cable tunnel），新加坡地底最深的電纜隧道工程已于2012年9月動工。這條電纜隧道深入地下60 m，相當于20層樓高，比一般的地鐵隧道還要深一倍。該電纜隧道可裝置電伏高達400 kV的電纜，以應對130萬個家庭、商業和工業用戶日益增加的電量需求。與地鐵線類似，該隧道工程分爲南北線和東西線，主要是爲了連接北端和西端的3大發電廠。隧道直徑6 m，計劃采用盾構法施工，兩條隧道長約35 km，預計耗資20億元。
2.3 地下儲存庫
新加坡一般被認爲是一個沒有自然資源的國家，但在新加坡的一次學術報告會議上，新加坡岩石力學與工程地質學會主席周應興先生指出，新加坡有豐富的地下空間資源和水資源，岩石地下儲存空間可以爲新加坡儲存大量的天然淡水（降雨）資源。事實確實如此，過去十幾年，通過大量的工程地質調查和岩石力學試驗，發現新加坡中部地區的武吉知馬花崗岩和中西部地區的沉積岩層特別適合修建大型地下硐室作爲地下儲庫。早在1995年，新加坡就提出了利用武吉知馬花崗岩層修建地下儲庫和安全庇護硐室的計劃。
20世紀90年代新加坡就在南洋理工大學專門成立了“地下空間和岩石力學”（underground space and rock mechanics，USRM）研究小組，現改名爲“防護技術研究中心”（protectivetechnology research centre，PTRC）。該研究小組的主要研究方向包括：岩石材料在動態和瞬態載荷作用下的力學特性，動載荷作用下岩石節理的響應特性，沖擊波在岩石節理和岩體中的傳播，岩體和岩石結構的離散元模擬等，並取得了頗爲領先的岩石動力學研究成果，目前這些研究方向仍是岩石動力學研究領域的熱門方向。
上述基礎研究的工程背景是新加坡計劃利用花崗岩優越的抗爆性能，在萬禮花崗岩地層中建設地下軍火彈藥儲存庫。萬禮地區的花崗岩地層屬于三疊紀地質期，有2億年曆史，其硬度是水泥的6倍，還有天然冷卻作用。萬禮軍火庫由多個儲藏倉庫組成，每個倉庫長100 m，寬26 m，高13 m，由雙車道寬的隧道連接。兩隧道間至少間隔20 m，滿足“當其中一隧道爆炸時，不會對另一隧道産生破壞性影響”的要求。同時每個倉庫門口都設置電動鋼鑄防爆閘，以防爆炸碎片、火勢和氣浪沖入。此外，每個倉庫門口對面都鑿有存留爆炸碎片用的空間——留碎室，可存留90%向外沖出的爆炸碎片，也能減緩爆炸火勢。萬禮軍火庫還是一個省地、省電、省水、省力的高效軍火庫。該庫建造在地下數十米，與地面軍火庫相比，所需安全地區面積可以減少90%，相當于400個足球場。同時，由于花崗岩的隔熱作用，電力消耗只有地面軍火庫的一半；雨水收集和地面排水系統每年省水約60000 m3。2008年3月7日，新加坡的萬禮地下軍火庫正式啓用。
近年來，新加坡爲了應對可能遭遇的石油危機，開始著手修建地下石油儲存庫。根據新加坡地質條件特點和經濟戰略布局的要求，以裕廊組（Jurong Formation）沉積岩爲主的裕廊島成爲地下儲油庫的最佳選擇地點。裕廊島位于新加坡西部，是由7個小島填海造陸而成的人工島，這裏是新加坡的石化産業基地，也是全球第三大石油貿易中心和煉油中心。圖 3爲新加坡海底地下石油儲存庫的布局示意圖。
圖 3 新加坡海底地下石油儲存庫示意
由于該地下石油儲存庫建于海平面以下，在地下硐室開挖建設過程中，海水入侵和地下水滲漏成爲需要首先考慮的問題，如水對岩石強度弱化特性的影響分析、地下水滲流場分析、硐室開挖圍岩在流固耦合作用下的穩定性分析等。爲此，地下石油儲存庫項目建設方裕廊集團（Jurong towncorporation，JTC）委托新加坡南洋理工大學對硐室建設的全過程進行了大量的室內試驗、現場監測和數值模擬研究，並隨著工程建設的進度已經取得了一些極具工程實踐和技術指導意義的研究成果。目前，該地下儲油庫第1階段工程已經完成，最初的兩座岩洞已于2013年完工，采用水封油庫的方式儲油。此外，新加坡政府還計劃2014年在海床下100m深處挖掘5個地下儲油庫。5座岩洞共有9座儲油長廊，每座長廊有9層樓高，可以容納相當于64座奧運會標准遊泳池的液體量。全部完工後的總儲油量接近400 Mm3，儲油總量可供新加坡全國人民使用1個月。
2.4大型地下公共空間
爲了創造空間容納新增人口，新加坡有意在地下打造更爲廣闊的地下公共空間，如新加坡計劃在肯特崗（KentRidge）公園附近打造一座相當于30層樓的地下科學城。肯特崗公園的表層由砂岩、礫岩和石灰岩3種不同的岩石組成，並含有豐富的斷裂和褶皺帶，但在50~60 m以下的地下岩層，卻具備相當好的工程地質條件，圍岩穩定性好，可以建造多功能地下設施。
圖4爲新加坡地下科學城的概念示意圖，從圖中可以看到2個明顯的豎井。由于新加坡地勢平坦，其地下空間的開發依托深大豎井的建設，大型機械設備和人員都通過豎井進入地下空間。該類地下空間開發的豎井直徑一般在30 m以上，最高可達60 m，開挖深度在80~100 m。如此巨大的豎井工程建造也存在一系列和岩土工程有關的科學和技術難題，如豎井開挖方法、豎井穩定性、豎井通風排水等。隨著工程技術的進步，新加坡也越來越傾向于應用這種深大豎井來開發和建設大型地下空間工程，如地下科學城、地下醫院、地下物流等。
圖 4 新加坡地下科學城概念
03 對中國城市地下空間利用的啓示
新加坡人多地狹，但其城市交通並不擁堵，居民出行方便，生活環境輕松，這與當地政府重視並積極有效地利用地下空間的行爲是緊密相連的。可以借鑒新加坡城市地下空間的成功案例來指導中國一些經濟發達的大中城市的地下空間開發和利用。建議政府主管部門從以下方面加強對城市地下空間的規劃、開發、利用和管理。
1）健全地下空間資源開發法律法規，強化制度管理。加速中國城市地下空間建設相關法律法規的制定，盡快建立起完整的城市地下空間開發體系。關于地下空間的使用權、所屬權等，中國目前還沒有統一的成文規定。而這種現狀對于中國城市地下空間開發利用的蓬勃發展將産生不利的影響。國際上一些發達國家已經相繼建立了地下空間資源開發的法律法規，新加坡的國土部門、市政部門都對地下空間的合理開發和利用進行了一些制度化的管理。因此，建議中國政府部門加快落實地下空間法律法規的制定，爭取城市地下空間的快速有序可持續發展。
2）堅持規劃先行，制定城市地下空間總規劃。中國城市地下空間的發展速度日益加快，越來越多的地下工程湧現。然而，因爲地下空間劃分不合理産生的問題也越來越多。這就需要根據城市未來的發展計劃，提早對地下空間進行功能用地劃分，避免造成矛盾。同時，在政府進行城市總體規劃的過程中，應考慮將地下空間的開發利用與人防建設等功能相結合，爭取爲城市創造更大的效益。以新加坡的城市地鐵建設、地下管網系統建設、深隧排汙系統建設和電纜隧道建設爲例，因爲一些地下隧道線路開發具有並行的特點，地下空間開發時大多都遵循從淺入深、預留連接通道和連接站點的方式進行總體開發。
3）開展工程地質勘察，總結完善城市地質資料。城市地下空間的開發利用存在高風險性、不可逆性以及難適應性等特點，所以，一個良好的工程選址對建築物的建造來說顯得尤爲重要。工程選址前的地質基礎資料的勘察是關鍵性因素，如新加坡的萬禮地下軍火庫和裕廊島的海底地下石油儲存庫的建設，都是基于其完善的地質勘察資料。雖然，目前展開全國範圍內地質情況的勘察工作有較大困難，但可以從一些大中城市開始，逐漸完善中國主要城市工程地質數據庫，通過已有的和大量將要勘探的地質鑽孔數據，建立所謂的“透明城市”或“三維可視化”城市地下空間模型。
4）理論聯系實際，因地制宜建造地下工程。只有牢牢把握理論聯系實際的原則，才能因地制宜地建造出優秀的城市地下工程。例如，新加坡在進行地下工程施工時，總是要將實地考察所得的地質情況和工程設計、施工相結合，盡可能根據實際的工程地質條件建造功能相適應的地下建築物，並廣泛開展與工程建設相關的基礎理論研究，如本文提到的裕廊島海底地下石油儲存庫。只有這樣，所建造的工程才能從根本上達到預期功能。因此，理論聯系實際，並將理論應用于工程實際，提高地下工程建設的能力，也是廣大地下空間研究者應注重的方式。
5）廣泛推廣並科學普及地下空間知識，尋求更大突破。對中國大多數人來說，城市地下空間概念還相當模糊，甚至很多人說到地下空間，想到的就是地鐵或人防這些基本概念。殊不知，全球範圍內的“城市地下空間工程”早已包羅萬千。就新加坡而言，它的地下工程就涵蓋了更爲廣闊的內容，如地下綜合體（地下科學城）、地下倉儲設施（地下石油儲存）、地下管網系統（城市共同溝）、地下物流系統等。新加坡在地下空間工程方面的成就值得借鑒和參考。因此，中國需要對城市地下空間工程的概念進行廣泛的科普，促進人們對地下空間的認識，推動城市地下空間工程學科的進步，從而尋求人類對空間資源需求更爲廣闊的突破。
04 結束語
他山之石，可以攻玉。新加坡因其稀缺的土地資源，而在城市地下空間工程開發建設方面取得了長足的進步。中國以地大物博而聞名，卻導致在很長一段時間內忽略了對城市地下空間的規劃、開發和利用。目前，隨著中國經濟的持續發展，大量人口向城市轉移，不少大中型城市已出現堵車、內澇、霧霾等環境惡化現象，這與城市地表空間的過度開發和城市攤大餅發展模式不無關系。因此，希望通過汲取新加坡的城市地下空間發展特點和城市地下空間利用的優勢，推動中國城市地下空間的規劃、管理、開發和利用。這不但可以有效提高中國城市土地的利用率，還可以有效緩解目前中國城市發展建設中所出現的一系列弊病，爲中國建設“資源節約型、環境友好型”的兩型城市貢獻一份力量。
