陈 峰, 刘曙光

(1.上海宏波工程咨询管理有限公司,上海 201707; 2.同济大学 土木工程学院,上海 200092)

0 引 言

城市空间建设的立体化、多元化和多维化,使得位于地面和地表水以下的可利用空间大量出现,成为城市的“二度空间”,如:地下轨道交通、地下车库和民防工程、地下商业综合体、地下综合管廊、下穿立交、隧道、通道、下沉式广场等。随着我国城市发展和规模扩大,城市规划建设与传统独立建设的地下空间相比,更加强调地下空间的互联互通,鼓励轨道交通车站与相邻地下空间相互连通,打造连片成网、系统开发的地下空间综合体[1-2]。但伴随着地下设施连通和规模扩大,城市地下空间分布呈现复杂性,应对灾害难度也极大地增加。由于地下空间受环境的约束远大于地面空间,空间形态呈封闭式或半封闭式,处于防御不利的地位,在遭遇诸如洪涝水淹、工程事故以及地质灾害引发的水患灾害时,一旦响应不及时或应对不当,极易造成巨大的灾害损失和人员伤亡。近10 a全国多个一、二线大城市,如北京、上海、广州、郑州、南京、深圳、杭州、厦门、济南、成都等遭遇极端大暴雨(2021年郑州“7·20”特大暴雨、2012年北京“7·21”特大暴雨、2013年上海“9·13”特大暴雨、2021年广州“7·30”大暴雨)均发生过严重的地下空间水淹和下穿通道淹没的灾害事件, 对社会、环境、经济的影响巨大。

我国现今大部分城市地下空间开发利用规模正处于快速上升阶段,对应的各类灾害问题已表现出渐趋增多和严重的态势。目前,在城市国土空间功能动态演变和极端气候事件呈频发趋势的背景下,大规模分布复杂且连通的地下空间如何在社会成本——效益平衡的条件下有效应对水灾害,在国际和国内都仍是一个崭新和重大的挑战。因此,为保证城市地下空间领域的科技发展,持续开展城市地下空间应对各类水灾害的技术研究、有效提升城市地下空间的韧性防御能力、减轻灾害损失,对保障社会安全和经济持续发展十分重要。

综上所述,有必要厘清地下空间水灾害的核心科学问题和关键技术问题,探索实现路径,解析各类水灾害要素的响应关系,为城市地下空间水灾害防治领域的科技发展提供理论支撑。

1 国内外地下空间水灾害防治研究现状

20世纪90年代日本经系统研究后,从洪水预警预报、防灾体制的建立、不同保护对象的防御策略、挡水设备的研发、水防训练及避难等方面制定了地面洪水侵入地下空间的防洪减灾对策,绘制了洪水风险图[3-4];发布了地下空间防灾避难导则[5-6],明确了连通地下设施管理者之间的合作机制,探讨了大规模地下空间一体化的避难方案和相互协作训练;采用物理模型测试不同年龄组人员在水淹环境中的逃生避难可能性试验[7]。并在东京、大阪等土地宝贵的大都市修建了地下调洪水库和分洪隧道。

欧、美、亚洲多国根据洪水期间受灾情况,在对地下空间防灾研究的基础上提出了一系列的应对策略和措施。如:马来西亚水利灌溉局制定了地下车库防洪导则,要求地下车库开展风险评估,按防洪百年一遇或二百年一遇标准采用水文估算确定防洪标高,制定防洪措施和构建洪水监控、预警系统[8];加拿大制定了相应《洪灾减轻计划》,通过设置分洪河道和洪泛区的保护,以及土地利用规划的控制,降低洪水对城市及地下空间造成的损失;美国制定了《洪水灾害防御法》,推行“全国洪水保险计划”,并通过编制洪水风险分区图和洪水预警系统,降低灾害损失,提升灾后恢复能力。欧洲各国如英国、德国、法国等,主要采取加强雨水管理和土地规划利用,兴建地面、地下雨水调蓄设施,增加城市绿化面积,加强洪水预警预报,来提升城市应对洪涝灾害的韧性防御能力,降低灾害损失和影响[9]。

从国外研究现状可知,国外学者较为关注灾前预警预报、灾中人员逃生避险、灾后应急恢复。由于早期城市地下空间建设没有足够的经验、认知和研究基础,因此,发达国家针对大型城市已形成的既定地下空间格局的洪涝灾害问题,重点关注运维管理、洪水保险和土地规划利用方面的研究,主要集中在使用过程中对已发生的灾害问题进行弥补,采取局部改造和增强预警预报系统管理等措施,通过土地利用规划,增加城市绿地和雨水调蓄及分洪能力;加强洪泛区的管理和土地使用功能的复合,提高应对灾害的韧性能力,达到减少灾损和快速恢复城市功能的目的。

国内关于城市地面洪涝灾害对地下空间安全影响的研究仍处于起步阶段。随着城市地下空间规模迅速扩大,空间分布趋复杂性,洪涝灾害事件的频发、灾害损失的增多现象逐渐引起相关机构和学者的重视。从公开发表的文献看,目前国内的研究主要集中在地下空间防洪安全调查[10]、地下空间防洪风险评估[11-12]、暴雨情况下地面洪涝水侵入地下空间的可能性和危害性分析[13-14],以及针对特定地下空间项目的洪涝灾害评估[15-16]、出入口内涝水位测算[17]和基于GIS、SWMM(Storm Water Management Model)等模型的水流数值模拟分析等[18]。

从国内研究现状可知,国内学者重点关注极端暴雨下的城市洪涝对地下空间防御安全影响和风险(危害性、脆弱性)的评估研究,具体措施主要体现为按照现行规范文件规定或数值模拟确定的挡、排水特征指标,针对地下空间规划设计评估洪涝环境下安全性,偏向于采用半定型、半定量的方式,评价地下空间防御洪涝灾害的能力,并在评价的基础上提出相应的工程弥补措施和管理措施。如:上海市自2005年起,要求对城市地下空间开展专项防汛论证工作,主要分析、预测和评估地下空间运行期间和施工期间的防汛安全及对周边防汛设施安全可能造成影响,并提出预防和减轻防汛安全影响的对策和措施;广州市自2020年“7·20”大暴雨后,加强了对地铁项目防洪安全影响评价工作;北京、成都、郑州等地针对特定轨道交通线路开展了地下空间防洪涝专题研究工作。这些由政府部门通过行政管理要求开展工作,目的主要是通过评估分析,指导相应的规划设计。同时,我国无论国家、水利行业、城建行业、地方层面均无出台专门针对地下空间防洪及水灾害的规范和标准。虽然相关建筑、轨道交通、铁路行业规范在挡、排水方面做了一系列规定,如《城市地下空间规划标准》(GB/T 51358—2019)、《地下工程防水技术规范》(GB 50108—2008)、《地铁设计规范》(GB 50157—2013)、《城市轨道交通设计规范》(DG-TJ08-109—2017)等,但规范对于挡、排水要求均缺乏专业性和适应性的研究基础,地表洪涝水入侵后的防御措施也缺乏明确规定。当前业界和学者更关注暴雨洪涝背景下城市地下空间风险评估研究、各出入口外部积水深度的模拟和地表洪涝水侵入地下空间防御对策措施方面的研究。

地下空间除受地表洪水侵入导致的水安全风险以外,较普遍存在的就是受相邻工程活动或周边水环境特征变化导致的水灾害所影响。由于此类水灾害多以工程事故形式出现,国内外相应的分析研究,特别是数据的获取受到一定的限制,相关新闻报道较多,文献研究较少,并且分析研究主要集中于具体项目的工程技术措施和工程风险管理方面。如:上海隧道工程股份有限公司[19]针对上海轨道交通4号线董家渡部位隧道坍塌黄浦江水倒灌后修复技术开展了的研究。闫利鹏[20]针对杭州地铁1号线施工中的安全风险控制开展了研究。

2 水灾害防治科学问题及关键技术

在人类活动越来越占据主导地位的城市区域,满足地下空间使用功能需求同时,怎么才能维持城市地下空间水灾害防治的需求?我国城市快速化、多元性发展致使洪涝灾害的产生呈现不确定性,加之城市地下空间开发的无序性和分布的多样性,进一步导致地下空间水灾害问题的复杂性。面对动态变化的致灾因子和孕灾环境,系统性解析地下空间水灾害关键技术问题和综合性考虑解决路径是值得探讨研究的一种科学方略。

2.1 水灾害问题的分类

从致灾因子、孕灾环境和承灾体角度分析,地下空间水灾害问题主要为极端降雨引发的地表洪涝灾害的影响和工程活动或周边水环境特征变化的影响两大类。

(1)地表洪涝灾害导致地下空间水灾害的影响主要表现为城市洪涝风险与地下空间洪涝风险的关联响应问题。特别是地表洪涝水流特性及水流形态与地下空间水淹特征及水流形态的关系。由于地表洪涝灾害与地下空间洪涝灾害相互之间存在较强的关联性,洪涝水流侵入地下空间不确定性强、路径众多,水流行进路线和形态复杂多样。此类问题主要表现为对城市地下空间运营安全的影响。

(2)工程活动或周边水环境特征变化导致地下空间水灾害的影响主要表现为地下空间在涉水(如紧邻或下穿江、河、湖等)不利环境条件下出现漫溢、决堤、渗漏导致的地下空间洪涝灾害问题;因受降雨、地下水渗流、给排水管线损坏影响,地下工程建设过程中出现漫溢倒灌、渗漏管涌等引发的洪涝事件。地下空间受涉水环境的影响,严重时造成基坑倒塌、地下结构变形或损坏,此类灾害事件对于致灾因子和孕灾环境缺少系统性和常规性的预警、预报,突发性和特定性强,也更易引起忽视。此类问题主要表现为对地下工程实施及相邻防汛设施安全的影响。

从国内行业和专业分类的客观限制角度分析,受以下因素的限制,解决城市地下空间水灾害防治问题存在一定困难。

(1)建筑、交通、人防等行业对城市洪涝的理解和认知不足,采用确定统一的一个挡水高度不能满足不同孕灾环境下的防洪涝安全。如:《地下工程防水技术规范》中要求地下工程统一按照500 mm挡水高度,无法满足不同洪涝环境下的防洪安全。

(2)水利和排水行业对建筑、交通、人防等行业的理解和认知同样不足,其更多关注地表洪涝机理和灾害应对,对类似地铁、地下商城及相互连通的复杂空间在遭遇洪涝水情况下,灾害预警预报信息的准确性、水流浸入路径及流态机理、人员避险及疏散方式、空间结构损坏预防、灾害应急措施等缺少系统性研究。

(3)涉水地下空间建设往往容易忽视水文地质(如地表水或地下水)和水利设施因素造成的安全影响问题。一方面涉水地下空间建设对防洪设施安全可能造成影响,另一方面,地表水或地下水的作用对地下工程施工安全可能造成影响。

2.2 水灾害问题基本特征

按照灾害学的基本概念和原理[21],虽然各种单一灾害形态的演化变异表现出不同的过程规律,但在其结构变化特征上却体现了一致性。灾害系统演化变异过程均表征为承灾体在外部环境作用影响下内部结构、内部响应状态和对外反馈作用等方面的复杂动态变化规律。灾害系统结构包括灾害自身系统Z(n)、外部环境E(S(t))、内部环境结构Rz(t)、存在状态Sin(t)以及响应状态Sz(t)和灾害系统对外反馈作用Hz(t)、环境与灾害系统的作用关系R(t),见图1。

图1 灾害系统结构特征示意图Fig.1 Structural charac-teristics of disaster system

城市地下空间水灾害产生的关键技术问题主要分为2类:一类为降雨引发的城市洪涝灾害形成地面汇流积水侵入地下空间,导致水淹灾害问题;另一类为地下空间受地表水体(江、海、河、湖)或地下水体的作用影响导致外水侵入产生的水灾害问题,相关特征关联关系见图2。

图2 地下空间水灾害防治系统及灾害结构特征Fig.2 Water disaster prevention system and disaster structure characteristics in underground space

由图2可知,以上2类致灾因子及孕灾环境与水灾害防治系统之间存在相互作用和反馈响应关系,需通过防灾减灾措施隔断相互关系,而水灾害防治系统由地下空间和遭遇水灾害表现出来的水淹、结构损伤等灾害性状组成,并同样存在相互响应反馈关系。第一类灾害伴随城市自然灾害发生,受天然不可抗力的因素占主导;第二类灾害主要由人类工程活动影响或相邻水环境特征变化影响造成,社会管理因素占主导。前者通常造成的社会影响面较大,灾害对象更多,灾害损失也较大。后者通常由工程技术管理或日常监控工作的重视程度或管理疏忽造成,需要提升认知能力和技术管理水平,加强监管手段。

2.3 内、外部水灾害环境关联响应基本特征

城市地下空间水灾害防治系统受外部环境的不确定性、地下空间浸水(水淹)的不确定性、地下空间水流路径的不确定性以及相邻环境人类活动的不确定性等客观因素的影响。因此,水灾害防治系统不仅体现在地下空间内外部环境的耦合响应关系,系统内部各子系统响应状态也同样存在相互作用关系。对系统的关键问题及耦合关系进行全面剖析是认知灾害最本质的方法,也是应对灾害有效的技术路径。

外部环境因素决定了地下空间选址的合理性和灾害防御的安全性。以洪涝灾害为例,灾害发生的要素与外部环境中区域自然因素及防洪除涝能力密切相关。地下空间所处区域防洪排涝能力和相关设施状况决定了外部环境的暴露性和危险性。地下空间本体洪涝环境子系统耦合的复杂性和应对洪涝的防御状况决定了承载灾害的脆弱性,各子系统之间相互独立又密切相关。

基于灾害系统结构特征原理,针对地下空间作为对象表述内、外部洪涝环境与地下空间本体洪涝环境子系统的关系分别见图3(a)和图3(b)。图3中外部洪涝环境因子和内部子系统的分解不可避免带有主观性,既没有穷尽也不是唯一的,更不是唯一正确的。由于本文目标设定主要为解读城市地下空间水灾害问题核心本质的存在和演化提供一个解释性框架,因此子系统如何划分对研究结果没有实质性的影响。

图3 地下空间洪涝灾害环境系统结构特征Fig.3 Structural characteristics of flood disaster environmental system in underground space

2.4 水灾害防治若干科学技术问题解析

2.4.1 城市水灾害防治科学问题及关键技术总体框架

结合城市地下空间水灾害特征和内、外部水灾害环境关联响应特征,提出水灾害防治领域科技发展路线,按照地表洪涝导致地下空间水淹灾害和工程活动或周边水环境特征变化导致水灾害的各类问题进行论述,对于每一类问题按研究目标、灾害性状、科学问题、关键技术和解决路径等方面展开。城市地下空间水灾害防治发展科学和技术问题总体框架见表1。

表1 城市地下空间水灾害防治科学和技术问题总体框架Table 1 General framework of scientific and technical issues for the prevention and control of water disasters in underground space

2.4.2 地表洪涝灾害导致地下空间水淹灾害问题解析

2.4.2.1 采用静态防御手段难以适应动态孕灾环境变化

目前,国内应对地下空间水淹的措施主要按照相关各类建筑或地下工程规范规定和地区防汛要求执行,但规范对于城市地下空间防洪及洪水入侵方面均无明确的规定。地面洪水侵入地下空间研究多从单一因素或地下空间自身静态条件开展,研究对象也主要集中在地下空间本体,对地下空间所处区域总体洪涝环境、地形地势等因素缺乏考虑,如:对于地下空间出入口挡水设施高度的确定,所处环境地势、区域河网防洪除涝调蓄能力、发生积水可能性、区域雨情和管网排水能力等因素欠缺考虑。又如:地下空间内部排水设施设置一般也仅考虑局部敞开部位雨水、渗漏水或污废水排放,不考虑洪水侵入后的排水能力和相应措施。从更广义层面分析,尤为严重的是,由于伴随城市发展占地需要,河道调蓄库容锐减,防洪排涝能力不断降低,即使降雨强度和排水标准不变,仍会造成水位雍高。同时城市下垫面不透水面积和比率增加,造成降雨积水汇流增快,加之不少开发商以邻为壑,片面考虑自身的安全和景观,造成整体性、区域性的地面积水成倍增加,极大地增加了地下空间水淹风险。

考虑到城市发展导致洪涝灾害的加剧,下垫面不透水率增加、河网水面率及蓄排能力降低等城市环境要素的变化,诸如北京、上海、广州、成都等超大城市逐渐重视地下轨道交通的水淹问题,拟通过构建数学模型,测算各出入口、风亭井、进出场洞口、车辆停车场等地下与地面连通部位的可能淹没水深和防淹高程。但由于城市建设呈动态发展状态,相应的边界条件非常复杂,水深测算理论模型构建和参数选取的人为概化、假设与实际情况可能相差较大,又缺少相应的跟踪监测和数据分析。

2.4.2.2 地下空间水淹机理和防灾避险的复杂性

城市地下空间和地面空间分布及连通的复杂性、多样性是导致地下空间水灾害性状的多样性和复杂性的根源。以上海为例,至2020年已建成的地下轨道交通网仅人行出入口总计达2 000多个(还不包括地铁相连通的各类建筑地下空间的出入口),并且连通口的种类繁多(包括:出入口、通风井口、停车场进出洞口、应急疏散通道、无障碍电梯、下沉式广场、相邻地下空间连通口、电缆沟等),分布范围广,分布环境情况各异。根据公开报道和文献查阅可知,地面积水进入地下空间的途径多样,有从地铁出入口侵入、有从地铁停车场洞口灌入正线、有从电缆沟侵入车站、有从下沉式广场灌入车站、有从墙面裂缝渗入等多种方式。

诸如城市轨道交通、地下城市综合体、地下综合管廊等,空间分布范围广、空间组成及形态复杂,在遭遇水淹后,浸水路径复杂多样,浸水过程呈随机性。仅常规地下车库出入口和地铁人行出入口就包括斜坡、阶梯、平廊、转角、垂直通道等多种形式,难以穷尽。这给研究地下空间中洪涝发展的时空分布特点带来较大困难。同时,水淹路径形态问题的研究,对于灾害发展状态下指导和判断人员避险、减少人员伤亡又极为重要。

根据娄厦等[10]和夏军强等[22]研究成果,洪水沿落差较大的阶梯、洞口灌入地下空间将引起较大的局部流速,给人员逃生造成极大的困难。由于人员位于地下空间中,受环境的限制,既无法识别方向,又无法判断洪涝灾害发生的演进过程。对于分布复杂的地下空间,如何准确发布城市洪涝灾害信息?如何有效预警预报地下空间的洪水入侵?如何明确指示逃生路线和避难场所?如何引导人员安全撤离?如何设置安全避难场所?诸多问题均值得深入系统研究。

2.4.2.3 灾害因子和地下空间各子系统耦合关系的不确定性

城市动态发展引起地下空间外部环境的不稳定性,导致灾害成因呈动态不确定性变化,造成风险识别、指标体系和评估结果与实际情况存在一定程度的不符,是目前地下空间洪涝灾害风险评估的难点之一。

地下空间洪涝灾害内、外部多种影响因子和子系统耦合视角下的综合风险研究目前仍处于理论探索阶段,存在大量的经验性、特定性的主观定性判断,普适性的耦合模型及实证研究很少。由于灾害影响因子和子系统相互耦合存在复杂性和不确定性,相互关联的机理仍不明确,导致理论模型和评估方法研究的困难,尚未形成权威、公认的研究范式,在理论框架和方法模型上难以有效地衔接城市综合防灾规划和应急管理[23]。

2.4.3 工程活动或周边水环境特征变化导致的水灾害问题解析

涉水(临水、穿河)而建的地下空间受到水环境特征因素的影响会极大增加建设和运行的安全风险。从国内公开报道的案例事件可知,地下工程水灾害事故造成的灾害损失和灾后恢复难度极大。下面引用几个代表性的典型案例进行说明。

上海市2003年7月地铁4号线建设期间,位于董家渡位置隧道塌陷引起土体大范围流失,黄浦江水直接灌入正在施工的隧道,造成上部多栋建筑严重破损和变形,伴生黄浦江防汛墙坍塌造成江水漫溢,工程修复难度极大,最终修复时间达34个月[19]。

杭州市2008年11月地铁1号线建设期间,萧山区风情大道湘湖站施工过程中发生基坑失稳,造成周边道路严重塌陷,相邻河水倒灌,造成重大人员伤亡和灾害损失[20];2022年5月地铁1号线金沙湖站相邻下沉式广场为了提升抗浮安全能力,需新增抗浮桩基,前期进行地质勘探钻孔,打穿底板引起管涌,相邻人工湖水沿地层通过钻孔从下沉广场倒灌入地铁车站,淹没了站台,造成线路停运。

郑州市2021年“7·20”特大暴雨事件中运营的地铁5号线五龙口停车场挡水围墙被涝水冲毁,相邻排水沟失去排水功能,周边地表积水迅速从停车场灌入正线,造成重大人员伤亡和灾害损失[24]。

以上典型案例仅是大量涉水地下空间和地下工程发生水灾害风险事件中的沧海一粟。从风险事件发生的灾害形态归纳,主要需解决2类科技问题:

(1)涉水地下空间建设过程中的各类工程作业活动(钻孔、明挖、暗挖、沉桩、加载等)对城市区域防洪排涝设施(堤防、泵、闸、排水管等)造成影响,降低了环境应对洪涝灾害的能力。

(2)涉水地下空间处于外部水环境(江、海、河、湖)持续作用下的影响,产生渗压、管涌、上浮、沉降等风险问题,以及外部水环境与地下空间之间相互作用下产生的水体倒灌侵入问题。

3 水灾害防治领域科技发展展望

基于城市地下空间水灾害防治科学和技术问题总体框架,从科学问题、关键技术和解决路径方面展望地下空间水灾害防治领域的科技发展。

科学问题——全面认知地下空间水灾害的核心本质和相应的科学问题,系统分析致灾因素。深入研究地下空间水灾害系统结构特征及灾害性状,剖析灾害系统与外部环境的响应和作用关系,以及灾害系统内部各子系统响应的相互作用关系。

关键技术——攻克城市地下空间水灾害防治技术。探索适应城市环境动态变化的地下空间洪涝灾害评估方法,提出公认的评估范式,在理论框架和方法模型上有效衔接城市综合防灾规划和应急管理。加强对涉水地下空间建设和运行的常态化监控,一方面要避免地下工程活动对城市防洪体系和设施的破坏,另一方面要避免地表(下)水体对地下工程活动的影响以及地表(下)水环境特征变化对地下空间结构造成的损伤。

解决路径——随着城市化区域极端降雨、超标准洪水和超过城市排水标准的灾害事件增多,应对城市发展引起环境变化的不确定性,需提高气候和环境变化适应性的地下空间防汛韧性能力,加强适应性技术研发及管理策略,建立适应性应对水灾害综合管理模式[25],提升地下空间抵御洪涝灾害的能力。在保证地下空间各子系统应对洪涝灾害基本的刚性防御能力的前提下,更迫切需要提升城市及地下空间应对灾害的韧性能力,包括预警预报及时性和准确性、应急能力、避险和抢险能力等,降低灾后恢复时间和减少灾损。特别是应对复杂随机的灾害耦合现象,更需要通过韧性能力解耦以适应灾害的应对。其中应急能力包括静态能力和动态能力,静态能力为应对灾害的基础能力,动态能力包括信息搜集能力、应急救援能力、整合资源能力、维护稳定能力和善后处理能力,以及适应城市发展产生的环境持续动态变化的能力。

4 结论及建议

城市地下空间水灾害问题是一项极其复杂的难题,也是一项涉及地下空间水灾害防治领域的系统性问题。虽然针对一些普适问题(如洪涝问题)许多学者进行了研究,但由于城市空间和环境随发展演变的不稳定性,显现出单一问题研究的片面性,并且安全的概念也在发展,有必要站在全局的视域,系统性研究城市地下空间水灾害的根源和解决灾害的途径。

前瞻性地思考城市地下空间水灾害防治领域的科技发展路线,厘清其中的核心科学问题和关键技术问题及其实现路径,能为该领域的科技战略发展和管理决策提供依据。但梳理的科技问题和关键技术并不能包罗万象,初步筛选当前关键的、主要的问题作为基础,进行前瞻布局,在今后随着该领域的发展,相信自然会形成补充和完善。地下空间只是城市全域空间布局中的一部分,相应梳理的科技问题和关键技术问题并不是单一的和独立的,有些关键问题相互之间存在较强的关联性和响应性,耦合因素导致问题研究的难度大和复杂性。

科学规划城市地面及地下空间布局,避免地下空间无序开发。地下空间规划基于功能需求,统筹考虑洪涝影响和应灾能力,解决现状地下空间无序开发和抢占空间导致的灾害问题。