人类从原始文明、农耕文明、工业文明到生态文明，一直不变的是对美好生活的追求。目前人类面临的挑战是人口剧增、土地资源紧张、交通拥堵、空气污染、环境恶化，而地下空间开发利用是解决上述问题最有效的途径，地下空间开发利用也是生态文明建设的重要组成部分，是人类社会和城市发展的趋势。1991年有《东京宣言》，今天我们提出《上海宣言》。

地下空间开发现状

1982年开始，联合国将地下城建列为“潜在而丰富的自然资源”，特别是近50年来，以修地铁为龙头，对城市中心区进行了立体化再开发，基本上形成地上、地面和地下协调发展的城市空间，可以从根本上改善城市交通，进一步促进地下和地上立体空间整体商业的繁荣。

地下空间追溯到第一个通道，世界首座城市综合体——法国巴黎拉德芳斯应该是全球做得最好的。日本在这方面取得了非常好的进步，建成日本著名的汇集多条轨道交通的枢纽——涉谷枢纽和新宿枢纽。另外加拿大多伦多与地铁关联的地下生态步行道系统(PATH)经过20年建设，规模巨大。还有波士顿的中央大道改建规划，将地面的高架放地下，环境非常优美。

其实我国从远古时代至今，一直秉承天人合一、物我合一、善待他物即是自身的文化原则，讲的就是人与自然的和谐或者协同。我国自远古就开始进行地下空间开发利用——窑洞，“十三五”期间以轨道交通和综合管廊为主导的地下和市政设施，建设规模、水平、运维等环节已赶超世界。城市地下空间利用的形式包括:城市地下交通、城市地下综合体、综合管廊及城市地下市政设施。

(1)城市地下交通

城市地下交通包括城市地下轨道交通、城市地下道路和地下停车场。特别值得一提的，截至2018年底，开通城市地下轨道交通的城市有35个、开通里程5761.4km。典型案例是深圳地铁罗湖枢纽综合改造，通过人、车、物的管道运输建成第一代轨道交通枢纽；随后建成世界第二大地下高铁枢纽福田站37万m2地下空间。还有世界第二大换乘城市——上海。城市地下道路优点很多，特别是上海的“三横三纵”，深圳也在建设“一横一纵”的地下快速通道。地下停车场目前分为四大类:垂直升降类、车位循环类、巷道堆垛类和升降横移类。

(2)地下综合体

城市地下综合体是指将综合效益高，体现城市地下空间利用的集约化和高效化的商业、城市交通及其他公共服务等若干功能进行有机结合所形成的具有大型综合功能的地下空间设施，集交通、商业、娱乐、会展、文体、办公、市政、仓储、人防等功能于一体。在建与运营的城市地下综合体种类众多，规模庞大，主要集中在东部沿海城市。特别值得一提的是，地下分会统计上海地下空间超过1.1亿m2。2015年上海市发布了中国第一部城市地下综合体设计的地方规范《城市地下综合体设计规范》，上海在建设数量和规模方面领先全国。全国最早的地下空间开发利用是在深圳，2008年深圳市出台，并在2018年修订了《深圳市地下开发利用管理暂行办法》，近年来其地下空间建设规模发展迅速，在建与运营的有会展中心、前海、宝安中心等规模庞大的地下综合体。目前总的地下空间面积超过6200万m2，面积为上海的四分之一，北京的八分之一。

典型案例有珠江新城依托轨道交通建设地下综合体建筑，目前运营良好，即将验收的商业区地下空间面积达40万m2。武汉光谷，是集轨道交通、市政、地下公共空间于一体的超大型综合体工程。西安幸福林带，目前全球最大的地下空间综合体、全国最大的城市林带建设项目，林带地下空间综合开发总建筑面积约92万m2。此外，还有地下商业街，如深圳连城新天地地铁商业街、北京西单商业街、上海的人民广场地下商业街都是依托早期人防工程或配套于地面大型商业建筑，做得非常好。

(3)地下综合管廊

在综合管廊的建设上，“惠民生、稳增长、调结构”三大属性的地下综合管廊堪称新型基建的典型。综合管廊智能化运维是非常重要的，因为国家的综合管廊是分割的，如果没有智能化管理，安全和维修都存在重大问题。综合管廊的运维主要取决于运维管理系统的信息化和智能化水平，包括环境与设备监控系统、安全防范系统、通信系统、预警与报警系统等部分组成，可实现对管廊的24小时智能化监控和设备系统运维。BIM技术使管廊运维走向可视智能化，有偿使用主要包括入廊费和日常维护费。总的来说，各地综合管廊的有偿使用尚在起步阶段，政策法规需进一步完善和落实。

(4)地下的市政实施

城市地下市政设施包括地下垃圾集运、地下水利工程、地下物流、地下低密度能源利用和地下大型储存库。根据陈志龙教授统计，目前国家在三大城市群城市地下空间发展形成了“三心三轴”结构。“心”是指京津冀、长江三角洲、珠江三角洲三个发展核心，京津冀以人防政策等要求建设为主导，长三角由政府干预和市场力量共同作用，珠三角由市场力量主导和政府有效支持协同；“三轴”是指东部沿海发展轴、沿长江发展轴和京广线发展轴，中西部地区与东部、东北的地下空间发展水平差距随城镇加速进程趋于减小。

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地下空间开发关键技术创新

地下空间开发的核心问题在于:多场耦合的复杂地层中下穿既有建筑结构变形协调机理，多场耦合的复杂地层中新旧结构工后动态响应与稳定特征。在解决思路上，针对地下工程“水、软、变形难以预测”三大难题，采取多层次控制模式。先采取“微扰动”等技术将施工引起的地层位移和变形尽可能控制到逼近期望值，进而在地层与结构之间通过多种调控方法将建筑结构位移和变形矫正在安全值范围。在优化工程设计上，合理利用施工力学原理，减少扰动，提升自身承载力、增强稳定性。

(1)变形精细控制

对于隧道与既有建筑近接、下穿/上跨施工导致沉降隐患冋题，采用盾构隧道下穿地铁运营隧道控制变形的精细技术、矿山法隧道下穿建筑群关键技术、异型盾构或矩形顶管机技术。盾构隧道下穿地铁运营隧道控制变形的精细技术包括:①盾构土仓压力略高于地层压力的动态控制方法；②基于时空效应的隧道围岩的群泵综合注浆加固地层并矫正隧道技术；③多步滚动逼近沉降最小的多参数准智能化控制技术，可实现施工变形最小的模糊逻辑准智能化逼近。借鉴孙钧院士的思路，建立了盾构施工变形的人工控制流程；④“人-机-控-测-决”精细控制模式，较之以往盾构掘进“人-机-环”操控方法更为科学，沉降控制准度提髙65%。例如在深圳地铁2号线，双曲线盾构隧道成功地下穿双曲线隧道盾构。完工后再多次对隧道间的地层进行综合注浆不断矫正，地铁轨面沉降差小于2mm，攻克了国际首例此类下穿的精准控制技术难题。

矿山法隧道下穿建筑群关键技术包括:①重叠隧道矿山法下穿建筑群减少截桩技术；②新型管幕下穿浅基建筑群支护技术。异型盾构或矩形顶管机技术包括:①矩形顶管机技术可提高空间利用率20%以上，能够适应软土、砂、卵石、软岩地层，广泛应用于过街通道、综合管廊、地铁出入口、地下停车场等领域。②类矩形盾构技术可以把双洞变为一个洞即一洞双线，减少对地下空间占用和扰动。③马蹄形盾构技术可以极大地节省开挖断面，提高断面利用率，同样能够适应软土、砂、卵石、软岩地层，广泛应用于铁路隧道、城市轨道交通隧道、综合管廊施工等领域。

(2)特殊地层施工

针对特殊富水地层难以加固，长距离盾构施工困难问题，采取富水、软基等特殊地层地下工程施工技术。通过人工制冷将地层内的水冻结成冰均匀加固地层，在开挖体周围形成整体强度极高的冻土保护体，是确保工程安全的最可靠技术，可提高地层整体力学性能。地铁隧道等工程大多需要水平方向加固，水平冻结成套技术已经成为该类风险防控的最有效技术。“钻孔和冻结管安装一次完成工艺”——冻结孔口止逆装置、冻结管取代钻杆；地铁盾构管片冷板冻结技术则解决了盲区的冻结难题。采用富水地层冻结技术的工程实例包括：国际上水平冻结最长140m的广州地铁3号线折返线工程；冻结封水取代其他堵水方法，成功地解决了润扬大侨南锚锭基础排桩间止水难题；还成功应用于港珠澳大桥拱北曲线隧道管幕间止水。

(3)综合施工技术

针对地铁沿线安保区大量的土地资源无法利用问题，采用跨地铁运营隧道地下空间利用综合技术，包括:①地铁运营隧道被弱化围岩群泵综合注浆加固技术——对已扰动范围地层进行分层注多组分液浆，开挖时地铁运营隧道沉降可控。②采用超前钢护筒旋挖钻机施工桩基，最大限度减少对地铁运营隧道围岩和隧道结构本身的影响。③采用竖井跳挖方式最大限度抑制地铁运营隧道结构的反弹上浮。④采用门式框反压结构。上覆地层地下空间竖井跳挖到底时，架设约束地铁运营隧道结构的反弹上浮。⑤采用科学合理结构。地下空间结构与隧道结构、二者垂向受力独立、变形相互隔离，确保上覆地层地下空间建设全过程和两种结构全寿命周期的安全稳定。⑥组合高精度三维激光隧道扫描仪全站仪对地铁运营隧道实时自动化精确监测。例如深圳采用地铁运营隧道地下空间利用综合技术打造地下四线换乘枢纽+地面错叠互通立交工程交通接驳设施。

(4)绿色施工技术

针对繁华城区地下空间开发对绿色施工的严苛要求，采用地下空间绿色施工技术，即微扰动暗挖技术，包括:①浅埋暗挖法的十八字方针“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”；②矩形顶管暗挖用于地铁车站建设:分部暗挖，上下左右局部连通，整体受力转换,形成大型矩形断面结构。

(5)竖井机械化施工技术

竖井机械化施工技术广泛应用于设备工作井，地下车库、仓库，地下通风井，深邃管网竖井，大型建筑基础，地下空间进出通道，溢洪井等。

结论与建议

地下空间利用是落实党中央国务院关于建设美丽中国的重要支撑，特别是基于轨道交通枢纽和城市地下空间一揽子解决形成超大型的城市综合体，与周边原来割裂的建筑物地下空间无缝连接，激活成片地下大型综合商业空间，形成城市综合体乃至新型和大型社区，也是旧城改造升效能最大化、高效的生态区很好的载体。另外，地铁、地下、交通的建设跟地面公交结合可以解决大密度区人员流动，重塑城市空间，更好地为人民的生活提供便利。

地下空间开发要按需有序地推进，绿色高效地利用。特别是结构和地下空间的韧性，尤其是要关注运维、安全、智能管控，为实现世界的经济可持续、社会可持续、经济可持续奠定扎实的基础。

目前地下空间开发已经取得了比较好的进步，但是在冻结技术管理进行加强，管理问题多过技术问题。施工机械方面取得巨大的进步，在智能化高精尖方面要进一步提升，其他工法要做到精细化，风险管理和智能化的道路还比较远，需要各位同仁的努力。对地下空间存在的十个问题还有我们提出了八项建议，希望大家可以提出更好的建议，有利于地下空间利用的先进性、绿色环保可持续。

地下空间的科学与技术问题，以及发展方向包括:①城市地下环境系统演化与岩、土、水、气动态平衡；②地下空间工程扰动下多场地层环境演变致灾机理；③开挖扰动叠加效应和时空效应下多场、多尺度“地层-结构-环境”耦合理论；④城市地下结构群施工运维耦联效应与安全控制理论；⑤韧性地下结构全生命周期设计理论论与安全评估方法；⑥复杂地层环境下地球物理精细探测、感知获取与资源评价技术；⑦地下工程群全寿命周期灾害耦联评估、控制、预警与决策智能化技术；⑧基于“智慧建造”的地下工程三维可视化勘察设计和施工技术(融入GIS/ BIM/VR/AR)。

在此，也有一些感悟。扰动范围地质体的物理力学性质(空间约束体性质)，尤其是施工力学和环境效应(空间约束场)、结构与地质体相互作用变形协调机理(时空观)、预测与控制(人与自然)、建成后的运维(地质体和建筑物是有生命的——需要不断体检、不断调养使之延年益寿)极为关键，需要在现有能力范围內(材料试验到结构试验研究、再到尽可能准确预判、再到全寿命周期呵护和保养)开展岩土与地下工程人工智能设计、智能学习、智能决策(状态评估、寿命预测、维修决策)以及灾害的智能管理的实验研究。在今年天津的全国岩土力学与工程大会上本人提出了《智能岩土工程初探》地下空间结构全寿命周期的可靠性、可修复性和韧性是安全运维的核心。土地资源立体高效利用的地下空间建设与运维需要从静态走向动态和生态、从人工走向智能。

我在深圳大学土木与交通工程学院担任院长后，组建了未来地下城市研究院并兼任院长，同时组建申报了 “滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室”，期待各位学者大力支持。同时，也感谢所有的同事和前辈，还有境外专家等提供的帮助。

本文摘自作者在“全球城市地下空间开发利用上海峰会暨2019第七届中国（上海）地下空间开发大会”上的演讲。

作者：陈湘生

中国工程院院士、深圳大学土木与交通工程学院院长、深圳大学未来地下城市研究院院长、深圳市地铁集团有限公司技术委员会主任、煤炭科学研究总院北京建井研究院院长。