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何满潮院士:创造性地开发城市地下空间
时间: 2019-7-8 来源: 作者:

  向地下要空间、要土地、要资源,已经成为21世纪的国际趋势。目前,我国是世界上地下空间开发规模、数量和难度最大的国家。我国地下空间开发利用的难点在哪里?未来的潜力如何?如何实现地下空间开发利用的可持续发展?在近日中国(南京)城市地下空间开发国际高峰论坛举办期间,中国经济时报记者专访了中国科学院院士、深部岩土力学与地下工程国家重点实验室(北京)主任、南京城市地下空间工程研究院首席科学家何满潮教授。

 

地下空间开发利用的两类主要形式

  中国经济时报:我国地下空间开发的主要形式有哪些?整体概况如何?

  何满潮:近十年来,我国地下空间的开发速度越来越快,利用规模越来越大。与人类活动有关的地下空间开发主要有两大类。第一类是与人类生活有关的地下空间利用。第二类是与人类科学钻探活动有关的地下空间利用。

  与人类生活有关的地下空间工程开发,一部分是人类工程空间,例如城市地铁空间、铁路工程隧道、高速公路隧道、灌溉工程隧道等;另一部分是为服务人类生活而进行的资源开发活动所形成的地下空间。有统计数据显示,人一生要用290万磅金属、能源和燃料,这就与采矿紧密相关。目前全世界采矿最大的深度在南非,有将近5000米。在我国,煤炭是支撑经济的主要能源,我国最深的煤矿井大约1500米,这也是全世界目前最深的。所以,深部开发造成的地下空间是非常大的。

  与科学研究有关的地下钻探空间开发,主要是为了资源的勘探、科学探测等。地壳的深度大约20公里,地球的直径是1.28万公里。目前,人类活动最大的钻探深度是12公里。这个钻探深度对于人类了解地壳的资源分布以及地球的变化还远远不够,还有很大的进步空间。在将来,人类面临着万米空间。万米以外深的钻探空间将是未来的挑战性课题。

 

地下空间开发中的技术和材料挑战

  中国经济时报:城市地表空间越来越拥挤。与地面空间相比,合理有效利用城市地下空间的难点在哪里?

  何满潮:几乎每个城市的空间利用最开始都是在地面“摊大饼”。这种平面式的开发后期给城市带来很多问题,比如交通拥挤、污染、生活不舒适不便利等。21世纪是人类利用地下空间的世纪。在有限的地表空间前提下,地下空间的合理有效开发是趋势。

  在地下空间开发过程中,深度空间会遇到很多地质问题,比如软土、软岩、风化、水的问题等。如果到了基岩以后,还会遇到很多活动性断层,它们在地震作用下有可能会把建筑物挫断。这些问题都对地下空间工程的开发提出了严峻的技术挑战。近十年来,解决这些挑战的方法已经取得了长足进展,但是问题仍在不断地发生。

  除了技术上的挑战,地下空间开发还会面临材料上的挑战。深度的地下空间开发以后,在恶劣的地质条件下,会出现冒顶、岩爆、突水,有时候还有有毒气体等,这些到最后表现为大量的塌方问题。实际上,这些都与材料有关系。一般来讲,所有的塌方问题都是材料先断。地下工程开发遇到的问题,对材料科学提出了挑战。现在,新材料有很多研究进展,高性能、多功能、智能化的材料等方面的研究正成为热门研究课题。

 

地下空间利用要变“废”为“宝”

  中国经济时报:伴随着地下空间开发对规划和建设的要求越来越高,如何实现地下空间资源的可持续性利用?在这方面,国际上有哪些经验和教训?

  何满潮:人类在进行地下空间开发利用时,规划、工程设计等既要满足当代人的需求,也要照顾到后代人对于地下空间的长期需求。在时间尺度上要考虑更长远一点,在空间尺度上要能够和相邻的城市、群体和谐友好。这牵扯到地下空间的可持续发展问题。

  国外有一些做法很不错。例如,日本的青函隧道连接北海道和南北方交通枢纽,它不仅仅考虑到交通运输的问题,在规划时还把渔民、渔业等很多相邻产业考虑在内。这种做法非常值得借鉴。

  中国有自身的特点,能源禀赋决定了煤炭是主要能源。煤炭的开发形成很多地下空间。我国现在大概有上万处关闭的矿井地下空间。在我国以往的城市建设过程中,大概有40%的城市类型是因矿而兴的矿业城市,比如开滦、唐山、抚顺、阜新、大同等。矿业城市未来面临着矿产资源枯竭以后形成的大量废弃矿井。废弃矿井占据着大量的地下空间资源,如何让其复活从而为人民生活服务,这是目前面临的课题。

  深部岩土力学与地下工程国家重点实验室在废气矿井空间利用方面取得了很重要的进展。地下空间千米深处的水体是有温度的。如果矿业城市的居民离得比较近,废气矿井可以改造成为夏天的空调系统和冬天的供热系统。通过工程热物理系统,能够把夏天的热能和冬天的冷能反季节循环利用。我们给它起名叫“深部矿井储能、反季节循环利用”,这项技术和装备系统已经获得国家技术专利和国家发明奖。如果这样的系统能够被普及,那么我国大量类似的废弃空间就可以“复活”为人民服务,这将来具有广阔的前景。

  地下空间的有效开发利用需要新工程,并且需要投入大量的人力、物力、财力。然而,地下空间的利用并不是必须要挖新的地下空间。挖煤的同时,副产品就是形成了地下空间。如果把这个地下空间加以利用,也是非常有前景的,并且不需要大量重复投资。所以,对于废弃空间,我们要创造一定的条件,把看起来是不利的因素转化成有利的因素。

 

进军深部地下空间开发的“无人区”

  何满潮:目前,从国内外的经验和技术程度来看,城市地下空间100米以内的开发,只要认真按照已有的成熟规划和设计去做,是没有问题的。未来,随着矿产资源开采深度的变化,深部地下工程遇到的挑战就会显现出来。比如,在煤炭开采方面,我们对1000米以内的煤炭资源开采已经有比较成熟的经验。2004年我们开始研究如何开采1000米到1500米深的煤炭资源,2016年又开始研究如何开采1500米到2000米的煤炭资源。

  深部地下工程开发可能遇到高难度问题,在国内外没有先例可循。只能我们自己去闯出一条路子。例如,地下空间开发到达一定的深度后,地压很大、地应力很高,有些地质构造应力是几十亿年前的造山运动残余下来的,需要搞清楚。否则,打开后,岩体中的能量突然释放会造成岩爆和冲击地压。

  对于千米以上深度的矿井,如果岩石太软,可能出现大变形塌方。如果岩石硬,可能会出现能量冲击地压和岩爆的问题。如果塌方过程中围岩里面含水,就会伴随着突水。如果围岩里面含有爆炸性气体,见氧以后很容易爆炸,所以非常危险。

  在资源勘探以及地下空间利用过程中,上面这些都是深部地下空间开发可能面临的挑战。但是,以问题作为导向,开展科学研究,对策总比问题多。找到克服难题的对策,创造一个地下空间的未来,这就是科学的魅力、技术的魅力、深部地下工程的魅力。

 

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