本澳開發地下空間需解決地質難題

陳觀生

早前,新城填海區規劃諮詢專門就地下空間發展舉辦研究工作坊,預計未來本澳多項大型基建如大潭山隧道、媽閣交通樞紐和新城填海區等,都會涉及地下空間的開發利用。但是有學者提醒,地下空間的利用要考慮多種因素,包括建造方法和成本等,否則工程開支會大幅超出預算。筆者認為,在這些學者的意見中,其中特別需要關注解決本澳的地質難題,因為無論是新城填海區還是未來第4條澳跨海通道,都將涉及這個難題。

本澳地下空間開發潛力大

城市空間發展,從過去主要向四周擴展和興建大量高層建築轉到重點開發利用地下空間上來。有人說,19世紀是橋的世紀,20世紀是高層建築的世紀,21世紀是開發利用地下空間的世紀。城市建設應當順應城市空間發展的這一趨勢,結合城市建設的新要求,突出抓好城市地下空間的開發利用。

現代城市呈立體化的組合,它要求地上、地下同步開發。發達國家的發展歷史表明,人均GDP進入500美元後,基本具備了大規模開發利用地下空間的條件和實力。人均GDP在1000美元~2000美元之間,則達到了開發利用的高潮。

向地下要土地、要空間已成為城市建設發展的必然趨勢,國外大城市的地下商業城(街)、地下車庫、地下影劇院、地下鐵道、地下人防系統,是眾所周知的城市地下工程。有的國家已開始實施和計畫採用地下污水收集和處理設施、地下垃圾處理廠、地下超導磁直接儲存電能、地下供熱供冷系統、地下多功能公用隧道(共同溝)以及具有抗災功能的地下空間系統。

本澳早已達到了大規模開發利用地下空間的時期,但開發利用率仍相對較低,仍有很大的發展空間。本澳開發利用城市地下空間可以緩解城市空間發展的突出矛盾與問題。本澳很難向城市周邊地區擴展,而向高空發展,建高層、修高架路和立交橋,又會加重城市空間密度,使城市空間發展逐步走向惡性循環。地鐵、地下商場、地下商業街和地下停車場等項目將交通、市政、商業、文化、娛樂、體育、儲存、能源等可轉入地下的設施盡可能轉入地下,騰出了大量的地面空間,使地面的生活更加井然有序、寧靜。開發利用城市地下空間還能增強城市的總體防災減災能力,增加城市防護能力、預防和抗禦自然和人為災害。

利用地下空間的考慮因素

根據其他地方經驗,城市地下空間綜合開發利用的規劃建設與管理同土地、規劃、消防、抗震、水利防洪、綠化、環保、水電、文物保護等行政管理與執法部門都有密切關係,需要考慮的因素很多。

第一個主要考慮因素,是本澳地下空間開發立法問題,完善地下空間開發利用的法律和行政法規,使地下空間開發利用有法可依。本澳首先需立法明確地下空間的權屬,例如,一棟商務樓向下挖到多少米就不屬於這棟樓?公共道路下的地下空間,如果旁邊的高樓業主想借用可不可以?一些穿越私人業權的地下空間,是屬於私人還是公共所有等等,諸如此類問題,目前在法律上都沒有界定;其次是地下空間的可逆性差,一旦建成不可更改。目前,本澳對於每個地下空間的高程沒有統一規定,有的建築地下 五米 為一層,有的就是地下 三米 一層,這種現狀造成了各地下空間的連通成了問題,在技術上很難解決。

第二個主要考慮因素,開發地下空間可能造成商業項目與公共項目在地下爭奪空間的局面。地下設施的功能與用途有兩種類型,一種主要滿足民生需要的地下設施;另一種主要公共設施的地下化。經驗表明,同類型、同規模的公共建築工程,建在地下的造價要比地面上高出2~倍。但如果對地下空間使用費給予政策優惠,免付或只需支付少量土地使用費,則地下空間的開發建設比地面要經濟得多,這些需要政府政策來考量。

第三個主要考慮因素,是地下工程開挖影響及環境保護。地下工程中的開挖影響指的是開挖引起的圍岩移動與地面沉降,不包括其他擾民影響。地下開挖必然會在其周圍岩土體中引起位移與變形,由於開挖深度小,其影響必然要波及到地面上,這在工程建設時要加以特別留意。

本澳地質不利地下空間開發

而最重要的考慮因素,是本澳的地質問題。早前,專家就本澳第四條澳通道以何種方式興建時指出,澳門周圍近岸海域水深不足2米,若採用海底隧道將無法負荷需7米水深才能採用的沉管建造法,同時由於水底有數 十米 淤泥堆積,亦無法採用爆破法興建。唯一能採用的方法是高成本的“盾構法”,即在海底挖洞,放下“盾構機”並鑽出通道,但單是訂購“盾構機”的費用,就需約2億澳門元。

由此可見,本澳地質不利地下空間的開發建設,所以需要尋找合適的興建方式,儘量避免因不熟悉地質環境而造成工程成本大增(如澳大橫琴校區的河底隧道建設)。

筆者不是地質或工程方面的專家,亦查找不到本澳的詳細地質資料。但從部分專家發言及新聞資料的片言隻語中,大概知道本澳沿海地質應是以淤土、深厚軟土為主。按照專家的說法,深厚軟土對地下空間開發非常不利,首先地基承載力不能滿足要求,地基易產生局部或整體剪切破壞;其次施工造成的地面變形會影響地下空間的安全與正常使用,另外,欠固結軟土在自重和荷載作用下需要很長時間穩定下來,產生較大的工後沉降。一般認為,在地下進行地下工程施工時,必然會擾動原有的地下土層,使地下土體形成某些空洞、疏鬆帶、鬆散區等不穩定空間,在外界因素如地震、水體等誘發作用下會不斷坍塌,使得地下不穩定空間逐漸向地表擴大,最終導致地面塌陷。這樣的事情時有發生,北京、上海、南京、廣州等都發生過類似事故。

因此,本澳地下工程存在許多需要解決的特殊問題,在地下空間開發時要具備多種技術能力,主要有:一是淺埋、超淺埋暗挖施工技術。地下工程的埋深,不僅直接影響工程造價,而且關係到工程使用方便與否,因此,在淺埋、特別是超淺埋的條件下,地下工程需要穿越建築物和線路、街道,地面保護成為施工技術中的首要問題。二是複雜、惡劣環境下的開挖技術。諸如流砂層、膨脹土、高壓縮性軟土淤土、風化破碎岩石、高濃度瓦斯地層、大湧水、硫化氫、岩溶、高應力、地下管線、地面大車流量、大型載重車多、建築物密集等等,都是地下岩土工程施工中的難題。三是大斷面隧道開挖、支護技術。主要是地鐵車站及商場、倉庫、廳、室,其跨度尺寸達 10 m以上。四是開挖影響控制技術。隨著工程埋深的減小,開挖對地面的影響越來越大,在超淺埋條件下,開挖影響的控制與開挖方式、施工工藝、支護方法等眾多因素有關,是地下工程施工中最為複雜的問題。

筆者認為,隨著本澳要進行大規模的地下空間開發利用,現時最迫切需要做的事情是儘快開展全澳及臨近海域的地質調查,進行全澳地質鑽孔,通過樣本資料,研究本澳及臨近海域地貌類型、岩溶與地面塌陷、活斷層與斷裂破碎帶、地下水腐蝕性、軟土厚度等情況。搞清楚地下的地質斷裂帶、岩溶、軟土等分佈,劃分出地下空間開發利用適宜性優區、良區、中等區、差區、很差區(即制約區)等,為今後規劃、開展地下工程建設打下基礎。

本澳地下工程技術需創新

有人認為本澳土質疏鬆不適宜建造地下空間。但專家指出,無論是整體性山體,還是破碎性山體,在現代技術的支援下都可以建造地下空間,只是投入成本不同,前者少些,後者多些。

經過最近幾十年的實踐,無論從設計、施工、設備和工藝,還是理論、技術和經驗,都已達到相當高的水準,特別是深埋地下岩石工程,更是達到了較成熟的程度。

一般來說,城市地下工程有明挖法、暗挖法、蓋挖法、盾構法、沉管法、凍結法及注漿法等。筆者主要介紹一些適合本澳地質的工程方法:1、明挖法具有施工簡單、快捷、經濟、安全的優點,城市地下隧道式工程發展初期都把它作為首選的開挖技術。其缺點是對周圍環境的影響較大。明挖法的關鍵工序是:降低地下水位,邊坡支護,土方開挖,結構施工及防水工程等。其中邊坡支護是確保安全施工的關鍵技術;2、暗挖法適用於城市中不能採用明挖法施工的地方,亦適用於鬆散層及含水鬆散層地層。一般應按照“新奧法”原理設計和施工,採用較強的初期支護,先注漿後開挖的方法。3、蓋挖法指的是邊坡支護為連續牆、混凝土灌注樁,其上為蓋板所構成的框架結構,並在其保護下開挖及結構施工的方法。它具有快速、經濟、安全的優點,是較明挖法對環境影響少,較暗挖法成本低的一種方法,適於市區高層建築密集區;4、盾構法指的是全斷面推動園筒狀鋼盾構進行開挖的方法。施工方法有人工、半機械及全機械化多種。盾構由液壓千斤頂推進。用盾構法能完成直徑幾十釐米至十多米尺寸的隧道,以及雙聯、三聯和四聯盾構的大型工程。它適於穩定和不穩定鬆散含水地層;5、地層凍結法是採用人工製冷固結不穩定鬆散砂土地層或軟岩地層,並隔斷地下水的施工方法。在擬開鑿的地下工程周圍鑽鑿一定數量的凍結孔,通過凍結管中的供液管,迴圈由製冷設備提供的低溫鹽水,使地層局部形成不透水且有一定強度能抵抗地壓的凍結壁,並在其保護下進行開挖施工,工程完工後,凍結壁融化,地層岩土恢復原狀。此法適用於鬆散含水地層,已在煤礦廣泛採用;6、沉管(箱)法是採用將事先預製的鋼筋混凝土結構,焊封頭部鋼板、然後放水浮運沉入到設計的位置來建造水下岩土工程的方法,適於修建過江、過海隧道的水中部分及淺表土層中的豎井施工。

據中國工程院院士劉天泉教授介紹,國外地下工程開挖技術已經有了新進展。如全過程機械化,從護坡、土方開挖、結構施工,包括暗挖法施工的拱架安裝、噴射混凝土、泥漿配製和處理等工序的機械化,同時採用電腦技術進行監控,從而保證了施工安全、快速施工和優良的工程品質。上面提到的盾構法亦得到較大發展。近30年內英、美、法、日等國大量採用盾構施工技術,日本已生產盾構近萬臺,用於地鐵、鐵路、公路,水工及管網施工,已出現雙聯、三聯、四聯盾構,能完成三跨地鐵車站,開挖寬度達17 m。日本正設想設計直徑80 m的盾構,在地下建造人造太陽和住宅區。除此之外,還有一

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