第1章 绪论
1.1 地下管线及其发展
1.1.1 城市及其发展
城市也称城市聚落，是以非农产业和非农业人口集聚而成的较大居民点。人口较稠密的地区称为城市，一般包括住宅区、工业区和商业区，并具备行政管辖功能。城市的行政管辖功能可能涉及较其本身更广泛的区域，其中有居民区、街道、医院、学校、公共绿地、写字楼、商业卖场、广场、公园等公共设施。城市是人类文明的主要组成部分，是伴随人类文明与进步发展起来的。农耕时代，人类开始定居；伴随工商业的发展，城市崛起和城市文明开始传播。工业革命之后，城市化进程加快，农民不断涌向新的工业中心，城市获得了前所未有的发展。第一次世界大战前夕，英、美、德、法等国绝大多数人口都已生活在城市，这既是富足的标志，也是文明的象征。
城市化是现代化进程中社会结构不断演变的普遍动态过程，是人类生产、生活和居住方式的重大变迁，表现为人口由农业向非农产业转移并向城市集中，城市空间占地数量增多、人口规模扩大，城市生活方式向农村扩散等。城市化的本质是社会经济结构变革的过程，通过城市化使全体国民享受现代城市的一切成果并实现生活方式、生活观念、文化教育、素质等的转变，即实现城乡空间的融合发展——产业融合、就业融合、环境融合、文化融合、社会保障融合、制度融合等，真正实现城市和农村人民群众的共同富裕、发展和进步。
英国的城市化发生*早且*为广泛，1760～1851年，英国城市人口比重率先超过50%，至19世纪末超过70%，如今英国全国城市人口比例已达90%以上。随着工业化的进程，城市化波及北美，然后是亚洲和非洲。联合国*新报告显示，全球人口“城市化”进程还在不断加速，且地区差异大，大城市人口数量过大。1950年，全球城市人口比例仅为30%。而据世界银行数据，2019年全球人口城市化率已为55%。
据国家统计局统计，截至2021年末中国大陆总人口超过14.1亿人，其中城镇常住人口超过9.14亿，城镇化率超过64.7%，比2020年提高0.83个百分点。改革开放40余年，我国城镇化发展迅速，但地区差异大。上海、北京、天津、广东、江苏、浙江常住人口城镇化率超70%，贵州、云南、甘肃、西藏常住人口城镇化率不足50%，西藏*低，仅超过31%。
1.1.2 城市地下空间及其发展
地下空间(underground space)是在岩层或土层中形成的空间，包括天然形成的地下空间和人工开发的地下空间。一般所称的城市地下空间，是指城市规划区内地表以下的空间。因此，可以将地下空间理解为建筑方面的一个名词，它的范围很广，比如地下商城、地下停车场、地铁、矿井、人防、军事、隧道、城市地下管线等建(构)筑物空间。1981年，联合国自然资源委员会正式将地下空间确定为“人类重要的自然资源”。1991年，在日本东京召开的国际会议上讨论城市地下空间资源利用达成共识：19世纪是桥的世纪，20世纪是高层建筑的世纪，21世纪将是人类开发利用地下空间的世纪。如表1.1所示，地下空间按照用途可以分为七种。如表1.2所示，按照开发利用深度，地下空间可分为浅层空间、中层空间和深层空间三大类。
表1.1 地下空间按用途分类[1]
表1.2 地下空间按开发利用深度分类[1]
1.1.2.1 发达国家城市地下空间利用基本情况
从1863年伦敦建成人类历史上第一条地铁开始，地下空间发展的历史已超过150年。地下空间开发利用的形式从大型建筑物向地下的自然延伸，发展到后来的复杂地下综合体(地下街)，再到地下城(与地下快速轨道交通系统相结合的地下街系统)，地下建筑在旧城改造、城市再开发中发挥了重要作用。同时，地下市政设施也从地下供、排水管线发展到地下大型供水、排水及污水处理系统，能源供应系统，生活垃圾清除、处理和回收系统，以及地下管线综合廊道等。北美、西欧及日本在旧城改造和历史文化建筑扩建的同时，建设了相当数量的大型地下公共建筑，包括公共图书馆、大学图书馆、会议中心、展览中心、体育馆、音乐厅及大型实验室等地下设施。而且地下建筑的内部空间环境质量、防灾措施以及运营管理都达到了较高的水平。地下空间利用从专项规划发展到系统规划，其中以地铁规划和市政基础设施规划*为突出。一些地下空间利用较早和较充分的国家，如芬兰、瑞典、挪威，以及日本、加拿大等，已经从城市中某个区域的综合规划走向整个城市和某些系统的综合规划。
各国的地下空间开发利用各有特色。1930年至今，日本东京上野火车站的地下街已从单纯的商业演变为多功能的，由交通、商业及其他设施共同组成、相互依存的地下综合体。据统计，日本至少有26个城市建造了地下街，如横滨的港湾21世纪地区，旧城改造如名古屋大曾根地区、札幌的城市中心区都规划并实施了地下空间的开发利用。日本在地下高速道路、停车场、综合管廊、排洪与蓄水的地下河川、地下热电站、蓄水的融雪槽和防灾设施等市政设施方面，充分发挥了地下空间的作用。
美国虽然国土辽阔，但为了解决城市高度集中带来的城市问题，仍然进行了大规模的地下空间开发。在相当长的时间内，纽约是世界性大都市中地铁线路*长的城市，共有26条地铁线，总长1142km，由市中心曼哈顿发散覆盖了纽约5个行政区的绝大部分区域，490个地铁站散布全市，24小时运行[1]。在曼哈顿，70%的区域在小于500m半径范围内必有一个地铁站或火车站。纽约市地铁和四通八达不受气候影响的地下步行道系统，很好地解决了人、车分流问题，缩短了地铁与公共汽车的换乘距离，同时把地铁车站与大型公共活动中心以地下道连接起来，突出了地铁经济方便、高效等特点，市中心商业区有80%的上班族采用公共交通。此外，美国地下建筑单体设计在学校、图书馆、办公、实验中心、工业建筑中也成效显著，既较好地利用地下空间满足功能要求，又合理解决了新老建筑结合的问题，并为地面创造了开敞的空间。如美国明尼阿波利斯市南部商业中心的地下公共图书馆，哈佛大学、加州大学伯克利分校、密执安大学、伊利诺伊大学等的地下、半地下图书馆，既保持了与原馆的联系，又保存了校园的原有面貌。美国纽约市的大型供水系统完全布置在地下岩层中，石方量达130万m3，混凝土54万m3，除一条长22km、直径7.5m的输水隧道外，还有几组控制和分配用的大型地下洞室，每一级都是一项空间布置上复杂的大型地下工程。
此外，加拿大、法国、俄罗斯、德国等国都有悠久的地下空间开发利用的历史，是地下空间开发利用的先进国家。地下空间开发利用的目标是使城市建设尽量少占土地，尽量使城市的绿地面积*大，尽可能地改善城市居住环境。
1.1.2.2 国内城市地下空间利用基本情况
城市地下空间规划和管理得到普遍重视。建设部1997年10月27日颁布《城市地下空间开发利用管理规定》为合理开发城市地下空间资源提供了法律依据。深圳、本溪、葫芦岛等城市进行地下空间开发利用立法。北京、上海、深圳、南京、杭州等近20个大城市编制了城市地下空间(概念性)规划，对城市未来地下空间开发的规模、布局、功能、开发深度、开发时序等进行了规划，明确了城市地下空间开发利用的指导思想、重点地区等，为科学开发、合理利用地下空间奠定了基础。
21世纪，中国城市轨道交通进入了空前发展的时期，建设速度跃居世界首位。2000年底，全国仅北京、上海等城市有7条地铁线路，总里程146km。2019年底，全国已有40个城市开通城市轨道交通，运营线路208条，运营里程超6700km，其中地铁运营里程达到5180km，20年增长35倍，成为世界第一地铁大国，运营里程超过排在全世界第2～6位的国家运营里程的总和。而且，我国城市地铁仍处于高速发展中，截至2019年底，共有65个城市的城轨交通线网获批建设，其中，已有63个城市在实施，在建线路总长7339km(不含已开通运营线路)[2]。
国内城市地下快速道路建设加速发展。已经建成的如南京市的玄武湖地下快速路、城东干道地下路，杭州西湖湖滨地下路，北京奥运中心、中关村和金融街地下路，上海中环线若干地下路段，深圳西部通道地下路段等；正在建设的有苏州独墅湖、苏州金鸡湖、南昌青山湖的湖下快速路等。
城市大型地下综合体建设项目多、规模大、水平高。中国许多城市结合地铁建设、旧城改造、新区建设等进行大型地下综合体建设，提高土地集约化利用水平，解决城市交通和环境等问题，塑造了城市新形象。据不完全统计，目前北京、上海、深圳、南京、大连、珠海、哈尔滨等城市建成面积超过10 000m2的地下综合体数量在200个以上，面积超过20 000m2的地下综合体近百个。
中国地下空间发展建设虽起步晚，但发展迅速。目前，中国已成为名副其实的地下空间开发利用大国。“十三五”以来，中国新增地下空间建筑面积达到8.44亿m2，其中，江苏、山东、浙江和广东超过6000万m2。江苏省地下空间建设能力居全国首位，2016～2018年年均新增超过3000万m2。2018年全国地下空间新增建筑面积2.72亿m2，其中上海、天津、重庆、广州等城市在2016～2018年年均增长超过500万m2[2]。
国内城市已初步建立地下空间政策支撑体系，指导地下空间建设发展。截至2018年底，全国颁布有关城市地下空间的法律法规、规章、规范性文件共413件。部分地区和城市出台的法规政策不再局限于地下空间开发利用的原则性要求，而是从城市实际特点出发，制订针对性较强的可执行文件，表明中国地下空间开发利用正由粗放管理向精细化管理转变。
1.1.3 地下管线及其时空变化
1.1.3.1 地下管线分类
地下管线(underground pipeline)是指敷设在地下用于传送固体、液体、气体和输送能源、信息的管道(沟、廊)、线缆、通道及附属设施[3]，包括城市地下管线和长输管线。长输管线是指连接资源的生产与用户的地下管线，如从水源地到城市的输水管线，从天然气气田到城市的输送管线等。城市地下管线是指在城市规划区范围内，埋设在城市地表下的给水、排水、燃气、热力、工业等各种管道，和电力、通信电缆以及综合管廊(沟)等。城市地下管线可以分为给水、排水、燃气、供热、电力、通信、工业和综合管廊(沟)八大类管线，每类管线按其传输的介质和用途又可分为若干种。其中，排水管(雨水、污水、雨污合流)、工业管线和某些给水管线(生活用水、生产用水、消防用水)等一般采用水泥、陶瓷和塑料材料等非金属管线。给水、燃气(煤气、液化气、天然气)、供热等工业管线一般采用铸铁、钢材生产。电力电缆(供电、路灯、电车)、通信电缆(军事、通信)和有线电视等一般采用铜、铝等材料的电缆(外用钢铠、铝或塑料包装)。
1.1.3.2 地下管线的特点
地下管线埋设于地表以下，种类多、数量大，且发展速度快。城市地下管线纵横交错、错综复杂，其呈现出如下特点：
(1)隐蔽性。地下管线只有窨井(包括检查井、检修井、闸门井、阀门井、仪表井、人孔和手孔等)、出入点(上杆、下杆)、通信线接线箱、消防栓顶等是露出地面而可见的，大部分敷设在地下而具有隐蔽性。因此，地下管线的空间位置信息和属性信息获取困难，传统技术获取数据精度较低。
(2)复杂性。地下管线纵横交错，密如蛛网，各类地下管线之间关系复杂。加上城市岩土与地质、电磁场等环境复杂、多变，加大了地下管线数据获取的难度。
(3)系统性。城市是自然与人工系统、硬件与软件系统复合的灰色系统。城市系统包含若干系统，各系统又可以分为多个子系统，并进一步划分到*低层次的子系统，*低层次的子系统还可以分为许多更小的基本元素。可见，现代城市系统是一个由处在相互联系中的大量元素组合而成的复杂的有机体。地下管线系统作为城市系统的重要组成部分，由各类专业管线组成，每一个专业管线系统由管线段、建(构)筑物和附属设施组成，各部分有机协调才能正常运行，发挥作用。反之，一类管线出现故障，会影响其他管线的运行。
(4)动态性。由于城市化进程与旧城改造，城市不断向周边、空中和地下扩张，加上管线运行与周边环境、传输介质之间的相互作用，导致管线的数量、空间分布、状态等都处于不断变
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