0 引言
2021 年7 月郑州市遭遇历史罕见特大暴雨,引发严重洪涝灾害。 多个区域断电断水断网,道路损毁、交通中断、地下工程被淹,多处出现重大险情。 郑州因灾死亡失踪380人,其中因地下室、车库、隧道等地下空间溺亡39人,地铁5号线14人遇难,京广快速路北隧道6人遇难。 全市超过一半(2067 个)的小区地下工程受淹,多个地铁站进水、渗漏水严重,多个地铁站被关停。 高铁郑州东站破坏严重,导致国家交通大动脉长时间断行。
地下空间在节约土地、降低能耗、缓解拥堵、美化环境等方面优势突出,成为新时代城市发展的战略空间。 向地下要空间、要资源、要安全,是一个攸关城市科学发展的重大问题。 千年一遇的特大暴雨警醒我们,我国是一个各类灾害严重的国家,自然灾害、人为灾害、战争灾害等发生频繁,后果严重,有些灾害还有越发严重的趋势。 大部分灾害与地下空间密切相关,影响地下安全。 凡事预则立不预则废,吸取郑州特大暴雨灾害教训,总结分析地下工程灾害情况,深入讨论城市地下空间长远发展的防灾问题,切实保住地下空间安全底线,有利于推进城市地下空间科学发展、安全发展、长远发展、高水平发展。
1 城市地下空间重大灾害防御要统筹兼顾防治结合
随着城市地下化进程的加快,地下空间在国家战略中的地位将日益突显。 一旦发生严重灾害,所造成的人员伤亡和财产损失将十分严重。 地下空间开发利用是否合理、防灾减灾体系是否完善,将是制约城市可持续发展的重要因素。 在地下空间开发利用水平与城市发展水平高度正相关的情况下,消除地下空间重大灾害、减轻灾害损失,提高地下空间避灾避险能力,提升城市韧性,是需要着重考虑的重大问题。
1. 1 地下空间防灾要涵盖全面
城市面临的灾害主要有两种,即自然灾害和人为灾害。 自然灾害包括地震、泥石流、洪水、风暴、海啸、有害气体、生物灾害等;人为灾害包括火灾、交通事故、工业事故、恐怖袭击、战争灾害等。地下工程的防灾,既要包含城市灾害,也要考虑地下工程特有的灾害,如透水、坍塌、有害气体等。 随着地下空间大面积、大规模、深层次开发,城市地下空间各类灾害上升趋势明显,对地下空间的灾害防治工作不能有丝毫松懈。 要充分预测分析地下空间可能面临的各种灾害,对可能造成较大后果的所有灾害,要分别进行深入系统分析研究。 要避免重大灾害无预先考虑、无预防对策、后果难以接受的情况发生。
1. 2 地下空间防灾要统筹兼顾
相对地面工程,地下空间具有自身的特点和优势。 一方面它对很多灾害的防御能力远远高于地面建筑,如地震、台风、爆炸等;另一方面,当地下空间内部发生某些灾害时,所造成的后果又远远超过地面同类灾害,如水灾、火灾、有害气体等。 地下空间各种潜在灾害的毁伤机理、破坏后果、防护方法和措施不尽相同,有联系也有区别,灾害防御既要涵盖全面,更要统筹兼顾。 地下工程建造成本高,防灾措施也会不同程度增加建造费用。 要在深入研究分析各类潜在灾害后果、灾害频次、防治费用等因素的基础上,重点防范发生频次高、灾害后果重的潜在灾害,兼顾防范后果一般、发生几率较小的灾害。 采取的防护方法和措施,既要重点针对重大灾害,又要考虑防护成本和通用性,尽量兼顾防范多种灾害。 坚持常态减灾和非常态救灾相统一,既注重应对单一灾种也注重综合减灾,既考虑减少灾害损失也兼顾减轻灾害风险,既强调灾前预防也注重灾后救助,全面提升地下空间抵御灾害的综合防治能力。
1. 3 地下空间防灾要防修结合
为及早进行灾后恢复,郑州市制订了灾后恢复重建计划,计划40天完成受损的重要市政设施、基础设施、公共服务设施维修抢通任务,力争1年内基本生产生活条件和经济社会发展基本恢复到灾前水平。 力争通过2~3年努力,地下空间、轨道交通等重大设施应对风险能力显著增强。 从郑州特大暴雨灾后恢复治理看,恢复治理工作量巨大,问题多、难度大,是一项繁杂艰辛的工程。 某地下商业街灾前顾客川流不息,灾后负一层各类装修全部报废,恢复治理需投入经费上亿元;灾后4个月负二层积水尚未完全排除。
灾后恢复治理的艰辛过程启示地下空间的防灾要站位高远,从规划设计阶段就要充分考虑地下空间的合理利用、维护管理、灾害防御、后果治理等全过程全寿命。 地下作业的难度、复杂度和灾害后果的严重性要求地下空间要比地面工程更加重视灾害预防,对发生几率相对较大的水灾、火灾重点考虑出入口设置、空间单元分割等方法措施,尽量减少灾害几率、灾害区域和灾害后果。 同时,在规划建设阶段也要充分考虑灾害一旦发生的避灾、抢修和恢复治理问题,减少作业难度和作业量。
要加强抢修抢建力量建设,提升修复能力。 由于灾害的不可预测性、防灾建设的弱监督性、灾害后果的复杂性,可以预见,即使高度重视地下空间灾害防御,也不可能完全避免地下空间重大灾害的发生,抢救抢修、恢复治理是应对地下空间灾害的必然要求。 要加强科技创新和科技成果转化应用,针对地下灾害场景研发救援、抢修技术和装备器材,加强应急指挥和专业力量建设,强化日常训练,推进人防专业队伍、消防应急队伍、地震救援队伍等相关队伍沟通联动和融合发展,协同提高防灾减灾救灾和应急研判处置能力。
2 地下空间灾害防御要与兼顾国防安全相结合
2. 1 地下空间蕴含巨大国防安全潜力
由于地下空间优势明显,我国城市地下空间开发利用发展迅猛,主要表现在开发层次越来越深、形式种类越来越多、体量规模越来越大、技术水平越来越高、投入经费越来越多、工程存量越来越大,目前我国已是世界上地下工程建设规模最大、数量最多、技术发展最快的国家,地下空间已经成为国家综合实力的重要组成部分。 北京市明确提出“地上一个城,地下一个城,最大限度地利用好地下空间资源”,各类地下工程已达数千万平方米。上海市已开通地铁20多条,里程达825km,居世界第一,规划总里程更达到1500km。 全国轨道交通总里程达8759km。 地下工程抗爆优势突出,埋深愈大,防护爆炸冲击波、破片以及抗侵彻的能力愈强。 将地下空间各类工程纳入国防战备体系,意义重大,责无旁贷。
2. 2 地下空间灾害防御与防武器打击具有正相关关系
由于厚实上覆岩土层的防护作用,封闭的地下工程在防武器打击和绝大部分灾害方面均有比较明显的优势。 平时、战时一旦发生灾害,面临的主要考验是烟火、积水、冲击波、有毒气体等进入工程内部,因此主要的应对措施是出入口隔离、设置防护单元、应急疏散转移等,一旦有事,抢险、抢救、抢修的人员队伍技术相通。 这些措施应对不同的灾害虽然有一定区别,但统筹考虑各类灾害,相关措施尽量兼顾平时战时,用于防护的总费用会大幅减少,而地下空间的安全性会大幅提高。
2. 3 统筹灾害防御与国防安全开发利用地下空间
坚持总体国家安全观,统筹发展和安全,是我们党治国理政的一个重大原则。 当前我国国家安全进入高风险、高承压期,更要坚定不移地坚持发展和安全的协调统一。 现代国防安全本质上是靠国家整体实力支撑起来的大国防体系安全,未来战争将是国家综合实力的体系对抗。 在地下空间快速发展的新阶段,地下空间的健康发展,离不开安全与发展关系的科学处理,要兴利除弊,既要适当提高水灾、火灾等灾害的防护标准,也要考虑国防备战,及早筹划,充分融合,最大程度提升地下空间的综合效益,努力形成平战结合、军民兼用、资源统筹的地下空间开发利用大格局。
3 地下空间防灾标准要适度超前
地下空间灾害防御标准的确定,是一个重大问题。 既要考虑地下空间工程特点,也要考虑国民经济发展水平;既要考虑灾害发生的频度和烈度,也要考虑灾害发展趋势和灾害后果;既要考虑灾害防御的经费投入,也要考虑灾害可能造成的生命和财产损失。
3. 1 地下空间规划建设要立足当前瞄准长远
地下空间建设成本相对较高,只有到了一定的发展阶段,地下空间才有开发的必要和优势。 新时代以来,我国地下空间开发利用之所以快速发展,与我国经济社会发展水平密不可分。 经济社会发展水平高,地下空间开发利用的规模和建设水平、安全要求也相应提高。 随着未来经济社会的发展进步,地下空间开发利用的需求和层次也会因应提高。 也要考虑到地下空间各类灾害也会发展变化,随着时间的推移和地理、环境、气候、结构寿命的发展变化,有些灾害可能变化不大,有些灾害有可能会进一步加重。 地下空间开发利用及其灾害防御既要依据当前实际状况,也要考虑未来较长一个时期各类因素的发展变化。
3. 2 要防止过度提高灾害防护标准的片面思维
防护标准的制定,要适当超越当前的发展水平,但更要防止不计代价过度提高防护标准的片面思维。 近年来,我国发生的几次重大灾害如2008年汶川地震、2012年北京“721”洪灾以及这次郑州洪灾,都引起防灾标准的大讨论,防护标准需要大幅度提高的声音不绝于耳。 灾害发生时的危难意识、生命至上意识是一种正常的反应,但防护标准的制订不能被舆情左右,要全面、客观、深入分析灾害背后的因素。
要客观认识郑州“720”特大洪水的小几率、偶然性。 郑州2021年7月20日16时—17时,降雨量达到201.9mm/h。 单日最大降水量的二七区尖岗水库高达438.0mm,降水量在250mm以上的站点有26个。 19日20时到20日20时,单日降雨量552. 5mm,部分区域降水量高达624.1mm。 17日20 时到20日20 时,3 天降雨量达617.1mm。 灾害的本质,是极端特大暴雨条件下,由城市内涝和城市周边水系综合影响下导致的洪灾。 据统计,郑州市常年平均降水量为640.8mm,基本上相当于这次3天的降水。 小时降水量、日降水量均突破历史极值,从气候学角度通过分布曲线拟合,概率重现期均超千年一遇。 基本上同一时间,德国遭遇的有气象记录以来的最大暴雨,单日最大降雨量180mm,便造成190余人死亡,其单日最大降雨量也大约只有郑州单日的三分之一,甚至不及郑州20 日17 时1 小时的降雨量。 这种严重超过常规防护标准的情况,产生一定程度的灾害是必然的结果。 不能因为这次灾害的严重后果就以此为标准进行灾害防御。 邓小平同志强调:中国要警惕右,但主要是防止“左”,这对地下灾害的防护同样有指导意义。
3. 3 合理确定地下空间防灾标准
地下空间防灾标准的确定,既要坚持涵盖全面、统筹兼顾,也要充分考虑地下工程特点、灾害特性。 地下空间建设成本高,重建难度大,一旦开发利用,就不可能回到原来的状态,很难改造和消除。 地下工程透明度低、作业难度大,灾害发生时逃生困难、救援复杂,这就要求地下空间防灾标准要相对高一些。 随着经济社会水平的提高,人民生命财产安全的要求也会进一步提高,这就要求地下空间防灾的标准要相对高一些。 比如城市地铁已有防淹设计要求,但与下沉式广场结合建设的地铁站,由于下沉式广场基本是敞开状态,无设防要求,这就使地铁站存在较大隐患。 目前,上海申通集团正会同有关部门排查整改,初步考虑对存量工程加设防淹门,增量工程结合市政工程统筹考虑,低洼地带提高防淹标准。
合理制定地下空间防灾标准,可充分借鉴建筑抗震设防“小震不坏、中震可修、大震不倒”的理念,小灾害基本上不造成生命和财产损失;中等灾害不产生较大影响的生命安全问题,可容许地下工程的一定程度破坏,但不影响结构安全,能够快速修复;大灾害不造成大规模生命安全问题,极端灾害竭力避免群死群伤的极端后果。
要树立全寿命周期理念,从全寿命周期最低投入出发制订建设和防灾标准。 可建立以效费比为基础的定量分析方法。 具体思路是,针对地下工程涉及到的各类灾害,考虑各种可能的因素,分别计算各类防灾方案的总代价,总代价最小的方案,可以作为防灾标准的参考依据。 这里的代价既包含用于防灾的经费投入,也包括灾害发生后造成的生命和财产损失。 需要说明的是,虽然人的生命是无价的,但从人口经济学角度看,人的生命价值可以计算。
4 地下空间修复重建与城市地面工程规划设计相结合
当前城市地下、地面“两张皮”现象相对比较突出,有的地下空间开发不仅没有提升地面品质,还带来较大的负面影响;有的城市在地面建筑桩基施工时,竟然钻破了城市地铁围护结构。 郑州“720”洪灾之所以后果较为严重,也有地面、地下规划布局不尽合理的因素存在。
4. 1 科学定位城市地面地下关系
地下空间有很多优势,但地下空间也有明显的短板,地面空间的综合优势远远大于地下空间。 从历史角度看,只有在情况紧急和别无选择的时候,人类才会在地下环境中生活。 推动地下空间开发的核心因素在于城市化水平的快速提高。 城市地上空间承载能力接近极限,交通拥堵、“蜘蛛网”密布、道路反复开挖以及噪音、空气和水污染等问题,仅仅依靠地面空间难以有效解决,需要开发利用地下空间化解难题,提升环境。 地下轨道工程解决交通拥堵问题,地下通道解决关键路段横向交通问题,综合管廊解决各类管线问题。 这些问题的解决,是以巨大的经费投入、较高的灾害风险为代价的。 因此没有达到一定的规模和水平,就没有大规模开发利用地下空间的必要,这也是国家严控地下轨道工程建设的根本原因。 大规模开发利用地下空间的前提是地面空间紧张、地价高带来的地下空间边界效益的提升。
要科学定位地面建设和地下空间开发利用的关系,地下空间开发利用要服从服务于地面建设,不能本末倒置。 要从城市地面建设的视角规划、建设地下空间,充分利用地下空间的优势解决地面问题,提高城市综合承载能力,促进集约化、可持续发展,提升城市发展的空间和能力。 要竭力避免地下空间灾害严重影响城市地面工程正常运转的情况发生。
4. 2 深入研究论证城市自然承载力
党的十九大特别强调坚持人与自然和谐共生,强调人类必须尊重自然、顺应自然,推动形成人与自然和谐发展的现代化建设新格局。 地下空间的防灾,也要贯彻这一理念和要求。 要树立避灾>防灾>治灾的理念,上策是避免灾害,中策是预防,下策是治理。 我国古代都城选择的理念仍然对现代城市建设具有重要的启示意义。 我国众多古城大多具有远离地震带、依山傍水、腹地广阔、交通便利等特点,选址尽量避免重大灾害。 我国人多地少,各地情况不一,在城市建设、规划布局等方面要深入研究城市的承载能力,合理确定发展极限。 采取合理的措施如湖泊蓄水、海绵城市等改进、提高城市承载能力。
郑州“720”洪水之所以受灾严重,最主要的原因是超强降水远远超过防洪标准,但与城市自然承载力、避灾防灾意识有差距不无关系。 郑州市区虽然离黄河很近,但由于黄河河床高于市区,因此郑州市属淮河流域。 郑州市西高东低,湖泊较少,市区不仅要承受自身降水,还要承受郊区积水流入。特大暴雨造成郑州143座水库103个超汛线,区域内河流水位迅速上涨,南部山区洪水汇集流入常庄水库,造成水位暴涨,直接威胁城市安全。 市区建筑密集,硬化率高,蓄水含水能力差。 更为严重的是,市区主要排洪河道贾鲁河河道较窄落差极小,排泄能力有限,从而导致市区积水严重。 很多马路积水很深,市民难以出行,道路水流甚至可以把车辆冲走;有的较低楼层淹没,郑州大学第一附属医院积水很深,无法进入。 较为严重的郑州地铁5号线进水,不是由于车站入口低,而是强降雨造成的五龙口停车场及其周边区域严重积水,高能量水流冲毁停车场挡水墙灌入地铁隧道。 《地铁设计规范》规定,地铁基地(停车场)选址应具有良好的自然排水条件,而五龙口停车场区域10年前就是郑州市积水重灾区。 停车场对面曾有一条排水沟,因修路和环境整治变成了暗渠,也被认为是泄洪不畅的原因之一。
4. 3 努力形成地上地下一张图推进地下灾害防治
地下空间开发利用要服从服务于地面建设,同样地下灾害问题仅仅通过地下方案也很难有效解决。 尤其是地下空间开发区域与城市中心区、繁华区高度契合,地下空间不仅规划设计施工难度大,灾害防治的难度更大。 一旦有事,很可能地上地下相互影响、相互制约,不仅扩大灾害后果,而且大幅度增加灾害防治难度。 因此地下灾害的防治需要地上地下联动、综合施策。
城市地下空间开发的深度一般为0到-200m,可开发空间极其庞大,但与城市地面工程交互的地下首层则十分有限。 必须充分考虑地面建筑、交通、人口分布等情况以及地下地质情况、水文分布、层级开发等情况,扎实做好城市地下空间修复重建与城市地面工程规划设计结合,努力做到地面地下一张图,推进地面地下取长补短、相互促进、统筹发展。
为提升城市地面地下防洪能力,可采取多种措施。 如地面湖泊河流丰水期蓄水、增加绿地等非硬化面积、大容量地下水库、排洪河道治理等。 可充分发挥地下空间蓄水潜力,综合解决城市丰水期洪涝、枯水期缺水的难题。 如上海市水务部门会同人防部门,曾探讨研究人防规划与雨水规划结合问题,水务部门根据排水工程设施排水能力、降雨量及防洪标准,研究确定不同地区调蓄量需求。 选取部分人防工程兼顾调蓄工程建设,重点选择战时不需要防护设备,必要时允许淹掉牺牲的人防工程,建造时就考虑好被淹的善后措施。
李克强总理察看卫河决口堤段修复进展时强调,要科学规划完善河道和蓄洪滞洪区,提高防洪能力。 河南省决定加快推进城市内涝治理,拟新建改造城市行洪排涝河道 500 km,雨水管渠5000km,力争5年内取得明显成效。 郑州市将全面改造城市积水区域,建设源头减排、蓄排结合、排涝除险、超标应急的城市防洪排涝体系。 系统推进城市堤防、排水防涝、蓄水空间建设,提升建设标准,逐步消除城市内涝风险隐患。
5 加强城市地下空间重大灾害预警预防信息化和智能化建设
地下工程具有出入通道有限、透明度低、因素复杂、施救困难等特点,在灾害防治上要充分利用信息化、智能化技术加强重大灾害预警预防,通过地下可视化、智能监测、适时识别、无人作业等技术,提高地下空间透明度,超前预报、预警安全隐患,及早治理排除,努力提升地下空间安全。 在紧急关头应能够让当事人明确知道该如何操作、如何行动,请示报告到指令下达、执行要尽量快。 李克强总理视察郑州时强调,特大暴雨造成人员重大伤亡,吸取这次的教训,还是要强化预警和应急疏散机制。 一旦有特大洪水,或者极端的预警情况,该停就停,该关就关,生命至上,避险为首要。
地下空间灾害救援与地震救援有诸多相似之处,一旦发生灾害都面临后果较为严重、逃生难度较大等特点,在防治费用上均投入不菲,但地震在预报警报方面投入的力量值得地下空间防灾充分借鉴。 抗震工作特别重视地震预测和及早警报,每提前1s就能大幅减少伤亡几率。 地下空间灾害的预测预警相对容易,充分利用信息化智能化的技术手段,及早发现、及早排除、及早纠治、及早撤离,是减小灾害几率及灾害后果的高效措施。
智能化的运维管理,不仅是地下空间高效运转的必然要求,也是地下空间防灾的必然选择。 地铁高效运行的重要条件是信息化智能化的管理控制,实时监控工程状态、精准控制车辆运行、及时处置突发情况。 地下综合管廊由于管线资料多、运维要求高,特别需要专业化信息化智能化的运维管理平台。 深入研究分析地下空间潜在事故和灾害,全面纳入地下空间智能化平台,一体化建设、一体化管理,一旦有事,及早预警,及时采取应急措施,及时疏散转移,全面提升地下空间防灾治灾水平。 要联合各种力量加强地下工程智能运维监控技术研究,充分发挥信息技术、人工智能、自动控制、地质探测、开挖掘进等技术,围绕地下空间安全化、舒适化、透明化,全方位开展技术攻关,及时推进新技术新产品推广应用,不仅有利于地下空间灾害防御,也是拉长产业链条、升级行业层次水平、推进经济发展的良好模式。
6 城市地下空间重大灾害防御试点研究
地下空间重大灾害的防范和灾后治理,涉及部门多、学科分类多、复杂情况多,会遇到各方面的困难和问题,需要集中智慧、各方参与,需要创新方式方法、技术手段。 充分吸取郑州“720”特大暴雨灾害的教训,以地下工程诊治修复为契机,试点开展地下空间重大灾害防御,先行探索体制机制、规划计划、技术标准、新理念、新技术、新工艺等,深入开展灾害预测、监测预警、成灾致灾机理、毁伤破坏后果、地下感知探测、工程性态评估、应急预案、灾害情景、韧性地下空间、多元开发利用、兼顾国防安全、联动机制等方面的研究及实践,统筹解决涉及的科学技术问题、体制机制问题,为国家开展地下空间灾害防御和科学利用提供先进理念、科学理论、工程技术、先行经验与工程示范。
郑州市作为国家确定的9个中心城市之一,经济社会快速发展,地铁规划总里程超过1000km,正迎来地下空间开发的迅猛发展期,具备试点城市的基本条件。 特大暴雨发生后,河南省、郑州市在灾害处置、工程修复等方面做了大量工作。 李克强总理在河南主持召开灾后恢复重建专题会议,扎实推进灾后恢复重建。 河南省筹集资金,支持灾区基础设施和公共服务设施灾后恢复重建。 郑州市印发《关于进一步做好灾后恢复重建工作的意见》,加快城乡重大基础设施修复重建,力争1年内基本生产生活条件恢复到灾前水平,力争通过2~3年努力,河流、水库等蓄洪排涝能力全面改善,地下空间、轨道交通、医院等重大设施应对风险能力显著增强,防灾减灾、应急管理体系和能力大幅提升。
2022 年3 月,国家发改委制定《河南郑州等地特大暴雨洪涝灾害灾后恢复重建总体规划》,计划3年全面完成河南郑州等地特大暴雨洪涝灾害灾后恢复重建任务。 明确城市地下交通修复和避险能力提升,抓紧修复郑州城市轨道交通受损线站、场段、列车、设备等,强化排挡水、应急避险和应急通信设施建设,完善落实极端天气等应急响应机制,结合位置地形等因素研究适当提升防洪防涝技术标准。
统筹做好地铁运营线路、在建工程和地下物业排水防涝设施衔接,强化在建工程连通口封堵。 推动地下物业连通口、市政排水管网与地铁防淹能力匹配。 全面排查地下停车场等设施安全隐患。 在恢复治理过程中,汇聚相关专家,深入研究解决遇到的具体问题,探索形成有效的管理机制,力争形成示范工程,对推进我国城市地下空间灾害防御具有重要意义。
致谢:本文在撰写过程中,东南大学宗周红教授、河南省人民防空办公室张军处长等提出了宝贵的意见建议,特致谢意。