地下空间开发对城市环境的影响

地下空间开发和利用对城市环境的影响

刘德彬

摘要：近年来，地下空间开发和利用在我国各大、中城市蓬勃发展，未解决城市建设和发展

遇到的瓶颈带来了新的生机。然而，地下空间开发和利用也势必对城市环境保护带来新的挑

战。本文从地下建筑与工程专业的角度，结合环境及可持续发展的观念，试图阐述现行地下

空间开发和利用对城市环境的影响，重点阐释地下空间开发和利用对城市土壤、地下水、土

壤生物等的影响。

关键词：地下空间 开发 利用 城市环境 可持续发展 土壤 地下水

Abstract：In recent years, the developing and use of underground space is in the boom, and it

brings an approach to the bottleneck of city construction. On the other hand, the developing and

use of underground space certainly will bring new challenges to cities’ environmental protection.

This article, combining conceptions with underground structure and sustainable development

theory, tries best to elaborate the passive influence to the city environment due to the developing

and use of underground space, especially on soil, underground water and soil organisms.

Key words: underground space developing and use city environment sustainable

development soil underground water

1 引言

随着国民经济的飞速发展，城市建设也是日新月异。然而随着城市扩张的步伐不断加快，

城市人口急剧增长，土地资源日益严峻，由此而产生的地价昂贵，住房紧张，交通拥堵等等

问题，迫使我国许多大中城市开始向地下进军，力图通过地下空间的开发和利用来缓解这些

迫在眉睫的问题，如许多城市大力着手修建的地铁、轻轨，城市地下通道，地下商场，地下

车库，地下变电所等等。

然而由于地下空间开发的步伐过快，许多理论和技术还不够成熟，对环境的潜在影响认

识还不够深入，故势必将对城市环境造成不可估量的影响。本文以一名地下建筑与工程专业

学生的认知，结合环境及可持续发展的观念，尝试系统阐述现行地下空间开发和利用对城市

环境的影响。

2 地下空间开发和利用对城市土体的影响

随着城市化进程的加快，城市环境正经历着巨大的考验。交通工具排放的废气、工况企

业的污染、居民的生活垃圾，都成为了城市环境恶化的直接或间接原因。尤其是城市土壤，

遭到不可逆转的生态破坏[1]，现在随着地下空间的开发和利用的蓬勃发展，将给城市土壤带

来新的考验。

地下空间开发和利用建设中，需要做多道施工工序。其中有不少工序对城市土体环境有

着潜在的危害，下面将重点阐述泥浆，添加剂和地面沉降三个方面对城市土体的影响。

2.1 泥浆对土体的影响 不少高层建筑的地下室，地铁隧道等工程施工过程中，常常需要做地基加固处理或者基

坑支护结构，比如钻孔灌注桩、水泥土搅拌桩和地下连续墙等等，在这些工序当中，包括泥

水盾构机开挖地下隧道，往往要使用泥浆护壁技术。

泥浆的基本成分有膨润土，水，外加剂三种，其中外加剂又可分为分散剂、增粘剂、加

重剂、防漏剂等[2]，这些外加剂中常含有酸、碱等会给土壤造成负面影响的成分，泥水盾构

机施工中为了使土壤性质较均匀，其使用的泥浆甚至含有塑料成分。这些泥浆在施工过程中

难免会渗入周围环境中的土体中去，从而会改变土壤性质，如土壤结硬，PH值改变等等，

给土壤带来直接的危害。而且一旦渗透至周围可耕作的土体中，则会给农作物的种植造成一

定影响。泥浆的回收处理也是一个薄弱环节，不管是投入河中，还是运至垃圾处理场，均会

给当地的土体造成一定的危害。

2.2添加剂对土体的影响

据调查，上海世博会的规划区域5.28km2内，工业用地占70%，检测结果表明，部分厂

址的土壤收到了不同程度污染[3]，而这其中不可避免的有地基处理而带来的污染物质。

在现行的地下空间开发和利用中，经常会因为土体强度不够，而需要对土体进行加固处

理，而在进行加固处理中，也常使用一些添加剂，最常见的就是水泥、矿渣、粉煤灰和生石

灰，深层水泥土搅拌桩就是使用的水泥浆，石灰桩法、CFG法等就可能会添加生石灰、粉煤

灰等添加剂，有的甚至为了加快土粒胶结，还加入氯化钙等其它化学添加剂。

这些添加剂会给土体带来永久的、不可逆的危害，这些添加剂不仅使土粒胶结、土体结

硬，而且会对地下水有巨大的危害，有的甚至还含有放射性物质，如矿渣和粉煤灰。一旦土

体结硬，对极大地增加后期工程的改建或以后相邻新建工程的建设施工难度。

2.3沉降对城市环境的影响

在地下空间开发和利用过程中，不可避免的会引起地面沉降。而且沉降不仅仅在建设施

工过程中会发生，而且在建设施工完毕后相当长的一段内也都会发生沉降。

以上海市为例，上海市目前是我国地下空间开发和利用程度最高的城市，而且其地下空

间开发和利用的进度还在不断加快，比如现有地铁线路规划长度410km，现已完成289km。

据相关研究表明，上海市区地面沉降的速率自1986年以来呈现逐渐增大的趋势，并且具有

非线性变化的特征[4]。

地面沉降不仅会对城市建筑、道路、地下管道管线带来负面影响，而且也对城市植被带

来影响。一些滨海城市，如上海、香港等，地面沉降还会加剧由于海平面上升引起的城市陆

地空间减少。

3地下空间开发和利用对城市地下水的影响

地下水是地下空间开发和利用中的一个极其关键的问题，它给地下空间开发和利用带来

很大的不确定性，给地下建筑工程的设计、施工带来巨大的挑战。就像力的反作用一样，那

么地下空间开发和利用也必将对城市地下水环境产生巨大的影响。

3.1引起地下水位下降和水量减少

由于地下水几乎总是会降低土体的强度，故在地下空间开发和利用中，在施工建设阶段，

常常会对地下水位高于地下建筑结构底面标高的地下水体进行降水处理，如常用的井点降水

处理法。除此之外，根据土力学中的有效应力原理，为了减少建筑物和构筑物的沉降，包括

后期沉降，往往也会通过降低地下水水位来达到这一目。 可见在地下空间开发和利用中，降低地下水似乎是势在必行之路。然而降低地下水水位

之后，又会进一步造成地面沉降，而且势必造成地下水水体的总量减少，而且城市往往由于

地面大都被不透水的混凝土地面所覆盖和集中排水而在造成地下水的补给短缺，这就给本就

匮乏的地下水资源雪上加霜。

地下水水位的下降和水体的总量减少，又会危及城市的植被，从而加重城市植被灌溉的

负担，不利于经济节约。而且滨海城市由于地下水水位下降，还会使海水内侵，造成土壤盐

碱化，地下水质下降[5]等后果。

3.2造成地下水污染

地下空间开发和利用中，其中使用的泥浆、外加的添加剂，在施工建设过程中不可避免

的进入城市地下水环境，其中含有的有毒物质势必会引起地下水污染。而且在使用阶段，在

跟环境的长期相互作用下，其本来固结在结构物中的有害物质，也会不断的溶解在地下水体

中，给地下水环境带来长期的污染。

3.3改变地下水的流速和流径

地下空间开发和利用中，由于土体的压密固结，以及建造的桩基础、地下连续墙、水泥

土搅拌桩等不透水的地下结构构件，显然会改变城市地下水环境原有的、自然的流速和流径，

这将会给城市地下水循环带来负面影响，减缓地下水循环的速度，同时也极大地增加了地下

水循环更新的周期，甚至可能毁坏整个地下水环境，同时，地下水水位的下降和水力梯度的

反向将限制随地下水径流而来的城市污染物的稀释效能[6]，使之变成“一潭死水”。

4 地下空间开发和利用对城市土壤生物的影响

城市之中，生活的主要是人类，其他生物相对其它生态系统而言非常之少。由于城市人

口众多，人类活动十分密集，而且城市环境与自然环境也相差甚远，现今又大刀阔斧的向地

下进军，如火如荼的地下空间开发和利用可不避免的将对城市土壤生物产生巨大的影响。

4.1土壤生物生存空间大幅度减少

由于地下空间开发和利用中建设施工方法对土体的人工处理，使地表浅层土壤发生质的

改变，不少深度达几十米至上百米的桩基础及地连墙等，对城市地表下较深的土体也产生了

较大的不良影响，从而导致地下建筑结构周围的土壤已经不利于土壤生物生存或不适合土壤

生物的生存,例如土体压实压密后空隙变小，而土壤微生物主要生活在土壤颗粒的表面及空

隙内[7]，因而土壤微生物势必受到巨大的影响。所以人类对地下空间的开发和利用，导致了

城市土壤生物的生存空间大幅减少。

4.2土壤生物的营养物质来源遭到破坏

由于一系列的地下建筑结构物，改变了土壤天然的性质，改变或阻断了地下水的流径或

流通，同时有的地下建筑结构物亦阻断了地下面向地下土壤环境的物质和能量输入，包括天

然雨水、阳光、空气等等，从而破坏了城市土壤生物原来自然的营养物质来源和食物链。

4.3有害物质的渗入危及土壤生物

前面提到的地下空间开发和利用中使用的泥浆、化学添加剂等有害物质，破坏土壤的同

时，也危及着土壤生物的生命安全。

5 地下空间开发和利用对城市土壤圈生态系统功能的影响

城市生态系统是一个很大的范围，包含生物成分和非生物成分，而且各个成分之间的关

系十分密切，它们相互依赖，又相互制约，往往有着“牵一发而动全身”的内在联系。

前面主要阐述了地下空间开发和利用对城市土壤圈生态系统中土壤、地下水和土壤生物

等具体生态系统成分的影响，下面将从生态系统的层面上阐述地下空间开发和利用对城市土

壤圈生态系统功能的影响，主要从土壤、地下水和土壤生物三方面相互之间的关系来阐释。

5.1城市土壤圈生态系统的物质和能量循环遭到削弱

由于大量的地下建筑结构的施工、建设和使用，给城市土壤带来了巨大的不良影响，土

体天然结构遭到破坏，绝大部分的土体被压实压密，有的又加入不少水泥、化学添加剂等非

自然产物的对土体有害的物质，从而导致城市土壤中的空气、地下水等不能像在天然土壤中

那样自由流通和循环，土壤生物的营养物质来源因此遭到破坏，城市土壤圈生态系统的食物

链也收到较大的影响。而且由于建造和使用过程中向城市土壤圈渗入的有害物质还会危害土

壤生物，进一步危及城市土壤圈生态系统。

5.2城市土壤圈生态系统的自我调节能力遭到削弱

城市生态系统本来就是所有生态系统中自我调节能力最弱的一类生态系统[8]，而其中的

土壤圈生态系统更是由于众多的城市建筑物的建设而遭到影响，随着国民经济的发展，现如

今城市发展又大刀阔斧的向地下进军，因而城市土壤圈生态系统的自我调节能力更是将遭遇

更大的破坏。

由于土壤因地下空间开发和利用而遭到一定的破坏，地下水和土壤生物也因此而受到不

良影响，尤其是土壤生物，包括食腐生物、微生物等遭到迫害后，土壤微生物可改变地下水