城市地下空间安全管理风险及物联感知建设研究

何心缘

一、引言

近年来，我国城市地下空间开发不断增强，地下空间开发利用逐步综合化、系统化、深层化。上海作为超大城市，开发利用城市地下空间是缓解城市土地资源紧缺、提高土地利用效率、补充完善城市功能、提高城市总体防灾抗毁能力的有效途径，是城市空间的内涵式扩展。2019年，全球城市地下空间开发利用上海峰会发布签署《上海宣言》，提出要提高城市韧性、增强城市综合抗灾能力。

根据《上海市地下空间安全使用管理办法》，地下空间是指上海市行政区域内对公众开放的作为生产、经营场所的地下空间以及其他作为公共活动场所的地下空间。据上海市地下空间综合管理信息系统统计，截至2023年年底，全市已建成地下工程共4.3万余个，总建筑面积达1.51亿平方米。

二、城市地下空间风险事故

目前，城市地下空间的迅速发展大多以轨道交通系统、地下停车场、地下商场和相互连通区域等多个复杂对象为综合体，不再具有单一环境，所涉及的危险风险源种类杂、数量多，风险因子在封闭的地下空间内互相作用、共同影响，易导致灾害链的形成，事故联动可能性大。同时，由于城市地下空间存在人员聚集的情况，一旦发生事故，易产生拥挤、踩踏，疏散困难、救援难度大，人员伤亡风险高。城市地下空间的安全事故不仅危及地下空间，还会危及与地下空间相连的区域，甚至波及更大范围，对周边居民、行人的生命和财产安全构成威胁，直接损害城市的公共安全。

地下空间存在的风险事故包括火灾、水灾、施工事故、结构事故、内容物泄漏、地下空间交通事故等，还有可能发生人为破坏行为如恐怖袭击等犯罪行为。表1展示了城市地下空间的风险事件。爆炸、火灾、有害气体污染容易相互转变，引发衍生事故。泄漏事故易造成火灾、爆炸和空气污染，爆炸事故会引起火灾和破坏结构并造成粉尘颗粒污染，火灾会引起爆炸并造成空气污染，地震往往伴生有火灾和洪灾等次生灾害，水灾则会破坏地下设备，从而影响交通和通信等方面，而施工事故会引起火灾和爆炸。

根据中国工程院战略咨询中心等单位联合发布的《2021中国城市地下空间发展蓝皮书》，“十三五”期间，地下空间发生灾害与事故的类型逐年变化的分析如图1所示。可以看到，地下空间灾害中的施工事故发生数量较往年有所下降，而火灾、水灾、地质灾害以及有害气体相关事故发生次数较往年明显增多，尤其需要得到注意。

（一）城市地下空间火灾

城市地下空间发生火灾的主要原因包括：设备及电路故障、人为因素（管理失误及破坏等）和自然因素。一旦地下空间发生火灾，尤其是人员密集的场所，将会出现人员疏散难度大和应急救援困难等状况，且伴随断水断电或踩踏事故。

火灾事故根据周围环境的空间特性，可以分为开放空间的火灾和受限空间的火灾。其中受限空间火灾典型的发展过程是：在火灾发展的初起阶段，空气中的氧气含量充足，燃料的燃烧受燃料量的控制；然而由于空间受限，火灾形成大量烟气在顶棚下聚积，形成烟气层，而烟气层的存在对火源形成一个热反馈的作用，促使火灾强度不断增大，达到一定程度后火灾进入充分发展阶段，火灾强度将发生突变，燃料的燃烧受到氧气含量的控制，火灾强度不再继续增大，直至燃料燃烧殆尽。据相关火灾模拟实验结果显示，地下空间内燃料燃烧速度是敞开空间的3倍，温度可以高达1000 ℃。并且由于燃烧进入后期氧气含量不足，燃烧不充分，CO、CO2及其他有毒气体浓度也会迅速增加。地下空间火灾的另一个重要特点是，火灾发生时人员逃生的方向和烟气的扩散方向重合，人员疏散通道的出入口可能就是喷烟口，同时烟气的扩散速度要比人群扩散速度大得多，容易造成人员疏散不及时，地下受限空间火灾极易造成人员伤亡事故。地下受限空间属于典型的受限空间建筑，由于空间通风状况不良，周围土壤层存在一定的保温性，地下空间排热排烟能力较弱，一旦发生火灾，将产生大量烟气和热量，热烟气和热量在地下受限空间的大量积累，使得空间内部热系统失衡，导致空间内温度急剧上升。

（二）城市地下空间水灾

地下空间水灾事故的主要原因是暴雨积水、洪涝灾害等。全球变暖使海水温度升高，水循环加快导致降雨量增多，大暴雨等极端降水频率加大。

近年来，我国城市洪涝灾害频发，具有形成范围广及发生频率高等特点。特大暴雨、沿江河海城市被水倒灌等导致城市内涝积水问题严重，地下空间位于地下而首当其冲。短时大量降雨使得地下建筑物周围的地下水位上升，引起地下空间“超标”潮湿，影响地下空间和承载的地面建筑物的安全。洪水由地下建筑物入口迅速到达地势偏低的多层地下空间，甚至相连通的地下空间，会破坏建筑结构，造成地下设备和储存物资的损坏甚至人员伤亡。由频发、突发的水灾造成的地下空间的防汛安全问题应予以重视。

据统计，2012年北京7·21特大暴雨期间共有278处人防工程进水；2021年7月，河南省遭遇极端强降雨，全省人防工程共有475处受灾，地下空间溺亡39人，郑州多条地铁线路受灾严重，1号线共有12座车站、26个区间被淹，2号线3座车站和14个区间存在不同程度浸水，5号线一列列车被洪水围困，最终酿成14人不幸遇难的悲剧。

党中央、国务院高度重视地下空间倒灌类安全事故的预防和整治。2021年4月，国务院办公厅印发的《关于加强城市内涝治理的实施意见》指出：“对车库、地下室、下穿通道、地铁等地下空间出入口采取防倒灌安全措施。”完善地下空间防汛工程体系，对减少安全事故的发生、保障人民群众的生命财产安全具有重要意义。

（三）城市地下空间结构灾害

地下空间结构会受到周围不利地质条件的影响，如地下水渗漏、地震以及其他不良地质作用等，从而引起沉降、崩塌等事故。另外，近年来，大规模的城市地下空间开发导致原有地层应力的集中与重分布，对地面原有建筑物的安全及围岩的稳定性造成威胁，由此引起的地面沉降问题也逐渐显现。

地面塌陷是指，地表岩、土体在自然或人为因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑的一种地质现象。根据形成塌陷的原因，可将地面塌陷分为自然塌陷和人为塌陷两类。自然塌陷是地表岩土体在自然环境因素的作用下发生的，主要诱因包括地震、降雨等。人为塌陷是指在超采地下水、矿坑疏排水等人为作用下引起的地表塌落。随着城市的高速发展，城市的地下空间不断被开发，绝大多数城市的地下密布着各种管线、隧道等地下“空洞”。这些地下“空洞”在地面荷载、地下工程施工扰动等外因作用下，极易发生向上的崩塌进而造成地面塌陷。1989年1月1日，南京市中山南路慢车路面突然发生塌陷，形成一个面积约为30平方米、深度近2米的陷坑。2023年8月22日，上海闵行区新龙路由于地下排污管道破损渗漏导致地面坍塌，出现一个长4米、宽3米的坑，坑洞内蓄满了污水，对周边的交通以及居民的用水造成严重影响。

三、城市地下空间物联感知传感器

物联网技术是信息科技产业的第三次革命。物联网通过信息传感设备，按约定的协议，将任何物体与网络相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。

城市地下空间物联网通过各类传感器在不同位置、以不同形式部署，结合激光扫描器、射频识别技术、定位系统等技术，做到实时采集城市地下空间中的各类物体或运动变化的过程，并将这些不同的声、光、热、电信号转化为统一存储的标准化数据，通过有线网、无线网等网络接入，最终实现对城市地下空间各类实物和变化过程的智能化感知、识别和管理，从而构建物与物、物与人的链接。

（一）火灾监测

我国在火灾预警方面的研究起步较晚，目前主要分为分立元件阶段、多线制开关量式阶段、总线制阶段、数字式分布阶段四个阶段。主要研究的技术和方法有以下几种：蜡片试温法或变色漆法、传统接触式测温法、故障电弧探测技术、红外热像技术、红外传感器技术等。

国外对于火灾预警系统的研究相对较早，主要经历了单一传感器阶段、数据融合技术的多传感器阶段、无线火灾预警系统等几个阶段。当前，国外采用无线火灾预警系统，主要不受场景限制、易于安装和调试灵活。在实际应用方面，国外研究的技术和方法主要包括多传感探测技术、空气采样感烟探测技术、红外点型可燃气体检测技术。其中，红外点型可燃气体检测技术是研究的重点。

火灾发生时，地下空间内有多种特征变化较大，如温度、烟雾、气体、图像检测等。多传感器信息融合的火灾预警，即通过收集承载着不同特征传感器中的数据，进行融合分析决策的技术。由于采用图像检测特征的缺点是建设成本过高，因此电缆火灾通常检测温度、烟雾和气体3种特征。温度主要通过热对流传感器进行探测。烟雾主要采用烟感进行传感，烟雾信号也是最常用的单一传感器信号。气体主要是燃烧产生的CO和CO2。常用的特征组合有以下四种：温度与烟雾的组合、温度与气体的组合、烟雾与气体的组合以及温度、烟雾与气体的组合。根据电缆火灾的特点，宜采用第四种火灾特征组合方式，即温度、烟雾与气体组合的形式，其中温度采用热电阻传感器，烟雾采用离子感烟传感器，气体采用CO浓度传感器（图2—图5）。

（二）水灾监测

排水管网液位在线监测设备按照测量方式可分为接触式和非接触式两种。接触式测量方式中常见的监测设备主要是投入式压力水位计；非接触式测量方式主要是超声波水位计和雷达水位计。

1.投入式压力水位计（接触式）

价格便宜，安装简单，测量精度高，量程宽，可测满管与非满管，管网溢流时仍能准确测量。但排水管网水环境中含有大量的淤泥、油污、漂浮物等，会将压力传感器探头覆盖，导致设备无法正常工作（图6）。

2.超声波水位计（非接触式）

体积小巧，耐腐蚀，与水体非接触，不受水体中的杂物覆盖、腐蚀等影响。但在窖井内的有效监测量程较小，并且声波容易受到温度、湿度、压力等环境影响发生漂移，从而会导致监测精度较低。在排水管道溢流状态下，若该类型传感器被淹没，则其监测值会跳变，无法准确测量（图7）。

3.雷达水位计（非接触式）

在窖井内的有效监测量程较大，最大可达10米。采用的是电磁波作为收发信号，由于电磁波不受温度、湿度、压力等环境影响，所以监测精度很高，且其与水体非接触，不受水体中的杂物覆盖、腐蚀等影响。但价格昂贵；安装位置和角度对测量结果有影响，安装工艺要求较高；若该类型传感器被淹没，其监测值也会跳变，无法准确测量（图8）。

（三）地质灾害监测

针对目前地面塌陷日益严重的趋势，对地面塌陷的监测成为一个新的研究热点，国内外众多学者对此进行了大量的研究。常用的监测技术主要包括以下三大类。

1.土体变形监测

传统地面变形测量方式以高精度的水准测量为主，有基岩标、水准测量及层标测量，采用水准仪、全站仪测量方式或者两类方式联合应用来实施。该类方法作为地表变形监测的主要手段之一，具有监测精度高的优点，但由于岩溶塌陷的发育过程具有隐蔽性，仅依靠地面变形测量监测手段难以达到对岩溶塌陷监测预报的目的。

2.动态地球物理探测

地层的密度、电性、磁性和弹性差异随时间变化，可表征溶洞上方岩土体的运动变化。利用动态地球物理探测法，即多次重复探测，从探测隐患目标体转变为探测其物理属性随时间变化特征，可达到岩溶地面灾害监测的目的。国内学者已经开始利用动态地球物理探测进行覆岩运动的精细化探测和监测。

3.岩溶地下水触发因素

该方法对岩溶裂隙管道系统中水（气）压力变化进行实时监测。当水（气）压力变化超过临界条件，则认为监测区将有形成岩溶塌陷的危险。相关研究工作表明，控制岩溶地下水位变化，一定程度上也可降低塌陷发生，并可以通过对岩溶裂隙管道系统中水（气）压力变化的监测实现岩溶塌陷的预警。

四、总结

保障城市地下空间的正常运行，需要对关键运行数据及相应的感知手段进行研究，以提出适用于城市地下空间管理的物联感知架构。关键运行数据由地下空间风险事件所对应的监测内容决定，本文根据城市地下空间特征，探讨了其防灾特点。由于地下空间结构和设施复杂，出入口少，疏散路线长，通风照明条件差，一旦发生灾害事故，极易造成重大人员伤亡和财产损失。

通过分析地下空间主要灾害类别和灾害主要特点，本文总结了目前城市地下空间在运营阶段的风险事件，主要有地下空间火灾、地下空间水灾以及地下空间地质灾害三类。通过文献调研，阐述了各类型灾害形成的原因，并结合案例说明了其各可能导致的严重后果。

通过调研，对各类型灾害所对应的监测内容和监测手段进行了充分研究，确定了适用于城市地下空间物联感知架构的关键运行数据及可用传感设备。表2展示了地下空间各类风险事故所对应的物联感知传感器及其应当安装的位置。

参考文献

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[3]李志涛，张慧，印小军，城市排水管网液位在线监测系统设计与实现[J].四川水利，2021，42（6）：131-134.

（责任编辑：陈希文）