为地下“宫殿”赋能

地铁，提升了深圳市民出行的“幸福指数”，为深圳社会经济的快速发展“添砖加瓦”，凸显了建设交通强国的先行示范引领作用。然而，随着地铁事业稳步推进，地铁建设与城市建设需求之间的矛盾也逐渐产生，尤其是地铁隧道保护的需求极大制约了地铁沿线土地资源的开发。为此，中国工程院院士、深圳大学土木与交通工程学院院长陈湘生及其团队深入研究了近运营地铁隧道结构-岩土性能演化机理，并研发出近运营地铁地下空间开发成套技术，释放了地铁沿线的大量土地资源，创造了巨大的社会、经济效益。

人物简介

陈湘生，深圳大学特聘教授、土木与交通工程学院院长、深圳大学未来地下城市研究院院长；兼任煤炭科学研究总院建井研究院院长。享受国务院政府特殊津贴专家，深圳市高层次人才国家级领军人才，中国工程院院士。2022年4月，陈湘生及其团队的近运营地铁隧道结构-岩土性能演化机理与地下空间开发成套技术赢得广东省科技进步一等奖。

坚守使命，建设湾区门户

深圳的前海合作区是珠三角区域发展主轴与沿海功能拓展带的十字交会节点，是典型的湾区“门户型”重点开发地区，在珠三角区域功能结构布局中具有战略地位。为全面深化前海深港现代服务业合作区改革开放，该片区规划建设14条地铁线路。

中国工程院院士、深圳大学土木与交通工程学院院长陈湘生曾在央视《开讲啦》栏目中以邮轮作比：“一艘在海上载满货物的邮轮，只要我们卸下上面的货物，邮轮便会上浮。”覆盖在地铁隧道上方的岩土和正在运营的隧道本身就好比是货物和邮轮，在地铁隧道上方乃至地铁控制保护区内开挖施工便是“卸下货物”；而地下岩土的结构是“像豆腐一样柔软的”。那么，此时正在运营的地铁隧道就面临着浮动、受到外力挤压损坏的风险。

陈湘生院士参加CCTV1《开讲啦》节目

为保障运营地铁安全，国内外对运营地铁隧道周围一定范围都设有控制保护区。在控制保护区范围内，地面不允许拆、建建筑物，不允许大面积堆载、铺设管道线路、爆破等等，然而这会导致运营地铁隧道上方土地难以开发利用。前海片区内地铁隧道密度为全球最高，据测算，前海自贸区51%面积的土地将因此无法开发利用，城市规划建设将无法落实。

秉承“为天地立心，为生民立命”的使命感，陈湘生及其团队自2003年起开展了相关技术研究。2010年，凭借国家强化前海合作区建设战略布局的契机，团队重点研究如何将运营地铁隧道周围控制保护区缩小从而扩大地面可开发区域，以及如何加强地铁隧道结构以延长隧道寿命。由于前海为回填土地，土质更软，所以该研究的难度较大，对团队提出了更高的要求。经过17年的不懈努力，团队实现了两大关键科学问题的解决和三大技术的创新突破，成功将运营地铁隧道两侧控制保护区由50m缩小到3m以内，顶部保护区降到2m。

技术难题—控制保护区施工灾变模态

技术实施成效—实现了控制保护区土地的

成片开发利用

与日俱进，终破技术瓶颈

在陈湘生看来，如果要在地铁控制保护区内动工，就需要解决两大关键科学问题：一是运营地铁周围的岩土体和未经施工扰动的岩土体之间的具体区别是什么；二是在地铁隧道上方开挖施工时，隧道受力如何演化，其能够承受的极限荷载是多少，隧道的变形如何控制。

他用简单生动的例子解释道：“这就好比在东北冬天穿棉袄一样，一个人能不能抗冻，一看棉袄的质量，二看个人体质。围岩就是棉袄，隧道结构即人本身，围岩力学性质好、隧道结构健康，它就能抵抗比较大的荷载。如果两者都较差，在荷载较小时隧道结构就破坏了，就好比人发烧感冒。”

摸清岩土性态和隧道性能演化规律，方能确保施工时运营中的地铁隧道不会损坏。为此，陈湘生及其团队在深圳前海工程现场进行了试验，经过三年的研究揭示了隧道围岩分次扰动后的弱化范围和模量变化规律，获得了复杂应力路径引起的围岩力学响应特征。他们发现，经过以往的地铁建设后，隧道上方土体的刚度下降了，如果再在隧道上方开挖施工，隧道的变形量会比按正常计算的多40%。

除此之外，陈湘生及其团队联合同济大学开展试验，通过对地铁盾构隧道衬砌结构进行逐步加载，首次获得了衬砌结构历经超限变形等复杂工况后的极限承载力。这个过程中，可以将地铁隧道看作人体，人扛重物时身体会弯曲，并且有一最大承重量，超过这个重量，人就会受伤。通过这个实验，陈湘生及其团队不仅发现了地铁隧道可承受的极限荷载，同时建立了以椭圆度为指标的变形控制标准。

梅花型竖井分仓跳挖

内支撑主动控制系统

群泵先注黏土水泥浆再注双液浆

群泵注浆机理图

新老结构变形隔离体系

在解决上述两大关键科学问题的基础上，针对施工中的技术瓶颈，陈湘生及其团队实现了竖井分仓跳挖与主动控制技术、群泵综合注浆技术、新老结构变形隔离技术三大技术创新和突破。

心怀敬畏，守护人民幸福

陈湘生本科毕业后一直从事有关煤炭矿山建设的研究。直至上世纪90年代初，上海地铁修建过程中因土质问题常遇塌方。被尊称为“上海地铁之父”的刘建航院士看到陈湘生发表在国外刊物上的关于地层冻结法的文章，求贤若渴，几经辗转找到陈湘生，邀请他帮助上海地铁解决施工难题。经此一役，他意识到国内市政工程的很多技术仍然滞后。加之煤炭行业建设减少、地铁行业建设增多的社会大环境，陈湘生转而研究起地铁建设。

1999年，刚过40岁的陈湘生来到深圳。“在深圳常能看到蓝天白云。我喜欢穿着白衬衫，基本不用洗，那个空气就和剑桥一样。下雨时，云压住了莲花山，让我想起了躺在剑桥的绿草地上那样的快乐。”深圳的清新与活力让他留在了这里。陈湘生把矿山建设的相关技术引入地铁建设，重点开发地下空间。

据第七次全国人口普查显示，2020年11月1日零时，深圳市常住人口达到1756.01万人；据“深圳政府在线”显示，全市面积1997平方公里（含填海区）。因此陈湘生认为向地下要空间谋生存是深圳的未来趋势。他提到，一方面，把保障人民群众生存的“生命线”放在地下，包括供水、供电、供气、地铁运输、粮食储备，以供战时所需；另一方面，提高地下空间的利用率，节约地上空间，让环境变得更优美，人们生活得更舒适。对城市未来发展的设想彰显了陈湘生所说的“我的愿景是国土安全、人民幸福。”

“跨地铁运营隧道地下空间利用成套技术研究与实践”项目成果鉴定意见

“卑微之心做人，敬畏之心做事。”近年来，陈湘生院士带领同事们，坚持面向世界科技前沿和国家重大工程和重大需求，在韧性城市及韧性地下空间、地下工程智能建造、地下空间智能感知、地下工程建筑废弃物利用等多个方面取得了一系列丰硕的成果；连续获得国家自然科学基金重大项目、重点项目、国铁集团与科技部川藏铁路重大研发计划中十多项课题、广东省重大研发项目、深圳市高水平人才团队项目等高层次科研项目资助，以及粤港澳大湾区多项水下隧道与地铁大型枢纽等重大工程咨询项目；在国家重大工程科学技术攻坚克难方面，贡献了深圳大学土力学与岩土工程、极端条件下隧道与地下工程、智能岩土工程等学科的集体智慧。

前海规划示意图

此次获奖的近运营地铁地下空间开发成套技术，仅应用于前海自贸区的地铁和近运营地铁地下空间建设，直接释放了24万平方米的土地面积，市场价值超过100亿元。但在陈湘生看来，这项技术的意义远远不在于得奖与获利，关键是解决了地铁发展的两大关键问题和三大技术瓶颈，为全国起到示范性作用。此项技术在国内其他地区使用推广也具有很强的可行性。陈湘生评价道：“这项技术推动科技创新的同时，又为国家发展和国土安全两大战略做出了贡献。”这才是技术价值的体现。

 文字  | 丁荟萃 苏可欣 陈俊

 图片  |  受访者供图

 排版  |  鲍家卉

 责任编辑  |  白靖婷

 监制 | 崔震

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