新加坡作为举世闻名的国际航空和航运中心，其陆路公共交通也极其发达。以地铁为例，新加坡地铁，又叫大众捷运系统（mass rapid transport，MRT），始建于1987年，现已成为当今世界上最为便捷、高效、明亮、整洁的公共交通系统之一。图 2是新加坡当前的捷运系统路线图。新加坡地铁系统分为4条主干线路：东西线（绿线①②③）：从巴西立（或从樟宜国际机场）前往西部群岛；南北线（红线④⑤）：从滨海湾通往裕廊东；东北线（紫线⑥⑦）：连接港湾至东北部的榜鹅；环线（橘黄线⑧⑨⑩）：从港湾通往多美哥和滨湾；其中南北线和东西线，总长83 km，纵横穿越新加坡岛全境，是地铁网络中最主要的干线。

图 2

Fig. 2

图 2 新加坡捷运系统路线 Fig. 2 MRT lines in Singapore

新加坡地铁隧道大多是采用隧道掘进机（TBM）或新奥法（NATM）进行施工，有些地区的隧道则采用明挖法技术施工。由于新加坡很多地铁车站都位于城市中心商务区，因此对隧道施工引起的沉降变形有严格的控制，根据新加坡MRT公司实践和轨道保护规程规定，由隧道施工引起的隧道周边建筑物变形不允许超过15 mm^[5]。如此严格的规定，使得新加坡在修建地铁隧道工程时，对隧道施工、变形监测和管理以及数值模拟分析方面都提出了更高的要求。根据新奥法的原理，隧道施工应特别强调变形观测的重要性，以新加坡地铁南北线建设的C710合同段为例，他们对隧道建设过程中的一些关键截面进行了大量的变形监测，主要包括3部分：地表变形监测、开挖引起的衬砌变形监测和初次衬砌中的钢拱架等主要部件的应力、应变监测^[6]。新加坡因其特殊的地质构造情况和广泛分布的高层建筑及建筑群，其地铁工程的建设为解决一些同类型的复杂施工条件下的地铁车站及隧道建设提供了良好的案例^{[5, 6, 7, 8, 9]}。此外，新加坡地铁车站的综合集成开发模式也值得国内外城市借鉴^[10]。

中国城市地下管网系统建设由于涉及到多个不同单位不同部门之间的协调，致使其规划和建设都相对滞后，如近年来中国一些大中型城市都先后因地下排水系统能力不足而导致城市内涝现象，就是一个典型的例证。而新加坡在城市地下排水系统方面的规划做得相当好，虽然该地区经常遭受暴雨的袭击，但却很少出现城市内涝现象。以下为新加坡城市地下管网系统建设的3个典型例子。

1）综合管路隧道（common services tunnel）。新加坡市区重建局在滨海湾区修建了1条综合管路隧道，把该区的主要供水管道、通信电缆、电力电缆等全部集中到这个隧道中，该隧道的截面尺寸为12 m×12 m，其中，管道通道为12 m×8m，电缆通道为4 m×8 m^[11]。整个工程历时十几年，综合管路隧道的第一阶段长度约1.4 km，已于2004年完工；隧道第二阶段长度约1.6 km，已于2010年完工。

2）深隧排污系统（deep tunnel sewerage system）。新加坡公用设施局投资兴建了一个深埋隧道排污系统，这个系统的第一阶段包括一条长约48 km的排水深隧道和一座污水处理厂（樟宜污水处理厂），排水隧道直径最大6 m，隧道埋深20~40 m不等，污水处理厂的设计排水量为80 Mm3/d（最高极限能力可增至240 Mm3/d）。考虑到新加坡将来可能出现的缺水状况，该污水处理厂设计时预留了将处理过的污水净化为工业用水的接口^{[11, 12, 13]}。

3）电缆隧道（electric cable tunnel），新加坡地底最深的电缆隧道工程已于2012年9月动工。这条电缆隧道深入地下60 m，相当于20层楼高，比一般的地铁隧道还要深一倍。该电缆隧道可装置电伏高达400 kV的电缆，以应对130万个家庭、商业和工业用户日益增加的电量需求。与地铁线类似，该隧道工程分为南北线和东西线，主要是为了连接北端和西端的3大发电厂。隧道直径6 m，计划采用盾构法施工，两条隧道长约35 km，预计耗资20亿元。

新加坡一般被认为是一个没有自然资源的国家，但在新加坡的一次学术报告会议上，新加坡岩石力学与工程地质学会主席周应兴先生指出，新加坡有丰富的地下空间资源和水资源，岩石地下储存空间可以为新加坡储存大量的天然淡水（降雨）资源。事实确实如此，过去十几年，通过大量的工程地质调查和岩石力学试验，发现新加坡中部地区的武吉知马花岗岩和中西部地区的沉积岩层特别适合修建大型地下硐室作为地下储库^{[14, 15, 16, 17, 18]}。早在1995年，新加坡就提出了利用武吉知马花岗岩层修建地下储库和安全庇护硐室的计划^[14]。

20世纪90年代新加坡就在南洋理工大学专门成立了“地下空间和岩石力学”（underground space and rock mechanics，USRM）研究小组，现改名为“防护技术研究中心”（protectivetechnology research centre，PTRC）。该研究小组的主要研究方向包括^[19]：岩石材料在动态和瞬态载荷作用下的力学特性，动载荷作用下岩石节理的响应特性，冲击波在岩石节理和岩体中的传播，岩体和岩石结构的离散元模拟等，并取得了颇为领先的岩石动力学研究成果，目前这些研究方向仍是岩石动力学研究领域的热门方向。

上述基础研究的工程背景是新加坡计划利用花岗岩优越的抗爆性能，在万礼花岗岩地层中建设地下军火弹药储存库。万礼地区的花岗岩地层属于三叠纪地质期，有2亿年历史，其硬度是水泥的6倍，还有天然冷却作用。万礼军火库由多个储藏仓库组成，每个仓库长100 m，宽26 m，高13 m，由双车道宽的隧道连接。两隧道间至少间隔20 m，满足“当其中一隧道爆炸时，不会对另一隧道产生破坏性影响”的要求。同时每个仓库门口都设置电动钢铸防爆闸，以防爆炸碎片、火势和气浪冲入。此外，每个仓库门口对面都凿有存留爆炸碎片用的空间——留碎室，可存留90%向外冲出的爆炸碎片，也能减缓爆炸火势。万礼军火库还是一个省地、省电、省水、省力的高效军火库。该库建造在地下数十米，与地面军火库相比，所需安全地区面积可以减少90%，相当于400个足球场。同时，由于花岗岩的隔热作用，电力消耗只有地面军火库的一半；雨水收集和地面排水系统每年省水约60000 m³。2008年3月7日，新加坡的万礼地下军火库正式启用。

近年来，新加坡为了应对可能遭遇的石油危机，开始着手修建地下石油储存库。根据新加坡地质条件特点和经济战略布局的要求，以裕廊组（Jurong Formation）沉积岩为主的裕廊岛成为地下储油库的最佳选择地点。裕廊岛位于新加坡西部，是由7个小岛填海造陆而成的人工岛，这里是新加坡的石化产业基地，也是全球第三大石油贸易中心和炼油中心。图 3为新加坡海底地下石油储存库的布局示意图。

图 3

Fig. 3

图 3 新加坡海底地下石油储存库示意 Fig. 3 Sketch map of subsea underground oil storage cavern in Singapore

由于该地下石油储存库建于海平面以下，在地下硐室开挖建设过程中，海水入侵和地下水渗漏成为需要首先考虑的问题，如水对岩石强度弱化特性的影响分析、地下水渗流场分析、硐室开挖围岩在流固耦合作用下的稳定性分析等。为此，地下石油储存库项目建设方裕廊集团（Jurong towncorporation，JTC）委托新加坡南洋理工大学对硐室建设的全过程进行了大量的室内试验、现场监测和数值模拟研究，并随着工程建设的进度已经取得了一些极具工程实践和技术指导意义的研究成果^{[20, 21, 22, 23]}。目前，该地下储油库第1阶段工程已经完成，最初的两座岩洞已于2013年完工，采用水封油库的方式储油。此外，新加坡政府还计划2014年在海床下100m深处挖掘5个地下储油库。5座岩洞共有9座储油长廊，每座长廊有9层楼高，可以容纳相当于64座奥运会标准游泳池的液体量。全部完工后的总储油量接近400 Mm³，储油总量可供新加坡全国人民使用1个月。

为了创造空间容纳新增人口，新加坡有意在地下打造更为广阔的地下公共空间，如新加坡计划在肯特岗（KentRidge）公园附近打造一座相当于30层楼的地下科学城。肯特岗公园的表层由砂岩、砾岩和石灰岩3种不同的岩石组成，并含有丰富的断裂和褶皱带，但在50~60 m以下的地下岩层，却具备相当好的工程地质条件，围岩稳定性好，可以建造多功能地下设施。

图 4为新加坡地下科学城的概念示意图，从图中可以看到2个明显的竖井。由于新加坡地势平坦，其地下空间的开发依托深大竖井的建设，大型机械设备和人员都通过竖井进入地下空间。该类地下空间开发的竖井直径一般在30 m以上，最高可达60 m，开挖深度在80~100 m。如此巨大的竖井工程建造也存在一系列和岩土工程有关的科学和技术难题，如竖井开挖方法、竖井稳定性、竖井通风排水等。随着工程技术的进步，新加坡也越来越倾向于应用这种深大竖井来开发和建设大型地下空间工程，如地下科学城、地下医院、地下物流等。

图 4

Fig. 4

图 4 新加坡地下科学城概念 Fig. 4 Concept map of underground science city in Singapore