房萬領，李學云，田德培，王林海

（天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津300191）

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天津城市建設工程地質(zhì)穩(wěn)定性綜合分析

房萬領，李學云，田德培，王林海

（天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津300191）

摘要：本文根據(jù)天津市多年來取得的活動斷裂及地殼穩(wěn)定性調(diào)查資料，以構(gòu)造穩(wěn)定性研究為主，配合城市建設巖土體穩(wěn)定性和地面穩(wěn)定性的研究，采用GIS的分層分析方法，對天津城市建設工程地質(zhì)穩(wěn)定性進行了綜合評價。以現(xiàn)今構(gòu)造應力場新構(gòu)造運動特點和地殼垂直變形和水平形變資料為依據(jù)，綜合分析討論了現(xiàn)今構(gòu)造活動和地震活動規(guī)律。結(jié)合本區(qū)介質(zhì)穩(wěn)定性和地面穩(wěn)定性，將寧河、漢沽地區(qū)及寶坻西部至武清河西務地區(qū)劃為較不穩(wěn)定區(qū)；將薊縣北部山區(qū)和大港南部劃為較穩(wěn)定區(qū)；其余地區(qū)為過渡區(qū)，劃為次較穩(wěn)定區(qū)。根據(jù)建筑抗震設計規(guī)范的有關規(guī)定，本區(qū)在城市建設規(guī)劃時可不考慮區(qū)內(nèi)斷裂活動性對建筑物的影響。

關鍵詞：構(gòu)造穩(wěn)定性；工程地質(zhì)穩(wěn)定性；介質(zhì)（巖土體）穩(wěn)定性；地面穩(wěn)定性；城市發(fā)展

資助項目：國土資源部項目“天津市基巖地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查與區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價（1212011220232）”

城市的發(fā)展將帶動區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高。發(fā)達國家的人口約有70%～80%都居住在城市[1]。我國約有1/3人口居住在各大小城市[2]，城市化水準還偏低。隨著經(jīng)濟的穩(wěn)步、快速發(fā)展，城市化建設的進程也必然加快。天津市作為北方的經(jīng)濟中心，國際港口城市，生態(tài)城市，近年來城市建設飛速發(fā)展。從城市發(fā)展的歷史長河中可知，惡劣的地質(zhì)環(huán)境制約城市的發(fā)展，而優(yōu)越的地質(zhì)環(huán)境使許多城市歷經(jīng)數(shù)千年而長盛不衰[3-4]，因此，要保證城市建設可持續(xù)發(fā)展，必須依據(jù)城市的地質(zhì)環(huán)境條件，科學地確定城市發(fā)展的性質(zhì)和規(guī)模，充分發(fā)揮地質(zhì)環(huán)境的效應和潛能，使之與城市規(guī)劃和建設相協(xié)調(diào)。本文在全面闡述天津區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景基礎上，分析了天津地區(qū)淺部巖土體工程地質(zhì)特征，并綜合構(gòu)造活動性、地基介質(zhì)條件以及地面穩(wěn)定性對天津市工程地質(zhì)穩(wěn)定性進行了評價，以期為城市規(guī)劃和建設提供基礎理論依據(jù)，實現(xiàn)城市減災防災，保障城市健康持續(xù)發(fā)展。

1　區(qū)域地質(zhì)特征

1.1構(gòu)造位置特征

天津市地處華北地臺北緣，跨越燕山臺褶帶和華北斷坳。華北斷坳北界為寶坻斷裂、薊運河斷裂和昌黎-寧河斷裂與燕山臺褶帶為界，西界為太行山山前斷裂，東界為郯廬斷裂。地理上包括了現(xiàn)代海河的大部分及天津全部、河北、山東、遼寧的一部分。是周邊被一系列深大斷裂和隆起山區(qū)圍成的斷陷塊體。本區(qū)域構(gòu)造格架主要是兩坳夾一隆。由西向東為冀中坳陷、滄縣隆起和黃驊坳陷（圖1）。隆起區(qū)基巖頂面埋深在千米左右，而坳陷區(qū)基巖埋深達八九千米。

1.2斷裂分布特征

天津市位于北東向河北平原斷裂帶和北西向張家口-渤海斷裂帶的交匯部位。境內(nèi)基底斷裂縱橫交錯，按深度可劃分為巖石圈斷裂、殼斷裂和蓋層斷裂三類，按展布方向可歸納為北東東-近東西向、北東-北北東向、北西-北北西向、南北或近南北向四組。北東向斷裂主要有滄東斷裂、天津斷裂、大寺斷裂等；北西向或近東西向斷裂有海河斷裂、薊運河斷裂、寶坻斷裂、薊縣斷裂等。據(jù)初步研究，多數(shù)屬于活動性斷裂。滄東斷裂在與薊運河斷裂相交的苗棗莊至裴莊一帶，上斷點已影響到埋深50 m以上更新統(tǒng)中上部。根據(jù)地震地質(zhì)調(diào)查和歷史地震資料，沿斷裂帶附近迄今數(shù)百年間及唐山地震前后曾多次發(fā)生4～6級地震，在七里海附近曾發(fā)生4.2～4.9級地震達5次之多，說明斷裂在晚更新世仍在活動的斷裂。根據(jù)淺層人工地震探測資料，漢沽斷裂在楊家泊和付村一帶斷裂上斷點埋深分別達38～50 m，進入上更新統(tǒng)中上部。唐山地震時沿斷裂帶曾發(fā)生過4次4級以上的地震，其中兩次震級大于6級，是本區(qū)震害最嚴重的地區(qū)之一，說明漢沽斷裂是現(xiàn)今仍在活動的斷裂[5-8]。這些斷裂相互交匯，有些屬規(guī)模大、活動性強的斷裂，是潛在的震源區(qū)（圖2，表1）。

圖1　區(qū)域構(gòu)造位置分區(qū)圖Fig.1 Map of the Regional tectonic location

圖2　天津市斷裂構(gòu)造分布圖Fig.2 Tianjin fault structure distribution

1.3地震活動與地震災害

1.3.1區(qū)域地震活動帶

華北地區(qū)很多斷裂帶往往是地震十分活躍的地區(qū)，90%的地震發(fā)生在構(gòu)造斷裂帶上。大地震常常發(fā)生在構(gòu)造斷裂帶的交匯部位。

張家口-渤海地震帶：呈北西向至北西西向展布。張家口-渤海斷裂帶及其鄰近地區(qū)，從公元294年起至今，約有26次6級以上的地震和大量的中小地震，大部分地震群集中于斷裂帶與北東向斷裂帶交匯的地段，形成若干個地震密集區(qū)。近代有名的地震為1679年三河8級地震，1969年渤海7.4級地震。

河北平原地震帶：呈北北東向展布，河北平原帶內(nèi)發(fā)生≧4.7級地震達40多次，近代有名的1969年河間6.3級和1976年唐山7.8級地震均發(fā)生在該帶內(nèi)。天津地區(qū)位于華北強震區(qū)，地震空間分布顯示是不均勻性和呈帶狀特點。

天津市跨越了上述兩個強震帶。自公元294年以來，Ms≧4.7級地震明顯呈現(xiàn)北西和北東向活動格局，華北地區(qū)Ms≧4.7級地震172次。

1.3.2天津及鄰區(qū)地震活動概況

天津市以中小地震活動為主，并主要發(fā)生在本市的中東部，即靠近寶坻至寧河、漢沽一帶（圖3）。其周邊地震活動強度高，是直接影響本市的地震活動。如唐山大地震引發(fā)的寧河6.9級、6.2級強震。

天津及鄰區(qū)地震災害有歷史資料記載以來，天津地區(qū)共發(fā)生5級以上地震18次，其中較大的有5次（表2）。

除天津地域內(nèi)的地震外，導致天津震害較為嚴重的大多數(shù)是鄰區(qū)的強烈地震。據(jù)記載鄰區(qū)發(fā)生的造成天津Ⅵ度以上破壞的地震共6次（表3）。

表1　天津市及周邊主要斷裂一覽表Tab.1 Main fault structure of Tianjin and its surrounding area

圖3　天津及鄰區(qū)Ms≧5.0歷史地震分布圖Fig.3 Historical earthquake distribution map of Ms≧5.0 in Tianjin and adjacent regions

表2　天津地區(qū)地震歷史記錄表Tab.2 Earthquake history log sheet of Tianjin

表3　天津鄰區(qū)地震歷史記錄表Tab.3 Earthquake history log sheet of Tianjin adjacent area

1976年唐山7.8級地震對天津市的破壞最為嚴重。寧河、漢沽的地震烈度達Ⅸ度，塘沽大部分地區(qū)達Ⅷ度，市區(qū)及其他地區(qū)為Ⅶ度，市區(qū)部分地區(qū)存在Ⅷ度異常區(qū)。近年來本區(qū)還發(fā)生了2002年5月19日寧河ML4.7級地震；2003年4月寧河小震群最大震級ML4.3級地震；2003年12月塘沽小震群最大震級ML4級地震；2003年8月寶坻林亭口ML3.7級地震；這些地震的發(fā)生說明區(qū)域應力在調(diào)整中。

2　天津地區(qū)淺部巖土體工程地質(zhì)特征

天津市除北部基巖裸露外，其余地區(qū)均為第四系松散沉積層分布區(qū)，北部地區(qū)第四系地層較薄，數(shù)米到300 m，其他平原區(qū)厚度為300到410 m，巖性主要是粘土、砂質(zhì)粘土、輕亞粘土、粉細砂及淤泥組成各類土層。高層大型工程建筑物對地基影響深度一般為20～30 m，超高層巨型建筑物或地下道路工程對地基影響深度達40～50 m以上，因此本文側(cè)重研究查明50～60 m以上淺部的工程地層特性，特別是主要持力層和軟弱層的組成、結(jié)構(gòu)、厚度、埋深及分布規(guī)律，以及它們對建筑地基強度和變形直接影響的特性[9]。

根據(jù)土層的沉積相、地層巖性及其厚度、土層所處含水部位、土層的物理力學性質(zhì)和分層標觀測資料，該層土層主要是全新統(tǒng)及更新統(tǒng)上部地層，主要是河漫灘相地層（第一陸相層）、淺海相地層（第一海相層）及第二陸相層。其中第一陸相層承載力較低，但仍可做天然地基。第一海相層為軟弱地層，主要巖性為淤泥質(zhì)土及淤泥，不能做地基基礎。第二陸相層為漫灘相及海陸交互相地層為中高強度持力層（表4）。將天津市區(qū)第四系地層劃分為8個工程地質(zhì)層，各層主要巖性及物理力學性質(zhì)（表4）。

表4　天津市區(qū)第四系工程地質(zhì)特征綜合表Tab.4 Quaternary engineering geology characteristic in Tianjin urban district

3　存在的主要工程地質(zhì)問題

3.1地面沉降

地面沉降是當前天津市最為嚴重的地質(zhì)災害之一，寶坻城關以南的廣大平原區(qū)均有不同程度地面沉降，面積達9 538 km2，形成了市區(qū)、塘沽區(qū)、漢沽區(qū)、大港區(qū)及海河下游工業(yè)區(qū)等沉降中心。由于歷史上長期抽取地下水，地面沉降災害由來已久，隨著天津市的多年控制沉降治理及替代水源的逐步配套，市區(qū)及濱海新區(qū)沉降量已經(jīng)基本得到控制，但每年還保持著20 mm左右的沉降速率。天津市地面沉降災害影響因素非常復雜，地面沉降產(chǎn)生的原因可歸納為自然因素和人為因素兩類。從天津市地面沉降動態(tài)監(jiān)測和現(xiàn)狀沉降分析，人為因素造成的區(qū)域性沉降量，已遠遠大于自然因素產(chǎn)生的沉降量（圖4）。

3.2軟土地基

軟土具有強度低，壓縮性高和透水性小等對工程建設不利的特點。本市的軟土主要是埋藏于全新統(tǒng)中段內(nèi)第一海相層中的淤泥質(zhì)粘土和淤泥，在濱海地區(qū)厚度大，分布廣，尤其是濱海平原區(qū)及潮間帶區(qū)為甚。此外，還有陸相黑色或灰色淤泥質(zhì)土和淤泥，分布薊縣山前沖洪積扇前緣與平原區(qū)交界部位，一般埋深較淺，近于地表埋深0.2～2 m，最深為4 m，一般厚為0～1.4 m，最厚為2.7 m。在淤泥質(zhì)土中多夾泥炭層，俗稱“馬糞土”，為山前沖洪積扇前緣地下水溢出帶為湖沼沉積。

在軟土地基修建各類建筑物時，必須注意地基的變形和穩(wěn)定，稍有疏忽，將導致建筑物產(chǎn)生過量沉降或差異沉降，進而導致其開裂、失穩(wěn)，最終產(chǎn)生破壞。

3.3地基土的液化

可以液化的土類主要是飽和砂性土和飽和粉砂。根據(jù)1976年7月28日唐山7.8級地震震害砂土液化調(diào)查資料，結(jié)合多年來已有的地基勘察液化判別資料，劃出了天津市液化區(qū)域和可能液化區(qū)的范圍（圖4）。從土層埋藏條件分析，可液化土層上覆土層厚度多小于6～8 m，地下水埋深小于2 m。故認為本區(qū)都屬可液化范圍。從土性特征來看，就粉土而言，根據(jù)顆分資料粘粒含量Pc（%）多為小于13%，屬可液化土層。根據(jù)上述影響砂土液化諸因素的分析，結(jié)合唐山7.8級地震液化的實地調(diào)查資料，可以看出液化帶的分布特征：多沿海河及北運河沿岸分布；沿薊運河及其支流如泃河、州河、箭桿河、鮑丘河、窩頭河等沿岸分布；沿現(xiàn)代海岸及潮間帶地區(qū)分布。砂土液化是較復雜的工程地質(zhì)問題，是否液化取決于地質(zhì)條件和地震條件等因素綜合作用的結(jié)果，液化土層的分布受地質(zhì)年代、成因類型、地下水條件及地形地貌等條件制約。

4　天津地區(qū)工程地質(zhì)穩(wěn)定性綜合性評價及分區(qū)

4.1綜合性評價原則

（1）以構(gòu)造穩(wěn)定性評價為重點，配合介質(zhì)穩(wěn)定性和地面穩(wěn)定性進行綜合評價[10-11]。

（2）根據(jù)《工程地質(zhì)調(diào)查規(guī)范》[12]在區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價與分區(qū)中，在穩(wěn)定性方面按4級劃分的基礎上，結(jié)合本區(qū)特點進一步進行細分（表5）。

（3）時間和空間上，分別側(cè)重選用第四紀以來的時限范圍和地殼表層的穩(wěn)定程度。

表5　天津市區(qū)域穩(wěn)定性等級劃分表Tab.5 Regional stability grade division in Tianjin urban district

圖4　天津市1967-1985年地面沉降累計沉降等值線和地基土液化范圍分布圖Fig.4 Contour map of accumulative surface subsidence in Tianjin 1967-1985 and Distribution diagram of the foundation soil liquefaction range

4.2綜合評價指標

采用GIS的層次分析方法進行地殼穩(wěn)定性綜合評價，并結(jié)合本區(qū)情況將構(gòu)造活動（包括斷層活動、地震、地殼變形做主要因素）、介質(zhì)工程地質(zhì)條件、地面變形等做參考指標，根據(jù)各個因子對穩(wěn)定性影響程度，專家打分確定權(quán)重系數(shù)（表6）。

4.3綜合性評價及分區(qū)

4.3.1穩(wěn)定性綜合評價

（1）構(gòu)造穩(wěn)定性

1）構(gòu)造穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為斷裂的現(xiàn)今活動強度及其與地震活動強度和頻度的關系。從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景分析可知，天津地區(qū)跨越張-渤地震帶及河北平原地震帶。地震群集于張-渤斷裂帶與北東向斷裂帶交匯地段，本區(qū)以中、小地震活動為主，主要發(fā)生在市區(qū)的中東部即靠近寧河、漢沽一帶，其周邊地震活動強度高，直接影響到本地區(qū)地震活動；2）第四紀活動斷裂的海河斷裂、薊運河斷裂等上斷點埋深約在100 m以下，說明斷層最新活動時間在晚更新世以前，大部分在Q1-Q3之間，尚未在全新世（Q4）地層中發(fā)現(xiàn)斷點；3）本區(qū)薊縣山區(qū)和大港南部地區(qū)地震烈度為Ⅵ度，峰值加速度為0.10 g；薊縣山前平原至寶坻北部和中心城區(qū)、新四區(qū)、靜海及大港北部等地區(qū)地震烈度為Ⅶ度，峰值加速度為0.15 g；寧河、漢沽地區(qū)及寶坻西部-武清河西務地區(qū)地震基本烈度Ⅷ度，峰值加速度為0.20 g。本區(qū)不存在穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)。

表6　地殼穩(wěn)定性分級評價指標確定Tab.6 Earth crust stability grading evaluation index

（2）巖土體穩(wěn)定性

巖土體穩(wěn)定性亦即介質(zhì)穩(wěn)定性，主要考慮作為建筑物持力層的穩(wěn)定性。本區(qū)北部為低山丘陵區(qū)，基巖裸露多為塊狀，以層狀巖石為主，這些地區(qū)穩(wěn)定性較好。沖洪積平原區(qū)以硬地基土為主，穩(wěn)定性較好，東部濱海平原區(qū)廣布軟土，自西而東靠近海岸帶地區(qū)厚度增大，土體穩(wěn)定性差。

（3）地面穩(wěn)定性

本區(qū)外動力地質(zhì)作用較弱，在1986年以前市政府對控制沉降未采取治理措施前，市區(qū)、塘沽、漢沽、大港等地區(qū)地面變形較大，出現(xiàn)數(shù)個漏斗區(qū)，采取控沉措施之后上述現(xiàn)象得到控制，可以認為地面基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3.2穩(wěn)定性綜合分區(qū)

根據(jù)上述評價原則及評價指標作如下分區(qū)（圖5）：

（1）天津地區(qū)總體上屬較穩(wěn)定區(qū)（Ⅱ），局部地段屬較不穩(wěn)定區(qū)（Ⅲ），沒有穩(wěn)定區(qū)（Ⅰ）和不穩(wěn)定區(qū)（Ⅳ）。

（2）寧河、漢沽地區(qū)以及寶坻西部-武清河西務地區(qū)為較不穩(wěn)定區(qū)（Ⅲ）。（3）薊縣北部山區(qū)和大港的南部為較穩(wěn)定區(qū)（Ⅱ1）。（4）其余地區(qū)為過渡區(qū)，劃為較穩(wěn)定區(qū)（Ⅱ1）和次較穩(wěn)定區(qū)（Ⅱ2）。

5　結(jié)論與建議

（1）以構(gòu)造活動為主結(jié)合地基介質(zhì)條件及地面

穩(wěn)定性將天津地區(qū)劃分為三個分區(qū)：

圖5　天津工程地質(zhì)穩(wěn)定性綜合評價分區(qū)圖Fig.5 Comprehensive evaluation zoning map of engineering geology stability in Tianjin

1）寧河、漢沽地區(qū)及寶坻西部—武清河西務地區(qū)。地震基本烈度Ⅷ度，峰值加速度為0.20 g；2）大港南部和薊縣北部山區(qū)為次穩(wěn)定區(qū)（Ⅱ1）；3）除上述兩區(qū)（Ⅲ、Ⅱ1）外，其他地區(qū)均為較穩(wěn)定區(qū)（Ⅱ）。中心城區(qū)及重點建設區(qū)雖跨越海河斷裂，斷裂在更新世早、中期有活動跡象，但海河斷裂東段及中段活動性弱，不具備發(fā)生中強地震的條件，海河斷裂西段雖具有一定的潛在活動性，但仍沒有發(fā)生中強地震的條件。

（2）在地層劃分的基礎上，對城市建設區(qū)各典型工程地質(zhì)層的物理力學指標進行了對比區(qū)分，并對各工程地質(zhì)層進行了工程地質(zhì)評價，將建設區(qū)內(nèi)0～410m厚度內(nèi)自上而下劃分為8個工程地質(zhì)層。以此劃分標準為依據(jù)，將平原區(qū)30 m以淺地基土的穩(wěn)定性進行了劃分，中上部承載力普遍較低，下部為中高強度的持力層。

（3）在前人地質(zhì)構(gòu)造研究成果基礎上，進一步確定了對城市建設區(qū)內(nèi)構(gòu)造穩(wěn)定性具有決定影響的幾條較大的第四紀以來有過活動斷裂，即海河斷裂、天津斷裂、滄東斷裂、大寺斷裂與宜興阜斷裂。雖然晚更新世以來和全新世在城市建設區(qū)基本未見活動，但還是要注意在城市規(guī)劃和工程建設中對其避讓。

（4）本區(qū)發(fā)育有軟土和飽和易液化砂（粉）土等不良工程地質(zhì)層，局部地區(qū)是場地液化和震陷的易發(fā)區(qū)。在地震災害曾經(jīng)較嚴重的區(qū)域，易產(chǎn)生地震引發(fā)的破壞，工程建設中需做專門性工作，結(jié)合具體建筑工程，加強場區(qū)的液化判別和震陷的評價工作。

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中圖分類號：P642.4

文獻標識碼：A

文章編號：1672-4135（2016）01-0064-07

收稿日期：2015-06-09

作者簡介：房萬領（1960-），男，1983年畢業(yè)于河北地質(zhì)大學水文地質(zhì)專業(yè)，現(xiàn)從事國內(nèi)外水工環(huán)地質(zhì)勘探評價、地球物理勘探和礦產(chǎn)地質(zhì)勘探與評價工作，Email：fangwanling@126.com。

Comprehensive evaluation and analysis on the engineering geological stability of Tianjin urban construction

FANGWan-ling，LI Xue-yun，TIAN De-pei，WANGLin-hai

(Tianjin Instituteof Geological Survey and Research, Tianjin300191)

Abstract：According to the survey data of active faults and crustal stability, a comprehensive evaluation of Tianjin urban construction engineering geological stability was carried with GIS hierarchical analysis method in this paper. The study on tectonic stability was major aspect while the study on urban construction medium stability and ground stability were complementary. Based on the new characteristics of current tectonic stress field movement and thedataof crustal vertical deformation and horizontal deformation, acomprehensiveanalysis of current tectonic activity and earthquakeactivity ruleswerediscussed. Combined with themedium stability and ground stability, the Ningheregion, Hangu region and theregion of Bodi west to Wuqing Hexiwu wereclassified to lessstability; the Jixian northern mountainsand Dagang south wereclassified to quitestability; therest regions were classified to the transition area, that is the quite stability and secondary stability.According to the relevant standards of building seismic design, it is not necessary to consider the effects of faults activity on the buildings for thisresearchareaincity constructionplanning.

Key words：Engineeringgeological stability; tectonicstability; medium(rock andsoil) stability; groundstability