史玉金, 嚴學新, 陳大平

(1.上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2.上海交通大學，上海 200240)

上海海陸一體工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建及地質(zhì)條件評價

史玉金1,2, 嚴學新1, 陳大平1

(1.上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2.上海交通大學，上海 200240)

上海新一輪城市總體規(guī)劃提出了面向海洋發(fā)展的戰(zhàn)略，對地質(zhì)工作提出了新的需求。文章充分分析了上海海岸帶陸域和水域大量工程地質(zhì)鉆孔資料，以第四紀地質(zhì)研究成果為構(gòu)建基本原則，構(gòu)建了海陸一體工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)，共劃分出了10個工程地質(zhì)層和19個亞層及次亞層，分析得出了主要特殊土體有沖填土、軟土、液化砂土等。文章評價了海陸一體工程地質(zhì)條件，受古河道切割影響工程地質(zhì)條件總體較為復雜，在此基礎上提出了工程地質(zhì)條件分區(qū)，為沿江沿海工程建設提供了基礎依據(jù)。

海岸帶；海陸一體；工程地質(zhì)條件；特殊土；沉積環(huán)境

《上海市城市總體規(guī)劃(2015—2040)》提出強化跨區(qū)域戰(zhàn)略引領(lǐng)和協(xié)同發(fā)展，面向海洋，重視海陸空間的一體化發(fā)展，加強對浦東濱江沿海、杭州灣北岸、長江崇明三島等沿海、沿江重大戰(zhàn)略地區(qū)的空間統(tǒng)籌力度。上海海岸帶地區(qū)是今后城市發(fā)展空間拓展的重要延伸地區(qū)，目前，海岸帶地區(qū)重大工程密集分布，海河床侵蝕淤積規(guī)律復雜，灘涂濕地環(huán)境保護與后備土地資源開發(fā)矛盾突出，海岸帶地區(qū)規(guī)劃、建設和管理需要工程地質(zhì)調(diào)查評價等成果支撐。

伴隨上海沿海地區(qū)工程活動的逐步開展，工程建設過程中面臨的工程地質(zhì)問題也日益凸顯。如沿海地區(qū)工程地質(zhì)條件的復雜性將對新城鎮(zhèn)、工業(yè)區(qū)、重大工程的規(guī)劃和建設產(chǎn)生明顯的影響；岸帶沖淤、地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問題發(fā)展及變化趨勢將對重大工程的安全運營帶來不同程度的影響；海岸帶地區(qū)工程活動日漸增多，合理評價不同類型工程地質(zhì)條件適宜性對保障工程安全、節(jié)省投資成本至關(guān)重要。

2012年，中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所和上海市合作開展了上海海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查和監(jiān)測預警示范項目，投入了大量實物工作，開展了綜合地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查。本文利用項目已有地質(zhì)鉆孔資料，結(jié)合長江河口第四紀地質(zhì)研究成果，同時分析上海陸域已有大量地質(zhì)資料，構(gòu)建海陸一體工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)，分析海陸一體工程地質(zhì)層埋藏分布規(guī)律，結(jié)合沿江沿海工程建設特點，進行工程地質(zhì)分區(qū)評價，可為沿江沿海規(guī)劃提供基礎科學依據(jù)，同時也可作為重大工程規(guī)劃和建設的前期地質(zhì)基礎。

1 海陸一體工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建

上海市陸域工程地質(zhì)工作程度較高，全市已達到1∶5 萬精度，而海域調(diào)查精度較低，僅有以往水域調(diào)查和近年來重大工程巖土工程勘察積累的地質(zhì)資料，精度遠未達到1∶5 萬。

因此本次海陸一體工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建鉆孔選擇原則為有選擇性的利用陸域部分工程地質(zhì)鉆孔，同時基本全部利用水域鉆孔，利用鉆孔數(shù)量將近2 000只(圖1)。構(gòu)建方法為通過對工程地質(zhì)鉆孔對比分析，同時結(jié)合第四紀地質(zhì)研究成果，以第四紀沉積時代及成因為準則進行工程地質(zhì)層劃分，以巖性為準則劃分亞層和次亞層。層次劃分盡量沿用上海地區(qū)工程勘察所慣用的地基土層序號，如②3層屬河口相沉積，屬工程地質(zhì)大層，但由于上海地區(qū)勘察及建設中該序號已經(jīng)得到廣泛使用，其已經(jīng)代表了淺部砂層，因此本次該層序號仍然使用②3，而不把下標刪除[1]。根據(jù)以上工程地質(zhì)層劃分原則，結(jié)合上海地區(qū)的特點及工程地質(zhì)研究需要，對海域及陸域進行統(tǒng)一分層，并沿垂直地貌單元和平行地貌單元繪制出了15條工程地質(zhì)剖面，在此基礎上構(gòu)建了海陸一體工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)(表1)，圖2是其中一條典型剖面，顯示了海陸一體工程地質(zhì)層對比，并利用GIS建立了海陸一體工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型(圖3)。

圖1 利用工程地質(zhì)勘探點位置示意圖Fig.1 Sketch map of engineering geological borehole spot in Shanghai coastal area

地質(zhì)時代土層序號土層名稱頂面標高/m常見厚度/m成因類型狀態(tài)或密實度分布特征①1雜填土0.4～2.7人工松散陸域遍布①3沖填土5.5～0.80.4～6.0人工松散、流塑新近圍墾區(qū)Qh3②1褐黃色黏性土4.4～0.70.5～3.4濱?！涌诳伤?軟塑陸域遍布②3灰色粉性土、粉砂3.5～-20.00.9～29.4濱?！涌谒缮?稍密遍布②3'灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土-0.3～-14.51.0～13.9濱?！涌诹魉芩驈V布全新世QhQh2③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土1.6～-4.72.8～9.0濱?！珳\海流塑陸域局部④灰色淤泥質(zhì)黏土-2.5～-29.41.2～22.3濱?！珳\海流塑遍布⑤1-1灰色黏土-11.1～-33.71.0～15.9濱海、沼澤流塑-軟塑遍布⑤1-2灰色粉質(zhì)黏土-13.5～-38.11.4～31.0濱海、沼澤軟塑-可塑遍布Qh1⑤2灰色粉性土、粉砂-19.5～-50.23.0～19.2濱海、沼澤稍密-中密近岸區(qū)域⑤3灰色粉質(zhì)黏土夾砂-21.8～-53.81.2～27.0溺谷可塑河口區(qū)遍布⑤4灰綠色粉質(zhì)黏土-27.3～-53.61.0～5.7溺谷可塑-硬塑局部⑥暗綠-褐黃色粉質(zhì)黏土-10.7～-31.81.4～4.8河口～湖沼可塑-硬塑陸域及杭州灣水域廣布⑦1草黃色砂質(zhì)粉土-13.1～-32.82.0～10.8河口～濱海中密-密實Qp32⑦2灰黃-灰色粉砂-28.1～-56.12.8～36.0河口～濱海密實晚更新世Qp3⑧1-1灰色黏土-19.0～-59.32.5～16.7濱?！珳\海軟塑-可塑廣布⑧1-2灰色粉質(zhì)黏土-30.4～-58.94.5～12.0濱?！珳\?？伤軓V布⑧2灰色粉質(zhì)黏土夾粉砂-32.3～-60.42.5～26.5濱?！珳\?？伤鼙椴糛p31⑨青灰色粉、細砂-57.0～-77.810～30.0濱海～河口密實遍布

注：頂面標高及厚度為水域和陸域統(tǒng)一統(tǒng)計值

圖2 工程地質(zhì)剖面示意圖Fig.2 Sketch map of engineering geological section

圖3 上海海岸帶地區(qū)海陸一體工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維模型示意圖Fig.3 Sketch map of 3-D engineering geological structure model integrating land and sea in Shanghai coastal area

上海海岸帶水域和陸域工程建設影響范圍內(nèi)100 m以淺共劃分出10個工程地質(zhì)層和19個亞層及次亞層，包括全新統(tǒng)濱海-河口相的淺部砂層(②3)、濱海-淺海相的軟土層(③、④)、濱海、溺谷相的黏夾砂性土層(⑤)，上更新統(tǒng)湖沼相的硬土層(⑥)、河口-濱海相的砂層(⑦)、濱海-淺海相的黏性土層(⑧)和河流相的砂層(⑨)。

2 特殊土體沉積環(huán)境規(guī)律及其工程特性

上海海岸帶地區(qū)主要的特殊土體有沖填土、軟土、液化砂土等(圖4)，具有不良工程地質(zhì)特性，對工程建設影響較大。

圖4 上海海岸帶地區(qū)特殊土體分布示意圖Fig.4 Sketch map of special soil layer divisions in Shanghai coastal area

2.1 沖填土

沖填土為新近人工吹填形成，在沿江、海岸帶新近成陸地區(qū)發(fā)育，巖性變化較大。沖填土按照填料可分為二類，Ⅰ類填料以粉性土為主，飽和，稍密，Ⅱ類填料以黏性土為主，飽和，流塑。沖填土按照吹填時間的長短也可分為新近沖填土和老沖填土，老沖填土固結(jié)時間一般大于10年，其中填料為粉性土區(qū)的自重固結(jié)已完成，而填料為黏性土區(qū)域，由于排水條件不好，自重固結(jié)尚未完成。新近沖填土土質(zhì)非常軟弱，固結(jié)時間小于5年，自重固結(jié)尚未完成。圖5為上海臨港新城地區(qū)沖填土吹填時間及分類圖[2]。

圖5 臨港新城區(qū)沖填土分布示意圖Fig.5 Sketch map of dredger fill distribution in Shanghai Lingang new city

沖填土處于欠固結(jié)狀態(tài)，天然地基承載力低，不宜直接作為天然地基持力層，是影響軌道交通、防汛、地下管網(wǎng)建設的主要不良地質(zhì)現(xiàn)象。此外，以粉性土為主的沖填土為可液化土層，易產(chǎn)生震動液化和滲流液化現(xiàn)象，地下管線布設、地下空間開發(fā)中應考慮防治液化的地基基礎處理問題。

2.2 飽和液化砂土

上海海岸帶地區(qū)飽和液化砂土主要為淺部砂層(②3)，該層除杭州灣以外廣泛分布。結(jié)合第四紀地質(zhì)研究成果，分析其沉積環(huán)境為：約2 cal ka BP以來，長江三角洲迅速向海推進，三角洲前緣在北港、北支口門大約2 cal ka BP開始發(fā)育，而在攔門沙區(qū)域則在1 cal ka BP以內(nèi)才開始發(fā)育，在上海陸域由前三角洲相、瀉湖相逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槌遍g帶—潮下帶和湖沼相，并經(jīng)歷了自西向東的成陸過程，沉積了一套以砂質(zhì)粉土和黏質(zhì)粉土為主的粉性土層[3]。

該液化砂土(②3)埋藏淺，厚度大，陸域地區(qū)巖性一般以灰色砂質(zhì)粉土為主，局部為粉砂或黏質(zhì)粉土，而海域則以灰—灰黃色粉砂為主。陸域地區(qū)埋深變化不大，層頂標高一般均大于2 m，海域受水深影響埋深變化大，九段沙、崇明東灘、南匯東灘、橫沙淺灘等灘涂地區(qū)水深淺，埋深較淺，頂面標高在-1～-4 m之間，而南港和東部地區(qū)由于水深大而埋藏較深，層頂標高一般均小于-7 m，最深達-22 m。工程建設時應注意由其引起的砂土震動液化及滲流液化問題。

2.3 軟土

上海海岸帶地區(qū)軟土層(③、④)普遍分布，僅崇明島西北端、南支航道局部缺失。軟土層以淤泥質(zhì)黏性土為主，其中第③層以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，第④層基本為淤泥質(zhì)黏土，海域局部地區(qū)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，均為淺海相沉積。其沉積環(huán)境為：約在8.0～5.0 ka B.P.，古氣候趨向暖熱潮濕，海平面再度顯著上升，成為全新世海侵的最盛期，海侵范圍直抵江蘇鎮(zhèn)江，整個海岸帶陸域及水域淪為濱岸淺海環(huán)境，堆積了深灰色淤泥質(zhì)黏土(④)。約在5.0～3.0 ka B.P.，古氣候趨向溫涼稍干，致使海面略有下降，海岸線隨之略為向東后撤，在黃浦江以東的長江三角洲沉積區(qū)演化為河口濱海環(huán)境，主要堆積了灰色粉土與粉質(zhì)黏土互層和部分的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(③)[4～5]。

軟土層具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強度低等不良工程地質(zhì)特性，為地基沉降的主要層次，因此在高層建筑和管道工程施工過程中極易產(chǎn)生變形。此外，該兩層還具有流變和觸變特性，在基坑開挖和隧道盾構(gòu)施工過程中，易引起邊坡失穩(wěn)或地層沉降。

3 工程地質(zhì)條件分區(qū)

(1)分區(qū)原則

本次工程地質(zhì)分區(qū)的原則主要為以海陸一體工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建為基礎，結(jié)合沿江沿海工程建設特點，開展工程地質(zhì)分區(qū)及評價。一般進行二級分區(qū)，即工程地質(zhì)區(qū)、工程地質(zhì)亞區(qū)。工程地質(zhì)區(qū)，主要考慮對工程地質(zhì)條件起主導作用的因素，一般按照地貌成因類型進行劃分；工程地質(zhì)亞區(qū)，主要考慮區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)層類型及特征、水文地質(zhì)條件等因素。

(2)分區(qū)依據(jù)

根據(jù)上述分區(qū)原則，本次首先根據(jù)調(diào)查區(qū)地貌類型進行工程地質(zhì)區(qū)劃分，共劃分為4個工程地質(zhì)區(qū)，岸帶陸域為第Ⅰ工程地質(zhì)區(qū)，下三角洲平原—潮間帶區(qū)為第Ⅱ工程地質(zhì)區(qū)，杭州灣堆積平原為第Ⅲ工程地質(zhì)區(qū)，水下三角洲平原為第Ⅵ工程地質(zhì)區(qū)。

其次根據(jù)對工程建設影響較大的工程地質(zhì)層變化特征進行亞區(qū)劃分。岸帶陸域區(qū)根據(jù)全新世與更新世分界標志層(暗綠色硬土層⑥)分布特征進行劃分，有⑥層分布區(qū)為Ⅰ1工程地質(zhì)亞區(qū)，無⑥層區(qū)Ⅰ2工程地質(zhì)亞區(qū)；Ⅱ區(qū)分布較為零散，且大部分為古河道切割區(qū)，⑥層缺失，因此不再進行亞區(qū)劃分；Ⅲ區(qū)杭州灣水域地層變化不大，⑥層一般均有分布，因此亦不進行亞區(qū)劃分；Ⅳ區(qū)根據(jù)大橋及房屋建筑樁基持力層(砂土層⑦層)分布特征進行劃分，⑦層發(fā)育區(qū)為Ⅳ1工程地質(zhì)亞區(qū)，不發(fā)育區(qū)為Ⅳ2工程地質(zhì)亞區(qū)(表2，圖6)。

表2 工程地質(zhì)分區(qū)地貌特征及主要工程地質(zhì)層組合簡表

圖6 上海海岸帶地區(qū)工程地質(zhì)分區(qū)示意圖Fig.6 Sketch map of engineering geological condition divisions in Shanghai coastal area

(3)分區(qū)評價

第Ⅰ工程地質(zhì)區(qū)位于陸域，整體工程地質(zhì)條件較好，其中Ⅰ1工程地質(zhì)區(qū)地層變化不大，適宜橋梁、房屋建筑以及地下空間開發(fā)，Ⅰ2工程地質(zhì)區(qū)受到晚更新世末期古河道切割影響，地層變化大，工程地質(zhì)條件較Ⅰ1區(qū)稍差，工程建設時應特別注意地基的不均勻變形問題。

第Ⅱ工程地質(zhì)區(qū)位于河口區(qū)，工程地質(zhì)條件一般。均缺失上海地區(qū)良好天然地基持力層褐黃色黏性土層(②1層)，表土層以松散的新近沉積的沖填土為主，天然地基條件差，不適宜倉儲、物流廠房等采用淺基礎的建筑工程。但對于采用樁基礎的大橋、高層建筑等，由于下部地層變化較大，但可選擇的樁基持力層較多，適宜性一般。

第Ⅲ工程地質(zhì)區(qū)位于杭州灣北岸水域，工程地質(zhì)條件差。水下表土層以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，天然地基條件差。水下地形變化較大，尤其是金山深層水槽地區(qū)，對跨海大橋、海底隧道等影響較大，但地層總體變化不大，樁基持力層分布相對較為穩(wěn)定。

第Ⅳ工程地質(zhì)區(qū)位于長江河口水下三角洲平原地區(qū)，工程地質(zhì)條件最差。均缺失上海地區(qū)良好的樁基持力層(⑦層)，地層變化最大，對于港口、大橋、隧道等工程建設影響最大，建設中極易出現(xiàn)不均勻變形、邊坡失穩(wěn)等問題。

4 結(jié)論

(1)構(gòu)建了海岸帶地區(qū)工程建設影響范圍內(nèi)的100 m以淺海陸一體工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)，可劃分出10個工程地質(zhì)層和19個亞層及次亞層。

(2)上海海岸帶地區(qū)主要的特殊土體主要有沖填土、液化砂土、軟土，具有不良工程地質(zhì)特性，對沿江沿海地區(qū)地面建筑和地下工程建設影響較大。

(3)針對上海海岸帶因特殊土體引發(fā)的工程地質(zhì)問題，提出了防治措施。如對于沖填土問題，可采用強夯或堆載預壓方法進行地基加固；對于軟土引發(fā)的地基變形問題，施工中應采取排水預壓進行地基處理，建成后應進行變形監(jiān)測；對于砂土液化問題，應采取適當?shù)目挂夯案羲胧?，避免因流砂導致的地面塌陷?/p>

(4)根據(jù)地貌類型和主要特殊土體分布特征，探索進行了工程地質(zhì)條件分區(qū)，上海海岸帶共劃分出4個工程地質(zhì)區(qū)和6個工程地質(zhì)亞區(qū)，其中第Ⅰ工程地質(zhì)區(qū)條件最好。

[1] 嚴學新，史玉金. 上海市工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征[J]. 上海地質(zhì)，2006, 27(4):19-24.[YAN X X, SHI Y J. Structure characteristic of engineering geology in Shanghai[J]. Shanghai Geology, 2006, 27(4):19-24. (in Chinese)]

[2] 史玉金，嚴學新，周念清. 長江河口濱海地區(qū)沖填土對地面沉降效應——以上海市臨港新城為例[J]. 工程地質(zhì)學報，2007，15(3)：391-394.[SHI Y J, YAN X X, ZHOU N Q. Land subsidence induced by recent alluvia deposits in Yangtze River delta area-a case study of Shanghai Lingang new city[J]. Journal of Engineering Geology, 2007，15(3)：391-394. (in Chinese)]

[3] 李鵬，楊世倫，戴仕寶,等.近10年來長江口水下三角洲的沖淤變化——兼論三峽工程蓄水的影響[J].地理學報，2007，62(7)：707-716.[LI P, YANG S L, DAI S B,etal. Accretion/erosion of the Subaqueous Delta at the Yangtze Estuary in Recent 10 Years[J]. Acta Geographica Sinica, 2007，62(7)：707-716(in Chinese)].

[4] 邱金波，李曉.上海市第四紀地層與沉積環(huán)境[M].上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2007.[QIU J B, LI X. The Quaternary strata and sedimentary environment in Shanghai[M]. Shanghai: Shanghai Science and Technology Press, 2007. (in Chinese)]

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Engineering geological structure establishment and conditions assessment integrating land and sea in Shanghai coastal area

SHI Yujin1,2, YAN Xuexin1, CHEN Daping1

(1.ShanghaiInstituteofGeologicalSurvey,Shanghai200072,China;2.ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

The new Shanghai city general plan presents that Shanghai should develop the ocean, and puts forward the demand for the geology work. Based on analyzing a large amount of engineering geological drills information in Shanghai coastal area, and also combined the study result of Quaternary, this paper establishes the engineering geological structure integrating land and sea, and divides 10 engineering geological layers and 19 sub-layers. And through the study, this paper points out that dredger fill, soft soil, and liquefaction sand soil are the main special soils in Shanghai coastal area. According to analyze the geological conditions, this paper draws a conclusion that generally, the engineering geological conditions are complicated, and carries out engineering geological conditions division, which can provide the basic information for project construction.

coastal area; integration of land and sea; engineering geology conditions; special soil; depositional environment

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.02.15

2016-10-08;

2017-01-16

國土資源部地質(zhì)調(diào)查項目資助(GZH201200506)

史玉金(1976-)，男，高級工程師，長期從事工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查研究工作。E-mail:shiyujin1976@163.com

P642.4

A

1000-3665(2017)02-0096-06