鄭立博，陳雪梅，席愷,王少龍

(安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院，蚌埠 233000)

城市化是在一定的地質(zhì)環(huán)境中進行的，城市化進程的快慢和規(guī)模受到地質(zhì)環(huán)境條件和容量的制約。地質(zhì)環(huán)境既為城市的發(fā)展提供著活動的空間，同時也為城市可持續(xù)發(fā)展提供著不可或缺的地質(zhì)資源。地質(zhì)資源是自然資源的一部分，包括土地資源、地下水資源、礦產(chǎn)資源、地質(zhì)旅游資源和地下空間資源等。城市地下空間資源如同地表土體和地下礦產(chǎn)一樣，是一種寶貴的自然資源。

城市地下空間的開發(fā)利用，要切實做好地質(zhì)、水文、礦產(chǎn)資源的勘查。在規(guī)劃和建設(shè)中做好環(huán)境保護、礦產(chǎn)資源保護、水資源保護、文物古跡保護和現(xiàn)有人防工程保護等。地下空間的開發(fā)直接或間接與地下工程建筑材料產(chǎn)生了一定的影響，承壓地下水的水頭壓力也造成了基坑突涌、地板破壞等工程事故；同時地下工程建設(shè)與運營也對地下水資源產(chǎn)生了污染，基坑降水等施工手段也使地下水位降低，引起了一定的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害問題。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)條件和地下空間開發(fā)利用概況

研究區(qū)地處淮北平原與江淮波狀平原交接部位，自然地勢向淮河微傾。淮河以北為淮北平原的南緣，地勢開闊、平坦，微地貌類型有河漫灘和一級階地；淮河以南為江淮波狀平原的北緣，次級地貌類型有波狀平原、淺丘狀平原和丘陵等。

研究區(qū)淮河以北第四紀地層廣泛分布，沉積物由山前向平原過渡，厚度由小變大?；春右阅先笔У谒募o早更新世沉積，中、晚更新世以來沉積物成因以殘坡積、沖洪積(或風積)為主，中更新世坡積和沖洪積物廣泛分布在山前地帶，晚更新世沉積范圍擴大，山前、山間廣泛分布，巖性以粉質(zhì)粘土為主，進入全新世以來地殼上升，遭受風化剝蝕，僅在淮河支流下游的河谷地帶有少量全新世沉積物分布。

研究區(qū)地下空間資源開發(fā)利用始于1984年，近年來在市政府的高度重視和合理規(guī)劃下，城市地下空間開發(fā)利用有序開展。2013年，市人防辦組織編制了城市地下空間綜合開發(fā)利用規(guī)劃。規(guī)劃為合理高效地開發(fā)利用城市地下空間資源提供了法規(guī)性文件，也為進一步研究編制地下空間相關(guān)規(guī)劃提供了依據(jù)。

研究區(qū)中心城區(qū)已有地下空間設(shè)施利用功能比較單一，主要建設(shè)方式為人防工程，地下公共空間及地下交通設(shè)施開發(fā)尚未成為地下空間利用的主要功能；現(xiàn)有地下空間開發(fā)均以建筑地下空間利用為主，各片區(qū)核心公共建筑集中及開發(fā)強度較高的地區(qū)基本無區(qū)域內(nèi)地下空間的系統(tǒng)性開發(fā)，地下空間開發(fā)的作用得不到充分發(fā)揮；已建成區(qū)對地下空間的再開發(fā)造成障礙。

圖1 研究區(qū)遙感影像圖

2 影響地下空間開發(fā)的主要工程地質(zhì)問題

2.1 地下水與地下空間開發(fā)

2.1.1 地下水水位

(1) 地下水位與地下空間開發(fā)利用

地下空間開發(fā)利用過程中，地下水為導致基坑不穩(wěn)定的最主要的影響因素之一，而粉性土及砂土層是研究區(qū)最主要含水層，水量豐富，黏性土層為相對隔水層，水量小，地下空間開發(fā)過程主要控制粉性土、砂土層中的地下水。

以往地下空間開發(fā)經(jīng)驗表明，在地下水位較高的地區(qū)開挖基坑時，含水層被切割，若設(shè)計不當或采取措施不當，地下水進入基坑，容易造成流砂、邊坡失穩(wěn)、地基承載力下降等不良地質(zhì)現(xiàn)象，易產(chǎn)生安全事故；基坑開挖至坡底后，由于上部土體的卸載，坑底被承壓水頂破而發(fā)生涌砂、隆起的危險。部分基坑土體由于發(fā)生了較大的位移，進而可能影響鄰近建筑物安全。

由于各含水層埋藏于地表不同深度，而不同深度含水層地下水有其自身的水頭壓力，當不同深度的地下空間開發(fā)利用過程中，地下空間開挖界面將受到不同類型地下水水頭壓力的影響。以往經(jīng)驗表明，一般開挖深度小于10 m時，主要受潛水地下水影響，當深度大于10 m時，除潛水外，還受承壓含水層地下水影響，如果開挖界面所受承壓水浮托力大于上覆隔水層的土壓力時，說明開挖界面不穩(wěn)定，有產(chǎn)生突涌的可能，應(yīng)降低承壓水水頭，降低高度應(yīng)滿足設(shè)計、施工要求。

(2) 研究區(qū)含水層分布及對地下空間開發(fā)危害

影響研究區(qū)地下空間開發(fā)的含水層主要為潛水含水層、微承壓含水層和承壓含水層，潛水含水層埋藏深度基本位于0～10 m之間，微承壓含水層埋藏深度基本介于10～25 m之間，承壓含水層埋藏深度基本位于20 m以下。不同深度的開發(fā)空間均處于飽水的含水層中。

研究區(qū)中部(粉)砂層(第③-2層)下部砂層(⑥-2、⑦-2層)均為承壓含水層，當基坑開挖超過一定深度，坑底下地基不足于抵抗承壓水水頭壓力時，則有基坑突涌的可能。另外地鐵、隧道施工時，當涉及承壓含水層時，由于水頭具有承壓水，如盾構(gòu)機土艙壓力小于承壓水水頭壓力時，則會發(fā)生噴水、冒砂事件，可能造成較大危害。

2.1.2 地下水水質(zhì)

2.2 軟土與地下空間開發(fā)

(1) 在外荷作用下軟土壓縮變形量大，易產(chǎn)生較大的沉降和不均勻沉降。軟土層厚度越大、壓縮性越高，沉降量越大。在研究區(qū)淮河兩岸大部分地區(qū)涉及軟土層，在此區(qū)域進行地下空間開發(fā)，應(yīng)注意地基不均軟土變形等問題。

(2) 軟土抗剪強度低，基坑開挖時，坑邊難直立，從而導致邊坡失穩(wěn)。軟土層抗剪強度低，基坑開挖坑壁難以直立，因此基坑超過3 m一般需要采取圍護措施，根據(jù)開挖深度及周圍環(huán)境要求，需設(shè)置一道或多道支撐。

(3) 軟土具有明顯的流變特征，對于基坑工程，開挖時易產(chǎn)生側(cè)向變形和剪切破壞，導致支護結(jié)構(gòu)變形或邊坡失穩(wěn)；對于隧道工程，軟土流變及次固結(jié)變形會導致隧道縱向和橫向長期緩慢變形，且變形收斂時間長。

(4) 軟土具有明顯的觸變特征，若土體受到擾動或震動，影響土體結(jié)構(gòu)，會使強度驟然降低，導致土體沉降或滑動，使地下空間施工的安全度降低。

2.3 粉(砂)層與地下空間開發(fā)

粉(砂)層土分布區(qū)，地下空間開發(fā)過程中可能遇到的主要工程問題為流砂管涌、地基液化以及承壓水突涌等。

2.3.1 流砂與管涌對地下空間開發(fā)的影響

研究區(qū)地下水位較高，大部分基坑開挖需降水。降水過程中，坑外地下水位大于坑內(nèi)，圍護墻后側(cè)地下水向下滲流，地下水繞過墻趾后將向上滲流，在地基土中產(chǎn)生自下而上的滲透力。當水頭差增大而使水力梯度達到臨界梯度時，就會出現(xiàn)流砂現(xiàn)象。當土中滲流的水力梯度小于臨界水力梯度時，雖不致誘發(fā)流砂現(xiàn)象，但土中細小顆粒仍有可能穿過粗顆粒之間的孔隙被滲流挾帶而去，長時間滲流作用使土層中形成管狀空洞，使土體強度降低，壓縮性增大，即為“機械潛蝕”或“管涌”。

流砂、管涌形成初期往往不易被發(fā)現(xiàn)，隨著砂土中細顆粒土不斷被帶走，在地下形成越來越大的空洞，進而造成大量的土體流動，引發(fā)滑坡、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。

2.3.2 砂土震動液化對地下空間開發(fā)的影響

飽和砂土或砂質(zhì)粉土在震動作用下，土中孔隙水壓力逐漸上升，部分或完全抵消土骨架承擔的有效壓力，從而使土體承載力降低甚至完全喪失，發(fā)生地基液化。

研究區(qū)現(xiàn)狀地下空間開發(fā)利用形式主要包括地下車庫、地下商城及人防工程等，埋深5～20 m不等。該深度范圍內(nèi)涉及的飽和粉土或粉砂，在震動作用下可能發(fā)生震動液化，給地下空間開發(fā)帶來一定危害。

3 隧道工程地下空間開發(fā)工程地質(zhì)條件適宜性分區(qū)與評價

3.1 空間域設(shè)定

綜合國內(nèi)工程研究資料，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)特點，選擇10～20 m、20～30 m空間域進行隧道工程地下空間開發(fā)利用工程地質(zhì)條件適宜性評價。

3.2 評價因子選擇

盾構(gòu)施工及隧道的安全與隧道影響深度范圍內(nèi)的土體巖性組合有關(guān)，隧道上部土體巖性組合反應(yīng)了變形的問題，隧道下部土性組合反映了下部土體在開挖時應(yīng)力釋放和荷載作用下的變形問題。本次針對非明開挖類工程的特點，根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件，充分考慮各種不良地質(zhì)環(huán)境因素對地下空間開發(fā)的制約，選擇淤泥質(zhì)土厚度、粉砂土分布、地下水腐蝕性、比貫入阻力作為評價因子。

(1) 淤泥質(zhì)土厚度

淤泥質(zhì)土主要賦存在第四系全新統(tǒng)土層中，淮河兩岸河漫灘區(qū)軟土廣泛分布。軟土底板埋深3.7～15.0 m，一般厚度1.0～8. 8 m。

(2) 粉砂土分布

河湖相沉積的全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)地層普遍發(fā)育粉砂土沉積層，由于沉積時代較新，壓實作用不充分，加之地下水位較淺，因此，普遍具有松散、飽水的特點，是飽和粉砂土地震液化的主要發(fā)生層位。

(3) 地下水腐蝕性

地下水中Cl-含量、硫酸鹽、溶解性總固體含量影響著地下水對含水層地下水的腐蝕性。研究區(qū)潛水含水層中的地下水水質(zhì)中Cl-含量小于5 000 mg/l，硫酸鹽含量小于500 mg/l，溶解性總固體小于2 000 mg/l，表明該含水層地下水對混凝土無腐蝕性。而承壓含水層地下水對混凝土無腐蝕性，僅在個別點對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋有弱腐蝕性外，其余皆為無腐蝕性，對鋼筋結(jié)構(gòu)皆具有中腐蝕性。

(4) 比貫入阻力

對于隧道工程，施工中主要考慮的問題為盾構(gòu)掘進面土層軟硬的變化問題，一般情況下，在靜力觸探比貫入阻力(PS)小于1.5 MPa的土層中掘進較為容易，在PS值為1.5～4 MPa的土層中掘進難易程度一般，而在大于4 MPa的土層中掘進則為困難，在軟硬分界面區(qū)域應(yīng)特別注意(各土層比貫入阻力參照經(jīng)驗參數(shù)確定)。

3.3 評價因子權(quán)重確定

本次評價因子權(quán)重采用“層次分析法”，確定不同層組的的評價判斷矩陣；然后通過各組的指標項形式構(gòu)造判斷矩陣，采用最優(yōu)矩陣傳遞法對群體判斷矩陣進行計算，最終確定評價因子的權(quán)值(表1)，綜合劃分區(qū)間與等級劃分(表2)。

評價模型為：

式中,Z為綜合評分值；ai為第i因素的權(quán)重；mi為對第i因素的評分。

表1 評價因子的權(quán)重及評價標準分值

注：不同空間域分別評價

表2 隧道工程地下空間開發(fā)利用適宜性劃分標準

3.4 分區(qū)評價

3.4.1 研究區(qū)10～20 m區(qū)間隧道盾構(gòu)適宜性分區(qū)

研究區(qū)10～20 m區(qū)間范圍內(nèi)土體主要涉及灰-灰黃色-棕黃色粉質(zhì)粘土(位于第②-1)、灰色-淺黃-棕黃色粉土(位于第②-1層)、灰黑色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土(位于第②-2層)青灰色粉細砂(位于第②-2層)、灰黃-褐黃色粉質(zhì)粘土(位于Ⅱ⑤層)。

灰黑色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土20 m以淺底板埋深3.7～15.0 m，厚度1.0～8.8 m；第②-1層巖性為粉質(zhì)粘土與粉細砂互層，粉細砂層頂板埋深0.5～2.4 m，層厚1.5～10.7 m層厚變化較大，主要分布在淮河沿岸及兩側(cè)地區(qū)，其中在淮河沿岸及淮上區(qū)西南部大部分地區(qū)厚度較大，一般大于6 m；研究區(qū)北部及淮河南岸一帶粉砂土層厚度一般小于6m；地下水腐蝕性弱。

灰-灰黃色-棕黃色粉質(zhì)粘土靜力觸探比貫入阻力PS值為0.69～1.45 MPa，平均值為1.07 MPa；灰色-淺黃-棕黃色粉土靜力觸探比貫入阻力Ps值為0.60～1.80 MPa，平均值為1.20 MPa；灰黑色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土靜力觸探比貫入阻力PS值為0.42～1.30 MPa，平均值為0.86 MPa；青灰色粉細砂靜力觸探比貫入阻力PS值為1.76～3.00 MPa，平均值為2.38 MPa；灰黃-褐黃色粉質(zhì)粘土靜力觸探比貫入阻力PS值為3.2～6.00 MPa，平均值為4.60 MPa。

設(shè)定盾構(gòu)施工10～20 m深度范圍內(nèi)穿過兩種或兩種以上土層，按比貫入阻力較大者進行分區(qū)。根據(jù)以上分析，對研究區(qū)10～20 m區(qū)間隧道工程地下空間開發(fā)利用適宜性進行分區(qū)，分區(qū)結(jié)果及評價見圖2和表3。

表3 隧道工程地下空間開發(fā)利用適宜性分區(qū)及評價(10～20 m)

注:應(yīng)注意分區(qū)界線區(qū)間土層變化的影響，在有軟土層發(fā)育區(qū)，隧道盾構(gòu)施工過程中和運營期間應(yīng)注意軟土地基變形對隧道工程的影響。

圖2 隧道工程地下空間開發(fā)利用適宜性分區(qū)(10～20 m)

3.4.2 研究區(qū)20～30 m區(qū)間隧道盾構(gòu)適宜性分區(qū)

研究區(qū)20～30 m區(qū)間范圍內(nèi)土體主要涉及灰黃色-褐黃色粉質(zhì)粘土(位于第Ⅰ③-1)、褐黃色粉土(位于第Ⅰ③-2層)、灰黃色粉細砂(位于第Ⅰ③-2層)、灰褐色中砂(位于第Ⅰ③-2層)、灰黃-褐黃色粉質(zhì)粘土(位于Ⅱ⑤層)。

研究區(qū)20～30 m深度范圍內(nèi)基本不涉及淤泥質(zhì)土；粉砂土厚度淮河以北一般大于6.0 m，淮河以南一般小于4.5 m；地下水腐蝕性弱。

黃色-褐黃色粉質(zhì)粘土比貫入阻力PS約2.60 MPa、褐黃色粉土約1.65 MPa、灰黃色粉細砂約2.38 MPa、灰褐色中砂約9.65 MPa；灰黃-褐黃色粉質(zhì)粘土約4.60 MPa。

由于該深度范圍內(nèi)土層垂向上有一定的變化，按比貫入阻力較大者進行評分。根據(jù)以上分析，對研究區(qū)20～30 m區(qū)間隧道工程地下空間開發(fā)利用適宜性進行分區(qū)，分區(qū)結(jié)果及評價見圖3和表4。

圖3 隧道工程地下空間開發(fā)利用適宜性分區(qū)(20～30 m)

注:應(yīng)注意分區(qū)界線區(qū)間土層變化的影響，在有軟土層發(fā)育區(qū)，隧道盾構(gòu)施工過程中和運營期間應(yīng)注意軟土地基變形對隧道工程的影響。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

(1) 通過對研究區(qū)地質(zhì)條件和隧道工程施工工藝特點的分析研究，地下水、軟土和粉(砂)土層是影響研究區(qū)地下空間開發(fā)利用的主要影響因素。

(2) 結(jié)合研究區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)特點，本次選擇10～20 m、20～30 m空間域進行隧道工程地下空間開發(fā)利用適宜性評價；選擇淤泥質(zhì)土厚度、粉砂土分布、地下水腐蝕性和比貫入阻力作為評價因子，評價因子權(quán)重采用“層次分析法”確定。

(3) 根據(jù)對綜合評分值Z的分值大小，將各空間域分別劃分為適宜區(qū)、基本適宜區(qū)和差適宜區(qū)。

4.2 地下空間開發(fā)利用建議

(1) 規(guī)劃階段，注重工程建設(shè)對地質(zhì)環(huán)境影響的評價，并從時間上考慮現(xiàn)在的工程建設(shè)活動與過去、現(xiàn)在和將來的某些建設(shè)活動共同作用的“區(qū)域性地質(zhì)環(huán)境影響評價”。

(2) 施工階段，各業(yè)主單位應(yīng)從大局出發(fā)，積極

配合協(xié)調(diào)完成地下空間開發(fā)及多層次地下空間開發(fā)施工任務(wù)，減少對地質(zhì)環(huán)境的影響。

(3) 注意地下空間開發(fā)規(guī)劃的層次性，充分考慮工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件對施工階段的影響，并對施工階段方案進行充分的研究，預(yù)留適度的工程施工條件，為后續(xù)工程提供方便。

(4) 加強地下空間的開發(fā)利用建設(shè)和運營期間的監(jiān)測工作，對保障地下建筑順利開展和安全運營具有重要的作用。

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