彭苗枝,李運懷,管后春,何 苗

(安徽省地質調查院,合肥 230001)

合肥市是安徽省省會,地處華東地區(qū)、江淮之間,環(huán)抱巢湖,是皖江城市帶核心城市。近年來,隨著合肥市國民經(jīng)濟的高速發(fā)展,城市化進程進一步加快,地鐵、地下人防工程、地下商業(yè)街、高層建筑地下室、市政公共管溝等地下工程建設規(guī)模在迅速擴大。目前,合肥市地鐵1、2號線已開通運營,地鐵3、4、5號線正在建設,地鐵6、7、8、9號線等地鐵線路在勘察設計或規(guī)劃中。以地鐵建設為標志,合肥市已進入地下空間開發(fā)利用新的歷史階段,逐步走上由平面二維外延向三維立體空間拓展的可持續(xù)發(fā)展軌道。

地下空間以巖土體為介質和環(huán)境,與以空氣為介質的地面、上部空間存在根本差別,是地下空間開發(fā)成本高、技術難度大的主要原因。換而言之,除城市的技術經(jīng)濟條件、發(fā)展歷史和現(xiàn)狀等因素外,地質條件對地下空間開發(fā)的安全和經(jīng)濟起決定性作用[1-7]。

地下空間開發(fā)利用與地質環(huán)境條件息息相關[8]。如果在地下空間開發(fā)利用過程中,對復雜的地質條件及可能產(chǎn)生的地質災害認識不足或者認識到了而預防、控制、解決的方法采取的不對,都可能會出現(xiàn)較多的環(huán)境地質問題和地質災害,甚至對周圍設施產(chǎn)生不可逆的影響,影響地下工程建設的進展及效果[9-13]。

在合肥市積極開發(fā)利用地下空間的背景下,研究地下空間開發(fā)利用的地質環(huán)境制約因素,就地質環(huán)境制約因素對地下空間開發(fā)可能造成的影響進行剖析,提出合肥市地下空間開發(fā)利用的對策與建議具有重要的現(xiàn)實意義。

1 地質概況及地下空間的物質載體

1.1 地形地貌

合肥地處江淮丘陵中部,江淮分水嶺橫臥西北,總體地勢表現(xiàn)為西北高、東南低。地貌主要為丘陵和平原,平原又分為風積波狀平原、沖積平坦平原。波狀平原廣泛分布;巢湖沿岸以及南淝河、派河、 豐樂河、 杭埠河等河流下游兩側為沖積平坦平原;東南和西南有少量低山殘丘[14]。全市海拔多在15～80 m,平均海拔20～40 m。位于西部的大蜀山孤峰突起,海拔高程282 m,與其北面的董鋪水庫遙遙相對(圖1)。

圖1 合肥市地貌圖Fig.1 Geomorphological map of Hefei

1.2 地層

本區(qū)在元古代末期最終形成剛性基底,至三疊紀皆處于古陸狀態(tài),缺失相應時代的沉積建造。經(jīng)過古生代漫長的隆起以后,中生代本區(qū)受華北和揚子兩大地塊拼合的影響,斷裂構造活動強烈,合肥地區(qū)開始發(fā)生斷陷沉降,形成合肥盆地,沉積了侏羅紀—古近紀的一套巨厚陸相碎屑物[14]。第四紀以來,地殼升降活動較為明顯,在一定程度上控制了區(qū)內(nèi)第四紀沉積(圖2)。

1.2.2 第四系 合肥地區(qū)大部分被第四系松散沉積物覆蓋,參照安徽省地質調查院2009年《合肥市地下空間資源開發(fā)利用調查評價報告》將第四系由老到新劃分為中下更新統(tǒng)義城組、上更新統(tǒng)下蜀組和全新統(tǒng)蕪湖組, 厚度由西北向東南增大, 最厚為70 m(表1)。 蕪湖組分布于沖積平坦平原,巖性為青灰色、 褐黃色淤泥質粘土、 粉質粘土、 粉細砂、 含礫中粗砂等; 下蜀組廣泛分布于波狀平原區(qū), 巖性為棕黃色粘土、 粉質粘土; 義城組主要分布于濱湖新區(qū)、 經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和東部撮鎮(zhèn)店埠一帶地表以下, 巖性為粘土、 粉質粘土、 細砂、 中砂。

圖2 合肥市地質圖Fig.2 Geological map of HefeiQhw3—蕪湖組上段;Qhw2—蕪湖組中段;Qhw1—蕪湖組下段;Qp3x—下蜀組;E3d—大蜀山組;K2z—張橋組;K1x—新莊組;K1m—毛坦廠組;J3z—周公山組;J2y—圓筒山組;Pt2bj—北將軍巖組;Pt1q—橋頭集巖組;Pt1s—雙山巖組;Ar3Pt1d—大橫山巖組;Ar3Pt1f—浮槎山巖組

1.3 合肥市地下空間的物質載體

根據(jù)合肥市目前地下空間開發(fā)利用深度和城市發(fā)展需要, 地下空間開發(fā)利用的下限一般在地面以下40 m深度。 該空間內(nèi)的物質載體有新太古代—古元古代片麻巖、 片巖、 侏羅紀—古近紀沉積的陸相碎屑巖(紅色砂巖、 泥巖)、 新近紀噴出的玄武巖以及第四紀以來堆積的各類松散土體。

平原區(qū)上部分布第四系松散土體,下部為紅層。波狀平原區(qū)第四系厚度5～50 m,其中,西北部以及低山丘陵外圍,第四系厚度一般小于10 m。沖積平坦平原區(qū)第四系厚度15～60 m,南淝河、派河、豐樂河、杭埠河等河流上游第四系厚度15～20 m,往下游至巢湖邊逐漸增厚。丘陵山區(qū)分布新太古代—古元古代片麻巖、片巖、紅層、古近紀玄武巖。

表1 合肥市第四紀地層劃分

2 影響地下空間開發(fā)的主要地質因素

根據(jù)合肥市地質環(huán)境條件,結合近年來地下工程建設中出現(xiàn)的問題,分析認為合肥市地下空間開發(fā)主要受到地形地貌、工程地質條件、水文地質條件、地殼穩(wěn)定性等因素的影響。

2.1 地形地貌與地下空間開發(fā)影響分析

地形地貌一般包括地面標高、坡度兩個指標因素。一般來說,地面標高對地下空間開發(fā)的影響不大,地面坡度制約著地下空間的開發(fā)[6]。

合肥地處江淮丘陵中部,除西部孤峰突起的大蜀山、肥西縣紫蓬山和肥東縣橋頭集低山丘陵區(qū),區(qū)內(nèi)地貌主要為平原。平原區(qū)內(nèi)地形平坦或波狀小起伏,地面坡度一般小于15°,是地下空間開發(fā)的有利地形地貌。

低山丘陵區(qū),地形起伏大,地面坡度15°～40°,除低緩丘陵外,絕大部分地區(qū)是地下空間開發(fā)利用的不利地形地貌,地下空間開發(fā)利用適宜性差。地面坡度較大的山地地形,地下空間開發(fā)的難度加大,造價增高。除地下工程建設選址需要,一般不建議在此區(qū)大面積進行地下工程建設。

2.2 工程地質條件與地下空間開發(fā)影響分析

合肥市在地表以下40 m深度范圍內(nèi)的地下空間主要處在第四系松散層和基巖風化層中。工程建設層由粘土、粉質粘土、淤泥質土、粉土、粉砂、細砂、砂巖、片麻巖、片巖等組成,除淤泥質土外,土體地基承載力一般180～320 kPa,巖體強度較高。整體來說，地下空間工程地質條件都較好,大部分地區(qū)土質比較均勻且無不良土層,但河谷平原地區(qū)工程地質條件復雜,軟土、砂土等不僅給地下工程建設帶來許多難題,且容易產(chǎn)生災難性的環(huán)境巖土工程問題,如邊坡失穩(wěn)、突涌、地面塌陷、不均勻沉降等。根據(jù)該地區(qū)工程地質特征,結合近年來各類工程事故突發(fā)原因和防治經(jīng)驗,可確定影響合肥地下空間開發(fā)利用的主要工程地質因素是不良工程地質層的性質。

根據(jù)差分集式(8)～(10)對式(6)進行分析，B(θ1,θ2,…θD)中含有重復行向量，重復出現(xiàn)的行向量只保留一次，得到虛擬陣列流型B1(θ1,θ2,…，θD)，對應的虛擬陣列響應為z1，噪聲列向量為則有

合肥分布有膨脹土、飽和砂土和軟土等不良工程地質層,通常是工程建設時不可直接利用、應采取處理措施的天然地層,也是地下空間開發(fā)過程中最容易引起工程地質問題的土層。

2.2.1 膨脹土與地下空間開發(fā)影響分析 膨脹土在本區(qū)分布普遍,地層層位上,上更新統(tǒng)下蜀組分布普遍,膨脹性強;全新統(tǒng)蕪湖組局部分布,膨脹性弱(圖3)。同一層粘土中,自由膨脹率一般表現(xiàn)為上低下高。下蜀組粘土中表現(xiàn)出隨著深度的增加自由膨脹率相應增高的趨勢。分布于波狀平原中下蜀組膨脹土,膨脹性較強,膨脹率一般大于50%,除崗集鎮(zhèn)南部、合肥市西南部等地發(fā)育強膨脹潛勢膨脹土外,大部分具弱-中等膨脹潛勢。分布于平坦平原蕪湖組粘性土,膨脹性較弱,膨脹率一般在30%～50%[14]。膨脹土的大氣影響深度一般為3.5 m,隨著深度增加,膨脹土對地下空間開發(fā)影響在減小,膨脹土在深度3.5 m以下的范圍影響性很小。膨脹土以弱膨脹潛勢為主,中等膨脹潛勢、強膨脹潛勢膨脹土在局部地區(qū)分布。

本區(qū)內(nèi)膨脹土的粘粒含量高,而且以伊利石和蒙脫石為主,因此液限和塑性指數(shù)都很高,摩擦強度雖低,但黏聚力大,在地下工程開發(fā)利用遇豐富地下水資源情況下, 常因吸水膨脹而使其強度衰減。 膨脹土具有超固結性, 開挖地下洞室或邊坡時往往因超固結應力的釋放而出現(xiàn)大變形[15]。

圖3 合肥市特殊土分布圖Fig.3 Specific graph distribution map of Hefei

因此在膨脹土中開發(fā)利用地下空間,常見圍巖底鼓、內(nèi)擠、坍塌等變形現(xiàn)象,導致隧道襯砌變形破壞,地面隆起。而且膨脹土隧道圍巖變形常具有速度快、破壞性大、延續(xù)時間長等特點。

2.2.2 飽和砂土與地下空間開發(fā)影響分析 砂土主要分布于平坦平原中,層位上分布于蕪湖組與義城組,砂土孔隙均為水充填,根據(jù)調查結果,飽和粉砂土為不液化土,在抗震設防烈度為Ⅶ度時開發(fā)地下空間不會發(fā)生地震液化[14]。因此,地下空間開發(fā)利用可不考慮砂土地震液化的影響。

2.2.3 軟土與地下空間開發(fā)影響分析 軟土分布于派河、南淝河漫灘、入湖口和巢湖沿岸及部分溝渠水塘中,多裸露于地表(圖3), 厚0.2～8 m, 軟塑-流塑狀態(tài),強度低,地基承載力特征值80～120 kPa,天然孔隙比0.85～1.13,平均1.01,天然含水量w在24.4%～52.0%,液性指數(shù)IL在0.03～1.58, 具有天然含水量高、 孔隙比大的特點, 一般呈流塑狀態(tài), 因此具有觸變性、 高壓縮性、 流變性,而對工程產(chǎn)生不利影響。 在地下工程建設中, 當基坑或硐室開挖后, 軟土失去側限, 將發(fā)生塑流擠出變形, 從而可能導致基坑的邊坡坍塌、 裂縫, 硐室頂板側壁的冒頂偏幫,甚至埋陷等。

區(qū)內(nèi)的軟土因地下水位高,且局部夾薄層粉砂,地下空間開發(fā)難度加大, 成本增高。 軟土厚度越大,施工難度越大,越不利于地下空間開發(fā)。對于厚度不大的軟土,一般可采取置換土層的方法來處理；對于厚度較大的軟土,需組織專門的地下技術施工。

圖4 合肥市斷裂分布圖Fig.4 Fault distribution map of Hefei

2.3 水文地質條件與地下空間開發(fā)影響分析

地下空間開發(fā)利用與地下水的水量、水位及水質息息相關，即地下水埋深越淺,富水性越好,對地下空間的開發(fā)利用越不利。

合肥市地下水有松散巖類孔隙水、紅層裂隙孔隙水、基巖裂隙水三大類型。地下水主要賦存于漫灘相和河床相的砂層、含礫砂層、礫石層的孔隙中。區(qū)內(nèi)地下水對混凝土、鋼材的腐蝕性評價皆為無腐蝕性影響。

紅層裂隙孔隙水、基巖裂隙水水位埋深較深,水量貧乏-極貧乏級;波狀平原中的松散巖類孔隙水水量極貧乏級,對地下空間開發(fā)影響較小。

河谷平坦平原中的松散巖類孔隙水,水位埋深較淺,地下水位埋深1～2 m,水量中等,且賦存于早更新世砂礫層中的地下水往往具有承壓性,且承壓含水層的頂板埋深一般20～30 m,是本區(qū)地下空間最不利的水文地質條件區(qū)。承壓水由于其壓力影響,若地基內(nèi)存在承壓水,開挖基坑時可能會使坑底土層產(chǎn)生隆起現(xiàn)象甚至破壞。承壓水頭高、水量大,施工中若揭穿了承壓含水層后再實施排水將十分困難。而區(qū)內(nèi)地鐵隧道底界深度在10～20 m,開挖隧道將形成臨空面低水位區(qū),改變了原有地下水徑流,使周圍地下水向臨空面內(nèi)匯集,威脅施工作業(yè)人員的安全,增加地下工程建設的難度。

2.4 活動斷裂與地下空間開發(fā)影響分析

合肥市斷裂構造較為發(fā)育,多為隱伏斷裂，按斷裂方向可分為近東西向、北東向、北西-北北西向等斷裂系統(tǒng)。對地下空間開發(fā)有影響的主要有郯廬斷裂帶F10、烏云山合肥斷裂F6、大新莊丙子鋪斷裂F7、啞巴店大興集斷裂F11、大蜀山施口斷裂F12(部分)、長安集吳山口斷裂F4、上王崗塘西村斷裂F22等更新世仍有活動的斷裂(圖4)。在安徽地區(qū)較低剪應力值的狀態(tài)下,合肥地區(qū)的平均剪應力值相對更低,在一定程度上反映出近場地殼的相對穩(wěn)定性。自2002年以來,合肥地區(qū)剪應力值一直處于較低的水平,反映了最近一段時間合肥地區(qū)地震活動水平較弱[14]。

區(qū)域上震級周期分析顯示,合肥市目前處于周期的谷段,未來將逐漸步入地震活動的峰段。因此,未來有發(fā)生ML4.0級左右地震的可能。地震活動在其近場分布上看,主要是在該區(qū)域的東北部和東南部，最大的地震活動在其東南部。該區(qū)域具有小震深度的數(shù)據(jù)顯示均位于0～5 km范圍內(nèi),屬于地殼內(nèi)淺源地震。它對地下空間開發(fā)利用的影響主要是斷裂錯動后到達地表,并在地面產(chǎn)生一定程度的位錯和斷裂破碎帶或裂隙密集,進而降低巖體強度,還可能因斷裂活動引發(fā)地基失穩(wěn)等次生效應。

3 地下空間開發(fā)利用對策與建議

(1)膨脹土廣泛分布的波狀平原區(qū),雖膨脹土的影響深度不大,但淺層地下空間開發(fā)利用過程中應做好膨脹土的防水保濕工作或對膨脹土地基進行相應的處理。

(2)派河、南淝河漫灘及巢湖入湖口,既是軟土分布區(qū)也是地下水主要賦存區(qū),地下水水量中等,水位較淺,土層壓力大,給地下空間開發(fā)利用帶來了難度。建議采用專門特殊的地下技術施工,一定要注意做好土層的護壁和排水工作,預防工程地質問題的發(fā)生。

(3)大蜀山、 紫蓬山、 橋頭集等低山殘丘區(qū), 由于地形地貌的限制, 且此區(qū)多為林地, 人口也相對稀少, 大多為旅游景區(qū), 除地下工程建設選址需要, 一般不建議在此區(qū)大面積進行地下工程建設。 尤其對于東部橋頭集山區(qū),斷層、 片麻理、 節(jié)理等發(fā)育,巖石破碎, 若開發(fā)地下空間,一定要做好基坑支護措施,確保地下洞室的穩(wěn)定與安全。

(4)地下空間開發(fā)應盡量避開郯廬斷裂帶F10、 烏云山合肥斷裂F6、 大新莊丙子鋪斷裂F7、 啞巴店大興集斷裂F11、 大蜀山施口斷裂F12(部分)、 長安集吳山口斷裂F4、 上王崗塘西村斷裂F22等自更新世仍有活動的斷裂, 安全距離建議為2 km。

4 結 論

影響合肥市地下空間開發(fā)利用的主要地質因素是地形地貌、工程地質條件、水文地質條件、活動斷裂的發(fā)育情況,它們控制著地下工程建造施工方法的選擇和工程建設成本。

研究表明,合肥市總體地質條件較好,利于地下空間開發(fā)。部分地區(qū)地下空間開發(fā)利用需注意地形坡度、膨脹土、軟土、承壓含水層、活動斷裂等因素的影響。本文在研究地形地貌、工程地質條件、水文地質條件、活動斷裂等地質因素的發(fā)育分布特征及其對地下空間開發(fā)可能造成的影響基礎上,提出了地下空間開發(fā)利用的防治對策與建議,為合肥市地下空間的合理開發(fā)利用提供技術支撐。