宜昌市城市地下空間工程地質研究

錢丹生

(湖北省地質環(huán)境總站工程地質調查評價中心，湖北荊州 434020)

0 引言

宜昌市規(guī)劃要建成擁有547萬人的特大型城市，定位為世界著名的水電旅游名城、長江中上游區(qū)域性中心城市、湖北省域副中心城市，這將大大推進整個城市的跨越式發(fā)展。城市形成沿江帶狀多組團的空間布局結構，主要沿長江城鎮(zhèn)聚合帶布局，城市發(fā)展空間受限。為了適應宜昌市的發(fā)展需要，規(guī)劃的地鐵三號線將在中心城區(qū)通過過江隧道穿過長江，隨后地鐵工程也將隨著發(fā)展而全面展開。利用地下空間向地下發(fā)展城市交通，極易誘發(fā)出現(xiàn)地面塌陷、隧道透水和特殊類土變形等工程地質問題，必須做好開發(fā)利用區(qū)劃，使地下空間得到充分合理的利用。因此，對宜昌市城市地下空間開展工程地質研究具有現(xiàn)實意義。

1 地下空間的物質載體及組合特征

1.1 地下空間的物質載體及其分布［1］

宜昌市中心城區(qū)地面高程在54～165 m，長江河谷最低標高5～25 m，殘丘陵及山地165～219.7 m，長江水位38.67～43.97 m。根據宜昌市目前的經濟技術水平和城市發(fā)展需要，地下空間利用的下限一般宜在－40 m標高。該空間內的物質載體如下:

前震旦系結晶雜巖，主體巖性為石英閃長巖體、斜長花崗巖體，其間有后期侵入的偉晶巖脈、輝綠巖脈等。分布在北西部太平溪—三斗坪一帶，構成侵蝕剝蝕中山—低山區(qū)。在山脊處裸露全—強風化層厚10～20 m;在沖溝處被人工填土覆蓋，強風化層厚2～3 m，上覆蓋層最大厚度達55 m。

震旦系—奧陶系碳酸鹽巖，主體巖性為薄—巨厚層狀灰?guī)r、白云質灰?guī)r夾砂巖、頁巖，分布于蓮沱—南津關一帶，構成黃陵背斜南東翼單斜構造侵蝕剝蝕中山—低山區(qū)，形成有天柱山、三游洞、白馬洞等。

白堊系—第三系碎屑巖，主體巖性為薄—厚層狀粉細砂巖、泥巖及砂巖互層夾砂礫巖，分布于南津關—猇亭一帶，經長期風化剝蝕和城市建設改造成現(xiàn)今的殘丘崗地，厚度達4 930 m。

第四系松散土體，更新統(tǒng)(Q1－3)下部為礫石夾土，中部局部為粉細砂土，上部為粘性土夾砂土。厚度5～120 m。呈斑塊狀零星分布于小溪塔、西陵、西壩、伍家崗、猇亭、白洋、宜都一帶的長江一級—五級階地，多具二元結構。全新統(tǒng)(Q4)為粘性土，主要分布于長江及其主要支流河床、江心洲、漫灘、一級階地，在溝谷地帶沖洪堆積、斜坡地帶殘坡堆積，前者具典型的二元結構和多韻律特征。

1.2 載體的組合特征

地下空間載體的組合主要指其在水平方向的連續(xù)性和垂直方向的分層性，前者主要受控于構造斷裂，后者主要取決于沉積相的變化。

1.2.1 橫向地下空間載體組合

地下空間載體在水平方向主要沿斷裂和不整合接觸面組合構成。

宜昌單斜，略成三角形插入淮陽山字型西翼反射弧砥柱—黃陵背斜東翼與長陽東西向構造帶之間。受新構造運動影響，西部呈斷塊式隆升，東部下降，在黃陵背斜和宜昌單斜周緣有活動性斷裂環(huán)繞，西側有北北西向的仙女山斷裂和北北東向九灣溪斷裂，南側有北西西向的天陽坪斷裂，北側有北西向的霧渡河斷裂，北東側有北北西向通城河斷裂和遠安斷裂。

宜昌單斜巖層平緩，位于黃陵背斜的南東翼，西側與黃陵背斜為沉積不整合關系，共生有微弱褶皺和小斷裂構造;霧渡河斷裂斜切黃陵背斜，為一基底斷裂，中、新生代復活切割蓋層，屬壓扭性活動性斷裂;天陽坪斷裂由兩條相距很近的斷層和許多小斷層組成，屬逆掩斷層，中、新生代存在活動性;仙女山斷裂具張扭性和壓扭性，垂直斷距達數(shù)百米。

1.2.2 垂向巖土體組合

宏觀上看，北西部有前震旦紀的古老結晶雜巖出露地表，中部有震旦紀—奧陶紀沉積的以海相碳酸鹽巖為主的沉積巖系和之后東南部白堊紀—早第三世沉積的巨厚的陸相碎屑巖紅色巖系，以及最后在低丘谷地、長江多級階地上沉積的第四紀各類松散土體。

微觀上看，－40 m標高以上地下空間巖土體組合有多種組合類型。古老結晶大型巖基組合，主要為石英閃長巖和斜長花崗巖，分布于太平溪—三斗坪一帶低山地區(qū);海相碳酸鹽巖組合，主要為灰?guī)r和白云質灰?guī)r，分布于蓮沱—南津關一帶中山地區(qū)(圖1);陸相碎屑巖組合，主要為粉細砂巖、泥巖夾礫巖，分布于南津關—猇亭一帶的殘丘崗地，厚度大;各類松散土體，主要為粘性土、粉細砂土夾礫石，一般具典型的二元結構，主要分布于長江多級階地、低丘谷地和猇亭—白洋一帶［2］(圖 2、圖 3)。

圖1 1-1'剖面圖Fig.1 Section 1-1'

圖2 2-2'剖面圖Fig.2 Section 2-2'

圖3 3-3'剖面圖Fig.3 Section 3-3'

2 巖土體工程地質條件

2.1 巖土體工程地質性質

黃陵背斜核部結晶塊狀巖類，為前震旦系堅硬花崗閃長巖，巖性硬脆，強度高，表層常風化呈碎石、砂土狀。震旦系—奧陶系強巖溶白云質灰?guī)r及灰?guī)r，巖性硬脆，常形成高陡邊坡，卸荷裂隙較發(fā)育，易產生掉塊或局部崩塌。所夾頁巖遇水易軟化、泥化和崩解及產生壓縮變形破壞。白堊系—第三系紅層構成宜昌單斜，為中厚層狀、鈣質或泥質膠結，由較堅硬的砂巖、砂礫巖和較軟弱的泥巖組成，因此強度差異較大。泥巖具有親水性強、遇水膨脹、軟化、泥化、失水干裂、風化速度快、抗滑穩(wěn)定性差的特點，易形成軟弱泥化夾層，使巖體整體強度和穩(wěn)定性降低(表1)。

表1 巖體強度特征值Table 1 Feature value of the rock mass intensity

第四系松散土體，更新統(tǒng)下部礫石層，承載力較高;中部局部夾細砂層，承載能力低，有可能產生振動液化及管涌;上部粘性土，可塑—硬塑狀，承載力較高，有弱—中等脹縮性。全新統(tǒng)下部礫石層結構松散，承載力較高;粉細砂層易產生振動液化，淤泥質土具有更高的壓縮性，由其組成的邊坡穩(wěn)定性差，易產生塑性變形及滑移;上部粘性土呈軟塑—可塑狀態(tài)，承載力差異較大(表2)。

表2 土體力學特征指標Table 2 Mechanics characteristic indexes of the soil bodies

2.2 巖土體賦水條件

宜昌市地下空間含地下水類型較多、含水層較厚、富水程度差異較大，主要賦存在前震旦系結晶巖風化殼裂隙中、震旦系—奧陶系的碳酸鹽巖中和第四系全新統(tǒng)、更新統(tǒng)砂礫石粉細砂層中。震旦系—奧陶系碳酸鹽巖巖溶洞隙水，巖溶管道復雜，地下水位一般埋深＞50 m。前震旦系結晶花崗閃長巖含少量風化裂隙水和構造裂隙水，季節(jié)變化明顯，富水程度較差(表3)。

表3 地下水含水巖組水文地質特征Table 3 Hydrological feature of the groundwater－bearing bed

對地下空間利用影響較大的地下水類型主要有松散巖孔隙承壓水。第四系全新統(tǒng)沖積砂礫層、粉砂層含水巖組，主要分布于一級階地，前緣與長江相通，兩者水力聯(lián)系緊密，地下水位與江水位變化近于一致，水量中等富水。第四系上更新統(tǒng)沖積砂礫石層、粉砂層含水巖組分布于長江二—五階地及支流岸坡，地下水動態(tài)與大氣降水關系密切，水量貧乏。白堊系—第三系分布于小溪塔—伍家崗區(qū)段，一般因滲透性差，水量極其貧乏，可看成是其它地下水體的隔水巖體。

3 巖土體工程地質問題

依據前述地質基礎條件，宜昌市地下工程建設主要存在三大工程地質問題，即地面塌陷、隧道透水和特殊類土變形問題。

3.1 地面塌陷

地面塌陷主要分為巖溶地面塌陷和采空地面塌陷兩種類型。南津關碳酸鹽巖地區(qū)巖溶發(fā)育，形成有較多的地下暗河和溶洞，如三游洞、白馬洞、龍泉洞等，但還未形成巖溶地面塌陷。北部樟村坪化工礦業(yè)經濟區(qū)，多年來以大中型磷礦開采為主導，采空后卸荷作用使裂隙張開，易于地表水入滲和地下水的滲漏，導致采空區(qū)大量積水，頂板冒頂，形成地面塌陷多處，總面積147 120 m2。中心城區(qū)鐵路壩—九碼頭一帶，在上世紀70年代，在一級階地粘性土體上建設地下洞室較多，受大氣降雨和長江地表水的影響，多數(shù)長期處于積水廢棄狀態(tài)，并已發(fā)生多處地面塌陷。

3.2 隧道透水

對于淺部地下工程，在第四系、白堊系—第三系非巖溶地區(qū)降水施工過程中，主要易出現(xiàn)基坑滲水或硐室圍土變形的工程地質問題，具體表現(xiàn)在基坑的坑壁上層滯水的滲漏，硐室頂板側壁的滲水流沙等方面;對于深部地下工程，在前震旦系—奧陶系巖體中施工時，將會貫通較多的溶洞和地下暗河，應特別注意巖溶洞水的透水事故發(fā)生。

3.3 特殊類土的變形

在地下空間載體中，全新統(tǒng)和更新統(tǒng)土體中較普遍地隱埋的特殊類土包括人工填土、軟土、粉細砂土、膨脹土，是地下工程施工中需要密切注意的問題。人工填土填埋在溝、坑、暗塘、邊坡岸坡地帶，具有不均勻性、濕陷性、自重壓密性及低強度、高壓縮性的特點。軟土主要分布于長江河谷一級階地的樵湖嶺—鐵路壩一帶，或局部暗塘、湖邊裸露于地表，淺部地下工程中經常遇到，一般呈流塑狀態(tài)，天然含水量高、孔隙比大，具有觸變性、流變性、高壓縮性、低強度、低透水性和不均勻性的特點。粉細砂土主要在鐵路壩、市政府、伍家崗等處分布，在地下水位以下易出現(xiàn)振動液化和流沙現(xiàn)象。膨脹土在長江二級、四級和五級階地上局部分布，受地下水影響后具有弱—中等脹縮性。在地下工程中，當基坑或硐室開挖后，人工填土易出現(xiàn)垮塌，軟土失去側限，易出現(xiàn)塑流擠出變形，飽和粉細砂土易出現(xiàn)液化，膨脹土受到地下水作用后會出現(xiàn)脹縮性變形，均對地下工程產生不利影響，從而導致基坑的邊坡坍塌、裂縫，硐室頂板側壁的冒頂片幫，甚至塌陷等。

4 地下空間利用區(qū)劃

4.1 地下空間利用區(qū)劃

根據地下空間載體工程地質性質與水文地質條件，劃分為4個利用區(qū)(圖4)，即以巖漿巖結晶巖體為主的A型利用區(qū)、以層狀碳酸鹽巖夾碎屑巖為主的B型利用區(qū)、以層狀碎屑巖與老粘土為主的C型利用區(qū)、以松散松軟土體和層狀碎屑巖體為主的D型利用區(qū)。

A型利用區(qū)，分布于太平溪—三斗坪地區(qū)，三峽工程建設對原始地形改造較大，存在較多的開挖和回填區(qū)，要重點防范淺部人工填土的不均勻性和高壓縮性導致的沉陷垮塌變形;B型利用區(qū)，分布于蓮沱—南津關和北部樟村坪地區(qū)，因長年的人類采掘活動和地下水影響，要重點防范樟村坪地區(qū)的采空地面塌陷和南津關—蓮沱一帶地下巖溶管道形成的導水通道，防止因麻痹思想導致的透水事故發(fā)生;C型利用區(qū)，分布于小溪塔—猇亭一級階地內側殘丘崗地，為優(yōu)先利用的相對隔水巖體。要注意防范單斜紅色碎屑巖系中受季節(jié)影響的局部巖溶裂隙水和泥巖夾層遇水后膨脹、軟化、泥化產生的蠕動和老粘土中含有膨脹土的變形;D型利用區(qū)，分布于西陵—伍家崗臨江一級階地和猇亭—白洋地帶，要重點防范上部松散松軟土中的孔隙承壓水和一級階地暗塘、湖地處的人工填土沉陷垮塌、軟土高壓縮性和流變性、粉細砂土的液化沉陷及流沙變形。

圖4 宜昌城市地下空間組合及利用區(qū)劃圖Fig.4 Urban underground space combination and use zoningmap of Yichang

4.2 地下空間利用方法［2］

在A利用區(qū)，地下工程應盡量避免工程布置在回填邊坡區(qū)。在B利用區(qū)，應盡量避免在地面塌陷區(qū)和沿長江外側臨水布置，在高程上也盡量避開巖溶發(fā)育段，減少與碳酸鹽巖巖溶管道遭遇的機會，降低巖溶透水事故發(fā)生率。在C利用區(qū)，應注意泥巖受局部地下水的滲漏作用而產生蠕動變形導致巖體強度和穩(wěn)定性降低。在D利用區(qū)，松散松軟土體淺部地下工程進行降水時，除降低下伏孔隙承壓水外，還要對上覆孔隙潛水，尤其是透鏡狀產出的上層滯水進行疏干，避免發(fā)生坑壁透水流沙事故。松散松軟土體區(qū)深部地下工程應盡量避開利用特殊類土作為硐室頂板和硐身，避免硐室因圍土塑流變形而發(fā)生地面沉陷事故。地下工程應盡可能避開地面密集建筑群，尤其是采用樁基礎的高層建筑區(qū)，應沿空曠場地、輕荷載低矮建筑區(qū)布置，減小地下工程施工對樁基礎的影響，減輕對周邊建筑產生的損害。

5 結論

宜昌城市地下空間載體由前震旦系結晶雜巖、震旦系—奧陶系碳酸鹽巖、白堊系—第三系紅層碎屑巖、第四系松散松軟堆積土體組合構成，其中C區(qū)和D區(qū)白堊系—第三系紅層為地下空間優(yōu)先利用區(qū)。

宜昌市城市利用地下空間應重點解決三大工程地質問題:注意地面塌陷，解決巖土體穩(wěn)定問題;注意地下水類型和含水巖組特征，解決地下工程施工過程中降水、透水問題;注意特殊類土分布，解決地下空間形成后圍土變形問題。

隧道施工在D區(qū)第四系松散土體中時，宜采用防滲墻或盾構法，做好地面沉陷土體的加固;在C區(qū)穿越白堊系—第三系紅層時，宜采用新奧法，全斷面開挖后及時做好柔性支護。

宜昌市城市地質工作應加強對地下空間的調查研究，解決好地面塌陷、隧道透水、特殊類土變形等三大問題，為宜昌市地下工程建設提供地質安全保障。

［1］錢錦江，等.湖北省宜昌市環(huán)境水文地質工程地質綜合勘察研究報告［R］.荊州:湖北省水文地質工程地質大隊，1988.

［2］寧國民，陳國金，徐紹宇，等.武漢城市地下空間工程地質研究［J］.水文地質工程地質，2006，33(6):29 －35.