長沙市城市地下空間開發(fā)利用的地質(zhì)因素分析

鄧佩如，關(guān) 欣，李巧云 (湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，湖南長沙410128)

按照《長沙市城市總體規(guī)劃(2003－2020)》，長沙市將實現(xiàn)“1小時都市圈”目標，預計2020年，長沙軌道交通通車里程將達234.3 km，軌道交通占公共交通出行量的40%(均不包括長株潭城際鐵路)［1］。2014年4月29日，長沙市地鐵2號線一期工程正式開通運營，全長22.26 km。截至2011年，長沙市已建成總長度為68 km，貫通河東及河西的天然氣管道［2］。根據(jù)《關(guān)于進一步明確我市結(jié)合民用建筑修建防空地下室有關(guān)規(guī)定的通知》規(guī)定，人防工程逐漸民眾化［3］。長沙市規(guī)劃局公示，將在2014年8月對黃興路地下、地鐵1號線區(qū)間上方建立一個建筑總面積達10 046.8 km2的地下商業(yè)街［4］。由此可見，長沙市已完全進入了一個地下空間綜合開發(fā)利用的重要階段。

地下空間的開發(fā)利用以地質(zhì)體為基礎，區(qū)域的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件將不可避免地被改變。地下空間資源的科學合理地利用對解決城市建設發(fā)展中遇到的一系列城市問題:環(huán)境污染、交通堵塞、用地緊張等有著不容忽視的作用。相反，不合理的開發(fā)利用會對人類的生活環(huán)境產(chǎn)生一系列的地質(zhì)問題，如地面開裂、地面塌陷、地下水污染等。如何平衡經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護，科學合理地利用地下空間資源成為長沙市綜合發(fā)展所需要深入思考的新課題。因此，開展長沙市地下空間開發(fā)面臨的地質(zhì)因素分析，針對潛在的地質(zhì)環(huán)境問題提出切實可行的對策建議，對長沙市城市地下空間規(guī)劃建設與資源可持續(xù)利用具有重要的現(xiàn)實意義。

1 影響地下空間開發(fā)的主要地質(zhì)因素

1.1 巖土體工程性質(zhì)對地下空間開發(fā)影響分析 長沙盆地位于湖南省東部的瀏陽河與燕山斷帶的西南斷陷處。整個地形沿湘陰斷帶斷陷以南、株洲斷帶斷陷以北、雪峰山以東分布，盆地地形多且復雜。主要分布的丘陵景觀類型包括巖石、花崗巖丘陵、紅巖丘陵地形，其次是砂頁巖、泥灰?guī)r丘陵、喀斯特丘陵和梯田漫灘階地地形。它的形成主要是第四紀更新世的網(wǎng)紋紅土和沖積性砂礫。沿湘江流域兩岸、望城縣、寧鄉(xiāng)縣東北部等一帶主要分布著第四系Q沖積性或湖積性的砂礫、粘土及粉砂質(zhì)粘土。瀏陽地區(qū)主要分布著中元古界時期冷家溪群Pt2lj的板巖、變質(zhì)砂巖，同時還夾有少部分的玄武質(zhì)火山巖(花崗閃長巖和富斜花花崗巖)。寧鄉(xiāng)縣西部主要受雪峰山脈影響，芙蓉區(qū)、星沙一帶主要分布著白堊系時期的紅色砂巖、砂礫巖、鈣泥巖。北面主要分布著燕山時期侏羅紀時的火山花崗巖。西面寧鄉(xiāng)縣一帶主要分布著第四系、白堊系、泥盆系等多個時期的巖石地層。臨近婁底市地段主要分布著印支期三疊系的二長花崗巖(圖1)。

研究表明，長沙盆地地層淺層分布有厚約13.5 m的黏土、粉砂、淤泥及其他雜填土等。上段為人工雜填土，即地表硬殼層，大部分未完成自重固結(jié)，往往密實程度都不高。下段是高壓縮性的軟弱淤泥層，具有低力學強度和低抗剪強度性的特點。中部有湘江和瀏陽河沖積沉積留下的厚約18.10 m的交互粗砂和粉砂質(zhì)粘土、細砂等。砂層與淤泥質(zhì)土相互作用的輸出，在夾層中軟弱的部分分布著由于湘江變化而產(chǎn)生的厚約1.90～3.50 m泥質(zhì)砂礫卵(碎)石和含礫粘性土，進而形成了含有泥質(zhì)圓角礫碎石的漂石層［5］。

對于不能完成自重固結(jié)的部分，在地下空間開發(fā)過程中極易造成土體結(jié)構(gòu)被破壞，使其強度進一步降低，從而導致土壤排水固結(jié)需要更長的時間。比如在處置不當?shù)耐獠枯d荷作用下施工容易造成不同程度的沉降，導致樁基不穩(wěn)的建筑物發(fā)生傾斜和漂移。同時，由于泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、礫巖裸露地表失水干燥，易產(chǎn)生收縮裂隙，浸水后易吸水膨脹，容易濕化崩解。另外，長沙盆地中部分布有透水性較好的砂土，基坑開挖將改變地下水流場排水，寬松的粉砂和飽和細砂所產(chǎn)生的砂流管道可能會誘發(fā)地面沉降，進而導致基坑邊坡失穩(wěn)［6］。

1.2 斷裂構(gòu)造對地下空間開發(fā)的影響分析 該區(qū)地處寧鄉(xiāng)－瀏陽東西向褶斷帶上，構(gòu)造線方向主要為東西向，其次為北東向及北西向。區(qū)內(nèi)褶皺主要有岳麓山向斜、牛頭大嶺向斜、福林塘向斜等，斷層有二里半斷層、愛晚亭斷層、桃花嶺－榮灣鎮(zhèn)斷層、燕子塘斷層等。主要的活動斷裂帶有(圖1):①公田－寧鄉(xiāng)活動斷裂帶，斷裂走向北東，傾向北西，傾角30～45°。沿斷裂帶北段泊羅組與新開鋪組呈直線狀接觸，南段白沙井組與桔子洲組接觸，且物探異常。據(jù)鉆探查明，斷裂北西側(cè)第四系80～125 m，南東側(cè)厚20～40 m，反映兩盤垂直斷距達40～110 m，并且是一條活化了的基底斷裂。據(jù)歷史記載，沿斷裂及交匯帶附近多次發(fā)生過地震。②長沙－岳麓山活動斷裂帶。由東向12～23活動斷裂和北西向92、93、95活動斷裂組成，傾向北西，其中14活動斷裂是該帶內(nèi)發(fā)育延伸最長的一條。斷裂帶沿線多處滑坡近旁的粘土層中裂隙褶曲發(fā)育，局部張性小斷裂組成發(fā)育［7］。據(jù)史料記載，在斷裂帶沿線地震活動較頻繁，這些斷裂構(gòu)造為表面上覆松散層覆蓋，地表很難發(fā)現(xiàn)，對長沙市地下空間工程建設危害較大，并給工程帶來較大安全隱患。

斷裂構(gòu)造對地下空間開發(fā)利用的影響主要表現(xiàn)為:①斷裂破碎帶裂隙密集，巖體強度低，是良好的地下水富集帶，為地層內(nèi)地下水和有害氣體的運移提供通道，較常見的工程災害有地下水運移導致的地面變形，地表水滲流帶來的水土流失，深埋隧道的涌水和毒氣安全威脅;②斷裂活動產(chǎn)生的次生效應，如砂土液化地基失穩(wěn)，具有突發(fā)性、不可預見性和極大災難性的特點，其破壞主要表現(xiàn)在斷裂兩盤位移活動頻繁，造成差異沉降錯動，造成地下建構(gòu)筑物開裂錯位及地下管道破裂等影響，威脅地下線路安全運行。

1.3 地下水對地下空間開發(fā)的影響分析 地下水的賦存狀態(tài)和水位的變化是地下水對地下空間開發(fā)利用的重要影響因素。富水性越好，地下水埋深越淺，越不利于城市地下空間的開發(fā)利用。根據(jù)資料記載，長沙市地下水主要富水地段概況見表1。地下水對地下空間利用的影響主要體現(xiàn)在:①在地下空間開挖施工過程中，由于破壞地下水流場原有的完整性，容易造成基坑或管道滲流涌水和突水，威脅施工作業(yè)人員的安全，增加地下工程建設的難度。長沙市的地鐵隧道底界為12～30 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。②地下水對地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的浮托作用，施工中疏干排水及后續(xù)地下水補給使地下水位發(fā)生急劇變化，若防水措施或抗浮措施不當，可能導致地下工程建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，威脅其安全運營。③長沙市區(qū)廣泛分布地下熱水，可分為上部第四系孔隙層狀承壓熱水和下部花崗巖類構(gòu)造裂隙脈狀承壓熱水，地下工程建設與上部第四系孔隙層狀熱水埋深于斗門站到屏山站存在交集區(qū)間，同時地下熱水的高溫及地熱中富含的等離子對鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性，構(gòu)成持久的安全隱患。

1.4 地面塌陷對地下空間開發(fā)的影響分析 長沙市地面塌陷分為巖溶塌陷和采空塌陷。研究表明，長沙市境內(nèi)分布71處地面塌陷，巖溶塌陷多發(fā)生在下部灰?guī)r中、上部有第四系沖洪積物覆蓋的坳谷地帶;巖溶塌陷發(fā)育于區(qū)域內(nèi)構(gòu)造密集復雜、斷層及褶皺密布區(qū);巖溶塌陷集中分布在區(qū)內(nèi)地下水集中徑流帶上;巖溶塌陷多分布在河床及其兩岸低階地及沖溝中心地帶。采空塌陷多發(fā)生于三疊系、二疊系、石炭系、第四系地層等賦存煤、粘土礦的地區(qū)的采空區(qū)地帶［9］。2011年湖南省地質(zhì)災害統(tǒng)計顯示，人為因素誘發(fā)的巖溶塌陷占全國總數(shù)的86.6%，塌坑占總數(shù)的99.8%［10］。地面塌陷危害主要表現(xiàn)在突然毀壞城鎮(zhèn)設施、工程建筑、農(nóng)田，干擾破壞交通線路，造成人員傷亡。在進行地下空間開發(fā)前，應該充分考察好開發(fā)區(qū)域的地質(zhì)情況，避免發(fā)生不必要的事故和災難。

表1 長沙市地下水主要富水地段概況［8］

2 防治對策與建議

目前，長沙市正處在地下空間開發(fā)利用的關(guān)鍵時期，科學、合理、有效的防治措施是科學、合理開發(fā)長沙市地下空間資源，減小城市生產(chǎn)生活負面影響的必需。

2.1 合理、科學地制定地下空間開發(fā)利用詳細系統(tǒng)的規(guī)劃 目前，長沙市沒有一部科學合理的總體規(guī)劃，對地下工程開發(fā)深度也沒有詳細控制和規(guī)定?，F(xiàn)有關(guān)專業(yè)型規(guī)劃管理范圍僅限于單方面，對其他的地下空間類型沒有效力，容易發(fā)生“無部門管理，無法規(guī)可依”的現(xiàn)象。建議市政府編制獨立的長沙市地下空間開發(fā)利用總體規(guī)劃，為合理科學開發(fā)利用長沙市地下空間資源提供更全面、更具體的法律保障。同時，對地下空間的開發(fā)深度和強度進行詳細的控制和規(guī)范，避免出現(xiàn)不安全開發(fā)和資源浪費現(xiàn)象。

2.2 政府采用科學的方法，嚴格合理審批地下空間開發(fā)項目 政府應該根據(jù)地下空間建設的實際情況，盡快進行地下空間審批的法律法規(guī)建設，嚴格控制審批的程序，對所申報的項目應該從“技術(shù)專業(yè)、安全可持續(xù)、合理有效”3方面進行審核。聘請相關(guān)專業(yè)的技術(shù)單位對地下空間開發(fā)的可行性進行嚴謹科學的論證，進行詳細的項目開發(fā)的利弊分析，呈報相關(guān)的技術(shù)報告。同時，盡早頒布關(guān)于地下空間建設的技術(shù)標準和安全規(guī)定。

2.3 把好安全關(guān)，做好地下工程勘察工作 相關(guān)項目申請單位應該聘請專業(yè)的技術(shù)單位對擬建區(qū)水文地質(zhì)條件和巖土工程地質(zhì)條件進行詳細的調(diào)查，獲取詳實的工程勘察資料，如加強地下水位的動態(tài)觀測和水質(zhì)監(jiān)測研究，減小地下水對地下空間開發(fā)建設施工和安全運行的影響;盡量避開區(qū)域穩(wěn)定性差和地質(zhì)構(gòu)造條件不良地段;工程布置階段應盡量避免沿向斜軸布置，遇到褶皺斷層時，尤其應注意穿向斜部位，應因地制宜采取規(guī)避或者加固的方法，避免裂隙巖溶水透水事故發(fā)生;對淺部地下工程建設時，采用降低地下水位方法時應該盡量避開巖溶發(fā)育段，減少巖溶地面塌陷問題和降低巖溶透水事故發(fā)生率;對于深部地下工程，必要時需建立相應的防滲墻，形成很好的隔水空間，避免發(fā)生局部透水突沙事故。另外，摸清城市地下有害氣體的分布規(guī)律等，有針對性地布置工程項目，制定合理的工程施工方案，最大限度減小地質(zhì)因素對地下空間開發(fā)項目的影響。

2.4 做好城市地下工程開發(fā)地質(zhì)因素的評價、動態(tài)監(jiān)測和預測 政府應成立相關(guān)的工作小組，對長沙市相關(guān)的地質(zhì)環(huán)境背景和地質(zhì)材料進行詳細的記錄和整理分析，建立一個系統(tǒng)動態(tài)的信息數(shù)據(jù)庫，綜合評價未來長沙市地下空間開發(fā)的地質(zhì)災害危險性。預測一定時間段會面臨的地質(zhì)問題，提早采取相應的對策，規(guī)避將面臨的危險，為制定長沙市地下空間防災減災預案提供有效的依據(jù)。

3 結(jié)語

隨著長沙城市化進程的加快，城市土地利用日益緊張，地下空間的開發(fā)利用已迫在眉睫。通過對長沙市開發(fā)地下空間資源可能面臨的地下水、巖土體工程性質(zhì)、斷裂構(gòu)造、地面塌陷等主要地質(zhì)因素的分析，提出開發(fā)利用地下空間資源應在制定科學合理的城市地下空間總體規(guī)劃，進行科學嚴謹?shù)慕ㄔO項目論證，做好建設項目工程勘察工作基礎上，依據(jù)城市發(fā)展水平和社會需求，循序漸進地開發(fā)城市地下空間，實現(xiàn)長沙地下空間資源的可持續(xù)發(fā)展。

［1］湖南省人民政府.長沙市城市總體規(guī)劃2003－2020(2014年修訂)［R］.2014.

［2］曾力力.長沙天然氣管道昨日穿越湘江，總長度為1450米［N］.三湘都市報，2011－03－01.

［3］長沙市人民政府.關(guān)于進一步明確我市結(jié)合民用建筑修建防空地下室有關(guān)規(guī)定的通知［R］.2014.

［4］長沙黃興路將建地下商業(yè)街，總面積過萬平方米［EB/OL］.(2014－08－27)http://www.hn.chinanews.com/news/2014/0827/217835.html.

［5］楊柳.長沙市區(qū)巖土體工程地質(zhì)特征［J］.冶金礦山設計與建設，1997，29(6):15－18.

［6］李貴仁，劉慧林，趙龍輝，等.湖南省城市地質(zhì)資源在城市規(guī)劃建設中的作用探討［C］//中國地質(zhì)調(diào)查局.全國主要城市環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價學術(shù)交流會議論文集.北京:地質(zhì)出版社，2010:216－220.

［7］湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站.長沙縣地質(zhì)災害調(diào)查與區(qū)劃報告［R］.2007:70 －73.

［8］長沙市規(guī)劃局.長沙市地下水概況［EB/OL］.http://www.cusp.gov.cn/.

［9］王川，趙亞輝，劉新華.淺析長沙市地質(zhì)災害發(fā)育特征及防治對策［J］.地質(zhì)災害與環(huán)境保護，2010，21(4):12 －19.

［10］湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站.長沙縣地質(zhì)災害調(diào)查與區(qū)劃報告［R］.2011:80 －83.