上海深層地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境條件及適宜性評(píng)價(jià)

史玉金，張先林，陳大平

（1.上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海200072；2.上海市規(guī)劃和國(guó)土資源管理局，上海200003）

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上海深層地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境條件及適宜性評(píng)價(jià)

史玉金1，張先林2，陳大平1

（1.上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海200072；2.上海市規(guī)劃和國(guó)土資源管理局，上海200003）

摘要：隨著上海市淺部和中部地下空間資源的不斷消耗，地下空間開(kāi)發(fā)利用將向深層發(fā)展和延伸。本文在對(duì)上海中心城區(qū)已有地質(zhì)資料整理分析的基礎(chǔ)上，分析了深層地下空間開(kāi)發(fā)的地質(zhì)環(huán)境條件，開(kāi)展了工程地質(zhì)條件分區(qū)，評(píng)價(jià)了開(kāi)發(fā)利用中所面臨的重大地質(zhì)問(wèn)題，最后分別針對(duì)深基坑工程和隧道工程進(jìn)行了工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，上海深層地下空間開(kāi)發(fā)中的工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，深基坑工程和深部隧道工程建設(shè)適宜性為基本適宜至適宜性差。該成果為深層地下空間開(kāi)發(fā)規(guī)劃和建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：深層地下空間；地質(zhì)環(huán)境條件；工程地質(zhì)分區(qū)；適宜性評(píng)價(jià)；基坑；隧道

進(jìn)入21世紀(jì)以后，上海市地下空間開(kāi)發(fā)數(shù)量和規(guī)模逐年增加，并呈現(xiàn)爆炸性的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，同時(shí)，隨著上海淺部和中部地下空間資源的不斷消耗，城市發(fā)展、建設(shè)對(duì)地下空間資源需求的持續(xù)增大，地下空間開(kāi)發(fā)利用正向深層發(fā)展和延伸，如上海長(zhǎng)江隧道工程，過(guò)江隧道最大埋深達(dá)到江底55 m。而隨著地下空間開(kāi)發(fā)深度的不斷加大，地下空間開(kāi)發(fā)遭遇的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題愈加復(fù)雜，開(kāi)發(fā)利用的難度和風(fēng)險(xiǎn)顯著加大。地下空間資源具有不可再生性和不可轉(zhuǎn)移性，因此必須科學(xué)、謹(jǐn)慎地規(guī)劃和開(kāi)發(fā)，在其規(guī)劃和開(kāi)發(fā)建設(shè)中需以地質(zhì)環(huán)境條件和地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)為依據(jù)，合理開(kāi)發(fā)建設(shè)。本文通過(guò)對(duì)已有資料分析整理，分析了深層地下空間開(kāi)發(fā)的地質(zhì)環(huán)境條件，開(kāi)展了工程地質(zhì)條件分區(qū)，評(píng)價(jià)了開(kāi)發(fā)利用中所面臨的重大地質(zhì)問(wèn)題，最后分別針對(duì)深基坑工程和隧道工程進(jìn)行了工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)，為深層地下空間開(kāi)發(fā)規(guī)劃和建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。

1　深部地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境條件

上海地下空間開(kāi)發(fā)實(shí)行分層規(guī)劃和建設(shè)，將地下空間劃分為淺層（0～15 m）、中層（15～40 m）和深層40 m以下）三個(gè)層次［1］。因此，40～100 m是深層地下空間開(kāi)發(fā)的主要深度范圍，該范圍內(nèi)水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)影響較大。

上海地區(qū)是典型的三角洲沉積平原，區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層巨厚，淺層和中層地下空間開(kāi)發(fā)影響范圍內(nèi)的40 m以淺主要由軟黏性土與粉、砂性土組成［2］，不同地區(qū)地層結(jié)構(gòu)差異較大，且承壓水水頭高，淺層和中層地下空間開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中的軟土變形問(wèn)題、粉土砂土的滲流液化問(wèn)題、承壓水引起的水土突涌問(wèn)題、地面沉降問(wèn)題以及淺層天然氣問(wèn)題等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題較為突出，而40～100 m深度范圍內(nèi)地質(zhì)條件更為復(fù)雜，基底穩(wěn)定性及基巖面起伏、水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)影響更為突出。

1.1基底穩(wěn)定性及基巖面起伏情況

總體來(lái)說(shuō)，上海地區(qū)屬于地震活動(dòng)頻度低、強(qiáng)度不大的淺源少震區(qū)，區(qū)內(nèi)基底相對(duì)比較穩(wěn)定［3］，但基巖面起伏較大，中心城區(qū)基巖面埋深最淺為60 m，對(duì)深層地下空間開(kāi)發(fā)有一定影響。

1.2水文地質(zhì)條件

上海地區(qū)含水層極為發(fā)育，根據(jù)地質(zhì)時(shí)代、成因類(lèi)型和水動(dòng)力條件的差異，可將含水層劃分為一個(gè)潛水含水層、一個(gè)微承壓含水層和第一、二、三、四、五承壓含水層，其中潛水含水層、第二、三、四承壓含水層最為發(fā)育，富水性也最好，第四承壓含水層基本為淡水，其它含水層以微咸水和咸水為主。地下水開(kāi)采層主要為第二、三、四、五承壓含水層，以第三、四承壓含水層開(kāi)采量最大。近年來(lái)，隨著地面沉降控制措施的不斷加強(qiáng)，地下水開(kāi)采量大幅減少。含水層地下水位埋藏淺，富水性好，對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)特別是深層地下空間開(kāi)發(fā)影響巨大。

與深部地下空間開(kāi)發(fā)范圍（40～100 m）相關(guān)的有第一、二承壓含水層，部分地區(qū)第二與下伏的第三承壓含水層（埋深一般為100～120 m）溝通，未溝通區(qū)第二承壓含水層下部為厚約10 m的粘性土弱透水層。根據(jù)以往承壓含水層地下水年齡測(cè)試結(jié)果，第一、二、三承壓含水層地下水基本為封存水，尚未得到現(xiàn)代降水或地表水源等的補(bǔ)給，與現(xiàn)代降水之間及地表水之間不存在補(bǔ)給關(guān)系。但承壓含水層存在人類(lèi)活動(dòng)包括地下水開(kāi)采、降排水作用等引發(fā)相鄰弱透水層中地下水的補(bǔ)給，尤其是相鄰黏性土層中的地下水極為緩慢的越流補(bǔ)給。區(qū)域上，地下水總體徑流方向?yàn)橛杀毕蚰稀⒂晌飨驏|徑流，漏斗影響范圍地區(qū)為其鄰近地區(qū)向漏斗中心方向徑流［4］。

近年來(lái)，隨著地下水開(kāi)采量進(jìn)一步壓縮，人工回灌量逐漸增加，全市第二、三、四、五承壓含水層地下水位較以往同期均有不同程度抬升，尤其是第四、五承壓含水層地下水位較上年同期普遍抬升0.1～3.8 m（圖1）。通過(guò)我院各承壓含水層地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，2014年，中心城區(qū)第一、二、三承壓含水層地下水位分別為3～-1 m、1～-4 m、2～-4 m。第一承壓含水層地下水位平面上南、北差異較大，北部的寶山大場(chǎng)-虹口提籃橋-浦東高行鎮(zhèn)一線以北地下水位較高，普陀桃浦-黃浦外灘-浦東金橋一線以南地下水位低；第二承壓含水層地下水位呈北高南低的態(tài)勢(shì)，由北部寶山吳淞-高橋一帶的高水位區(qū)向南逐漸過(guò)渡至低水區(qū)，總體水力坡度較小。

在深層地下空間開(kāi)發(fā)及運(yùn)營(yíng)期間，豎井（基坑）及隧道底部均將承受較大的承壓水頭壓力，第一、二、三承壓水均將對(duì)100 m以淺豎井（基坑）開(kāi)挖和隧道掘進(jìn)施工產(chǎn)生直接影響，易產(chǎn)生水土突涌、流砂、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害。

圖1　中心城區(qū)各承壓含水層地下水位變化曲線圖Fig.1 Dynamic variety curve of every confined water level in Shanghai downtown area

1.3工程地質(zhì)條件

上海地區(qū)是第四系厚覆蓋區(qū)，且處于長(zhǎng)江、東海、杭州灣交匯區(qū)，工程地質(zhì)條件變化較大。40 m以淺主要為軟粘性土和砂性土（土層序號(hào)為①～⑦層），而深部地下空間開(kāi)發(fā)范圍內(nèi)（40～100 m）則以砂土、粘夾砂性土為主（第⑦～⑩層）（圖2），在古河道切割區(qū)（缺失上海典型的第一硬土層（⑥層區(qū)），有可能分布有⑤3、⑤4粘夾砂性土層。⑦層為砂土層，亦為第一承壓含水層，中心城區(qū)僅在古河道深切割地區(qū)缺失。正常區(qū)埋深一般為24～31 m，古河道區(qū)埋深從35 m到50 m不等；厚度上，中心城區(qū)西北部一般為2～10 m，東部10～30 m，南部厚度最大，一般均大于36 m。⑦層壓縮性低，強(qiáng)度高，隧道掘進(jìn)施工時(shí)阻力較大，且飽水，水頭較高，深層地下空間開(kāi)發(fā)過(guò)程中易引起基坑突涌和流砂問(wèn)題。⑧層為粘夾砂性土，分布也較為廣泛，在第一、二含水層溝通區(qū)缺失，上部⑧1層高壓縮性，強(qiáng)度較低，⑧2層為中-高壓縮性土，強(qiáng)度一般，隧道掘進(jìn)施工時(shí)阻力一般較小，且其自穩(wěn)性一般較好，有利于基坑邊坡及隧道工作面的穩(wěn)定。⑨層粉砂層分布廣泛且穩(wěn)定，埋深一般為60～70 m左右，厚度一般30～50 m，為第二承壓含水層，⑨層壓縮性低，強(qiáng)度高，飽水，隧道掘進(jìn)施工時(shí)阻力大，且水頭較高，滲透性強(qiáng)，深層地下空間開(kāi)發(fā)過(guò)程中易引發(fā)基坑突涌和流砂問(wèn)題。

圖2　中心城區(qū)工程地質(zhì)剖面示意圖Fig.2 The sketch map of engineering geological profile in Shanghai downtown area

圖3　中心城區(qū)深層地下空間開(kāi)發(fā)工程地質(zhì)條件分區(qū)示意圖Fig.3 The sketch map of engineering geological condition divisions for deep underground space development in Shanghai downtown area

根據(jù)40～100 m深度范圍內(nèi)工程地質(zhì)層特征，可對(duì)中心城區(qū)進(jìn)行深層地下空間開(kāi)發(fā)的工程地質(zhì)條件分區(qū)（圖2、圖3）［5］。第Ⅰ工程地質(zhì)區(qū)，總體上對(duì)大深度豎井（基坑）工程及深埋隧道工程施工及地下水控制有利。第Ⅱ工程地質(zhì)區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)工程地質(zhì)條件較差，施工難度和風(fēng)險(xiǎn)大。

2　深部地下空間開(kāi)發(fā)中重大地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題

上海深層地下空間開(kāi)發(fā)中主要面臨地下水、流砂、地面沉降以及基巖穩(wěn)定性與基巖面起伏等四大典型問(wèn)題。

2.1地下水問(wèn)題

地下水問(wèn)題包括深層地下水對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)的不利影響以及深層地下空間開(kāi)發(fā)對(duì)深層地下水的影響兩個(gè)方面。

在深層地下空間開(kāi)發(fā)建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期間，豎井（基坑）及隧道底部均將承受較大的承壓水頭壓力，第一、二、三承壓水均將對(duì)100 m以淺豎井（基坑）開(kāi)挖和隧道掘進(jìn)施工產(chǎn)生直接影響。當(dāng)基坑開(kāi)挖超過(guò)一定深度，坑底下地基土不足于抵抗承壓水水頭壓力時(shí)，有產(chǎn)生坑底突水、涌土的可能［6］；隧道掘進(jìn)施工時(shí)，若盾構(gòu)機(jī)土艙壓力小于承壓水水頭壓力，可能發(fā)生滲水、噴水、冒砂現(xiàn)象，造成嚴(yán)重工程事故。承壓含水層滲透性的不同，對(duì)深層地下空間開(kāi)發(fā)影響程度也有差異，通過(guò)抽水試驗(yàn)取得的滲透系數(shù)數(shù)據(jù)表明，中心城區(qū)第一承壓含水層滲透系數(shù)分區(qū)與工程地質(zhì)分區(qū)基本一致，第Ⅰ工程地質(zhì)區(qū)滲透系數(shù)為5～10 m/d，第Ⅱ工程地質(zhì)區(qū)為10～20 m/d。而第二承壓含水層滲透系數(shù)變化不大，為10～20 m/d。第三承壓含水層也基本在10～20 m/d之間，僅東北部局部稍大。地下水水質(zhì)也會(huì)對(duì)地下構(gòu)筑物產(chǎn)生腐蝕影響，第Ⅰ承壓水對(duì)混凝土具微腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中腐蝕性，第二承壓含水層地下水對(duì)混凝土具微腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有弱-中腐蝕性。

深部地下空間開(kāi)發(fā)對(duì)地下水流場(chǎng)和地下水水質(zhì)均會(huì)產(chǎn)生一定影響。深基坑工程以及維護(hù)結(jié)構(gòu)、止水帷幕等將切斷和破壞含水層，人工降水也將導(dǎo)致地下水位的“漏斗式”下降，從而改變地下水滲流場(chǎng)。施工中為提高土體的防滲性能和增強(qiáng)土體的強(qiáng)度所進(jìn)行的化學(xué)注漿會(huì)對(duì)地下水水質(zhì)產(chǎn)生影響［7］。

2.2流砂問(wèn)題

上海地區(qū)深層地下工程施工中揭遇砂土層時(shí)，若設(shè)計(jì)施工不當(dāng)，可能會(huì)出現(xiàn)流砂現(xiàn)象。流砂形成初期往往不易被察覺(jué)，直到坑底出現(xiàn)大量涌砂、涌水才能被施工人員發(fā)現(xiàn)，此時(shí)已造成大量土體流失，引發(fā)大面積的地基變形和地面塌陷［7］。2003年發(fā)生的軌道交通4號(hào)線施工引發(fā)的地面塌陷就是由于⑦層的流砂問(wèn)題所致。

另外，大深度地下工程建成運(yùn)營(yíng)期間，位于深部砂、粉性土中的豎井和隧道工程若結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，在巨大的承壓水頭差作用下，也會(huì)出現(xiàn)流砂現(xiàn)象，引發(fā)周邊大面積的地基變形和地面塌陷。

2.3地面沉降問(wèn)題

大深度豎井（基坑）工程施工中，因承壓水水頭高，為使工程建設(shè)順利進(jìn)行，將不得不大規(guī)模地降排承壓水，大幅度的降低承壓水水位將會(huì)引發(fā)大面積的地基變形和沉降，特別當(dāng)降水無(wú)法完全隔斷降水目的層時(shí)，引發(fā)的地面沉降及其影響范圍將更大。大規(guī)模的降水會(huì)形成地面沉降漏斗，產(chǎn)生不均勻地面沉降，進(jìn)而威脅到深層地下工程本身、地面已有建（構(gòu)）筑物、淺層及中層地下空間中的地鐵車(chē)站、地下車(chē)庫(kù)以及地鐵隧道等工程的正常使用及安全運(yùn)營(yíng)，對(duì)周?chē)h(huán)境造成明顯影響甚至破壞［8］。

2.4基巖面起伏問(wèn)題

中心城區(qū)基巖面埋藏深度一般大于160 m。但在徐匯區(qū)第六人民醫(yī)院附近存在基巖隆起，基巖面最淺處距離地面約60 m左右，當(dāng)該區(qū)域深層地下空間開(kāi)發(fā)深度大于60 m時(shí)，不論是基坑開(kāi)挖還是隧道掘進(jìn)施工均將變得十分困難。

3　深部地下空間開(kāi)發(fā)中地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)

目前，深層地下空間開(kāi)發(fā)利用的形式主要為基坑和隧道兩種，適宜性評(píng)價(jià)主要針對(duì)這兩種不同施工方法的工程進(jìn)行。由于第二承壓含水層（工程地質(zhì)第⑨層）平均埋深65 m，是否揭遇該土層對(duì)深層地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性將產(chǎn)生較大影響，因此分40～65 m和65～100 m兩個(gè)深度進(jìn)行分區(qū)和評(píng)價(jià)。

3.1基坑工程地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)與評(píng)價(jià)

中心城區(qū)40～65 m深度基坑工程地質(zhì)環(huán)境適宜性可分為基本適宜和適宜性差兩個(gè)區(qū)（圖4）。Ⅱ區(qū)屬適宜性差區(qū)，第一（工程地質(zhì)⑦層）、二（工程地質(zhì)⑨層）承壓含水層溝通，基坑開(kāi)挖降、排及隔水難度大，施工風(fēng)險(xiǎn)大；Ⅰ區(qū)為基本適宜區(qū)，但在Ⅰ2區(qū)應(yīng)注意⑦層可能產(chǎn)生流砂和突涌問(wèn)題以及⑨層引發(fā)的基坑突涌問(wèn)題。

65～100 m大深度豎井（基坑）工程開(kāi)挖將揭遇第⑨層，極易引發(fā)流砂現(xiàn)象。同時(shí)，由于基坑開(kāi)挖深度大，其下分布的第三、四承壓含水層水頭均較高，基坑開(kāi)挖時(shí)，極易引發(fā)基坑突涌問(wèn)題，對(duì)周邊環(huán)境造成極大的破壞。因此，對(duì)于65～100 m大深度豎井基坑）工程，從地質(zhì)環(huán)境角度考慮，中心城區(qū)均為適宜性差區(qū)。

3.2隧道工程地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)與評(píng)價(jià)

一般情況下，盾構(gòu)隧道在黏性土中掘進(jìn)時(shí)阻力較小，盾構(gòu)施工難度較小，在中密和密實(shí)的砂土層中掘進(jìn)時(shí)阻力較大，易產(chǎn)生流砂現(xiàn)象，且地下水控制難度大。

對(duì)于埋深40～65 m的隧道工程，中心城區(qū)北部、西北部以及浦東部分區(qū)域?yàn)榛具m宜區(qū)，盾構(gòu)隧道主要在黏性土中穿越，工程施工難度較小，風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低；其它地區(qū)盾構(gòu)隧道主要在粉土、砂土中穿越，盾構(gòu)掘進(jìn)阻力大，工程施工及地下水控制難度大，風(fēng)險(xiǎn)高，為適宜性差區(qū)。

65～100 m深埋盾構(gòu)隧道一般在第⑨層灰色砂性土層中掘進(jìn)施工，掘進(jìn)施工較為困難，工程施工風(fēng)險(xiǎn)極高，且結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期位于承壓含水層中，工程運(yùn)營(yíng)及維護(hù)成本高，地質(zhì)災(zāi)害造成的后果嚴(yán)重。因此，中心城區(qū)對(duì)65～100 m深埋盾構(gòu)隧道工程而言總體上為適宜性差區(qū)。

圖4　中心城區(qū)40～65 m深度基坑工程地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)示意圖Fig.4 The sketch map of geo-environmental feasibility divisions for excavation project of depth between 40 and 65 meters in Shanghai downtown area

4　結(jié)語(yǔ)

文章結(jié)合上海深層地下空間開(kāi)發(fā)利用特征，分析評(píng)價(jià)了對(duì)其影響較大的基底穩(wěn)定性、水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件，并進(jìn)行了工程地質(zhì)條件分區(qū)和工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，上海深層地下空間開(kāi)發(fā)面臨的工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，地下含水層發(fā)育，軟土、飽和砂土等特殊土體廣泛發(fā)育；深層地下空間開(kāi)發(fā)中主要的地質(zhì)問(wèn)題為地下水問(wèn)題、流砂、地面沉降以及基巖穩(wěn)定性與基巖面起伏；對(duì)深基坑和隧道兩種主要的深部地下工程，其建設(shè)地質(zhì)環(huán)境適宜性為基本適宜至適宜性差，工程建設(shè)中應(yīng)做好地質(zhì)安全評(píng)估和地質(zhì)災(zāi)害防治。由于文章所用資料有限，建議隨著深層地下空間開(kāi)發(fā)的深入實(shí)施，進(jìn)行更為詳盡的調(diào)查評(píng)價(jià)，確保深層地下空間開(kāi)發(fā)的地質(zhì)安全。

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資助項(xiàng)目：國(guó)土資源部地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“上海市三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查及地下空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)（1212010511102）”；上海市規(guī)劃和國(guó)土資源管理局科研項(xiàng)目“上海深層地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性及若干重大地質(zhì)問(wèn)題研究報(bào)告（Gtz2011012）”

中圖分類(lèi)號(hào)：TU984.11+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-4135（2016）02-0130-06

收稿日期：2016-03-11

作者簡(jiǎn)介：史玉金（1976-），高級(jí)工程師，1999年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），長(zhǎng)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。

Geo-environmental condition and feasibility assessment of the deep underground space in Shanghai city

SHI Yu-jin1，ZHANG Xian-lin2，CHEN Da-ping1
（1.Shanghai Institute of Geological Survey，Shanghai 200072，China；2.Shanghai municipal planning，land and resources administration，Shanghai 200003，China）

Abstract：In Shanghai downtown area，most of the shallow and middle underground spaces have been used，and the development and utilization of underground space will develop and extend to the deep level.Based on analyzing the existing geological results，this paper evaluates the geo-environmental conditions during deep underground space development，and makes out divisions of the engineering geological condition.Also this paper assesses the major geological problems faced by deep underground space utilization.And finally，this paper assesses the feasibility of deep excavation project and tunnel project.The results indicate that engineering geological conditions are complicated for the deep underground space development，and the feasibility of deep excavation and tunnel project is arranged from basic suitability to bad suitability.These results can provide scientific basis for deep underground space plan and building.

Key words：deep underground space；geo-environmental condition；feasibility assessment；excavation；tunnel