四川成都中心城區(qū)地下空間開發(fā)利用的地質(zhì)環(huán)境制約因素分析

李 霞，何慶成，陳 亮，李 采，房 浩，魏昌利，王 凱

(1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；2.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037；3.四川省地質(zhì)調(diào)查院，四川 成都 610081；4.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，城市規(guī)模急劇擴大，各種“城市病”在我國一些大中城市已經(jīng)出現(xiàn)，城市空間與功能間的矛盾日益突出，為解決這類矛盾，實現(xiàn)城市的節(jié)約集約化和可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)利用地下空間勢在必行[1]。地下空間作為現(xiàn)代化城市的重要組成部分，具有擴大城市空間容量、改善城市生態(tài)環(huán)境、節(jié)約集約空間資源、實現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)的功能[2]。

成都是我國西南地區(qū)重要中心城市之一，是國家實施“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略的主要依托城市[3]。其地下空間開發(fā)利用經(jīng)歷了從20世紀(jì)50年代以民防工程為主的起步階段，到六、七十年代大量大型人防工程集中修建的發(fā)展階段，再到80年代以“平戰(zhàn)結(jié)合”方式開發(fā)的功能轉(zhuǎn)型階段[4]，最終到目前的多功能利用階段，出現(xiàn)了大量集地下商業(yè)、文化娛樂、體育設(shè)施、交通及市政設(shè)施等為一體的大型地下綜合體。地下空間建設(shè)也逐漸從單一化走向了多樣化。

然而，地下空間開發(fā)利用與地質(zhì)環(huán)境條件息息相關(guān)。如果在地下空間開發(fā)利用過程中，對復(fù)雜的地質(zhì)條件及可能產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害認(rèn)識不足或預(yù)防、控制、解決的方法采取不當(dāng)，都可能會出現(xiàn)較多的環(huán)境地質(zhì)問題和地質(zhì)災(zāi)害，甚至對周圍地下空間設(shè)施產(chǎn)生不可逆的影響，影響地下工程建設(shè)的進展及效果[5-8]。

根據(jù)《成都市城市總體規(guī)劃(2011—2020)說明書》，建立依托地鐵網(wǎng)絡(luò)、以城市公共中心為樞紐的地下空間體系，規(guī)劃2020年成都地下空間建設(shè)用地達到660 km2，其中中心城區(qū)400 km2[9]。規(guī)劃可利用地下空間資源主要為淺層及次淺層范圍，一般在地下0～-30/m以內(nèi)，0～-10/m地下空間主要為廣場、綠地、水體、公園、體育場等的下部空間及建筑物地下室；-10～-30/m主要是公共用地的下部空間與地下構(gòu)筑體。近期成都中心城區(qū)地下空間發(fā)展策略仍以地鐵骨干線建設(shè)為重點，完善點狀設(shè)施建設(shè)，并逐步將有礙城市景觀和不安全的市政設(shè)施轉(zhuǎn)為地下建設(shè)方式；遠期在以軌道交通建設(shè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合道路改建和地鐵、共同建設(shè)，進一步開發(fā)地下商業(yè)設(shè)施，逐步實現(xiàn)中心城區(qū)地下連線成網(wǎng)，發(fā)揮地下空間網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的綜合效益。因此，在未來地下空間大規(guī)模開發(fā)的背景下，研究地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境影響制約因素，對正確認(rèn)識地下空間開發(fā)利用面臨的環(huán)境地質(zhì)問題，采取恰當(dāng)?shù)姆乐未胧┚哂兄匾饬x?；诘刭|(zhì)環(huán)境條件，本文分別從水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件和環(huán)境地質(zhì)問題三個方面對地下空間開發(fā)利用的制約因素進行分析和研究。

1 研究區(qū)概況

成都位于青藏高原東緣與四川盆地過渡地帶，地勢西北高，東南低，地形多樣，相對高差4 979 m。研究區(qū)主要為繞城高速環(huán)線以里的城市規(guī)劃中心城區(qū)，面積約500 km2(圖1)。行政區(qū)劃主要包括成都市錦江區(qū)、青羊區(qū)、金牛區(qū)、武侯區(qū)、成華區(qū)中心五城區(qū)。研究區(qū)由西往東為冰水流水堆積扇狀平原和淺丘臺地地貌。平原地貌區(qū)總體自西北向東南傾斜，地面高程484～556 m，主要地貌單元為河間地塊二級階地和沿河兩岸分布的一級階地與河漫灘。淺丘臺地地貌區(qū)主要位于研究區(qū)東部，地勢上西、北、南邊緣略高，中部稍低，東部又偏高，地面高程460～510 m，呈微波狀起伏。

研究區(qū)廣布第四系地層，下伏侏羅系和白堊系地層，白堊系地層僅在東北部天回鎮(zhèn)附近和東南部大面鋪附近出露。構(gòu)造形跡為隱伏構(gòu)造，主要有溫江南獄廟-郫縣紅光推測隱伏斷裂、新津-新都推測隱伏斷裂、磨盤山隱伏斷裂、包江橋隱伏斷裂、蘇碼頭背斜西翼斷層等。表1為研究區(qū)地層巖性，圖2為研究區(qū)地質(zhì)簡圖。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the study area

年代地層界系統(tǒng)巖石地層主要巖性地層厚度/m含水層厚度/m工程地質(zhì)特性新生界第四系全新統(tǒng)(Q4)沖積、洪積卵礫石、砂、砂質(zhì)黏土、黏質(zhì)砂土8～16上更新統(tǒng)(Q3)沖洪積砂質(zhì)黏土、黏質(zhì)砂土、成都黏土、砂礫卵石25～46中更新統(tǒng)(Q2)冰水堆積、沖洪積砂礫卵石夾紅土礫石7～48下更新統(tǒng)(Q1)沖洪積砂礫卵石20～452～28—基坑壁易坍塌,卵石散碎,承載力較差該層為成都平原主要的天然地基持力層,承載力以800～1 500 kPa為宜,樁端土承載力可采用4 500～6 500 kPa該層工程地質(zhì)特性良好,但成都黏土層表層易失水收縮,形成風(fēng)化裂隙,造成強度降低現(xiàn)象結(jié)構(gòu)緊密中生界白堊系侏羅系上統(tǒng)下統(tǒng)中統(tǒng)灌口組(K2 g)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖5～135夾關(guān)組(K2j)細粒長石石英巖屑砂巖、粉砂巖、泥巖128～167天馬山組(K1t)鈣質(zhì)膠結(jié)細粒長石巖屑砂巖150～524遂寧組(J2sn)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖>50020～150屬軟質(zhì)巖層,承載力弱屬軟質(zhì)巖層,承載力較低屬較堅硬巖層,承載力較高,強風(fēng)化層的承載力稍小屬軟質(zhì)巖層,承載力弱

圖2 研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.2 A sketch geological map of the study area

2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水類型主要為第四系松散堆積層孔隙水和紅層基巖裂隙水(圖3)。其中，孔隙水由埋藏于扇狀平原之下的上更新統(tǒng)上段含泥砂礫卵石層及其下的上更新統(tǒng)下段風(fēng)化泥砂礫卵石層構(gòu)成，水位埋藏淺，是城市重要的地下水供給源，含水層厚度10～30 m，單井出水量一般為500～2 000 m3·d-1，富水性好，呈現(xiàn)西厚東薄的特點。紅層基巖裂隙水主要分布于東部臺地區(qū)，根據(jù)巖性不同，又分為兩個亞類，一是分布于侏羅系遂寧組、蓬萊鎮(zhèn)組和白堊系灌口組、夾關(guān)組地層的砂、泥巖風(fēng)化帶裂隙孔隙水，單井涌水量一般小于100 m3·d-1，二是分布于白堊系夾關(guān)組砂巖的裂隙孔隙層間水，巖性以厚層狀長石砂巖為主，夾薄層透鏡狀粉砂巖、泥巖，具一定孔隙性的儲水能力，再由構(gòu)造、斷層的作用，使裂隙進一步發(fā)育，加強了導(dǎo)水和儲水性，單井出水量一般在100～500 m3·d-1。研究區(qū)含水巖組水位埋深淺，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，地下空間開發(fā)利用受地下水影響較大，其影響因素主要有地下水水位、含水層厚度、巖土層透水性、地下水腐蝕性等。

圖3 研究區(qū)水文地質(zhì)圖Fig.3 Hydrogeological map of the study area

2.1 地下水水位

地下水對地下構(gòu)筑物能產(chǎn)生較大的動水壓力或上浮力，地下工程在施工過程中(如基坑開挖)，如防水措施或抗浮措施不力，可能造成坑內(nèi)積水，降低地基承載力，導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)破壞，從而影響地下空間利用的安全性[10]。一般來說，地下水水位埋深越淺，對地下空間的開發(fā)利用越不利。研究區(qū)西部地區(qū)的上更新統(tǒng)和全更新統(tǒng)卵石層富含孔隙水，水位埋深雖然隨地貌而異，但埋深一般都較淺，多在2～5 m，河間地塊一般2～4 m，河道一般1～2 m。根據(jù)成都地區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)資料，地下水位年變化幅度1.5～3 m。因此，地下水水位是地下空間開發(fā)利用需考慮的因素之一。

2.2 含水層厚度

含水層厚度的大小直接或間接反映了地下水的富水性，一般而言，含水層越厚，地下水水量和水壓越大。研究區(qū)地下空間的開發(fā)利用深度或擬規(guī)劃利用深度已接觸到地下水含水層，含水層厚度在10～30 m。在基坑開挖時，受地下水壓的影響，容易發(fā)生噴涌、流砂等現(xiàn)象，造成土層變形，影響地下空間開發(fā)圍巖/坑壁的穩(wěn)定性，同時也會威脅地下結(jié)構(gòu)的自身安全。因此，含水層厚度也是需考慮的因素之一。

2.3 巖土層滲透性

巖土層的透水性關(guān)系到開挖面涌水量大小和是否發(fā)生流砂、管涌等環(huán)境地質(zhì)問題的關(guān)鍵因素。根據(jù)工程經(jīng)驗，當(dāng)開挖斷面存在砂卵石等透水層時，對坑壁穩(wěn)定性和基坑降水影響很大[11]。研究區(qū)砂卵石層均有較好的滲透性能，其滲透強度與砂卵石層粒配、組分和密實程度有關(guān)。從平面上看，平原西部山頂?shù)囟螢榇至Ｏ喑练e，卵石粒徑大、空隙性好，滲透系數(shù)在100 m·d-1以上，大者達400 m·d-1；東部及南部扇緣地帶主要為細粒相沉積，泥質(zhì)含量增加，空隙性較差，滲透系數(shù)一般為10～20 m·d-1；中部滲透系數(shù)20～40 m·d-1。黏類土滲透系數(shù)為0.1 m·d-1左右，屬弱至極弱透水；砂土透水性較好，滲透系數(shù)一般為10 m·d-1左右。地下空間開發(fā)利用在工程開挖時，開挖斷面巖土層的滲透性是應(yīng)考慮的水文地質(zhì)條件要素之一。破壞含水層易發(fā)生較大的集中涌水，水量大，流速快，會迅速增加地下工程空間內(nèi)的積水，造成安全威脅和隱患。

2.4 地下水腐蝕性

3 工程地質(zhì)條件

從地下空間利用實踐經(jīng)驗得知，充分利用工程地質(zhì)有利條件，防治和改造不利條件，是經(jīng)濟合理開發(fā)地下空間和興建地下建筑的首要條件[12-13]。

研究區(qū)工程地質(zhì)巖土體包括沉積碎屑巖和松散巖兩大類[14]，工程地質(zhì)巖土體的分布與地貌成因類型關(guān)系密切，其工程地質(zhì)性能受構(gòu)造影響明顯，根據(jù)地層巖性、巖土體堅硬程度的力學(xué)指標(biāo)及地貌類型將工作區(qū)內(nèi)的工程地質(zhì)巖土體劃分為四個工程地質(zhì)區(qū)。一是平原流水堆積松散巖類工程地質(zhì)區(qū)，分布于平原現(xiàn)代河流一級階地、河漫灘及山前沖洪積扇。上為淡黃、深灰粉質(zhì)粘土，厚度一般為0.5～4 m；下部為多元透鏡體結(jié)構(gòu)的砂卵礫石層，該層為稍密卵石類碎石土，厚5～20 m，地下水位埋深0～2 m。二是平原冰水堆積松散巖類工程地質(zhì)區(qū)，分布于河間地塊，為冰水堆積扇狀平原，具有二元結(jié)構(gòu)，上部為棕黃、褐黃色砂質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土，厚0.5～10 m；下部為含泥或不含泥砂卵礫石層，為中密實卵石類碎石土，厚5～40 m。三是平原周邊冰水、冰蹟堆積松散巖類工程地質(zhì)區(qū)，分布于研究區(qū)以東，龍泉山麓一帶，相當(dāng)于三級階地的臺地上，高出河面25～30 m。上部為鮮黃、棕黃色黏土，富含鈣質(zhì)結(jié)核；下部褐黃色黏土、致密，很少見鈣質(zhì)結(jié)核，底部可見粗大灰白色高嶺土條帶。 四是紅層碎屑巖類工程地質(zhì)區(qū)，主要在研究區(qū)東部臺地天回鎮(zhèn)和大面鋪附近零星分布，主要為白堊系灌口組(K2g)和夾關(guān)組(K1j)的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖不等厚互層。圖4為研究區(qū)工程地質(zhì)平面簡圖，圖5為研究區(qū)地鐵7號線花照壁站工程地質(zhì)剖面圖。

圖4 研究區(qū)工程地質(zhì)平面簡圖Fig.4 A sketch engineering geological map of the study area

圖5 研究區(qū)花照壁站工程地質(zhì)剖面圖Fig.5 Engineering geological section of the Huazhaobi station in the study area

經(jīng)研究表明，研究區(qū)對地下空間開發(fā)利用不利的工程地質(zhì)條件受膨脹土、可液化砂土等的影響。

3.1 膨脹土

膨脹土是指土體中含有大量親水性黏土礦物成分，當(dāng)含水量改變時，其體積隨之改變，膨脹或收縮，對于脹縮性大到危害建筑物安全的黏性土稱之為脹縮土。研究區(qū)的脹縮土主要是成都黏土，又稱裂隙脹縮土，黃色、棕黃色，致密，硬塑至堅硬，裂隙發(fā)育、不規(guī)則。表2為成都脹縮土性質(zhì)指標(biāo)。裂面附灰白色粘土條帶、團塊，頂部含鈣質(zhì)結(jié)核，膨脹系數(shù)為3.2%，收縮系數(shù)為34.42%，屬弱-中等脹縮土，厚度一般5～21 m。脹縮土中灰白色粘土裂隙對土體強度影響極大，完整土體極限荷載400～1 000 kPa；而含灰白色黏土、裂隙土極限荷載僅100～300 kPa。脹縮土膨脹量受上部壓力影響較大，成都黏土在無垂直壓力時膨脹量為0.45%，當(dāng)壓力為0.25 kg·cm-2時膨脹量為0.04%，減少約90%，當(dāng)壓力為0.5 kg·cm-2時膨脹量僅0.005%。

圖6是研究區(qū)膨脹土和可液化砂土的分布圖，從圖6中可以看出，膨脹土主要分布于東部臺地區(qū)。研究區(qū)脹縮土的危害主要表現(xiàn)為兩個方面：一是引起建筑物變形。當(dāng)脹縮土分布不均勻，房屋建筑樓層低、荷載較小，基礎(chǔ)埋置較淺，建筑群較分散時，脹縮土易產(chǎn)生脹縮變形，從而造成建筑物的變形。二是膨脹土邊坡易產(chǎn)生破壞。膨脹土裂縫發(fā)育，方向不規(guī)則，干時堅硬，遇水軟化。常見淺層滑坡、地裂，新開挖的路塹、邊坡、基槽易產(chǎn)生坍塌。

表2 成都膨脹土性質(zhì)指標(biāo)經(jīng)驗值Table 2 Experimental value of expansive soil properties indicators in Chengdu

圖6 研究區(qū)膨脹土和可液化砂土分布圖Fig.6 Distribution of the expansive and liquefiable sandy soils in the study area

3.2 可液化砂土

研究區(qū)平原區(qū)古河道和現(xiàn)今河道帶中的全新統(tǒng)粉細砂和粉土，一般埋藏于黏性土底部與卵石層接觸之間或夾于卵石層中，在河漫灘出露于地表。多呈透鏡狀或夾層，在一級階地呈帶狀分布，厚度一般0.5～2 m，局部2～5 m，埋深2～3 m，砂層松散，透水性好，與強透水砂卵石層接觸。從圖6可以看出，研究區(qū)有砂土液化的可能，但分布范圍有限，僅限于古河道低洼地和現(xiàn)今河道帶第四系全新統(tǒng)中的粉細砂及粉土?？梢夯巴敛粌H承載力低，易流動，不宜作為持力層，其主要的危害是震動時可能產(chǎn)生噴水冒砂、地面沉陷變形、滑移、開裂等現(xiàn)象，造成地基失效，破壞工程設(shè)施。

4 環(huán)境地質(zhì)問題

環(huán)境地質(zhì)問題是指對人類生存和生產(chǎn)建設(shè)存在不利或潛在不利影響的各種不良地質(zhì)作用與現(xiàn)象。研究區(qū)對地下空間開發(fā)有影響的環(huán)境地質(zhì)問題有地面沉降、活動斷裂、松散層小規(guī)模滑坡。

4.1 地面沉降

在地下水較為豐富的城市，絕大多數(shù)地下工程活動必然受到地下水的影響，為了防止基坑滲透破壞，在開挖時，通常需要采取一定的降水措施?；娱_挖導(dǎo)致坑底隆起，坑周墻體側(cè)移，從而使土體產(chǎn)生地層損失，基坑降水一方面使坑周土體骨架的有效應(yīng)力增加，另一方面由于水頭差的存在使得土體中產(chǎn)生滲流動水壓力，這兩種應(yīng)力的存在都導(dǎo)致土體固結(jié)壓密，從而導(dǎo)致地表產(chǎn)生沉降[15]。成都市區(qū)地面沉降始于20世紀(jì)60年代中期，根據(jù)近些年的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，地面沉降最快地方達到1.4 cm·a-1，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，地鐵穿過的地區(qū)形變速率明顯高于其他地區(qū)[16]。

當(dāng)然，在地下空間開發(fā)利用過程中，不可避免的會引起地面沉降。然而，沉降不僅在建設(shè)施工過程中發(fā)生，在建設(shè)施工完畢后的相當(dāng)長一段時間內(nèi)也會發(fā)生。地面沉降常造成地面建筑物開裂、道路塌陷、地下管網(wǎng)破壞，影響地下工程施工進度及其自身后期正常運營。尤其是差異性沉降對地下工程正常運營帶來的影響是非常嚴(yán)重的。雖說地面沉降是一種緩變型和相對隱形的地質(zhì)災(zāi)害，但在城市災(zāi)害系統(tǒng)中具有催化誘發(fā)和疊加放大的作用。因此，地面沉降是研究區(qū)地下空間開發(fā)利用應(yīng)考慮的主要環(huán)境地質(zhì)問題。

4.2 活動斷裂

研究區(qū)位于華夏系龍門山隆起褶皺帶東部成都坳陷，自“喜山運動”以來一直處于相對下降狀態(tài)，堆積了大范圍的第四系松散地層。據(jù)遙感資料顯示，研究區(qū)構(gòu)造行跡多為隱伏構(gòu)造，深部具斷塊性質(zhì)，主要有北北東向、北東東向和北西向三組，其中北北東向斷裂對研究區(qū)影響較大[17]，導(dǎo)致研究區(qū)東部基巖埋深淺，甚至部分地段基巖出露，對地下空間工程建設(shè)存在較大的潛在威脅，給地下空間開發(fā)利用帶來一定程度的安全隱患。

4.3 松散層小規(guī)?；?/h3>

研究區(qū)東部臺地屬成都平原與龍泉山區(qū)的過渡地帶，第四系堆積層沉積時代與地層巖性較復(fù)雜，主要分布有成都粘土與含黏土卵石層，而在臺地坳陷地段分布有全新統(tǒng)粘性土、軟土等。該區(qū)局部具有滑坡的地形地貌和地層巖性條件，在開挖高邊坡等人類活動或遭遇7度及以上地震影響時，可能會造成舊滑坡復(fù)活、產(chǎn)生新滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，這樣對地下空間開發(fā)造成一定隱患，影響地下空間結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性[18]。截至2015年3月，成都共查明滑坡地質(zhì)災(zāi)害隱患點2 289處，潛在不穩(wěn)定斜坡594處[19]，這些滑坡主要分布于西部龍門山區(qū)及東部龍泉山區(qū)的12個區(qū)(市)縣和天府新區(qū)成都直管區(qū)，規(guī)模多以小型為主。因此，松散層小規(guī)模滑坡是影響研究區(qū)地下空間開發(fā)利用應(yīng)考慮的環(huán)境地質(zhì)問題之一。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)有多個含水巖組分布，水位埋深淺，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，地下空間開發(fā)利用受地下水影響較大，主要影響因素有地下水水位、含水層厚度、巖土層透水性、地下水腐蝕性等。其對城市地下空間工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響和危害較大，主要表現(xiàn)在涌水、流砂、降低圍巖穩(wěn)定性、對地下工程主體產(chǎn)生腐蝕等方面。

(2)研究區(qū)工程地質(zhì)巖土體包括沉積碎屑巖和松散巖兩大類，工程地質(zhì)區(qū)劃分為四類，工程地質(zhì)條件總體較復(fù)雜。膨脹土和可液化砂土是研究區(qū)地下空間開發(fā)利用的主要工程地質(zhì)影響因素，膨脹土對于引起建筑物變形和邊坡破壞起到主要作用，而砂土液化的危害是震動時可能產(chǎn)生噴水冒砂、地面沉陷形變、滑移、開裂等現(xiàn)象，造成地基失穩(wěn)，破壞工程設(shè)施。

(3)研究區(qū)對地下空間開發(fā)有影響的環(huán)境地質(zhì)問題有地面沉降、活動斷裂、松散層滑坡等，其中地面沉降是應(yīng)考慮的主要影響因素，其極易造成地面建筑物的開裂、道路塌陷、地下管網(wǎng)破壞等現(xiàn)象，影響地下工程施工進度及后期的正常運營。

(4)地質(zhì)環(huán)境條件是影響地下空間開發(fā)利用最基本的因素，通過研究成都中心城區(qū)地下空間開發(fā)利用的地質(zhì)環(huán)境制約因素，為研究區(qū)今后地下空間的合理開發(fā)利用提供地質(zhì)環(huán)境條件技術(shù)支撐。