上海市地下空間地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其開發(fā)適應性

王建秀，劉月圓，劉笑天，史玉金，楊天亮，陳 勇，陳大平

(1. 同濟大學土木工程學院，上海 200092；2. 國土資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點實驗室，上海 200072；3. 上海地面沉降控制工程技術(shù)研究中心，上海 200072；4. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072)

上海市地下空間地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其開發(fā)適應性

王建秀1,2，劉月圓1，劉笑天1，史玉金2,3,4，楊天亮2,3,4，陳 勇2,3,4，陳大平2,3,4

(1. 同濟大學土木工程學院，上海 200092；2. 國土資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點實驗室，上海 200072；3. 上海地面沉降控制工程技術(shù)研究中心，上海 200072；4. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072)

地下空間開發(fā)是城市未來發(fā)展的重點方向，地質(zhì)環(huán)境問題在開發(fā)中不可忽視。針對地下空間開發(fā)中的地質(zhì)災害，以上海為例，利用Sufer和CAD軟件建模計算上海地層分布，對不同開發(fā)深度進行地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，得到地下空間開發(fā)敏感層土層分布。根據(jù)不同深度土層特性，地下建構(gòu)筑物特點以及開發(fā)過程中地層的相互影響，進一步得到不同深度不同區(qū)域易發(fā)地質(zhì)災害類型，從而提出地下空間開發(fā)的建設(shè)性意見。

地下空間；地質(zhì)環(huán)境問題；工程建設(shè)；規(guī)劃建議

隨著新一輪人口數(shù)量的增長以及城市化進程的加快，城市規(guī)模擴張和城市人口急劇增加成為社會發(fā)展的新趨勢，如何合理開發(fā)利用城市土地資源也成為熱點和重點研究課題。國內(nèi)一二線城市用地和使用程度趨近飽和，地面建筑密集。限于土地資源的限制，城市建設(shè)逐漸朝著高空和地下發(fā)展。地下空間開發(fā)是未來城市建設(shè)的重點，而地質(zhì)環(huán)境對地下空間的開發(fā)利用起著不可忽視的作用，深入分析開發(fā)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境可以為地下空間的開發(fā)打下堅實基礎(chǔ)，并且有效預防在開發(fā)中出現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境引起的災害事故。

目前，上海多發(fā)的地質(zhì)問題已經(jīng)有很多學者進行了研究，例如周學明等介紹了某地鐵工程、浦西高架、某公路工程的地基變形，驗證了上海軟土對這類工程的沉降影響[1]；于通介紹了地鐵東環(huán)南路站的深基坑開挖變形，強調(diào)深基坑開挖中變形監(jiān)測的重要性[2]；謝石連等介紹了西大盈港西側(cè)某沉井的流砂事故，說明在底部能達到粉砂層的沉井易發(fā)生流砂事故并可以采用深井降水的措施進行沉降控制[3]；王中原介紹了某廠區(qū)工程設(shè)備的基坑流砂事故，說明壓密注漿法可以很好處理流砂事故[4]；孫海忠介紹了寶山區(qū)家樂福及專業(yè)賣場工程東側(cè)基坑坍塌事故，強調(diào)局部深基坑應單獨設(shè)計及深基坑施工嚴格審查的重要性[5]；呂國平介紹了廣東路路基塌陷事故，說明壓密注漿手段和旋噴樁在地基加固中效果較好[6]。對上海地下空間的開發(fā)也有學者進行研究，例如儷璐等介紹了上海地下空間開發(fā)及利用現(xiàn)狀，強調(diào)地下空間規(guī)劃的必要性[7]；江帆等介紹了人民廣場、真如副中心等地下空間開發(fā)案例，表明對地下資源及環(huán)境的保護勢在必行[8]；嚴學新等根據(jù)上海特有的地質(zhì)環(huán)境條件，通過案例介紹了包括地面沉降、砂土粉土液化及地下水等問題[9]。前述學者對上海地質(zhì)問題及地下空間開發(fā)都有論述，但并未結(jié)合上海地區(qū)具體地質(zhì)數(shù)據(jù)以及地質(zhì)環(huán)境問題對地下空間開發(fā)進行分析。

本文通過Sufer和CAD軟件計算上海地層各類別土體量以及在上海市域的分布，并結(jié)合上海常見的地質(zhì)環(huán)境風險，基于不同開發(fā)深度給出未來地下空間開發(fā)的規(guī)劃建議。

1 上海市地下空間開發(fā)面臨的地質(zhì)風險

上海地區(qū)是典型的三角洲沉積平原，地層主要是海陸交替相、以海相為主的疏松堆積物，巖性主要以黏性土和砂、粉性土為主。根據(jù)上海地區(qū)常見的地下工程施工深度影響特點可知，第二軟土層及其以上土層對工程建設(shè)影響最大。表層土為褐黃色粉質(zhì)黏土，全區(qū)都有分布；其下第一砂土層為灰色粉砂夾砂質(zhì)粉土，主要分布在河口砂島和東部海岸帶，這一層有潛水分布；西部湖沼平原分布有第一硬土層，是黃褐、暗綠色黏性土；第一軟土層全區(qū)都有分布，上部為灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土加薄層粉砂，下部為灰色淤泥質(zhì)黏土；第二軟土層全區(qū)分布較普遍，上部是灰色黏土，中部為灰色粉砂夾砂質(zhì)粉土含天然氣，下部為灰色粉質(zhì)黏土夾薄層粉砂含泥炭，這一層中有微承壓水。上海地區(qū)廣泛分布的表土層及第一、第二軟土層地基承載力不足，在地下空間開發(fā)利用中的基坑施工中容易各類周邊建筑地基產(chǎn)生過量沉降事故。

同時上海地區(qū)地下水位高，30m以下的地層基本為飽和含水流塑或軟塑黏土層，這種地層極易發(fā)生變形，產(chǎn)生較大的周圍地層的移動，當基坑開挖至地下水位以下時，降水施工會造成基坑內(nèi)外水力坡度增大，形成坑壁由外向內(nèi)的滲流動水壓力，當動水壓力超過土的浮容重時，就會形成流砂或涌土事故。

另外在大規(guī)模的城市建設(shè)中，地層應力狀態(tài)改變，在受力變化時，容易因觸變特點而產(chǎn)生較大變形，甚至引起的塌方事故。

表1 上海部分地質(zhì)災害災情Table 1 The accidents of geological hazard in Shanghai

2 基于開發(fā)深度的地質(zhì)結(jié)構(gòu)敏感度分析

2.1 地層分布計算

以上海地區(qū)地質(zhì)鉆孔資料為基礎(chǔ)，利用CAD軟件作出上海市等高線圖，隨后利用Sufer軟件進行插值計算，插值結(jié)果覆蓋整個上海市域（圖1）。

第一步：處理鉆孔數(shù)據(jù)。鉆孔數(shù)據(jù)包括鉆孔編號、鉆孔類型、鉆孔坐標、鉆孔深度等二十多項數(shù)據(jù)，并且分散、數(shù)量繁多。本方法僅摘取板頂板底標高，并根據(jù)基礎(chǔ)地質(zhì)資料刪減部分錯誤鉆孔數(shù)據(jù)。

第二步：作等高線圖。以鉆孔板頂板底標高為基礎(chǔ)做出不同地層等高線圖。并在等高線分布稀疏而地形起伏較大地區(qū)根據(jù)周邊鉆孔資料適當增添等高線，以確保之后插值計算準確。

圖1 計算流程圖Fig.1 Calculating flow chart

第三步：作散點圖。等高線圖數(shù)據(jù)第一次導入Sufer軟件進行差值。插值過程中，選用克里金插值法以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)以變差函數(shù)為主要工具在保證估計值滿足無偏性條件和最小方差條件的前提下求得估計值，結(jié)果較為準確。網(wǎng)格密度選擇中，兼顧計算速度及結(jié)果精度，選擇50×50網(wǎng)格密度。第一次插值結(jié)果導入CAD軟件，扣除地層缺失區(qū)及區(qū)域輪廓線外插值數(shù)據(jù)。再次將CAD數(shù)據(jù)導入Sufer軟件進行插值計算，得到完整覆蓋上海市域的散點數(shù)據(jù)。

第四步：結(jié)合散點高程數(shù)據(jù)及網(wǎng)格劃分長度，以及地下開發(fā)不同深度規(guī)定，用函數(shù)公式對插值所得柵格化數(shù)據(jù)計算淺、中、深層地下空間各類土體積比例，并在Sufer軟件中得到不同深度不同類別土體積比例及分布。

2.2 基本地層結(jié)構(gòu)分析

（1）不同類別土體積比例分析

由表2的上海地下土層分布可知，0～15m的淺層空間中，表層土和淤泥質(zhì)黏土成分最多，淤泥質(zhì)黏土含量接近50%，表層土占31.67%，而上海表層土性質(zhì)也接近淤泥質(zhì)黏土。粉細砂和黏土最少，黏土約7%，粉細砂僅有1.54%。上海的淤泥質(zhì)黏土呈灰褐色，結(jié)構(gòu)不均，顆粒組成以粉粒為主，主要黏土礦物成分為伊利石、高嶺石、蒙脫石等，天然密度高，飽和度高，天然含水量一般大于液限，呈軟塑-流塑狀態(tài)，承載力低，透水性低，固結(jié)速度緩慢。

15～40m的中層空間中，表層土和淤泥質(zhì)黏土含量減少，分別約3%和11%，黏土和粉細砂成分較多，黏土含量達到64.76%，是這一深度土層的主要組成部分。上海的黏土主要礦物成分為高嶺石類、蒙脫石類和伊利石類，是顆粒非常小的可塑的硅酸鋁鹽?？伤苄暂^強，含水量較高但略低于淤泥質(zhì)黏土，透水性弱，承載力較低。粉細砂屬于砂土，是無黏性質(zhì)的散體，沒有可塑性，具備一定程度壓縮性，但壓縮性較小，承載力較高，有較大的滲透系數(shù)，并且當其受到一定程度的振動時，原來的顆粒結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生破壞形成流砂。40～110m的深層空間中，不含表層土和淤泥質(zhì)黏土，中粗砂和黏土含量最多，中粗砂含量達64.69%，黏土含量接近三分之一。中粗砂為淺黃色，稍濕，松散狀，屬于低承載力、中壓縮性土，液化特性較低，相對來說質(zhì)量較好。

表2 不同開發(fā)深度土體積比例Table2 Soil volume ratio in different depth

（2）不同類別土分布分析

由圖2(a)-(d)可知，0～15m范圍內(nèi)，淤泥質(zhì)黏土分布在上海市絕大部分地區(qū)，崇明島西北角和青浦區(qū)西部有少量缺失區(qū)。南部金山區(qū)含量最高。市區(qū)中部地帶分布量較大厚度較高，平均厚度超過50%，徐匯區(qū)、靜安區(qū)、虹口區(qū)、楊浦區(qū)等商業(yè)區(qū)都處在中部地帶，浦東新區(qū)西部含量也超過50%。中部地區(qū)建筑物密集，高層建筑較多，地下商業(yè)街及密集地鐵交通網(wǎng)絡也處在這一深度，對地基質(zhì)量要求較高。少量黏土分布在青浦區(qū)西部古河道部位，粉細砂少量分布在中西部，對這一深度地下空間開發(fā)影響不大。

由圖2(e)-(g)可知，淤泥質(zhì)黏土分布較少，主要集中在長興鄉(xiāng)、橫沙鄉(xiāng)以及崇明島西南角，長興鄉(xiāng)、橫沙鄉(xiāng)局部地區(qū)厚度超過50%，其余地帶含量在10%～30%之間。黏土廣泛分布在上海市區(qū)域，中西部分布較多，局部超過50%，青浦區(qū)南部和金山區(qū)西部分布密集，東部浦東新區(qū)含量在10%～30%之間。崇明縣和長興鄉(xiāng)、橫沙鄉(xiāng)分布略多于浦東新區(qū)，在30%～60%之間。粉細砂主要分布在除崇明縣、長興鄉(xiāng)、橫沙鄉(xiāng)以外的區(qū)域，西部邊緣古河道地區(qū)有缺失區(qū)。整體含量在10%～50%之間，以浦東新區(qū)、奉賢區(qū)、閔行區(qū)分布較多。

由圖2(h)-(i)可知，粉細砂主要分布在浦東新區(qū)、閔行區(qū)和奉賢區(qū)，含量在10%～30%之間，存在液化風險。黏土主要分布在崇明縣、長興鄉(xiāng)、橫沙鄉(xiāng)以及西北區(qū)域，中東部古河道區(qū)域有缺失區(qū)，含量在10%～50%之間，松江區(qū)局部區(qū)域超過50%。分布最多的是中粗砂，在這一深度地區(qū)基本上覆蓋整個上海市域，并且含量在30%～80%之間。

2.3 敏感層分布及影響分析

（1）不同開發(fā)深度已建工程對敏感層影響分析

圖2 不同土類分布Fig.2 Distribution of different soil in Shanghai

上海淺層0～15m范圍內(nèi)廣泛分布著淤泥質(zhì)黏土，由前述分析可知，徐匯區(qū)、靜安區(qū)、虹口區(qū)、楊浦區(qū)等商業(yè)區(qū)集中在市區(qū)中部淤泥質(zhì)黏土最厚地區(qū)，這部分城區(qū)廣泛分布各類地下管線、地下室、地下車站、地下商業(yè)街、地下停車場以及地鐵隧道等建構(gòu)筑物。地下管線在使用期間容易受到地面沉降的影響，導致管道斷裂損壞，而由分析可知，0～15m范圍內(nèi)以淤泥質(zhì)黏土、黏土分布為主，極易產(chǎn)生較大地面沉降，因此在規(guī)劃建設(shè)中應充分考慮不均勻沉降問題，盡量減少對地下管道的影響。地下室及地下車站的基坑施工中，由于地基土質(zhì)量太差，承載力低并且含水量較高，容易發(fā)生側(cè)壁坍塌、邊坡失穩(wěn)等事故。上海地鐵隧道埋深最淺為11m（最小覆土5m），最深達35m（穿越黃浦江底）。大部分處于0～15m范圍內(nèi)。地鐵隧道管片對地鐵的運營起重要作用，而不均勻沉降會導致管片斷裂變形，影響地鐵正常工作，淤泥質(zhì)黏土中的高含水量也對管片的防滲性能有較大影響。

15～40m范圍內(nèi)分布著大量粉細砂，其中青浦區(qū)南部和金山區(qū)西部分布密集，東部浦東新區(qū)含量也較高。青浦區(qū)以農(nóng)業(yè)規(guī)劃為主，地下空間開發(fā)問題不突出，金山區(qū)在市政規(guī)劃中屬于高新園區(qū)發(fā)展，并且將帶動商貿(mào)發(fā)展，而浦東新區(qū)則是商貿(mào)繁華區(qū)。金山區(qū)、浦東新區(qū)區(qū)域內(nèi)這一深度現(xiàn)今或者規(guī)劃期將分布眾多中高層建筑物樁基、地鐵隧道、地下隧道等。這部分土層容易出現(xiàn)流砂涌水現(xiàn)象，雖然樁基一定程度上可以跨越流砂層，但對于這一深度中樁端不到基巖的樁來說，也有被流砂影響的危險。地鐵隧道和地下隧道在施工中很容易因為動力機械的擾動從而引起流砂事故，黏土的低承載力性能也是需要地鐵隧道施工運營中密切關(guān)注的。

40～100m中的60m范圍內(nèi)分布著高層超高層建筑的深樁基，主要分布在浦東地區(qū)，這一深度土層質(zhì)量較好，是理想的樁基持力層，也是未來規(guī)劃中地下空間發(fā)展的主要方向。

（2）不同開發(fā)深度影響層相互影響分析

不同地層中的工程建設(shè)不僅影響本深度土體性質(zhì)，對相鄰上下地層也會產(chǎn)生擾動。淺層地下空間開發(fā)中，以基坑開挖為主，影響較大的工程建設(shè)措施是抽降地下水，地下水水位下降導致土層固結(jié)變形，同時基坑開挖引起土體應力釋放與地層應力平衡狀態(tài)改變，導致土層位移和地表變形，而在近些年地下水回灌之后，根據(jù)上海環(huán)境公報顯示，部分地區(qū)已經(jīng)開始出現(xiàn)地下水水位上升后的回彈問題，復雜地層應力狀態(tài)的改變會對深部土體產(chǎn)生擾動，而中層空間中的粉細砂土層，在擾動中很容易產(chǎn)生流砂現(xiàn)象。中部地下空間開發(fā)中，地鐵隧道的地層損失引起的地面沉降，盾構(gòu)施工對地層的擾動，以及降水引起淺部地層進一步固結(jié)沉降。同時，在淺層、中層的土體開挖中都會導致下部地層的縱向變形。

3 結(jié)束語

地質(zhì)環(huán)境全面影響著一個地區(qū)地下空間開發(fā)的建設(shè)布局、規(guī)模、深度，地質(zhì)環(huán)境的好壞對地下空間的開發(fā)有著很強的約束作用[10]。而同時在地下空間開發(fā)過程中，原有的地質(zhì)環(huán)境條件包括地下水等發(fā)生了改變，施工時可能會發(fā)生突涌、土體液化及塌方等地質(zhì)問題，對原有建筑、道路及設(shè)施產(chǎn)生一系列的影響，嚴重的甚至會出現(xiàn)周邊建筑物傾斜、道路開裂等破壞性的災害，造成人員傷亡以及重大的經(jīng)濟損失。而在地下空間開發(fā)迫在眉睫的形勢下，對地下空間的地質(zhì)環(huán)境進行深入調(diào)查分析非常有必要。

上海地層以淤泥質(zhì)黏土、黏土、粉細砂和中粗砂為主。0～15m淺層地下空間以淤泥質(zhì)黏土為主，承載力低、透水性差，在上海全市均有分布，以中心城區(qū)為主，在工程建設(shè)時應當注意基坑降水以及周邊地面沉降問題。15～40m中層地下空間以黏土為主，主要分布在中西部，同樣需要注意地面沉降以及基坑坍塌問題。粉細砂含量不多，均勻分布，但粉細砂易引起的流砂涌水也不可忽視。40～110m深層地下空間以中粗砂和黏土為主，中粗砂在整個市域均有分布且厚度較大，整體來說地基土質(zhì)量較淺、中層要好。

不同的地質(zhì)環(huán)境條件導致在地下空間開發(fā)中容易發(fā)生各類地質(zhì)災害，但地下空間開發(fā)是現(xiàn)在及未來城市建設(shè)發(fā)展的重要方向，因此全面詳細并且多角度地分析地質(zhì)環(huán)境非常有必要。結(jié)合不同開發(fā)深度下土層特性，根據(jù)其體積量以及分布圖，分析在特定區(qū)域易發(fā)地質(zhì)災害，可以為其城市規(guī)劃提供建設(shè)性意見。

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Geological structure of the Shanghai underground space and a preliminary analysis of the development of adaption

WANG Jian-Xiu1,2, LIU Yue-Yuan1, LIU Xiao-Tian1, SHI Yu-Jin2,3,4, YANG Tian-Liang2,3,4, CHEN Yong2,3,4, CHEN Da-Ping2,3,4
(1. Department of Geotechnical Engineering College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Key Laboratory of Land Subsidence Monitoring and Prevention, Ministry of Land and Resources, Shanghai 200072, China; 3. Shanghai Engineering Research Center of Land Subsidence, Shanghai 200072, China; 4. Shanghai Institute of Geological survey, Shanghai 200072, China)

Underground space is the focus of future development in many cities, and in such cases, geological environmental problems cannot be ignored. Taking Shanghai province as an example, geological hazards in the development of underground space are examined, using Surfer and AutoCAD software to model and calculate stratigraphic distribution. Through the analysis of geological structures at different depths, we can obtain a sensitive layer of the underground space development distribution. According to the characteristics of soil and underground buildings at different depths, interaction with strata in the development process can cause geological disasters at various depths and areas. We present constructive suggestions regarding the development of underground space.

underground space; geological environment problems; engineering construction; planning proposals

P642.26

：A

：2095-1329(2017)02-0039-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.02.010

2017-04-06

修回日期: 2017-06-04

王建秀(1971-),男,博士,教授,主要從事深基坑降水工程深層地下空間開發(fā)等研究.

電子郵箱: wang_jianxiu@163.com

聯(lián)系電話: 021-65983923

上海市科委課題(16DZ1201303);上海浦江人才計劃(15PJD039);國土資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點實驗室開放基金(KLLSMP201403,KLLSMP201404)