長沙市地下空間開發(fā)利用現(xiàn)狀、適宜性評價(jià)與工程措施

彭柏興，王星華，王會云，舒倩

(1.長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410007； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

1 引 言

“下者為巢，上者營窟”(《孟子·滕文公》)，是原始人類最早使用地下空間的記載。1863年，世界首條地鐵在倫敦通車?yán)_了近現(xiàn)代城市地下空間利用的序幕，巴黎廢棄礦井改造成地下綜合管廊、雷亞諾中央廣場的立體化開發(fā)、波士頓中央大道地下城和大阪站前區(qū)梅田地下綜合體的建設(shè)都是一時(shí)之典范[1]。專家學(xué)者們開始了對地下空間規(guī)劃利用的探索，注意到地震、地質(zhì)、水文、地面坡度、巖土介質(zhì)等因素對地下空間開發(fā)的影響[2、3]。John則開始關(guān)注已有地下管線、建構(gòu)/筑物的影響，采用了綜合疊加分析方法，首次提出地下空間資源開發(fā)利用的適宜性概念[2]。隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們已經(jīng)認(rèn)識到地下巖、土體是不可忽視的新型“國土資源”，地下空間的開發(fā)利用已成為拓展城市空間、改善人居環(huán)境，醫(yī)治“城市病”、實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[4]。

長沙現(xiàn)轄六區(qū)二縣一市，國土總面積 11 819.46 km2，市區(qū)面積 1 923.97 km2。近年來，為解決經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展給長沙帶來的環(huán)境與交通矛盾、建筑空間擁擠等問題，有關(guān)部門組織開展了《長沙市地下空間總體規(guī)劃(2014-2020)》及《長沙市城市地下空間開發(fā)利用專項(xiàng)規(guī)劃》[5]，部分學(xué)者對長株潭城市群地下空間開發(fā)適宜性評價(jià)進(jìn)行過一定程度的探討[6，7]。

當(dāng)前，我國城市地下空間劃分為淺層、次淺層、次深層和深層四個(gè)層次[8]，深度界線分別為地下 15.0 m、30.0 m、50.0 m，遵循“分層利用，由淺入深”的原則，綜合考慮自然、環(huán)境、人文及發(fā)展諸要素影響。本文概括了長沙地下空間的現(xiàn)狀，側(cè)重于地形、地貌、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、不良地質(zhì)作用等自然要素分析，對長沙地下空間適宜性進(jìn)行分區(qū)，并對常用技術(shù)措施進(jìn)行了歸納，希望對長沙城市地下空間規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)有幫助。

2 長沙市地下空間的利用現(xiàn)狀

2.1 發(fā)展階段

長沙城市地下空間開發(fā)經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：

(1)起步階段：大致從20世紀(jì)50年代開始，在戰(zhàn)爭思想的指導(dǎo)下，地下空間的利用主要體現(xiàn)在人民防空工程方面。

(2)發(fā)展階段：20世紀(jì)60、70年代，在“深挖洞、廣積糧”精神號召下，在市中心結(jié)合山體等修建了人防洞室、通道等大型人防工程。

(3)功能轉(zhuǎn)型階段：70年代末到21世紀(jì)初，長沙市采用“平戰(zhàn)結(jié)合”方式開發(fā)利用了五一廣場地下商業(yè)街、金滿地、韶山路地下商業(yè)街。同時(shí)，地下市政管網(wǎng)建設(shè)逐年增加。

(4)快速發(fā)展時(shí)期：21世紀(jì)以來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，城市軌道交通、地下過街通道、大型商業(yè)綜合體及交通樞紐建設(shè)加快，長沙地下空間進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。

2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

調(diào)查表明，長沙地下空間開發(fā)利用程度較低，多為結(jié)合住宅或商業(yè)建筑開發(fā)的地下停車庫，商業(yè)、文化娛樂等功能的開發(fā)量很少且分布零散，未成規(guī)模。地下交通主要為各主干路的人行通道、年嘉湖隧道、營盤路隧道、南湖路隧道以及正在施工的湘雅路隧道。軌道交通初具規(guī)模，已運(yùn)營的1、2、3、4、5號線路總長 142.5 km、111個(gè)車站，長株潭城際鐵路長沙市區(qū)段地下敷設(shè)南、北段總長 23 km，武廣高鐵瀏陽河隧道長沙隧道長 10 km。正在施工的6號線長 48.11 km、長株潭城際軌道交通西環(huán)線一期地下段長 7.357 km。此外，還有望城坡交通樞紐、汽車南站交通樞紐、五一廣場、芙蓉廣場等商業(yè)綜合體。市政管線一改過去的淺層直埋方法，采用頂管施工。

從深度分布統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)(圖1)，目前長沙地下空間開發(fā)以地下交通(停車場庫)為主，96%的地下空間開發(fā)集中在淺層，僅約4%的地下空間達(dá)到次淺層。目前超過地下 40 m的項(xiàng)目為長沙國際金融中心，地下7層，地下埋深 34.25 m、核心筒部位深 42 m，屬于次深層開發(fā)。軌道交通區(qū)間及站點(diǎn)深度集中在 20 m～40 m范圍內(nèi)，武廣高鐵瀏陽河隧道埋深較大，30 m～50 m?？傮w說來，長沙尚未形成豎向開發(fā)層次與開發(fā)功能相結(jié)合的綜合功能體系。

圖1 長沙現(xiàn)狀地下空間開發(fā)深度比例

2.3 存在問題

長沙地下空間開發(fā)使用尚處于比較無序的狀態(tài)，缺乏系統(tǒng)認(rèn)識和規(guī)劃編制體系引導(dǎo)，更談不上地面、地下、地上建筑的合理布局，甚至一些建筑基礎(chǔ)、橋梁樁基和既有軌道線路影響后續(xù)地下空間的建設(shè)。主要體現(xiàn)在：

(1)缺乏相關(guān)規(guī)劃引導(dǎo)，孤立開發(fā)，地下空間資源浪費(fèi)；

(2)地下空間開發(fā)建設(shè)無法可依；

(3)開發(fā)功能單一，局限于淺層開發(fā)，未形成完善的綜合功能體系；

(4)城市核心地段的地下空間開發(fā)未成體系，再開發(fā)難度較大；

(5)缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)的管理機(jī)構(gòu)。

3 地下空間適宜性分區(qū)評價(jià)

3.1 自然地理概況

長沙位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺和華南褶皺系兩個(gè)大地構(gòu)造單元接合部位，經(jīng)歷了武陵-雪峰-加里東-印支-燕山-喜山等多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。地貌形態(tài)以低山、丘陵、崗地和沖積平原為特點(diǎn)，主城區(qū)坐落在湘江和瀏陽河階地上。

區(qū)內(nèi)地層從中元古界冷家溪群至新生代第四紀(jì)地層均有出露，僅震旦紀(jì)、新近紀(jì)部分缺失和志留紀(jì)地層全部缺失。以冷家溪群、板溪群板巖，白堊紀(jì)碎屑巖和第四紀(jì)松散堆積層分布最為廣泛。中心城區(qū)幾乎為第四系地層覆蓋，具有典型的河流二元相結(jié)構(gòu)，厚度一般在 15 m以內(nèi)，部分地段受構(gòu)造影響深愈 100 m[9]。

本區(qū)屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明、具有溫暖潮濕、雨量充沛、嚴(yán)寒期短等特點(diǎn)?！耙唤乃?湘江、瀏陽河、撈刀河、靳江河、龍王港)構(gòu)成了長沙市的樹枝狀水系，此外，還有年嘉湖、躍進(jìn)湖、梅溪湖、洋湖垸、西湖、月湖、后湖等地表水體。其中，湘江自南而北縱貫市區(qū)，水位變化幅度 8 m～10 m，平均流速約 1 m/s，汛期流速高達(dá) 2.6 m/s。豐水期在每年的5月～8月，水位 30 m～32 m，史載最高洪水位(吳淞口高程) 39.51 m(2017.7.2)；枯水期為每年10月至翌年2月，平均水位 27 m。

長沙設(shè)計(jì)地震分組為第一組，抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值 0.05 g。建筑場地類別多為Ⅱ類場地，局部為Ⅰ1或Ⅲ類場地。近場區(qū)內(nèi)沒有發(fā)生過破壞性的歷史地震，不存在發(fā)震構(gòu)造。

3.2 影響地下空間利用的主要地質(zhì)問題

影響長沙市地下空間開發(fā)利用的主要地質(zhì)問題有地震與斷裂、巖溶與風(fēng)化槽谷、地下水。

(1)斷裂

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造及褶皺較為發(fā)育，區(qū)內(nèi)規(guī)模較大的斷裂有NE、NW、EW向三組(圖2)，具有多期活動(dòng)性和繼承性。市內(nèi)主要區(qū)域性斷裂有：張家嘴-榮灣鎮(zhèn)-新塘灣斷裂(F85)、葫蘆坡-金盆嶺-炮臺子斷裂(F101)、施家沖-新開鋪-磊石塘斷裂(F106)、東山鎮(zhèn)-石橋斷裂(F132)。據(jù)熱釋光測齡結(jié)果，其活動(dòng)年限為17～45萬年，斷層活動(dòng)在晚更新世前，為非全新世斷裂[10]。

圖2 長沙市地質(zhì)構(gòu)造綱要圖

斷裂對地下工程建設(shè)影響甚大，軌道交通2號線一期工程在汽車西站至溁灣鎮(zhèn)一帶的丘間谷地陡坡地段，因斷裂構(gòu)造而節(jié)理裂隙發(fā)育，造成施工難度增加。NNE向斷裂F85從傅家洲斜貫營盤路隧道，形成寬度 100 m～140 m的斷層破碎帶(圖3)，嚴(yán)重影響了礦山法施工進(jìn)程，增加了施工難度。F101斷裂經(jīng)過洋湖垸、溁灣鎮(zhèn)、鴨子鋪等區(qū)域，造成第四系地層與基巖邊界厚達(dá)數(shù)十米的落差，對高層建筑的基坑止水、基礎(chǔ)選型帶來不少難題。

圖3 F85的地震反射剖面

(2)巖溶

長沙市區(qū)的可溶巖分為兩大類，一為碳酸鹽巖，以石灰?guī)r、白云巖為代表，二為白堊系鈣質(zhì)礫巖或灰礫巖。碳酸鹽巖主要分布于洋湖垸、桃子湖、望月湖、五一廣場、月湖公園及大王山片區(qū)(圖4)。鈣質(zhì)礫巖主要分布于沙灣公園、鴨子鋪(圖5)、洋湖垸、湘府路與坪塘路交匯區(qū)。

圖4 西延線一期清-山區(qū)間工程地質(zhì)斷面圖

圖5 地鐵5號線鈣質(zhì)礫巖中巖溶充填物

巖溶往往與斷裂構(gòu)造密切相關(guān)。勞動(dòng)路湘江隧道受F85影響，鉆孔見洞率高達(dá)63.16%，鉆探時(shí)發(fā)生過地面塌陷[11]。長沙軌道交通1、2號線的五一廣場站、五-芙區(qū)間位于區(qū)域性斷裂F85與F101之間，灰?guī)r中巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，形態(tài)多樣，溶蝕底板埋深介于 17.20 m～63.20 m。3號線從橘子洲-阜埠河區(qū)間、山-洋區(qū)間，4號線從湖南大學(xué)到溁灣鎮(zhèn)之間，城際軌道西延線一期的清風(fēng)路站、巡-清區(qū)間和清-山區(qū)間均屬巖溶發(fā)育區(qū)域，5號線的尹家灣-鴨子鋪區(qū)間均屬巖溶發(fā)育區(qū)[12]。

(3)風(fēng)化深槽

風(fēng)化深槽主要見于白堊紀(jì)礫巖區(qū)。長沙軌道交通2號線一期工程沙灣公園站，因溶蝕風(fēng)化作用而形成的風(fēng)化溝槽造成圍護(hù)樁嚴(yán)重超灌、支護(hù)變形。又如，萬家麗路瀏陽河段受F132斷裂作用，全風(fēng)化礫巖厚達(dá) 90 m尚不見底，橋梁基礎(chǔ)、電纜隧道及5號線區(qū)間隧道穿越該地段時(shí)不得不采取預(yù)加固處理。

(4)地下水

長沙地區(qū)與地下空間工程建設(shè)關(guān)系密切的淺層地下水主要為孔隙水，賦存于各級階地的砂礫石層中，其流向受基底地層和地勢控制。一般地，Ⅰ、Ⅱ級階地的富水性相對于Ⅲ、Ⅳ級較好，Ⅲ、Ⅳ級階地中的地下水之間存在一定的聯(lián)系[13]。其次為巖溶水及基巖裂隙水，巖溶水分布于石炭紀(jì)和泥盆紀(jì)灰?guī)r、白云巖及白堊紀(jì)鈣質(zhì)礫巖的巖溶洞穴或裂隙中，富水性中等。碎屑巖裂隙水賦存于白堊系與古近系紅層中，富水性中等～貧乏。震旦系淺變質(zhì)巖的裂隙水則水量貧乏。

4 地下空間適宜性評價(jià)

4.1 評價(jià)因子的確定

城市地下空間與場地環(huán)境、地質(zhì)、水文條件密切相關(guān)。根據(jù)CJJ57-2012[14]，建設(shè)場地適宜性劃分為不適宜、適宜性差、較適宜和適宜四個(gè)等級。一般采用定性與定量相結(jié)合的綜合評判方法。定性分級時(shí)，需要考慮工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件及場地治理的難易程度，定量評價(jià)采用評價(jià)單元多因子分級加權(quán)指數(shù)和法。

4.2 適宜性指數(shù)的計(jì)算

評價(jià)單元的定量評價(jià)因子由一級因子層和二級因子層組成。按下式計(jì)算評價(jià)單元的適宜性指數(shù)(IS)：

(1)

本文一級因子層包括工程地質(zhì)條件、地形地貌、地質(zhì)災(zāi)害與不良地質(zhì)作用、水文與地下水五大因素。二級因子考慮巖土分布及特性、巖土強(qiáng)度及其對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，地面形態(tài)與坡度，巖溶、斷裂破碎帶、管涌及滑塌，洪水淹滅的可能及所處水系水域、地下水的埋深與承壓性。各因子的權(quán)重根據(jù)專家會議會確定(表1)。各評價(jià)單元的地下空間適宜性可根據(jù)適宜性指數(shù)，按表2判定。

地下空間開發(fā)利用適宜性評價(jià)因子權(quán)重 表1

評價(jià)結(jié)果等級表 表2

根據(jù)定性與定量相結(jié)合的綜合評判原則，經(jīng)計(jì)算各評價(jià)單元的適宜性指數(shù)，將長沙市地下空間利用適宜性分為三個(gè)大區(qū)：Ⅰ區(qū)為適宜區(qū)，Ⅱ區(qū)為基本適宜區(qū)，Ⅲ區(qū)為適宜性差區(qū)(圖6)。其適宜性指數(shù)分別為74.15、66.13、44.20、43.60。其中適宜區(qū)(Ⅰ區(qū))約占主城區(qū)面積的67.1%，較適宜區(qū)(Ⅱ區(qū))約占29.2%，適宜性差區(qū)(Ⅲ區(qū))占3.7%，(Ⅲ1區(qū)2.6%，Ⅲ2區(qū)1.1%)。

圖6 長沙市地下空間開發(fā)利用適宜性分區(qū)圖

4.3 地下空間利用的技術(shù)措施

城市地下工程成敗的關(guān)鍵是施工問題。施工方法的選擇應(yīng)根據(jù)工程性質(zhì)、規(guī)模、巖土層條件、環(huán)境條件、施工設(shè)備、工期要求等要求，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較后確定。常用方法有明挖法、蓋挖法、淺埋暗挖法、盾構(gòu)、頂管。

明挖法施工：坡率法、土釘墻或復(fù)合土釘墻，樁錨或樁+內(nèi)支撐；前者多用于建筑基坑，內(nèi)支撐主要用于地鐵車站與少數(shù)環(huán)境敏感工程，如中心醫(yī)院醫(yī)技樓、旺旺醫(yī)院綜合樓，九龍倉則采用了部分樁錨、部分支撐方案。

蓋挖法在長沙應(yīng)用尚少，僅用于交通疏解困難的地下通道或地鐵站點(diǎn)，如3號線烈士公園東站。

淺埋暗挖法的代表性工程有營盤路隧道、湘江路瀏陽河隧道，其次為地鐵區(qū)間的聯(lián)絡(luò)通道。

盾構(gòu)法又分泥水平衡盾構(gòu)與土壓平衡盾構(gòu)，長沙市的軌道交通工程及過湘江隧道皆采用此方法施工。如南湖路湘江隧道與地鐵3號線過湘江段均為泥水平衡法，其他各線路均為土壓平衡盾構(gòu)。

頂管主要用于市政管網(wǎng)施工，長沙頂管直徑一般 800 mm～3 600 mm不等。過去采用人工掘進(jìn)頂管，近年來機(jī)械頂管應(yīng)用漸多，大大提高了施工效率和人員安全。

地下水處治：長沙水文地質(zhì)條件不很復(fù)雜，含水層多在 15 m內(nèi)，常采用落地式全封閉止水帷幕，以樁間或樁后高壓旋噴樁止水為主，也有采用攪拌樁、咬合樁或地下連續(xù)墻作為止水措施。市政管溝施工中，拉森鋼板樁也是常用的支護(hù)止水措施。對特別厚的含水層，如溁灣鎮(zhèn)、省政府附近、月湖公園、洋湖垸站以及鴨子鋪等深達(dá)3-4F地下室基坑，多采用封底止水或懸掛式帷幕結(jié)合井點(diǎn)降水。

綜合長沙市地質(zhì)、水文條件，地下空間開發(fā)利用的措施建議如下(表3)。

地下空間利用適宜性分區(qū)與工程措施 表3

5 結(jié) 語

(1)長沙市目前地下間的開發(fā)利用正方興未艾，主要集中在中心城區(qū)與交通、市政項(xiàng)目，應(yīng)用深度多在地下 40 m以內(nèi)。

(2)影響本區(qū)地下空間開發(fā)利用的主要地質(zhì)問題為斷裂、巖溶、風(fēng)化槽谷及地下水。經(jīng)綜合評判，長沙市地下空間開發(fā)利用可分為適宜、基本適宜和和適宜性差三個(gè)區(qū)，占城區(qū)面積的比例分別為：67.1%、29.2%、3.7%。

(3)傳統(tǒng)的地質(zhì)填圖和地質(zhì)調(diào)查已不能滿足城市地下空間利用。既有建/構(gòu)筑物的基礎(chǔ)同及市政設(shè)施的布局和埋深已成為地下空間利用的障礙?；贕IS技術(shù)、BIM技術(shù)，構(gòu)建城市地下空間三維綜合模型，為城市規(guī)劃、建設(shè)、管理提供技術(shù)支撐，將是城市工程地質(zhì)發(fā)展的重要方向。