地下空間巖土工程開發(fā)中的工程地質(zhì)分析

張 汭，張 慧，劉潔茹

（山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014）

在我國城市現(xiàn)代化發(fā)展過程中，城市土地資源日趨緊張，為了拓展城市發(fā)展空間，地下空間巖土工程開發(fā)工作至關(guān)重要。工程地質(zhì)條件是影響地下空間開發(fā)安全性以及開發(fā)效果的重要因素，在一些不合理的區(qū)域進(jìn)行地下空間開發(fā)會導(dǎo)致地下空間資源浪費，甚至?xí)l(fā)地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人民的生命財產(chǎn)安全。

因此，需要從不同角度出發(fā)對地下空間巖土工程開發(fā)工程所在位置的地質(zhì)情況進(jìn)行分析，從而為地下空間開發(fā)奠定堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 地下空間巖土工程開發(fā)的難點

1.1 地下水問題

地下水會直接影響巖土體的整體性能，對巖土體具有強烈的物理、化學(xué)弱化效果，導(dǎo)致巖土開發(fā)出現(xiàn)一定問題。近些年來，隨著我國地質(zhì)勘測技術(shù)水平的不斷提升，在開展工程地質(zhì)分析的過程中，對巖土層的滲水、排水等進(jìn)行調(diào)查的各種技術(shù)應(yīng)用越來越普遍。但是在這種情況下，由于地下水引發(fā)的地下空間開發(fā)事故仍會發(fā)生，既造成巨大的經(jīng)濟損失又威脅人民群眾的生命財產(chǎn)安全，也會導(dǎo)致地下空間在后期運營過程中存在極大安全隱患。產(chǎn)生這一情況的主要原因是在地下空間巖土開發(fā)過程中，沒有對工程地質(zhì)區(qū)域的地下水情況進(jìn)行動態(tài)性的認(rèn)識，導(dǎo)致使用的工程措施與地下空間的巖土地質(zhì)環(huán)境存在沖突。除此之外，非飽和土力學(xué)理論和巖體水力學(xué)理論的不完善也會在一定程度上導(dǎo)致地下空間開發(fā)工程的相關(guān)措施無法有效處理地下水問題，從而影響地下空間巖土開發(fā)效果。

1.2 穩(wěn)定性問題

在地下空間開發(fā)過程中，需要從巖土層的穩(wěn)定性出發(fā)進(jìn)行分析。巖土層是影響地下空間開發(fā)質(zhì)量的重要因素，在實際施工之前，施工單位需要對地下巖土的穩(wěn)定性進(jìn)行全面勘測，并且要從不同角度出發(fā)分析巖土的具體穩(wěn)定性。例如對巖土的性質(zhì)、強度以及承載力等參數(shù)進(jìn)行評價。除此之外，在巖土環(huán)境中受氣候特征、地理環(huán)境等因素影響，不同地區(qū)的巖土質(zhì)量存在一定差異。因此在具體的施工過程中應(yīng)采用不同的方法和巖土處理技術(shù)對其進(jìn)行分析。雖然我國的地下空間巖土工程開發(fā)時間相對較晚，但是發(fā)展速度比較快，目前在交通領(lǐng)域、能源領(lǐng)域以及軍事領(lǐng)域等都有突出成就，地下工程經(jīng)驗相對豐富。因此，在解決穩(wěn)定性問題時，可以根據(jù)城市地下空間巖土的具體特征以及地下工程的相關(guān)經(jīng)驗，提出科學(xué)合理的處理措施，盡可能地提高巖土的穩(wěn)定性以及整體強度[1]。

2 地下空間巖土工程開發(fā)中開展工程地質(zhì)分析要點

在地下空間巖土工程開發(fā)過程中必須加強地質(zhì)條件勘測與分析工作，這是確保地下空間開發(fā)方案科學(xué)合理的重要基礎(chǔ)和前提，也是決定地下空間是否能夠開發(fā)的重要途徑。一般需要根據(jù)具體的地質(zhì)條件，對城市地下空間開發(fā)工程的具體內(nèi)容進(jìn)行以下分析：第一，要對城市地質(zhì)條件的具體特征進(jìn)行明確把握。這是因為每個城市的地質(zhì)條件都存在一定差異，在開展地下空間巖土工程開發(fā)工作時，必須對城市所在區(qū)域的地質(zhì)條件和地理環(huán)境等進(jìn)行全面掌握。在平原內(nèi)陸城市開展地下空間開發(fā)建設(shè)時，地質(zhì)條件相對簡單。但是一些城市處于海陸交匯處，地質(zhì)中含有軟土成分，在開展地下空間開發(fā)作業(yè)時，會導(dǎo)致工程難度大大增加。因此，必須對城市地質(zhì)條件進(jìn)行準(zhǔn)確了解后，根據(jù)地質(zhì)條件的實際特點和情況，制定科學(xué)合理的有效措施，以此提高地質(zhì)巖土的穩(wěn)定性。第二，要關(guān)注地震區(qū)城市地下空間開發(fā)前的地質(zhì)勘察作業(yè)。地震產(chǎn)生的地質(zhì)背景是新構(gòu)造運動，而強震又都發(fā)生在深大斷裂帶上，在地震區(qū)進(jìn)行地下空間巖土工程開發(fā)工作時，受地震作用的影響較大。特別是在強震區(qū)域的城市地質(zhì)土層中，有大量的地震液化土，在施工過程中會直接影響地下空間的安全性與穩(wěn)定性。因此，在地震區(qū)城市地下空間開發(fā)過程中，必須加強抗震防震等控制措施的有效應(yīng)用。第三，要堅持正確合理的開發(fā)理念，地質(zhì)條件是不能被完全改變的，為此，必須在遵循自然環(huán)境的規(guī)律和特點的基礎(chǔ)上進(jìn)行地下空間的開發(fā)，盡可能地減少因為地質(zhì)條件不佳而產(chǎn)生的施工安全問題[2]。

3 影響地下空間巖土工程開發(fā)的工程地質(zhì)條件

3.1 地形地貌影響

地形地貌是影響地下空間巖土工程開發(fā)的重要地質(zhì)條件，例如在地鐵、管線等建筑線路選擇時，需要充分考慮地形地貌是否可以被開發(fā)。地形地貌會對構(gòu)筑物的類型、規(guī)模以及施工條件等產(chǎn)生極大影響，只有充分利用原有的地形地貌條件，才能夠確保建筑群體科學(xué)合理，節(jié)省人力、物力以及財力。

目前，在對地形地貌因素進(jìn)行分析時，要根據(jù)地形的起伏變化和地貌單元的具體變化情況對不同區(qū)域的地形地貌特征進(jìn)行準(zhǔn)確把握。通常丘陵和山地地形起伏相對較大，在地下空間開發(fā)過程中的難度也比較大，主要是因為挖填土石方量較大，會影響地下空間的規(guī)劃和建設(shè)效率。而在平原地區(qū)，地形相對平坦，地貌比較單一，使得地下空間開發(fā)過程的難度相對較小。但是要注意平原地區(qū)的圍巖性質(zhì)比較差，在進(jìn)行大跨度地下建筑開發(fā)時的難度相對較高。特別是平原地區(qū)的地下空間對外視線會受到限制，在進(jìn)出地下空間時需要利用臺階或者坡道設(shè)計，通風(fēng)排水也存在問題。如果地面的海拔高度相對較低，一旦出現(xiàn)城市內(nèi)澇，地下空間入口和開放部位很容易被倒灌。因此，需要對地形地貌條件進(jìn)行合理分析，保證城市地下空間的開發(fā)建設(shè)效益。

3.2 巖土體條件

巖體和土體工程地質(zhì)特性差異性較大，也會對工程建設(shè)的規(guī)模和類型起到重要影響。巖土體是地下層空間開發(fā)過程中必須重視的地質(zhì)條件，巖土體對城市地下空間巖土開發(fā)產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)是結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)斷面等會影響地下洞室的開挖工作以及圍巖的穩(wěn)定性。而且?guī)r土體工程的地質(zhì)性能會直接影響建筑物的穩(wěn)定性以及經(jīng)濟效益。如果巖石性能比較優(yōu)良，強度相對較大，可以提高地下空間開發(fā)過程中的經(jīng)濟性，保證構(gòu)筑物的安全性。但在一些不良的巖土體區(qū)域內(nèi)進(jìn)行地下空間開發(fā)工作時不能進(jìn)行大型的重要建筑物的開發(fā)，否則很容易產(chǎn)生工程事故和地質(zhì)災(zāi)害。例如在破碎巖、泥巖、頁巖等巖土體中。巖土體的強度、壓縮模量和穩(wěn)定性也會影響巖土工程的安全性。巖土體的穩(wěn)定性受其結(jié)構(gòu)面的影響相對較大，如果洞室圍巖的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相對較差，存在塌方、掉塊等問題，會直接影響巖體結(jié)構(gòu)面的強度和承載力。為此，在開展城市地下空間開發(fā)建設(shè)的過程中，需要全面掌握巖土體條件的實際情況，需要判斷巖土體的具體強度和穩(wěn)定性，避開軟弱巖體以及破碎巖體。如果必須要穿越破碎或者軟弱巖體，則要根據(jù)巖土體的特征，做好有效的質(zhì)量防范工作。

3.3 地下水條件

水文地質(zhì)條件是決定工程地質(zhì)條件優(yōu)劣的主要因素，水能夠軟化巖石，如果土層內(nèi)的含水量比較多，會直接影響其強度和承載力，供水壓力可能會產(chǎn)生滑坡，導(dǎo)致壩基滲透變形等各種問題。地下空間開發(fā)分為淺層和次淺層，淺層開發(fā)深度為0m～15m，次淺層開發(fā)深度為15m～30m。目前，水文地質(zhì)條件主要包括地表水和地下水產(chǎn)生的影響。第一，地表水是江河湖海等在地表匯集的水體，與地下水有密切聯(lián)系。地表水的水體會導(dǎo)致周邊地下空間開發(fā)工程的施工難度和施工安全性受到影響。第二，地下水可能會導(dǎo)致地下洞室圍巖結(jié)構(gòu)被破壞出現(xiàn)塌方以及掉塊等各種問題。在巖溶發(fā)育地區(qū)或者富水?dāng)鄬悠扑閹?，在地下空間開挖過程中，很容易出現(xiàn)涌水等危害。并且地下水在遭受污染后會腐蝕混凝土，導(dǎo)致地下空間的支撐結(jié)構(gòu)強度降低。具有一定腐蝕性的地下水會導(dǎo)致巖石軟化，在巖體結(jié)構(gòu)面浸潤會導(dǎo)致泥質(zhì)物帶入到結(jié)構(gòu)面中，影響結(jié)構(gòu)面的支撐強度。此外，地下水具有較強的滲透性，不同水層之間的厚度不均勻，巖土層泥質(zhì)巖和粉砂巖等隔水層在正常情況下并沒有明顯的水力聯(lián)系，但是如果斷層相對較大，不同含水層之間會產(chǎn)生水力聯(lián)系。而在水流滲透力的作用下，會導(dǎo)致巖土體內(nèi)的孔隙不斷增加，形成貫通的滲透管道，導(dǎo)致巖土體坍塌。

4 結(jié)語

在地下空間巖土工程開發(fā)過程中，巖土工程開發(fā)本身是復(fù)雜的、長期的系統(tǒng)工程，是城市化進(jìn)程不斷加快的過程中必須采取的重要工程建設(shè)方式。而地質(zhì)環(huán)境條件的調(diào)查評價則是地下空間資源開發(fā)安全有效利用的先決條件，在此方面，國內(nèi)外都有很多深刻的經(jīng)驗教訓(xùn)。

從已有地下空間資源開發(fā)利用的實際經(jīng)歷來看，正確了解和評價地下空間開發(fā)區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件，因地制宜規(guī)避或改造不利于地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境條件，是安全有效開發(fā)地下空間資源的重中之重。為此，必須要加強開發(fā)之前的地質(zhì)勘測作業(yè)，準(zhǔn)確掌握地下空間開發(fā)區(qū)域的地質(zhì)條件，利用科學(xué)合理的措施改善工程地質(zhì)條件，盡可能地提高地質(zhì)條件的穩(wěn)定性以及適宜性，以在最大程度上確保巖土工程開發(fā)的安全性以及開發(fā)質(zhì)量，提高城市地下巖土工程開發(fā)的社會效益以及經(jīng)濟效益。