環(huán)境地質(zhì)對寶坻區(qū)地下空間開發(fā)的影響分析

張 洋，張朋飛，李先瑞

（天津華北地質(zhì)勘查局核工業(yè)二四七大隊，天津 301800）

寶坻區(qū)位于京津冀協(xié)同發(fā)展的京唐秦發(fā)展軸上，處于天津市域空間布局的西部城鎮(zhèn)發(fā)展帶上，定位為京津聯(lián)動橋頭堡和京唐秦發(fā)展軸現(xiàn)代大中型城市[1]。為了更好地規(guī)劃和開發(fā)寶坻區(qū)地下空間資源，有必要從環(huán)境地質(zhì)角度開展適宜性評價。

1 影響地下空間開發(fā)的環(huán)境地質(zhì)因素

對寶坻區(qū)地下空間開發(fā)影響比較大的不良地質(zhì)現(xiàn)象主要有斷層與地裂縫、地面沉降、砂土液化與地震等[2]。

1.1 斷層與地裂縫

斷層是新構(gòu)造運動的一種表現(xiàn)形式，反映出地殼自形成以來仍在不斷地運動和發(fā)展[3]。除具有非活動斷裂的特性外，其穩(wěn)定性較差，存在一定突發(fā)性地震的可能，對地下空間開發(fā)的影響較大，主要體現(xiàn)在3個方面。一是活斷層地面錯動和附近巖土體變形會直接損害跨斷層修建或建于其附近的建筑物與地下工程，不因地下空間埋深而變化；二是地震時，活斷層發(fā)震會直接破壞其上的建筑物和開發(fā)的地下空間；三是活斷層是產(chǎn)生不良地質(zhì)現(xiàn)象的重要影響因素，活斷層發(fā)育地帶往往產(chǎn)生較大的地形高差，地下水容易入滲，加大風化強度，容易產(chǎn)生滑坡、崩塌、泥石流等現(xiàn)象。

斷裂帶大量開采地下水常造成地裂縫，地裂縫對地下空間資源可用程度的影響與斷層類似，易造成地下建（構(gòu)）筑物開裂、錯位及地下管道破裂。因此，應(yīng)考慮地裂縫對地下空間資源質(zhì)量的影響，嚴禁在地裂縫嚴重地區(qū)進行城市地下空間開發(fā)。

1.2 地面沉降

地面沉降對地下空間開發(fā)的影響較大。它會引起地下建筑物沉降、變形，引起地下流體管道的損壞、變形，造成泄漏和倒流，給地下空間開發(fā)增加困難，導致標高變異和混亂、分段施工對接錯位等。目前，我國許多大城市不同程度地存在地面沉降現(xiàn)象。根據(jù)《全國地面沉降防治規(guī)劃（2011—2020年）》的安排，我國以長江三角洲地區(qū)、華北地區(qū)、汾渭盆地為主要目標區(qū)，用10年時間，查明全國地面沉降災害現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、形成原因及分布規(guī)律，建立重點地區(qū)地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，建立健全政府主導、部門協(xié)同、區(qū)域聯(lián)動的地面沉降防治工作體系，形成適合國情的地面沉降防治與地下水控采技術(shù)方法體系。地面沉降應(yīng)作為地下空間資源評價的一個要素加以分析。選取沉降速率作為評價指標較為準確，其等級劃分為輕微級、一般級、較嚴重級和嚴重級[4]。

1.3 砂土液化與地震

砂土液化現(xiàn)象往往伴隨地震而產(chǎn)生，強烈地震發(fā)生后，新近堆積的飽和細粒松散地層常常會出現(xiàn)液化現(xiàn)象，在液化地段及其鄰近地表，地基失效會導致基礎(chǔ)破壞，進而造成上部結(jié)構(gòu)破壞。另外，噴水冒砂是砂土液化的宏觀標志，大面積噴水冒砂會掩埋農(nóng)田，淤塞渠道。影響砂土液化的主要因素有：地震時波及砂土區(qū)的地面最大加速度或地震烈度、地震持續(xù)時間、地下水位以及飽和砂土的密度、埋深與厚度等。

砂土液化對地下空間開發(fā)的影響程度與砂土液化指數(shù)及場地地震烈度有關(guān)，液化的發(fā)生需要同時滿足3個條件[5]：土質(zhì)為疏松或稍密的粉砂、細砂或粉土；土層處于地下水位以下，呈飽和狀態(tài)；遭遇大中地震。在地震的作用下，飽和松散的砂土尤其是粉細砂，其顆粒趨于密實并重新排列，土中孔隙水無法排除，瞬間處于懸浮狀態(tài)，失去地基承載力，造成砂土液化。因此，液化指數(shù)和地震烈度是評價砂土液化程度的重要指標。根據(jù)液化指數(shù)，砂土液化可以劃分為3級，即輕微、中等、嚴重。

2 環(huán)境地質(zhì)因素危險性分析

寶坻區(qū)處于平原地區(qū)，無山地特有的崩塌與滑坡危險性，因此僅就地震危險性、地面沉降危險性和砂土液化危險性進行分析。

2.1 地震危險性

經(jīng)天津市基巖地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查與區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價，全新世以來，對地殼穩(wěn)定性有影響的斷裂主要為近東西向的寶坻斷裂，它是寧河-張家口斷裂的東段。該斷裂是一條多期活動的繼承性張性斷裂，自燕山期產(chǎn)生以來，一直活動到晚新近紀，各個時期活動都較強烈。該斷裂全線隱伏，走向近東西，傾向南，傾角為45°～60°，斷距大于1 000 m，延展長度約為80 km，自西向東貫穿寶武公路、連子營、王辛莊、潮白河、津薊鐵路。

寶坻斷裂為隱伏活動斷裂，斷裂南北兩盤基巖埋藏深度差異懸殊，在斷裂北部寶坻凸起上，第四系沉積一般厚度達數(shù)百米，下伏即古生界或中、上元古界地層，而斷裂南部武清凹陷中生界埋深大于3 000 m，甚至可達9 000 m，新近系斷距為1 000～1 500 m。經(jīng)推斷，該斷裂可能發(fā)育于古生代，而中生代時期又復活動，至新生代，活動更為強烈，饒陽組由寶坻斷裂北盤向南盤延伸，突然增厚，顯示斷裂在早更新世可能發(fā)生強烈活動。受唐山-豐南地震牽動，在斷裂附近小震活動頻繁，推測其為全新世活動斷裂。寶坻斷裂活動強烈，但因其向南傾，傾角較緩，歷史上沒有強震分布，現(xiàn)今弱震頻繁。寶坻斷裂至今還在活動。

2.2 地面沉降危險性

寶坻區(qū)地面沉降以寶坻斷裂為界，斷裂以北基本為不沉降區(qū)，年均沉降量為1～2 mm，主要為構(gòu)造性沉降，斷裂以南地區(qū)存在人為引起的沉降區(qū)。1985—2016年，寶坻區(qū)整體累計沉降量小于800 mm，寶坻區(qū)整體上屬于地面沉降輕微區(qū)。2016—2018年，年平均沉降量均維持在5～6 mm。2016年，最大沉降量為27 mm，位于爾王莊鎮(zhèn)中部。2017年，沉降量10 mm以上的測點主要分布在寶坻區(qū)中部和南部。2018年，最大沉降量為20 mm，位于牛家牌鎮(zhèn)西老鴉口村，最大沉降點主要分布在寶坻區(qū)中部和南部。2019年，平均沉降量為9 mm，比2018年增大3 mm，最大沉降點位于寶白公路大楊各莊橋處，沉降量為22 mm。

2.3 砂土液化危險性

根據(jù)已有勘察揭示的土層情況，寶坻區(qū)20 m深度范圍內(nèi)存在多個粉砂層，需要進行地震液化判別。為使計算結(jié)果利于工程安全，地下水位按埋深0.5 m考慮。地震液化判別依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010），首先進行初判，初判存在地震液化可能的通過標準貫入試驗進行判別。根據(jù)項目勘察的標準貫入試驗資料，按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）對其液化情況進行判定。液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值的計算公式為

式中：Ncr為液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值，次；N0為液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值，取12次；ds為飽和土標準貫入點深度，m；dw為地下水位，m；ρc為黏粒含量百分率（%），當小于3或為砂土時，應(yīng)采用3；β為調(diào)整系數(shù)，設(shè)計地震第二分組取0.95。

寶坻區(qū)以往項目一般無液化土層，僅有1個項目局部鉆孔發(fā)現(xiàn)液化土層。該項目砂土液化判別成果如表1所示，其中，液化土層為5-2粉土層和6-2粉土層，最大液化指數(shù)分別為2.26和1.00。各地層巖土均為粉土。樣品1采集于321孔5-2粉土層；樣品2和樣品3采集于340孔5-2粉土層；樣品4采集于345孔6-2粉土層；樣品5采集于354孔5-2粉土層，樣品6和樣品7采集于354孔6-2粉土層。液化等級與液化指數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。另據(jù)宏觀調(diào)查，1976年唐山地震波及天津市時，寶坻區(qū)無噴水冒砂現(xiàn)象，結(jié)合以往項目勘察資料，綜合判定寶坻區(qū)大部分地區(qū)屬不液化場地。

表1 項目液化判別成果

表2 液化等級與液化指數(shù)的對應(yīng)關(guān)系

3 結(jié)論

天津市寶坻區(qū)處于平原地區(qū)，無山地特有的崩塌與滑坡危險性。雖然寶坻斷裂活動強烈，但因其向南傾，傾角較緩，歷史上沒有強震分布，引起的地震和地面沉降危險性較小。個別項目局部鉆孔發(fā)現(xiàn)輕微液化，大部分地區(qū)屬不液化場地。斷層與地裂縫、地面沉降、砂土液化與地震等環(huán)境因素總體對地下空間開發(fā)的影響較小，寶坻區(qū)屬于適宜開發(fā)區(qū)。