土體工程地質(zhì)層劃分及其在城市地下空間開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

唐 鑫，許書(shū)剛，龔緒龍，顧春生，龔亞兵，崔龍玉

（1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京 210018；2.自然資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210049；3.江蘇省數(shù)字地下空間工程研究中心，江蘇南京 210049）

0 引言

地下空間是地表基質(zhì)層中寶貴的自然資源之一，其作為城市有機(jī)體的重要組成部分，在未來(lái)城市建設(shè)中起著舉足輕重的作用（何興江等，2005；章立峰等，2015；唐鑫等，2022）。常州市地下空間開(kāi)發(fā)由來(lái)已久，21世紀(jì)以來(lái)更是進(jìn)入大規(guī)模開(kāi)發(fā)階段，截止到2020年，地下空間開(kāi)發(fā)總量約為1704萬(wàn)m2，人均地下空間面積達(dá)到3.6 m2。

常州市區(qū)范圍內(nèi)除局部零星分布的殘丘外，大部分為廣闊的平原，廣泛沉積第四紀(jì)松散物，厚度86.14～233 m不等，構(gòu)成了地下空間開(kāi)發(fā)的主體。工程地質(zhì)層的正確劃分是研究土體結(jié)構(gòu)和工程地質(zhì)特性的基礎(chǔ)（胡夏嵩等，2001；李曉昭等，2004；崔征科和楊文達(dá)；2013），同時(shí)對(duì)于地下空間規(guī)劃、建設(shè)和管理具有指導(dǎo)性作用。例如通過(guò)土體工程地質(zhì)層劃分可識(shí)別城市優(yōu)勢(shì)地層和不良地層，指導(dǎo)地下空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)和豎向分層工作的開(kāi)展，為地下空間規(guī)劃編制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，土體工程地質(zhì)層劃分對(duì)于城市地面建設(shè)樁基持力層的選擇也具有一定的指導(dǎo)作用。

由于城市勘察工作歷史較長(zhǎng)，工作單位眾多，不同單位之間、同一單位內(nèi)部不同年代之間、相同年代不同工程項(xiàng)目之間對(duì)于工程地質(zhì)層的劃分原則不盡相同，導(dǎo)致工程地質(zhì)分層在區(qū)域上難以統(tǒng)一。常州城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目對(duì)區(qū)內(nèi)工程勘察鉆孔開(kāi)展了系統(tǒng)性的收集整理工作，累積收集鉆孔上萬(wàn)個(gè)。由于不同工程勘察鉆孔之間地質(zhì)分層結(jié)構(gòu)、編碼、巖性描述等五花八門(mén)，大大降低了資料的可利用性。隨著城市的不斷建設(shè)，大量工程勘察鉆孔仍會(huì)不斷積累，海量的鉆孔數(shù)據(jù)由于無(wú)法統(tǒng)一而失去意義（閻浩等，2020）。因此，對(duì)常州市土體工程地質(zhì)層進(jìn)行劃分，建立統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)是十分必要的。將城市地質(zhì)調(diào)查工作收集的工程勘察鉆孔按實(shí)際位置投繪到地形圖上，選擇具有代表性的鉆孔257個(gè)（圖1b），在區(qū)內(nèi)第四紀(jì)地層劃分的基礎(chǔ)上，對(duì)100 m以淺土體工程地質(zhì)層進(jìn)行系統(tǒng)研究，建立土體工程地質(zhì)層劃分標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)工程地質(zhì)層劃分標(biāo)準(zhǔn)的建立，分析其在樁基持力層選擇、地下空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)、地下空間豎向分層規(guī)劃、多種地下資源協(xié)同利用等方面的應(yīng)用，為常州市地下空間開(kāi)發(fā)提供工程應(yīng)用實(shí)踐。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置圖（a）與工程勘察鉆孔部署圖（b）Fig.1 Structural location map （a） and engineering investigation drilling deployment map （b） of the research area

1 地質(zhì)概況

常州市位于長(zhǎng)江三角洲太湖平原西北緣（圖1a），依據(jù)成因類(lèi)型和地形特征，可分為長(zhǎng)江漫灘平原、沖湖積平原、沖海積平原、波狀平原、構(gòu)造剝蝕殘丘5種地貌單元（徐敏和羅元喜，2016）（圖1b）。區(qū)內(nèi)第四紀(jì)松散層厚度總體呈現(xiàn)東南西北四個(gè)角較薄，由中部向北逐漸增厚的態(tài)勢(shì)，底板形態(tài)顯示向北傾斜開(kāi)口的盆形谷地。第四紀(jì)地層出露齊全，自老至新可劃分為早更新世海門(mén)組、中更新世啟東組、晚更新世昆山組、滆湖組和全新世如東組地層等（吳小斌等，2021）。由于區(qū)內(nèi)大片地區(qū)被厚度較大的第四系覆蓋，能直接觀察到的斷裂不多。前第四紀(jì)主要活動(dòng)斷裂以NE、NEE向?yàn)橹鳎饕獮楸寂?孝都斷裂、厚余-新橋斷裂、麻皮橋夏港斷裂。第四紀(jì)以來(lái)主要活動(dòng)斷裂以NNE、NW和近EW向?yàn)橹?，早中更新世斷裂主要有蘇錫常斷裂、金壇-南渡斷裂，晚更新世活動(dòng)斷裂主要有茅東斷裂。

2 土體工程地質(zhì)層劃分

2.1 劃分方法

當(dāng)前，關(guān)于巖體工程地質(zhì)層組的劃分方法和原則較為系統(tǒng)完善，但對(duì)于土體工程地質(zhì)層組的劃分方法還未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（茍富剛等，2018）。特別是大范圍的城市地質(zhì)調(diào)查和勘探時(shí)，土層厚度大，類(lèi)型多變，對(duì)于土體工程地質(zhì)層組的概化與歸并十分關(guān)鍵（嚴(yán)學(xué)新和史玉金，2006；茍富剛等，2018）。土體工程地質(zhì)層劃分以第四紀(jì)地層劃分結(jié)果為基礎(chǔ)，遵循詳略得當(dāng)、便于應(yīng)用的原則，綜合考慮3個(gè)方面的因素：①沉積時(shí)代、成因類(lèi)型和形成環(huán)境；②物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)特征；③重度、孔隙比、液塑限等物理性質(zhì)及壓縮系數(shù)、內(nèi)摩擦角、黏聚力等工程特性指標(biāo)。劃分采用鉆孔剖面法進(jìn)行，剖面布設(shè)以1∶5萬(wàn)地形地貌圖作為底圖，按照縱橫結(jié)合的原則，平面上控制全區(qū)，在重點(diǎn)地貌單元和不同地貌單元變換處增加剖面鉆孔數(shù)量來(lái)提高控制精度。剖面鉆孔分為控制性鉆孔和一般性鉆孔，控制性鉆孔深度為100 m，一般性鉆孔深度為50 m。根據(jù)土層的沉積時(shí)代進(jìn)行鉆孔的工程地質(zhì)層層組劃分，將剖面中各孔對(duì)應(yīng)地層“段”的界線進(jìn)行連接，作為地層層組界線，層號(hào)由上到下按由小到大的順序排序，以阿拉伯?dāng)?shù)字“1、2、3、4……”表示。每個(gè)地層層組內(nèi)部包含若干個(gè)不同巖性及工程地質(zhì)特征的地層分層，但它們屬于區(qū)內(nèi)同一地質(zhì)時(shí)期的沉積產(chǎn)物。在每個(gè)地層層組內(nèi)部，將地層巖性特征相同、工程地質(zhì)特征相近的地層分層界線進(jìn)行連接，作為工程地質(zhì)層亞層界線，層號(hào)排序在工程地質(zhì)層層組序號(hào)基礎(chǔ)上根據(jù)各亞層沉積先后順序并結(jié)合不同沉積相間的穿插關(guān)系由上到下按由小到大的順序排序，對(duì)應(yīng)的層序編號(hào)以“-1、-2、-3、-4”表示。

2.2 特殊標(biāo)志層

單孔工程地質(zhì)層劃分是整個(gè)劃分過(guò)程中難度較大的環(huán)節(jié)，需結(jié)合孔內(nèi)豎向?qū)Ρ群蛥^(qū)域橫向?qū)Ρ冗M(jìn)行。特殊標(biāo)志層是區(qū)內(nèi)第四紀(jì)地層劃分時(shí)采用如古地磁、電子自選共振（ESR）測(cè)年等諸多測(cè)試方法確定的具有明顯特征或重大意義的地層，對(duì)于單孔工程地質(zhì)層劃分具有借鑒作用（董士尤，1985）。常州地區(qū)特殊標(biāo)志層包含有不同時(shí)期的海侵層、與較大的沉積間斷相關(guān)的特殊巖性層如古土壤層或礫石層、區(qū)域平行不整合面等，其中對(duì)于工程地質(zhì)層識(shí)別和劃分具有重要意義的主要為區(qū)內(nèi)不同時(shí)期的海侵層和硬土層（表1）。

表1 特殊標(biāo)志層工程地質(zhì)特征表Table 1 Engineering geological characteristics of special marker layers

2.2.1 海侵層

全區(qū)第四紀(jì)以來(lái)記錄了三次大的海侵，由下至上分別為太湖海侵、滆湖海侵和鎮(zhèn)江海侵，形成時(shí)代主要為晚更新世和全新世（于俊杰等，2016）。巖性以粉砂、粉砂夾黏土、粉砂與黏土互層為主，水平層理發(fā)育，其所特有的灰色系、較多呈現(xiàn)“千層餅”的特點(diǎn)為土體工程地質(zhì)層的識(shí)別和劃分提供重要依據(jù)（表1）。

2.2.2 硬土層

區(qū)內(nèi)普遍存在1～2層硬塑狀黏性土層，厚度較大，分布穩(wěn)定，表現(xiàn)為第一硬土層和第二硬土層，沉積時(shí)代為晚更新世，是區(qū)域海退之后長(zhǎng)期暴露地表沉積間斷的重要標(biāo)志。第一硬土層多以棕黃色硬黏土為主，第二硬土層主要為黃灰色黏土，向下夾粉砂含量逐漸增多（表1），均含鐵錳結(jié)核和黃色銹斑，并有大量植物碎屑。

2.3 劃分結(jié)果

最終將常州地區(qū)100 m以淺土體劃分成10個(gè)工程地質(zhì)層，其中部分工程地質(zhì)層內(nèi)部根據(jù)物質(zhì)成分和工程特性指標(biāo)的差異進(jìn)一步細(xì)分出25個(gè)工程地質(zhì)亞層（表2）。

表2 土體工程地質(zhì)層劃分表Table 2 Classification table of soil engineering geological layers

2.4 合理性驗(yàn)證

工程地質(zhì)層劃分結(jié)果的合理性檢驗(yàn)可通過(guò)各層物理力學(xué)指標(biāo)的離散型和三維地質(zhì)模型構(gòu)建來(lái)檢驗(yàn)。變異系數(shù)是國(guó)際上通用的一個(gè)指標(biāo)，反應(yīng)數(shù)據(jù)分布的離散程度，為無(wú)量綱系數(shù)，多用于不同參數(shù)離散性的比較，用δ表示（劉柱等，2012）。δ＜0.1，變異性很低；0.1≤δ＜0.2，變異性低；0.2≤δ＜0.3，變異性中等；0.3≤δ＜0.4，變異性高；δ≥0.4，變異性很高。Ingles對(duì)于土體不同物理力學(xué)參數(shù)變異系數(shù)的范圍值和建議標(biāo)準(zhǔn)值作了相關(guān)研究和報(bào)道（許紅梅等，2016）。根據(jù)工程地質(zhì)層劃分結(jié)果，統(tǒng)計(jì)各工程地質(zhì)層物理力學(xué)指標(biāo)的變異系數(shù)，通過(guò)與建議標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)照，變異系數(shù)多數(shù)在合理范圍內(nèi)，物理力學(xué)指標(biāo)的離散性相對(duì)較?。ū?），工程地質(zhì)層的劃分結(jié)果合理可行。

表3 工程地質(zhì)層物理力學(xué)指標(biāo)變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比表Table 3 Statistical comparison of physical and mechanical indexes variation coefficient on engineering geological layers

另一方面，采用分級(jí)地層物理建模技術(shù)和隱式建模技術(shù)構(gòu)建三維工程地質(zhì)模型，分級(jí)地層物理建模技術(shù)按級(jí)別順序從工程地質(zhì)層到亞層進(jìn)行構(gòu)建，針對(duì)斷層、地層間接觸關(guān)系等離散且不完備的地質(zhì)數(shù)據(jù)，采用隱式建模的方法構(gòu)建（張家尹等，2021）。通過(guò)三維工程地質(zhì)體模型和剖面模型可以看出相同工程地質(zhì)層之間的連接相對(duì)平滑，上下工程地質(zhì)層之間的接觸關(guān)系相對(duì)合理（茍富剛等，2018），顯示出工程地質(zhì)層劃分結(jié)果比較合理（圖2）。

圖2 常州市三維工程地質(zhì)模型Fig.2 Three-dimensional engineering geological model in Changzhou City

3 城市地下空間開(kāi)發(fā)應(yīng)用

城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用主要有兩種方式，一種是作為地面建筑的基礎(chǔ)使用，另一種是作為地下室開(kāi)發(fā)利用。土體工程地質(zhì)層劃分在地下空間開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用十分廣泛，包括樁基持力層選擇、地下空間豎向分層規(guī)劃、地下空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)、多種地下資源協(xié)同利用等多個(gè)方面。

3.1 樁基持力層選擇

隨著常州市城市化、現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，地鐵、高架、高層建筑等遍布城區(qū)，此類(lèi)建筑荷載大，對(duì)沉降控制要求高，天然地基已無(wú)法滿足，工程建設(shè)中一般采用樁基礎(chǔ)（徐余等，2002）。依據(jù)工程地質(zhì)層物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）相關(guān)公式計(jì)算，同時(shí)結(jié)合地方經(jīng)驗(yàn)可得到地基土承載力特征值（表4）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，4-2層粉砂、5層粉質(zhì)黏土地基承載力特征值分別為220 kPa和240 kPa，頂板埋深多在10 m以淺，可作為短樁基礎(chǔ)樁端持力層，滿足多層和小高層建筑使用。6-2層粉砂地基承載力特征值為200 kPa，頂板埋深20 m左右，可作為中長(zhǎng)樁基礎(chǔ)樁端持力層，滿足中高層建筑使用。高層建筑首選6-4層粉砂作為長(zhǎng)樁基礎(chǔ)樁端持力層，地基承載力特征值為200 kPa，頂板埋深30 m左右，具有壓縮周期短的特點(diǎn)。6-4層缺失或厚度較小情況下，可選7-1層粉質(zhì)黏土作為樁基礎(chǔ)樁端持力層，但要關(guān)注粘性土的蠕變性對(duì)于樁基礎(chǔ)的沉降影響（鄭曉慧，2018）。

表4 樁基持力層地基承載力特征值Table 4 Characteristic values of foundation bearing capacity on pile bearing stratum

3.2 地下空間豎向分層規(guī)劃

地下空間開(kāi)發(fā)是一個(gè)由淺部逐漸向深部擴(kuò)展的過(guò)程，隨著城市的不斷發(fā)展，地下空間開(kāi)發(fā)的深度會(huì)越來(lái)越深，隨之而來(lái)的建設(shè)成本也會(huì)成倍增加（李春和束昱，2006；易榮和賈開(kāi)國(guó)，2020）。《常州市城市地下空間開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃》（2005-2020）將地下空間豎向?qū)哟蝿澐譃椤皽\表層：-20～0 m、中層：-40～-20 m和深層：-40 m以下”。根據(jù)本次工程地質(zhì)層劃分結(jié)果，常州市深層承壓含水層頂板最小埋深為32.9 m，統(tǒng)籌考慮深層承壓水對(duì)地下工程的影響及優(yōu)質(zhì)含水層保護(hù)，可將-35 m作為地下空間開(kāi)發(fā)紅線，地下空間豎向?qū)哟蝿澐纸ㄗh調(diào)整為淺層地下空間：-10～0 m、中層地下空間：-35～-10 m和深層地下空間：-35 m以下（圖3）。

圖3 地下空間豎向?qū)哟蝿澐质疽鈭DFig.3 Schematic diagram of vertical hierarchical division about underground space

城市規(guī)劃或地下空間專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃編制時(shí)需進(jìn)行地下空間開(kāi)發(fā)豎向分層規(guī)劃，使地下空間開(kāi)發(fā)能夠按照相應(yīng)設(shè)施的功能以及地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行有層次的開(kāi)發(fā)，充分保護(hù)地下空間資源（陳志龍和伏海艷，2005）。常州市淺層地下空間土體開(kāi)發(fā)條件較好，可安排綜合管廊、地下商業(yè)、地下停車(chē)等公共交通服務(wù)設(shè)施，其中3層硬黏土層廣泛分布，為建議開(kāi)發(fā)層，4-2層富水砂層產(chǎn)生的涌水涌砂問(wèn)題是影響地下空間開(kāi)發(fā)最主要的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。中層地下空間是軌道交通區(qū)間隧道適宜利用深度，其中5層硬黏土層廣泛分布，是軌道交通開(kāi)發(fā)的優(yōu)良層位，6-2層富水砂層產(chǎn)生的涌水涌砂問(wèn)題對(duì)于地下空間開(kāi)發(fā)影響較大，有條件時(shí)可選擇避開(kāi)此層位。深層地下空間范圍承壓含水層廣泛分布，應(yīng)以地質(zhì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)為主，可統(tǒng)籌部署地下物流、深層儲(chǔ)藏設(shè)施等城市基礎(chǔ)設(shè)施和城市公用設(shè)施，在開(kāi)發(fā)條件尚不成熟時(shí)，以資源預(yù)留為主（表5）。

表5 不同功能類(lèi)型地下空間開(kāi)發(fā)深度建議表Table 5 Suggestions for development depth on underground space of different functional types

3.3 地下空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)

地下空間處于地質(zhì)環(huán)境中，在對(duì)其進(jìn)行前期規(guī)劃、開(kāi)發(fā)建設(shè)、后期運(yùn)營(yíng)及維護(hù)的全生命周期中，其地下結(jié)構(gòu)與周邊的地質(zhì)體有著分不開(kāi)的影響與作用（趙晉友等，2013；夏友和馬傳明，2014）。因此，在地下空間規(guī)劃前進(jìn)行地下空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)意義重大（茍富剛等，2023）。以工程地質(zhì)層劃分結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合地下空間豎向分層和施工工法，可進(jìn)行分區(qū)分層地下空間開(kāi)發(fā)適宜性判別，指導(dǎo)地下空間專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃編制。

影響地下空間開(kāi)發(fā)適宜性的地質(zhì)環(huán)境因素主要包括填土、軟土、砂土液化、承壓水埋深、砂層厚度、地面沉降、滑坡崩塌等，利用專(zhuān)家調(diào)查法對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行分級(jí)，分值越低，其對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)影響越大，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型（表6）。再根據(jù)地下空間豎向分層和施工工法，選取不同層次地下空間對(duì)應(yīng)的影響因素，通過(guò)層次分析法（AHP）計(jì)算權(quán)重（表7～9），借助GIS平臺(tái)進(jìn)行疊加計(jì)算評(píng)價(jià)單元開(kāi)發(fā)難度得分S，根據(jù)S值的大小對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)適宜性等級(jí)進(jìn)行劃分（表10），由此得到淺層、中層和深層地下空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果。淺層地下空間（-10～0 m）是常州市當(dāng)前開(kāi)發(fā)的主要層位，多采用明挖法施工，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示新北區(qū)春江鎮(zhèn)沿江地區(qū)由于淺部砂土、軟土較為發(fā)育，地下水埋深淺，適宜性一般，施工過(guò)程中需采取降水措施，其它地區(qū)以黏性土為主，適宜性總體較好。中層地下空間（-35～-10 m）是常州市當(dāng)前迫切需求的層位，地質(zhì)條件較淺層相對(duì)復(fù)雜，開(kāi)發(fā)適宜性相對(duì)變差，新北區(qū)和鐘樓區(qū)一帶地下空間開(kāi)發(fā)面臨涌水涌砂的風(fēng)險(xiǎn)高，且該區(qū)域巖性組合復(fù)雜，盾構(gòu)施工時(shí)需注意盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制，避免發(fā)生抬頭事故；深層地下空間（-35 m以下）優(yōu)先預(yù)留保護(hù)，如果開(kāi)發(fā)多采用盾構(gòu)法施工，適宜性總體較好，僅在新北區(qū)、天寧區(qū)局部地區(qū)及北部沿江地區(qū)由于砂層厚度大，地下水富水性好，地下空間開(kāi)發(fā)面臨涌水涌砂的風(fēng)險(xiǎn)高，適宜性相對(duì)一般（圖4）。

表6 地下空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)量化表Table 6 Index quantitative table of suitability evaluation for underground space development

表7 淺層地下空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)因子表Table 7 Factor table of suitability evaluation for shallow underground space development

表8 中層地下空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)因子表Table 8 Factor table of suitability evaluation for middle underground space development

表9 深層地下空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)因子表Table 9 Factor table of suitability evaluation for deep underground space development

表10 地下空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)等級(jí)劃分表Table 10 Grade division table of suitability evaluation for underground space development

圖4 地下空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)圖Fig.4 Suitability evaluation of underground space development

3.4 多種地下資源協(xié)同利用

城市不僅有著巨大的地下空間開(kāi)發(fā)潛力與需求，以地下水、淺層地?zé)崮芤约暗刭|(zhì)材料資源為主導(dǎo)的多種地下資源稟賦也有著鮮明特點(diǎn)（楊洋等，2019）。城市地下多種資源共生共存于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)中，相互聯(lián)系，相互制約。某一資源開(kāi)發(fā)往往會(huì)對(duì)其它資源的開(kāi)發(fā)潛力產(chǎn)生影響。例如，地下空間開(kāi)發(fā)造成地下水流場(chǎng)、水質(zhì)和水位的改變；地下水開(kāi)發(fā)對(duì)淺層地?zé)崮芾眯实挠绊懀粶\層地?zé)崮艿睦茫窆苁降卦礋岜茫?可能對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)形成阻礙等（周丹坤等，2020）。因此，積極探索多種地下資源之間的相互影響機(jī)制，進(jìn)行多種地下資源協(xié)同利用，是順應(yīng)科學(xué)發(fā)展的要求。

常州市深層地下水資源雖全面禁采，但隨著禁采措施持續(xù)開(kāi)展20年來(lái)地下水水位不斷回升，深層地下水仍具備應(yīng)急供水功能（蘇東等，2023），且部分地下水中限量指標(biāo)符合天然礦泉水要求，同時(shí)鍶和偏硅酸含量較高，是優(yōu)質(zhì)地下水資源，地下空間開(kāi)發(fā)應(yīng)避免破壞7-2、8-2層優(yōu)質(zhì)含水層。

淺層地?zé)崮苁且环N可再生清潔能源，開(kāi)發(fā)過(guò)程中若只考慮單一性的埋管式地源熱泵開(kāi)發(fā)，會(huì)占用大量的地下空間資源（沈軍等，2021）。統(tǒng)籌考慮地下空間資源和淺層地?zé)崮苜Y源，進(jìn)行協(xié)同開(kāi)發(fā)，既可節(jié)省地下空間，為未來(lái)地下空間的開(kāi)發(fā)預(yù)留足夠的潛力，又能節(jié)省工程建設(shè)成本。采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)各工程地質(zhì)層熱物性參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，工程地質(zhì)層平均導(dǎo)熱系數(shù)分布在1.436～2.435 W·m-1·K-1之 間，比 熱 容 分 布 在1.273～1.851 KJ·kg-1·K-1之間。導(dǎo)熱系數(shù)最大值為10-2砂層，比熱容最小值為8-4砂層，2-3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層導(dǎo)熱系數(shù)最小，比熱容最大（表11）。由此可見(jiàn)導(dǎo)熱系數(shù)與比熱容存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。不同巖性工程地質(zhì)層熱物性參數(shù)有所差異，黏性土比熱容大于砂性土，導(dǎo)熱系數(shù)小于砂性土。總體上隨著深度增大，導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，而比熱容呈現(xiàn)減小趨勢(shì)（圖5）。常州市工程地質(zhì)層中8-4、10-2層砂層是優(yōu)良的熱儲(chǔ)層，地下工程建設(shè)過(guò)程中，將地下?lián)Q熱系統(tǒng)埋設(shè)在地下結(jié)構(gòu)的基坑底板之下或圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，亦或在成樁過(guò)程中埋設(shè)在樁基礎(chǔ)內(nèi)，可節(jié)約大量地下空間（夏才初等，2009；王守超，2010），實(shí)現(xiàn)地下空間資源與淺層地?zé)崮苜Y源的協(xié)同利用。

表11 不同工程地質(zhì)層熱物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 11 Statistics table of thermal properties on different engineering geological layers

圖5 土體熱物性參數(shù)隨埋深變化曲線圖Fig.5 Variation curves of soil thermophysical parameters with depth

隨著開(kāi)山采石的全面禁止，地質(zhì)材料資源也有著巨大需求缺口。常州市土體地質(zhì)材料主要為黏土材料，3、5、9-1層黏土層質(zhì)地較好，具有較好的磚瓦燒制潛力，蘊(yùn)藏量十分豐富，通過(guò)一定的技術(shù)手段進(jìn)行改良后不僅可作為工程材料在不同建設(shè)領(lǐng)域運(yùn)用，同時(shí)對(duì)于解決“渣土圍城”問(wèn)題起到關(guān)鍵性作用。

4 結(jié)論

（1）基于常州城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目收集的工程勘察鉆孔，在分析區(qū)內(nèi)第四紀(jì)巖相古地理演化特征基礎(chǔ)上，綜合考慮沉積時(shí)代、物質(zhì)成分、工程特性指標(biāo)等因素，將常州市100 m以淺土體劃分為10個(gè)工程地質(zhì)層、25個(gè)工程地質(zhì)亞層。通過(guò)對(duì)工程地質(zhì)層的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，多數(shù)指標(biāo)的變異系數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)。構(gòu)建的三維工程地質(zhì)模型相同工程地質(zhì)層之間的連接相對(duì)平滑，上下工程地質(zhì)層之間的接觸關(guān)系相對(duì)合理，反映出工程地質(zhì)層劃分結(jié)果合理可靠。

（2）土體工程地質(zhì)層劃分在地下空間開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用十分廣泛，根據(jù)劃分結(jié)果，常州市樁基持力層主要有4-2層粉砂、5層粉質(zhì)黏土、6-2層粉砂和7-1層粉質(zhì)黏土，地基土承載力特征值均在200 kPa以上，可滿足不同高度建筑使用。高層建筑對(duì)于樁基礎(chǔ)沉降控制要求高，應(yīng)首選砂層作為樁基持力層。

（3）常州市深層承壓含水層頂板埋深最小為32.9 m，統(tǒng)籌考慮深層承壓水對(duì)地下工程的影響及優(yōu)質(zhì)含水層保護(hù)，可將-35 m作為地下空間開(kāi)發(fā)紅線。綜合管廊、地下商業(yè)、地下停車(chē)等公共交通服務(wù)設(shè)施優(yōu)先選用淺層地下空間，3層硬黏土層是建議開(kāi)發(fā)層位；軌道交通優(yōu)先選用中層地下空間，5層硬黏土層是建議開(kāi)發(fā)層位；深層地下空間應(yīng)以地質(zhì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)為主，可統(tǒng)籌部署地下物流、深層儲(chǔ)藏設(shè)施等城市基礎(chǔ)設(shè)施和城市公用設(shè)施。

（4）以工程地質(zhì)層劃分結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合地下空間豎向分層和施工工法進(jìn)行地下空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示淺層地下空間在沿江地區(qū)由于淺部砂土、軟土較為發(fā)育，地下水埋深淺，適宜性一般，其它地區(qū)適宜性總體較好；中層地下空間地質(zhì)條件較淺層相對(duì)復(fù)雜，開(kāi)發(fā)適宜性相對(duì)變差，新北區(qū)和鐘樓區(qū)一帶地下空間開(kāi)發(fā)面臨涌水涌砂的風(fēng)險(xiǎn)高；深層地下空間適宜性總體較好，僅在新北區(qū)、天寧區(qū)局部地區(qū)及北部沿江地區(qū)由于砂層厚度大，地下水富水性好，地下空間開(kāi)發(fā)面臨涌水涌砂的風(fēng)險(xiǎn)高，適宜性相對(duì)一般。

（5）地下空間開(kāi)發(fā)應(yīng)關(guān)注與地下水、淺層地?zé)崮堋⒌刭|(zhì)材料等多種地下資源的協(xié)同利用。常州市深層地下水仍具備應(yīng)急供水功能，地下空間開(kāi)發(fā)應(yīng)避免破壞7-2、8-2層優(yōu)質(zhì)含水層；8-4、10-2層砂層是優(yōu)良的熱儲(chǔ)層，可通過(guò)樁基地埋管實(shí)現(xiàn)地下空間資源與淺層地?zé)崮苜Y源的協(xié)同利用。3、5、9-1層黏土層質(zhì)地較好，通過(guò)一定的技術(shù)手段進(jìn)行改良后可作為工程材料在不同建設(shè)領(lǐng)域運(yùn)用。

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