大兴规划新城地下空间开发地质环境质量研究

黄 骁，陈 刚，刘新义（北京市地质工程勘察院，北京 100048）

大兴规划新城地下空间开发地质环境质量研究

黄 骁，陈 刚，刘新义
（北京市地质工程勘察院，北京 100048）

地下空间是城市重要的空间资源，城市的地质环境条件制约和影响着地下空间的开发利用。通过对大兴规划新城地质载体、地下水环境及不良地质作用等影响地下空间开发因素的分析，采用层次分析模糊综合评判方法（AHP-Fuzzy法），将研究区浅层、次浅层地下空间开发地质环境适宜性分为4个区，为新城的地下空间利用提供了地质技术支持。研究表明：Ⅰ级区基本不受地质灾害危害，较适宜地下空间开发利用，岩土层是较好的天然地基持力层；Ⅳ级区受活动断裂危害，需加强抗震设防；而其余2个区均有不同的工程地质特征，在地下空间的开发利用中需针对其不良工程地质特性，采取相应的工程加固防治措施。

地下空间；地质环境质量；适宜性

0　引言

城市地下空间不仅是有效的防护空间，更是潜力巨大的城市空间资源。地下空间的开发与利用在缓解城市矛盾，扩大城市空间容量和提高城市环境质量上具有明显优势（宛素春等，1995）。北京作为“国家首都、国际城市、文化名城、宜居城市”，开发利用地下空间，既是巩固其战略地位的重要手段，也是科学、有效地拓展城市空间、节约土地资源、改善人居环境、保护历史文化名城以及实现城市可持续发展的有效途径（陈刚等，2006）。

工程地质条件影响地下空间利用的经济性与安全性，充分利用工程地质的有利条件，防治和改造不利条件，是经济合理地兴建地下建筑的首要条件。应着重对地形地貌、岩土体性状与结构、地质构造、水文地质等工程地质条件进行调查、研究，以充分利用有利条件，合理改造不利条件，使地下工程既经济又安全（李相然等，1995）。

地下空间的开发利用深度一般分为4层，地表至地下10m为浅层开发，地下10～30m为次浅层开发，地下30～50m为次深层开发，地下50～100m为深层开发。目前北京规划的地下空间开发主要集中在浅层和次浅层空间（陈刚，2006）。本文依托北京大兴规划新城前期区域工程地质勘查项目的开展，分析研究了影响和制约规划新城地下空间开发利用的地质环境因素，并在此基础上对规划新城浅层、次浅层地下空间开发地质环境适宜性进行了分区评价，为新城未来地下空间的经济安全建设提供了前期地质支撑。

1　地质条件分析

大兴规划新城地处永定河冲积扇中、下部，地势平坦。区内地质构造、地质载体的岩土条件、地下水及不良地质作用等不同程度影响和制约着地下空间的开发利用。

1.1地质构造

地下空间利用首先要考虑区域稳定性。虽然总体上地震对地下工程的破坏性要较地面工程小，但因其破坏力巨大，加之修复的困难性等，因此在确定地下建筑工程位置时，应尽量避开区域稳定性差和地质构造条件不良的地段，不能避开时，要认真加以研究，以便采取对策。

研究区自中生代末期以来，地壳运动强烈，使区内构造变得复杂，褶皱、断裂发育。主要断裂有南苑—通县断裂、良乡—前门断裂（由良乡北断裂和前门断裂构成）及永定河断裂（徐锡伟等，2002；黄骁等， 2012）。其中永定河断裂为第四纪活动断裂，需考虑其对工程建设和地下空间开发的影响。

1.2地质载体岩土条件

地质载体是地下空间开发利用的介质和环境，地质载体岩土类型、物理力学性质、单元结构类型、围岩类别、掘进强度等影响地下工程开挖的难易和围岩的稳定性。

研究区第四系松散层具有典型的冲洪积平原沉积韵律，为砂卵石与粘性土互层。除表层有人工填外，中间还夹有软粘土和液化的粉土、砂土等特殊性岩土。人工填土、软粘土等承载力低，变形大，在地下空间开发中整体不稳定；饱和粘性土、粉土及液化砂土、粉土等，承载力亦较低，虽可保证一定的稳定性，但整体较不稳定，变形较难满足要求；非饱和粘性土、粉土，承载力中等，经部分加固处理可保持整体稳定，有一定的变形；砂卵石承载力高，整体较稳定，易满足变形要求。

1.3地下水

地下水对岩土体工程性质具有很强的物理、化学弱化作用，地下水引发的工程地质问题是城市地下空间普遍存在的重大问题（韩文峰等，2000）。在地下工程施工过程中，因水动力条件发生改变，易生发入渗、流砂、流土，承压水更易造成突渗和管涌。此外，地下水对地下结构产生巨大的浮托作用，如防水或抗浮措施不当，可能造成地下工程结构破坏，影响其安全运营（廖建三等， 2006）。

研究区潜水为贮存在永定河冲洪积物砂、卵、砾石中的孔隙水，它具有冲洪积扇地下水的一般特征。高家堡、立垡和狼垡一带含水层岩性主要是砂卵石，单层厚度为20～5m，渗透性能好，富水。芦城—黄村一带，含水层岩性为粉细砂、中粗砂。历史上该地区地下水位很浅，有的地方就是潜水溢出带，近年来由于开采量较大水位埋藏较深。南部北臧、庞各庄一带，潜水埋藏在粉细砂和粉土层中，历史上丰水期潜水水位埋深3～5m，目前埋藏亦较深。研究区第四系承压水含水层主要为砂卵石层，埋深一般大于30m。

1.4不良地质作用

研究区影响地下空间开发的不良地质作用除活动断裂外还包括地面沉降、砂土液化等。

地面沉降对地下空间的正常使用造成严竣影响。研究区位于榆垡—礼贤沉降区的西北部，连续多年的枯水和过量开采地下水导致地面沉降达400mm；研究发现南北地层特性导致地面沉降差异（郭萌等，2011）。研究区北部土体以单一结构的砂卵石层为主，夹少量粘性土层，含水层颗粒粗，抗压强度高，可压缩性低，不易产生压缩变形，且可压缩的第四系松散层厚度相对较薄（50～70m），因此地面沉降表现不明显，目前地面累计沉降量小于50mm。而中部至南部地区土层逐渐过渡为多层中细砂、薄层砂卵石层与多层粘性土，并以压缩性较高的粘性土为主的多层土体结构类型，且可压缩的第四系松散层厚度相对较厚（可达250～300m），沉降量逐渐增大。

研究区位于永定河东岸，地处近代冲洪积平原，地表下浅层地基土多液化，可液化层主要为粉土和粉细砂。唐山大地震时，液化层深度一般为4～8m，最深可达10m左右。饱和粉细砂及部分粉土，虽然在静载作用下具有较高的强度，但在地震力的反复作用下有可能产生液化，地基会因液化而丧失承载能力。研究区内新城规划的10个片区（组团），除狼垡组团处理深度小于4m外，其余片区（组团）液化处理深度一般为6～8m。

2　评价方法

地下空间地质环境质量评价是一项复杂的系统工程，它涉及的因素众多，因素与因素之间又相互制约，相互牵连，同时它们对质量分级标准也是外延不清晰的模糊概念。显然这类问题用经典的数学模型是难以定量描述的。而模糊数学的理论则是解决这类模糊问题的有效手段。为使地下空间地质环境系统中的每个影响因素都能够真实有效的参与评价，首先确定参与评价的环境地质质量因素并将这些因素划分为不同的层次；其次采用层次分析模糊综合评判方法（AHP-Fuzzy法），进行逐级评判；最后得出地质环境质量总评价结果。

2.1地质环境评价指标与分级标准

根据研究区地质载体环境特点，在分析规划区地质环境基本特征的基础上，从地质载体结构、地下水环境以及地质灾害三方面，选取了岩土类型、承载力、压缩模量、地下水位埋深、土体的渗透性、地下水侵蚀性、活断裂、地面沉降、砂土液化等9个因素作为评价指标，建立了规划区地下空间地质环境评价指标分级标准（表1 ）及相应的评价体系（图1）。

2.2参评因素权重确定

地下空间地质环境质量的优劣是诸多因素综合作用的结果，但它们的作用和地位是不同的。为了客观地反映这种差异，本次采用了A.Lsaaty的标度方法，通过两两因素的对比，确定两因素间的重要性，并逐层比较多种关联因素，最后确定各因素权重值（表2）。

3　地下空间地质环境质量分区评价

地下空间地质环境质量评价采用1：2.5万地形底图，以100m×100m作为评价单元，地下空间评价深度范围为0～10m浅层和10～30m次浅层。

3.1地下浅层（0～10m）地质环境质量分区评价

研究区地下浅层（0～10m）地质环境质量划分为4个区（图2）。

表1　地下空间开发地质环境质量评价指标及分级Tab.1 The evaluation index and classification of geological environment quality in thedevelopment of underground space

图1　地下空间开发地质环境质量评价体系框图Fig.1 The block diagram of geological environment quality evaluation in the development of underground space

（1）地质环境质量Ⅰ级区：主要分布在狼垡以北小范围地区。本区0～10m深度范围内土层以砂、卵石为主，基本无软土分布。地下空间围岩一般为Ⅴ类，土石可挖性为Ⅰ～Ⅲ，砂土轻微液化，基本不受地质灾害危害和地下水影响。本区较适宜地下空间开发利用，不需要采取降水措施，但围岩一般无粘聚力，自稳定能力差，易崩塌，需及时进行围岩支护，且围岩相对不易掘进，可挖性等级达到Ⅲ。本区岩土层是较好的天然地基持力层，建议多作为建筑的地基土规划使用。

（2）地质环境质量Ⅱ级区：主要分布于南程庄、三合庄、六合庄、新立村、北臧村、后大营等地。本区0～10m深度范围内土层以粘性土和新近沉积的粉细砂为主，浅部多有软粘土分布。地下空间围岩一般为Ⅵ类，土石可挖性为Ⅰ～Ⅱ，砂土液化轻微或中等，基本不受地下水影响。本区地下空间开发利用时不需要采取降水措施，围岩相对易掘进，但围岩易坍塌变形，需及时做好支护。本区上部岩土层工程特性差，不宜直接作为天然地基土规划使用；下部相对较好，可作为一般建（构）筑物的天然地基持力层。

表2　评价因素层次总排序权值表Tab.2 the table of the total sort weight of hierarchy of evaluation factors

图2　研究区地下空间浅层（0～10m）开发地质环境质量分区图Fig.2 The zoning map of geological environment quality in the development of underground space （0 ～ 10m） in the research area

（3）地质环境质量Ⅲ级区：主要分布在鹅房、芦城、黄村、海子角、邢各庄、韩园子、天宫院等地。本区0～10m深度范围内土层以人工填土及新近沉积的粉土、粘性土、粉细砂为主，人工填土、软粘土、液化砂土等特殊土分布广泛，且厚度大。地下空间围岩一般为Ⅵ类，土石可挖性为Ⅰ，易掘进。砂土液化轻微或中等，基本不受地下水影响。本区地下空间开发利用时不需要采取降水措施，但围岩极易坍塌变形。由于岩土体强度低、质软，不宜直接作为天然地基土规划使用。

（4）地质环境质量Ⅳ级区：分布在规划区内永定河断裂两侧各300m的断裂影响带内。本区受活动断裂危害中等，地下空间开发时需加强抗震设防。

3.2地下次浅层（10～30m）地质环境质量分区评价

研究区地下次浅层（10～30m）地质环境质量划分为4个区（图3）。

（1）地质环境质量Ⅰ级区：主要分布于狼垡、高米店、西红门及西黄村等地段。本区10～30m深度范围内为单一砂、卵石地层。地下空间围岩一般为Ⅴ类，土石可挖性为Ⅰ—Ⅲ，基本不受地质灾害危害影响。本区较适宜地下空间开发利用，一般需要采取堵排水措施，围岩无粘聚力，自稳定能力差，易崩塌，需及时进行围岩支护；易发生流砂、潜蚀等破坏；且围岩相对不易掘进，可挖性等级达到Ⅲ。本区岩土层是较好的天然地基持力层，建议多作为建筑的地基土规划使用。

（2）地质环境质量Ⅱ级区：本区分布在鹅房、芦城、黄村、海子角、邢各庄、后大营及北臧村等地。本区10～30m深度范围内土体为砂、卵石和粘性土互层的多层结构，土层不液化。地下空间围岩一般为Ⅴ—Ⅵ类，土石可挖性为Ⅰ—Ⅲ，相对不易掘进。本区地下空间开发利用时一般需要采取堵排水措施，围岩易坍塌变形，易发生流砂、潜蚀、管涌等破坏。砂、卵石层是较好的天然地基持力层。

（3）地质环境质量Ⅲ级区：主要分布于六合庄、新立村、罗奇营、三合庄、佟场、韩园子及天宫院等地。本区10～30m深度范围内土体具有典型的双层结构，上部以一般第四纪沉积的粉土、粘性土为主，下部以砂、卵石为主，土层不液化。地下空间围岩一般为Ⅵ—Ⅴ类，土石可挖性为Ⅰ—Ⅲ，相对不易掘进。本区地下空间开发利用时一般需要采取堵排水措施，围岩易坍塌变形，易发生流砂、潜蚀、管涌等破坏。浅部土层强度相对较弱，深部土层强度较高，可作为桩基础桩端持力层使用。

图3　研究区地下空间次浅层（10～30m）开发地质环境质量分区图Fig.3 The zoning map of geological environment quality in the development of underground space （10 ～ 30m） in the research area

（4）地质环境质量Ⅳ级区：分布在规划区内永定河断裂两侧各300m的断裂影响带内。本区遭受活动断裂危害中等，地下空间开发时需加强抗震设防。

4　结论

从地质构造、地质载体的岩土条件、地下水及不良地质作用等角度出发，研究区地下空间开发地质环境质量分4级；浅层（0～10m）空间开发时一般不受地下水影响，地质环境质量主要受人工填土、软粘土和液化砂土控制；次浅层（10～30m）空间开发时一般需要采取堵排遣水措施，易发生流砂、潜蚀、管涌等破坏；围岩整体自稳能力差，需及时采取支护措施。整体看，研究区在采取一定的工程加固措施下，地质条件适宜进行地下空间开发。

［1］宛素春，王春梅. 北京地下空间的利用与开发［J］.北京工业大学学报，1995，2l （2）：52～59.

［2］陈刚，李长栓，朱嘉广. 北京地下空间规划［M］.北京：清华大学出版社，2006：289.

［3］李相然，孙淑贤. 谈城市地下空间利用中的工程地质条件研究［J］. 地下空间，1995，15（4）：296～300.

［4］徐锡伟，吴卫民，等. 首都圈地区地壳最新构造变动与地震［M］. 北京：科学出版社，2002：376.

［5］黄骁，陈刚，李哲林. 南苑—通县断裂大兴规划新城段的研究［J］. 城市地质， 2012，7（4）：15～19.

［6］韩文峰，谌文武，宋畅. 城市地下空间开发利用的工程地质与岩土工程［J］. 天津城市建设学院学报，2000，6（1）：1～5.

［7］廖建三，彭卫平，林本海. 影响广州市浅层地下空间开发利用的地质因素分析及分区评价［J］.岩石力学与工程学报，2006，25（增2）：3357～3362。

［8］郭萌，陈刚，黄骁，等. 北京大兴规划新城地面沉降研究［J］. 城市地质， 2011，6（1）：17～21.

Study on the Geological Environment of Underground Space Development in Daxing Planning New Town

HUANG Xiao ， CHEN Gang ， LIU Xinyi
（Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering， Beijing 100048）

Underground space is important to the city space resources. The development and utilization of underground space is restricted and influenced by urban geological environment. Through analysis of the influencing factors of underground space development such as geological carrier， groundwater environment and bad geological function in Daxing new town， the geological environment suitability of shallow and minor shallow underground space development in study area is divided into four zones by AHP-Fuzzy method， and it provides technical support to utilize the underground space of the new city. The research results show that: Ⅰ-level zone is basically not effected by geological disaster， more suitable for the development and utilization of underground space， and rock and soil layer is a good natural foundation bearing layer； Ⅳ-level zone is affected by active faults，and it’s necessary to strengthen the seismic fortification； The other two zones have different engineering geological characteristics， so engineering strengthening prevention and control measures corresponding to bad engineering geological characteristics are necessary to develop and utilize the underground space.

underground space； geological environment quality； suitability

TU42

A

1007-1903（2016）01-0036-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.008

基金课题：北京大兴规划新城前期区域工程地质勘查（BJJG-2009-140-01）

黄骁（1974- ），男，注册土木（岩土）工程师，主要从事岩土工程勘察、设计与施工、地质灾害评估。

电子信箱：huangxiaomail@163.com