某市隧道工程地下空间开发利用工程地质条件适宜性研究

郑立博，陈雪梅，席恺,王少龙

(安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，蚌埠 233000)

城市化是在一定的地质环境中进行的，城市化进程的快慢和规模受到地质环境条件和容量的制约。地质环境既为城市的发展提供着活动的空间，同时也为城市可持续发展提供着不可或缺的地质资源。地质资源是自然资源的一部分，包括土地资源、地下水资源、矿产资源、地质旅游资源和地下空间资源等。城市地下空间资源如同地表土体和地下矿产一样，是一种宝贵的自然资源。

城市地下空间的开发利用，要切实做好地质、水文、矿产资源的勘查。在规划和建设中做好环境保护、矿产资源保护、水资源保护、文物古迹保护和现有人防工程保护等。地下空间的开发直接或间接与地下工程建筑材料产生了一定的影响，承压地下水的水头压力也造成了基坑突涌、地板破坏等工程事故；同时地下工程建设与运营也对地下水资源产生了污染，基坑降水等施工手段也使地下水位降低，引起了一定的环境地质灾害问题。

1 研究区工程地质条件和地下空间开发利用概况

研究区地处淮北平原与江淮波状平原交接部位，自然地势向淮河微倾。淮河以北为淮北平原的南缘，地势开阔、平坦，微地貌类型有河漫滩和一级阶地；淮河以南为江淮波状平原的北缘，次级地貌类型有波状平原、浅丘状平原和丘陵等。

研究区淮河以北第四纪地层广泛分布，沉积物由山前向平原过渡，厚度由小变大。淮河以南缺失第四纪早更新世沉积，中、晚更新世以来沉积物成因以残坡积、冲洪积(或风积)为主，中更新世坡积和冲洪积物广泛分布在山前地带，晚更新世沉积范围扩大，山前、山间广泛分布，岩性以粉质粘土为主，进入全新世以来地壳上升，遭受风化剥蚀，仅在淮河支流下游的河谷地带有少量全新世沉积物分布。

研究区地下空间资源开发利用始于1984年，近年来在市政府的高度重视和合理规划下，城市地下空间开发利用有序开展。2013年，市人防办组织编制了城市地下空间综合开发利用规划。规划为合理高效地开发利用城市地下空间资源提供了法规性文件，也为进一步研究编制地下空间相关规划提供了依据。

研究区中心城区已有地下空间设施利用功能比较单一，主要建设方式为人防工程，地下公共空间及地下交通设施开发尚未成为地下空间利用的主要功能；现有地下空间开发均以建筑地下空间利用为主，各片区核心公共建筑集中及开发强度较高的地区基本无区域内地下空间的系统性开发，地下空间开发的作用得不到充分发挥；已建成区对地下空间的再开发造成障碍。

图1 研究区遥感影像图

2 影响地下空间开发的主要工程地质问题

2.1 地下水与地下空间开发

2.1.1 地下水水位

(1) 地下水位与地下空间开发利用

地下空间开发利用过程中，地下水为导致基坑不稳定的最主要的影响因素之一，而粉性土及砂土层是研究区最主要含水层，水量丰富，黏性土层为相对隔水层，水量小，地下空间开发过程主要控制粉性土、砂土层中的地下水。

以往地下空间开发经验表明，在地下水位较高的地区开挖基坑时，含水层被切割，若设计不当或采取措施不当，地下水进入基坑，容易造成流砂、边坡失稳、地基承载力下降等不良地质现象，易产生安全事故；基坑开挖至坡底后，由于上部土体的卸载，坑底被承压水顶破而发生涌砂、隆起的危险。部分基坑土体由于发生了较大的位移，进而可能影响邻近建筑物安全。

由于各含水层埋藏于地表不同深度，而不同深度含水层地下水有其自身的水头压力，当不同深度的地下空间开发利用过程中，地下空间开挖界面将受到不同类型地下水水头压力的影响。以往经验表明，一般开挖深度小于10 m时，主要受潜水地下水影响，当深度大于10 m时，除潜水外，还受承压含水层地下水影响，如果开挖界面所受承压水浮托力大于上覆隔水层的土压力时，说明开挖界面不稳定，有产生突涌的可能，应降低承压水水头，降低高度应满足设计、施工要求。

(2) 研究区含水层分布及对地下空间开发危害

影响研究区地下空间开发的含水层主要为潜水含水层、微承压含水层和承压含水层，潜水含水层埋藏深度基本位于0～10 m之间，微承压含水层埋藏深度基本介于10～25 m之间，承压含水层埋藏深度基本位于20 m以下。不同深度的开发空间均处于饱水的含水层中。

研究区中部(粉)砂层(第③-2层)下部砂层(⑥-2、⑦-2层)均为承压含水层，当基坑开挖超过一定深度，坑底下地基不足于抵抗承压水水头压力时，则有基坑突涌的可能。另外地铁、隧道施工时，当涉及承压含水层时，由于水头具有承压水，如盾构机土舱压力小于承压水水头压力时，则会发生喷水、冒砂事件，可能造成较大危害。

2.1.2 地下水水质

2.2 软土与地下空间开发

(1) 在外荷作用下软土压缩变形量大，易产生较大的沉降和不均匀沉降。软土层厚度越大、压缩性越高，沉降量越大。在研究区淮河两岸大部分地区涉及软土层，在此区域进行地下空间开发，应注意地基不均软土变形等问题。

(2) 软土抗剪强度低，基坑开挖时，坑边难直立，从而导致边坡失稳。软土层抗剪强度低，基坑开挖坑壁难以直立，因此基坑超过3 m一般需要采取围护措施，根据开挖深度及周围环境要求，需设置一道或多道支撑。

(3) 软土具有明显的流变特征，对于基坑工程，开挖时易产生侧向变形和剪切破坏，导致支护结构变形或边坡失稳；对于隧道工程，软土流变及次固结变形会导致隧道纵向和横向长期缓慢变形，且变形收敛时间长。

(4) 软土具有明显的触变特征，若土体受到扰动或震动，影响土体结构，会使强度骤然降低，导致土体沉降或滑动，使地下空间施工的安全度降低。

2.3 粉(砂)层与地下空间开发

粉(砂)层土分布区，地下空间开发过程中可能遇到的主要工程问题为流砂管涌、地基液化以及承压水突涌等。

2.3.1 流砂与管涌对地下空间开发的影响

研究区地下水位较高，大部分基坑开挖需降水。降水过程中，坑外地下水位大于坑内，围护墙后侧地下水向下渗流，地下水绕过墙趾后将向上渗流，在地基土中产生自下而上的渗透力。当水头差增大而使水力梯度达到临界梯度时，就会出现流砂现象。当土中渗流的水力梯度小于临界水力梯度时，虽不致诱发流砂现象，但土中细小颗粒仍有可能穿过粗颗粒之间的孔隙被渗流挟带而去，长时间渗流作用使土层中形成管状空洞，使土体强度降低，压缩性增大，即为“机械潜蚀”或“管涌”。

流砂、管涌形成初期往往不易被发现，随着砂土中细颗粒土不断被带走，在地下形成越来越大的空洞，进而造成大量的土体流动，引发滑坡、地面塌陷等地质灾害。

2.3.2 砂土震动液化对地下空间开发的影响

饱和砂土或砂质粉土在震动作用下，土中孔隙水压力逐渐上升，部分或完全抵消土骨架承担的有效压力，从而使土体承载力降低甚至完全丧失，发生地基液化。

研究区现状地下空间开发利用形式主要包括地下车库、地下商城及人防工程等，埋深5～20 m不等。该深度范围内涉及的饱和粉土或粉砂，在震动作用下可能发生震动液化，给地下空间开发带来一定危害。

3 隧道工程地下空间开发工程地质条件适宜性分区与评价

3.1 空间域设定

综合国内工程研究资料，结合研究区内工程地质与水文地质特点，选择10～20 m、20～30 m空间域进行隧道工程地下空间开发利用工程地质条件适宜性评价。

3.2 评价因子选择

盾构施工及隧道的安全与隧道影响深度范围内的土体岩性组合有关，隧道上部土体岩性组合反应了变形的问题，隧道下部土性组合反映了下部土体在开挖时应力释放和荷载作用下的变形问题。本次针对非明开挖类工程的特点，根据研究区的地质环境条件，充分考虑各种不良地质环境因素对地下空间开发的制约，选择淤泥质土厚度、粉砂土分布、地下水腐蚀性、比贯入阻力作为评价因子。

(1) 淤泥质土厚度

淤泥质土主要赋存在第四系全新统土层中，淮河两岸河漫滩区软土广泛分布。软土底板埋深3.7～15.0 m，一般厚度1.0～8. 8 m。

(2) 粉砂土分布

河湖相沉积的全新统及上更新统地层普遍发育粉砂土沉积层，由于沉积时代较新，压实作用不充分，加之地下水位较浅，因此，普遍具有松散、饱水的特点，是饱和粉砂土地震液化的主要发生层位。

(3) 地下水腐蚀性

地下水中Cl-含量、硫酸盐、溶解性总固体含量影响着地下水对含水层地下水的腐蚀性。研究区潜水含水层中的地下水水质中Cl-含量小于5 000 mg/l，硫酸盐含量小于500 mg/l，溶解性总固体小于2 000 mg/l，表明该含水层地下水对混凝土无腐蚀性。而承压含水层地下水对混凝土无腐蚀性，仅在个别点对钢筋混凝土结构中钢筋有弱腐蚀性外，其余皆为无腐蚀性，对钢筋结构皆具有中腐蚀性。

(4) 比贯入阻力

对于隧道工程，施工中主要考虑的问题为盾构掘进面土层软硬的变化问题，一般情况下，在静力触探比贯入阻力(PS)小于1.5 MPa的土层中掘进较为容易，在PS值为1.5～4 MPa的土层中掘进难易程度一般，而在大于4 MPa的土层中掘进则为困难，在软硬分界面区域应特别注意(各土层比贯入阻力参照经验参数确定)。

3.3 评价因子权重确定

本次评价因子权重采用“层次分析法”，确定不同层组的的评价判断矩阵；然后通过各组的指标项形式构造判断矩阵，采用最优矩阵传递法对群体判断矩阵进行计算，最终确定评价因子的权值(表1)，综合划分区间与等级划分(表2)。

评价模型为：

式中,Z为综合评分值；ai为第i因素的权重；mi为对第i因素的评分。

表1 评价因子的权重及评价标准分值

注：不同空间域分别评价

表2 隧道工程地下空间开发利用适宜性划分标准

3.4 分区评价

3.4.1 研究区10～20 m区间隧道盾构适宜性分区

研究区10～20 m区间范围内土体主要涉及灰-灰黄色-棕黄色粉质粘土(位于第②-1)、灰色-浅黄-棕黄色粉土(位于第②-1层)、灰黑色淤泥质粉质粘土(位于第②-2层)青灰色粉细砂(位于第②-2层)、灰黄-褐黄色粉质粘土(位于Ⅱ⑤层)。

灰黑色淤泥质粉质粘土20 m以浅底板埋深3.7～15.0 m，厚度1.0～8.8 m；第②-1层岩性为粉质粘土与粉细砂互层，粉细砂层顶板埋深0.5～2.4 m，层厚1.5～10.7 m层厚变化较大，主要分布在淮河沿岸及两侧地区，其中在淮河沿岸及淮上区西南部大部分地区厚度较大，一般大于6 m；研究区北部及淮河南岸一带粉砂土层厚度一般小于6m；地下水腐蚀性弱。

灰-灰黄色-棕黄色粉质粘土静力触探比贯入阻力PS值为0.69～1.45 MPa，平均值为1.07 MPa；灰色-浅黄-棕黄色粉土静力触探比贯入阻力Ps值为0.60～1.80 MPa，平均值为1.20 MPa；灰黑色淤泥质粉质粘土静力触探比贯入阻力PS值为0.42～1.30 MPa，平均值为0.86 MPa；青灰色粉细砂静力触探比贯入阻力PS值为1.76～3.00 MPa，平均值为2.38 MPa；灰黄-褐黄色粉质粘土静力触探比贯入阻力PS值为3.2～6.00 MPa，平均值为4.60 MPa。

设定盾构施工10～20 m深度范围内穿过两种或两种以上土层，按比贯入阻力较大者进行分区。根据以上分析，对研究区10～20 m区间隧道工程地下空间开发利用适宜性进行分区，分区结果及评价见图2和表3。

表3 隧道工程地下空间开发利用适宜性分区及评价(10～20 m)

注:应注意分区界线区间土层变化的影响，在有软土层发育区，隧道盾构施工过程中和运营期间应注意软土地基变形对隧道工程的影响。

图2 隧道工程地下空间开发利用适宜性分区(10～20 m)

3.4.2 研究区20～30 m区间隧道盾构适宜性分区

研究区20～30 m区间范围内土体主要涉及灰黄色-褐黄色粉质粘土(位于第Ⅰ③-1)、褐黄色粉土(位于第Ⅰ③-2层)、灰黄色粉细砂(位于第Ⅰ③-2层)、灰褐色中砂(位于第Ⅰ③-2层)、灰黄-褐黄色粉质粘土(位于Ⅱ⑤层)。

研究区20～30 m深度范围内基本不涉及淤泥质土；粉砂土厚度淮河以北一般大于6.0 m，淮河以南一般小于4.5 m；地下水腐蚀性弱。

黄色-褐黄色粉质粘土比贯入阻力PS约2.60 MPa、褐黄色粉土约1.65 MPa、灰黄色粉细砂约2.38 MPa、灰褐色中砂约9.65 MPa；灰黄-褐黄色粉质粘土约4.60 MPa。

由于该深度范围内土层垂向上有一定的变化，按比贯入阻力较大者进行评分。根据以上分析，对研究区20～30 m区间隧道工程地下空间开发利用适宜性进行分区，分区结果及评价见图3和表4。

图3 隧道工程地下空间开发利用适宜性分区(20～30 m)

注:应注意分区界线区间土层变化的影响，在有软土层发育区，隧道盾构施工过程中和运营期间应注意软土地基变形对隧道工程的影响。

4 结论与建议

4.1 结论

(1) 通过对研究区地质条件和隧道工程施工工艺特点的分析研究，地下水、软土和粉(砂)土层是影响研究区地下空间开发利用的主要影响因素。

(2) 结合研究区内工程地质与水文地质特点，本次选择10～20 m、20～30 m空间域进行隧道工程地下空间开发利用适宜性评价；选择淤泥质土厚度、粉砂土分布、地下水腐蚀性和比贯入阻力作为评价因子，评价因子权重采用“层次分析法”确定。

(3) 根据对综合评分值Z的分值大小，将各空间域分别划分为适宜区、基本适宜区和差适宜区。

4.2 地下空间开发利用建议

(1) 规划阶段，注重工程建设对地质环境影响的评价，并从时间上考虑现在的工程建设活动与过去、现在和将来的某些建设活动共同作用的“区域性地质环境影响评价”。

(2) 施工阶段，各业主单位应从大局出发，积极

配合协调完成地下空间开发及多层次地下空间开发施工任务，减少对地质环境的影响。

(3) 注意地下空间开发规划的层次性，充分考虑工程地质、水文地质条件对施工阶段的影响，并对施工阶段方案进行充分的研究，预留适度的工程施工条件，为后续工程提供方便。

(4) 加强地下空间的开发利用建设和运营期间的监测工作，对保障地下建筑顺利开展和安全运营具有重要的作用。

[1] 郑剑升,张克平,章立峰.承压水地层基坑底部突涌及解决措施[J].隧道建设,2003,23(5):25-27.

[2] 官善友,朱锐,高振宇.地质条件对武汉市地下空间开发的影响及分区评价[J].工程勘察,2008,36(9):6-10.

[3] 陈永才.合肥市地下空间开发工程地质环境适宜性研究[D].上海：同济大学,2009.

[4] 杨昆,彭建,彭芳乐.地下空间资源开发利用适宜性评价模型[J].地下空间与工程学报,2011,7(2):219-231

[5] 周楠森,沈小克.北京市中心城深部地下空间重大环境工程地质问题研究[R].北京:北京市勘察设计研究院有限公司,2011.

[6] 史玉金,张先林,陈大平.上海深层地下空间开发地质环境条件及适宜性评价[J]，地质调查与研究,2016,39(2):130-135.

[7] 方寅琛，龚日祥，李三凤，等.基于三维地质模型的地下空间开发适宜性评价——以嘉兴城市地质调查工作为例[J].上海国土资源,2017,38(2):43-45.