宁波市地下空间开发利用地质环境制约因素研究

doi:10.3969/j.issn.1007-1903.2016.04.007宁波市地下空间开发利用地质环境制约因素研究吴炳华，蔡国成，潘小青，陈沈健（浙江省水文地质工程地质大队，宁波315012）摘要：地质环境条件是制约地下空间开发利用的最基本因素，只有正确认识地下空间开发对地质环境的影响，才能避免地下空间利用中产生的各种不利后果。基于对宁波市地质环境背景条件的认识，分别从水文地质条件、工程地质条件和环境地质问题等三个方面，研究了地下空间开发利用的影响因素。研究结果表明，水文地质条件的制约因素有孔隙潜水位埋深、含水层厚度、岩土层透水性能和基坑突涌可能性等；工程地质条件的制约因素有软土厚度、人工填土厚度、土质均匀性和地层组合等；主要环境地质问题为地面沉降和浅层天然气影响等。通过本次研究，为宁波市地下空间开发利用地质环境适宜性评价奠定了基础，为宁波市地下空间的合理开发利用提供了技术支撑。关键词：地下空间开发利用；地质环境；制约因素；宁波市中图分类号：TU42文献标识码：A文章编号：1007-1903（2016）04-0039-05TheStudyontheConstraintsofExploitationandUtilizationofUndergroundSpaceinNingboWUBinghua,CAIGuocheng,PANXiaoqing,CHENShenjian(ZhejiangInstituteofHydrogeologyandEngineeringGeology,Ningbo315012)Abstract:Thegeologicalenvironmentisthemostbasicfactorthatrestrictstheexploitationandutilizationofundergroundspace.Onlythecorrectunderstandingoftheimpactsofundergroundspacedevelopmentongeologicalenvironmentcanavoidtheadverseconsequencesfromtheimproperundergroundspacedevelopment.BasedontheprofoundunderstandingofgeologicalenvironmentalbackgroundinNingbo,thispaperstudiestheinfluenceofundergroundspaceexploitationandutilizationfromthreeaspects:hydrogeology,engineeringgeologyandenvironmentalgeology.ThisstudyestablishesagoodfoundationforthegeologicalenvironmentsuitabilityevaluationonundergroundspaceexploitationandutilizationinNingboandprovidesthetechnicalsupportfortherationalexploitationandutilizationofundergroundspaceinNingbo.Keywords:Undergroundspaceexploitationandutilization;Geologicalenvironment;Constraints;Ningbo作者简介：吴炳华（1982-），男，高工，注册土木工程师（岩土）。主要从事水文地质、工程地质和环境地质调查与研究。E-mail：[e-mail]。0前言随着城镇化进程的不断加快，城市规模急剧扩大，城市空间与城市功能之间的各种矛盾日益尖锐，空间拥挤、交通堵塞、环境恶化、用地紧缺等“城市病”已在我国一些大中城市出现，为解决这些矛盾，实现城市集约化和可持续发展，开发利用城市地下空间已势在必行（彭建等，2010）。国内部分城市已走在前列，并开发了一些地下空间利用的代表性工程，如北京的西单文化广场、东直门和西直门交Vo1.11No.4December，2016第11卷第4期2016年12月2016年40通枢纽，上海静安寺广场，杭州钱江新城，深圳福田中心区等（刘桂禄等，2010）。宁波市地下空间开发利用起步较早，早期地下空间开发以普通地下室、人防工程、过街地下通道等为主。自2009年起，宁波市开始轨道交通工程建设，地下空间开发力度加大，共规划建设7条轨道交通线，全长271km，目前已建成运营1号线和2号线一期工程，总里程约74.5km；未来其开发规模和强度将进一步增强，《宁波市中心城地下空间开发利用专项规划（2013—2020年）》提出“实现市域范围内地下空间开发人均实现5.5m2，总量6000万m2的总体规模”。地下空间开发利用与地质环境条件息息相关。如果在地下空间开发利用过程中，对复杂的地质条件及可能产生的地质灾害认识不足或者认识到了而预防、控制、解决的方法采取的不对，都可能会出现较多的环境地质问题和地质灾害，甚至对周围设施产生不可逆的影响，影响地下工程建设的进展及效果（胡学祥，2014）。因此，在宁波市积极开发利用地下空间的背景下，研究地下空间开发利用的地质环境制约因素，对正确认识地下空间开发利用面临的环境地质问题、采取恰当的防治措施具有重要意义。基于地质环境条件角度，本文分别从水文地质、工程地质和环境地质问题等三个方面对地下空间开发利用的影响因素进行分析和研究。1水文地质条件宁波市平原区地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水，分为孔隙潜水和孔隙承压水两大类，其中孔隙承压水有多个含水岩组，水文地质条件较复杂。1.1孔隙潜水孔隙潜水对地下空间开发利用的影响主要表现在两个方面：一是地下工程施工（如基坑开挖）过程中，可能产生坑内积水。二是地下水对地下构筑物产生较大的上浮力或动水压力，如防水措施或抗浮措施不力，可能引发结构破坏，影响其安全运营（廖建三等，2006）。一般来说，地下潜水水位埋深越浅，对地下空间开发利用越不利。因此，孔隙潜水位埋深是地下空间开发利用需考虑的因素。1.2孔隙承压水宁波平原分布有多个承压含水层，含水岩组以砂土为主，深部以圆砾为主，顶板埋深10.0~99.2m不等（图1），地下空间开发利用受孔隙承压水影响较大，其影响因素有含水层厚度、岩土层透水性能、地下水腐蚀性和基坑突涌可能性等。（1）含水层厚度含水层厚度对地下工程开发影响主要有两个方面：一是对基坑开挖坑壁稳定性的影响，含水层厚度大小直接或间接地反应了其富水性，在该土层基坑开挖时，由于地下水压作用，易发生喷涌、流砂现象，造成水土流失及土层变形，影响坑壁稳定；二是对盾构施工影响较大，砂性土层内摩擦角大，渣土流动性差，排土困难，在砂层盾构施工控制难度大，易造成盾构施工的实际曲线偏离设计方向。因此，承压含水层厚度是宁波地区地下空间开发的制约因素之一。1.海相沉积地层；2.冲湖相沉积地层；3.冲（洪）积相沉积地层；4.前第四纪地层；5.地层时代；6.含水层代号；7.水位埋深；8.固形物（g/L）/涌水量（m3/d）/降深（m）图1水文地质结构图Fig.1Hydro-geologicalstructure吴炳华等：宁波市地下空间开发利用地质环境制约因素研究城市地质第11卷第4期41（2）岩土层透水性能岩土层的透水性也是关系到开挖面涌水量大小和是否会发生流砂、管涌等环境地质问题的关键因素。根据工程经验，当开挖断面以黏性土等不透水层为主时对地下空间开发最有利，当开挖断面存在粉土、粉砂等弱—强透水层时，对坑壁稳定性和基坑降水影响很大，因此，开挖断面岩土层的透水性能亦是地下空间开发利用需考虑的地质环境要素。（3）地下水腐蚀性由于地下水所含有的具有侵蚀性的氯离子、碳酸根、硫酸根等离子对混凝土结构物或钢结构及设备的腐蚀破坏比较明显，故在工程上经常要对地下水的腐蚀性进行评价。宁波地区大量的勘察资料表明，地下水对混凝土结构具有微腐蚀性；对混凝土结构中钢筋长期浸水部位具有微腐蚀性，在干湿交替部位具有中等腐蚀性。根据国内的相关经验，地下水的腐蚀性对地下空间的开发影响甚微，一般不构成对地下空间开发利用的制约。（4）基坑突涌可能性当地下工程下部有承压水存在，且施工开挖减小含水层上覆不透水层的厚度到一定程度时，承压水的水头压力就可能冲破不透水层，甚至顶裂或冲毁基坑底板，造成基坑突涌现象，威胁地下工程施工及运营安全（郑剑升等，2003）。由于宁波地区分布有不同深度的多个承压含水层，承压水头高，根据宁波市近5年来的地下水监测资料,其平均水位标高-3.1m~-1.4m（1985国家高程）（吴炳华等，2016），因此，宁波地区修建地下工程，其下部一般均有承压水存在，基坑突涌可能性是地下空间开发利用必须考虑的因素之一。2工程地质条件根据地下空间利用的实践经验看，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（欧刚，2008）。宁波平原发育有深厚的第四系松散覆盖层，在地质历史时期，经历过多次古气候冷暖变化，该地区发生了多次海侵海退事件，导致海相地层与陆相地层交替沉积，局部形成沉积旋回，岩性岩相变化较大，工程地质条件较复杂（孙快忠，2013）。经研究表明，宁波地区对地下空间开发利用不利的工程地质条件有软土和人工填土等特殊性岩土及土质均匀性和地层组合等。（1）软土软土是指天然孔隙比大于或等于1.0且天然含水量大于液限的细粒土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。软土具有强度低、压缩性高、易变形等特点，在软土地区进行地下空间开发时，为保证坑壁稳定、周边建（构）筑物、地下管线安全需采取必要的支护结构，如果措施采取不当，软土变形将会产生相应的环境地质问题，如周边道路或地面开裂、基坑坑壁坍塌等。根据工程经验，软土厚度越大，对地下空间开发越不利。宁波平原为典型的软土地区，广泛分布厚度较大的软土，累积厚度5.7~37.5m不等（图2），因此，软土厚度是宁波地区地下空间开发利用的制约因素之一。（2）人工填土宁波平原地势低平，工程建设时，为满足城市防洪设计需要，建设场地往往被堆填一定厚度的填土形成人工填土地基。根据收集资料表明，宁波平原表层广泛分布有人工填土，厚度不一，一般1.0~2.0m，其中江东区、江北区核心城区局部厚度达5.0m以上（图3）。图2全新世软土厚度分布图Fig.2IsopachmapofHoloceneweaksoil2016年42人工填土多由碎块石混杂少量黏性土组成，具有结构松散、颗粒粒径大、孔隙率大、透水性极强的特点，对地下工程的基坑开挖、地下连续墙成槽、盾构施工及防水、防渗措施、隧道围岩的稳定性等影响很大。因此，掌握人工填土的分布情况对地下空间开发利用至关重要。（3）土质均匀性土质均匀性是指地下工程底面坡度和影响范围内各岩土体的压缩性在空间上的差异性，以表征因持力层不同可能产生的不均匀沉降，通常用地下工程底面以下压缩范围内岩土层的加权平均压缩模量来评价。即在基底坡度一定的条件下，考虑相邻两钻孔压缩土层模量按厚度的加权平均值之大者为Es1，小者为Es2，α为两者之差，ζ为两者之和。当0≤α≤0.04ζ时，土质均匀；当0.04ζ≤α＜0.075ζ时，土质均匀性较好；当0.075ζ≤α＜0.1ζ时，土质均匀性较差；当0.1ζ≤α时，土质不均匀。土质均匀性对大规模地下工程，特别是对地铁等线性工程影响较大，因此，土质均匀性亦是地下空间开发利用需重视的地质环境要素之一。（4）地层组合地层组合指的是地下工程开挖断面上岩土层的组合情况。地层组合对地下空间线性开发影响较为显著，岩性的不同组合必将导致出现沉降不均匀及开挖施工困难等现象（陈晖等，2006）。如地层上软下硬、软硬不均，容易引起盾构施工的实际曲线图3人工填土厚度分布图Fig.3Isopachmapofartificialfill吴炳华等：宁波市地下空间开发利用地质环境制约因素研究偏离设计方向，