寧波市地下空間開發(fā)利用地質環(huán)境制約因素研究

吳炳華，蔡國成，潘小青，陳沈健

（浙江省水文地質工程地質大隊，寧波 315012）

寧波市地下空間開發(fā)利用地質環(huán)境制約因素研究

吳炳華，蔡國成，潘小青，陳沈健

（浙江省水文地質工程地質大隊，寧波 315012）

地質環(huán)境條件是制約地下空間開發(fā)利用的最基本因素，只有正確認識地下空間開發(fā)對地質環(huán)境的影響，才能避免地下空間利用中產生的各種不利后果。基于對寧波市地質環(huán)境背景條件的認識，分別從水文地質條件、工程地質條件和環(huán)境地質問題等三個方面，研究了地下空間開發(fā)利用的影響因素。研究結果表明，水文地質條件的制約因素有孔隙潛水位埋深、含水層厚度、巖土層透水性能和基坑突涌可能性等；工程地質條件的制約因素有軟土厚度、人工填土厚度、土質均勻性和地層組合等；主要環(huán)境地質問題為地面沉降和淺層天然氣影響等。通過本次研究，為寧波市地下空間開發(fā)利用地質環(huán)境適宜性評價奠定了基礎，為寧波市地下空間的合理開發(fā)利用提供了技術支撐。

地下空間開發(fā)利用；地質環(huán)境；制約因素；寧波市

0 前言

隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，城市規(guī)模急劇擴大，城市空間與城市功能之間的各種矛盾日益尖銳，空間擁擠、交通堵塞、環(huán)境惡化、用地緊缺等“城市病”已在我國一些大中城市出現(xiàn)，為解決這些矛盾，實現(xiàn)城市集約化和可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)利用城市地下空間已勢在必行（彭建等，2010）。國內部分城市已走在前列，并開發(fā)了一些地下空間利用的代表性工程，如北京的西單文化廣場、東直門和西直門交通樞紐，上海靜安寺廣場，杭州錢江新城，深圳福田中心區(qū)等（劉桂祿等，2010）。

寧波市地下空間開發(fā)利用起步較早，早期地下空間開發(fā)以普通地下室、人防工程、過街地下通道等為主。自2009年起，寧波市開始軌道交通工程建設，地下空間開發(fā)力度加大，共規(guī)劃建設7條軌道交通線，全長271 km，目前已建成運營1號線和2號線一期工程，總里程約74.5 km；未來其開發(fā)規(guī)模和強度將進一步增強，《寧波市中心城地下空間開發(fā)利用專項規(guī)劃（2013—2020年）》提出“實現(xiàn)市域范圍內地下空間開發(fā)人均實現(xiàn)5.5 m2，總量6000萬m2的總體規(guī)模”。

地下空間開發(fā)利用與地質環(huán)境條件息息相關。如果在地下空間開發(fā)利用過程中，對復雜的地質條件及可能產生的地質災害認識不足或者認識到了而預防、控制、解決的方法采取的不對，都可能會出現(xiàn)較多的環(huán)境地質問題和地質災害，甚至對周圍設施產生不可逆的影響，影響地下工程建設的進展及效果（胡學祥，2014）。

因此，在寧波市積極開發(fā)利用地下空間的背景下，研究地下空間開發(fā)利用的地質環(huán)境制約因素，對正確認識地下空間開發(fā)利用面臨的環(huán)境地質問題、采取恰當?shù)姆乐未胧┚哂兄匾饬x。

基于地質環(huán)境條件角度，本文分別從水文地質、工程地質和環(huán)境地質問題等三個方面對地下空間開發(fā)利用的影響因素進行分析和研究。

1 水文地質條件

寧波市平原區(qū)地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水，分為孔隙潛水和孔隙承壓水兩大類，其中孔隙承壓水有多個含水巖組，水文地質條件較復雜。

1.1 孔隙潛水

孔隙潛水對地下空間開發(fā)利用的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一是地下工程施工（如基坑開挖）過程中，可能產生坑內積水。二是地下水對地下構筑物產生較大的上浮力或動水壓力，如防水措施或抗浮措施不力，可能引發(fā)結構破壞，影響其安全運營（廖建三等，2006）。一般來說，地下潛水水位埋深越淺，對地下空間開發(fā)利用越不利。因此，孔隙潛水位埋深是地下空間開發(fā)利用需考慮的因素。

1.2 孔隙承壓水

寧波平原分布有多個承壓含水層，含水巖組以砂土為主，深部以圓礫為主，頂板埋深10.0～99.2m不等（圖1），地下空間開發(fā)利用受孔隙承壓水影響較大，其影響因素有含水層厚度、巖土層透水性能、地下水腐蝕性和基坑突涌可能性等。

圖1 水文地質結構圖Fig.1 Hydro-geological structure

（1）含水層厚度

含水層厚度對地下工程開發(fā)影響主要有兩個方面：一是對基坑開挖坑壁穩(wěn)定性的影響，含水層厚度大小直接或間接地反應了其富水性，在該土層基坑開挖時，由于地下水壓作用，易發(fā)生噴涌、流砂現(xiàn)象，造成水土流失及土層變形，影響坑壁穩(wěn)定；二是對盾構施工影響較大，砂性土層內摩擦角大，渣土流動性差，排土困難，在砂層盾構施工控制難度大，易造成盾構施工的實際曲線偏離設計方向。因此，承壓含水層厚度是寧波地區(qū)地下空間開發(fā)的制約因素之一。

（2）巖土層透水性能

巖土層的透水性也是關系到開挖面涌水量大小和是否會發(fā)生流砂、管涌等環(huán)境地質問題的關鍵因素。根據(jù)工程經(jīng)驗，當開挖斷面以黏性土等不透水層為主時對地下空間開發(fā)最有利，當開挖斷面存在粉土、粉砂等弱—強透水層時，對坑壁穩(wěn)定性和基坑降水影響很大，因此，開挖斷面巖土層的透水性能亦是地下空間開發(fā)利用需考慮的地質環(huán)境要素。

（3）地下水腐蝕性

由于地下水所含有的具有侵蝕性的氯離子、碳酸根、硫酸根等離子對混凝土結構物或鋼結構及設備的腐蝕破壞比較明顯，故在工程上經(jīng)常要對地下水的腐蝕性進行評價。寧波地區(qū)大量的勘察資料表明，地下水對混凝土結構具有微腐蝕性；對混凝土結構中鋼筋長期浸水部位具有微腐蝕性，在干濕交替部位具有中等腐蝕性。根據(jù)國內的相關經(jīng)驗，地下水的腐蝕性對地下空間的開發(fā)影響甚微，一般不構成對地下空間開發(fā)利用的制約。

（4）基坑突涌可能性

當?shù)叵鹿こ滔虏坑谐袎核嬖冢沂┕ら_挖減小含水層上覆不透水層的厚度到一定程度時，承壓水的水頭壓力就可能沖破不透水層，甚至頂裂或沖毀基坑底板，造成基坑突涌現(xiàn)象，威脅地下工程施工及運營安全（鄭劍升等，2003）。由于寧波地區(qū)分布有不同深度的多個承壓含水層，承壓水頭高，根據(jù)寧波市近5年來的地下水監(jiān)測資料,其平均水位標高-3.1m～-1.4m（1985國家高程）（吳炳華等，2016），因此，寧波地區(qū)修建地下工程，其下部一般均有承壓水存在，基坑突涌可能性是地下空間開發(fā)利用必須考慮的因素之一。

2 工程地質條件

根據(jù)地下空間利用的實踐經(jīng)驗看，充分利用工程地質的有利條件，防治和改造不利條件，是經(jīng)濟合理地興建地下建筑的首要條件（歐剛，2008）。

寧波平原發(fā)育有深厚的第四系松散覆蓋層，在地質歷史時期，經(jīng)歷過多次古氣候冷暖變化，該地區(qū)發(fā)生了多次海侵海退事件，導致海相地層與陸相地層交替沉積，局部形成沉積旋回，巖性巖相變化較大，工程地質條件較復雜（孫快忠，2013）。經(jīng)研究表明，寧波地區(qū)對地下空間開發(fā)利用不利的工程地質條件有軟土和人工填土等特殊性巖土及土質均勻性和地層組合等。

（1）軟土

軟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細粒土，包括淤泥、淤泥質土、泥炭、泥炭質土等。軟土具有強度低、壓縮性高、易變形等特點，在軟土地區(qū)進行地下空間開發(fā)時，為保證坑壁穩(wěn)定、周邊建（構）筑物、地下管線安全需采取必要的支護結構，如果措施采取不當，軟土變形將會產生相應的環(huán)境地質問題，如周邊道路或地面開裂、基坑坑壁坍塌等。

根據(jù)工程經(jīng)驗，軟土厚度越大，對地下空間開發(fā)越不利。寧波平原為典型的軟土地區(qū)，廣泛分布厚度較大的軟土，累積厚度5.7～37.5m不等（圖2），因此，軟土厚度是寧波地區(qū)地下空間開發(fā)利用的制約因素之一。

圖2 全新世軟土厚度分布圖Fig.2 Isopach map of Holocene weak soil

（2）人工填土

寧波平原地勢低平，工程建設時，為滿足城市防洪設計需要，建設場地往往被堆填一定厚度的填土形成人工填土地基。根據(jù)收集資料表明，寧波平原表層廣泛分布有人工填土，厚度不一，一般1.0～2.0m，其中江東區(qū)、江北區(qū)核心城區(qū)局部厚度達5.0m以上（圖3）。

圖3 人工填土厚度分布圖Fig.3 Isopach map of artifcial fll

人工填土多由碎塊石混雜少量黏性土組成，具有結構松散、顆粒粒徑大、孔隙率大、透水性極強的特點，對地下工程的基坑開挖、地下連續(xù)墻成槽、盾構施工及防水、防滲措施、隧道圍巖的穩(wěn)定性等影響很大。因此，掌握人工填土的分布情況對地下空間開發(fā)利用至關重要。

（3）土質均勻性

土質均勻性是指地下工程底面坡度和影響范圍內各巖土體的壓縮性在空間上的差異性，以表征因持力層不同可能產生的不均勻沉降，通常用地下工程底面以下壓縮范圍內巖土層的加權平均壓縮模量來評價。即在基底坡度一定的條件下，考慮相鄰兩鉆孔壓縮土層模量按厚度的加權平均值之大者為Es1，小者為Es2，α為兩者之差，ζ為兩者之和。當0≤α≤0.04ζ時，土質均勻；當0.04ζ≤α＜0.075ζ時，土質均勻性較好；當0.075ζ≤α＜0.1ζ時，土質均勻性較差；當0.1ζ≤α時，土質不均勻。

土質均勻性對大規(guī)模地下工程，特別是對地鐵等線性工程影響較大，因此，土質均勻性亦是地下空間開發(fā)利用需重視的地質環(huán)境要素之一。

（4）地層組合

地層組合指的是地下工程開挖斷面上巖土層的組合情況。地層組合對地下空間線性開發(fā)影響較為顯著，巖性的不同組合必將導致出現(xiàn)沉降不均勻及開挖施工困難等現(xiàn)象（陳暉等，2006）。如地層上軟下硬、軟硬不均，容易引起盾構施工的實際曲線偏離設計方向，盾構掘進控制難度大；當盾構底位于軟土層及軟硬交界處時，易引發(fā)盾構不均勻沉降，可能使管片之間裂隙加大發(fā)生漏水、滲水，同時，也會影響周邊地下管線等安全。

3 環(huán)境地質問題

環(huán)境地質問題是指對人類生存和發(fā)展有不利或潛在不利影響的各種不良地質作用和現(xiàn)象。寧波地區(qū)對地下空間開發(fā)有影響的環(huán)境地質問題有地面沉降、砂土液化、軟土震陷及淺層天然氣影響等（張弘懷等，2013）。

（1）地面沉降

寧波市區(qū)地面沉降始于上世紀60年代中期，自2008年關閉所有地下水開采井以來，地面沉降發(fā)展趨勢得到有效控制，但地面沉降漏斗面積仍呈緩慢擴大趨勢，截至2014年底，寧波中心城區(qū)漏斗面積達460.42km2（圖4）。

圖4 1964—2014年地面沉降等值線圖Fig.4 Contour map of land subsidence from 1964 to 2014

地面沉降對地下空間利用造成一定的影響，主要表現(xiàn)為地質環(huán)境條件在空間上的差異性，導致地面沉降的差異性，一方面，沉降量與沉降速率及其沉降產生的層位等方面都不盡相同，另一方面，沉降發(fā)生的時間及其動態(tài)變化也不是均衡的。差異性沉降對地下工程正常運營帶來的影響是非常嚴峻的。因此，寧波市地下空間開發(fā)利用應考慮地面沉降的危險性。

（2）砂土液化

據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》（GB 18306-2015），寧波城區(qū)設計基本地震加速度為0.10g，建筑抗震設防烈度為7度。已有地質資料顯示，寧波平原區(qū)20m以淺局部分布有③1-2層砂土，巖性以含黏性土粉砂為主，局部為粉砂或砂質粉土，厚度1.0～10.8m不等。根據(jù)寧波地區(qū)大量的勘察資料表明，淺部砂土、粉土在7度地震條件下一般不會產生液化，因此，地下空間開發(fā)利用可不考慮砂土地震液化的影響。

（3）軟土震陷

寧波平原淺部廣泛分布有飽和軟土，在地震作用下可能產生震陷。根據(jù)區(qū)內勘察資料表明，淺部軟土層的等效剪切波速Vsr均大于90m/s，按《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）（2009修訂版）之有關規(guī)定，在抗震設防烈度7度區(qū)，軟土的等效剪切波速大于90m/s時，可不考慮軟土震陷的影響。

（4）淺層天然氣影響

研究表明，全新世以來，寧波平原經(jīng)歷了初、早期古河谷充填，中期海水覆蓋，晚期河口灣形成、萎縮和湖沼發(fā)育等過程。在這一過程中，大量的生物經(jīng)過近萬年的地質歷史過程，沉淀堆積，隨后被水和泥砂覆蓋起來并與空氣隔絕，在厭氧菌的作用下分解發(fā)酵，伴隨著一定的溫度和壓力，使這些生物的殘骸變成泥炭，同時產生氣態(tài)產物，當生成的氣體不能向大氣中擴散時，便向周圍地層孔隙中運移、積聚，在地層的孔隙中不斷積聚成扁豆體狀和透鏡體狀的氣囊，形成淺層天然氣。

淺層天然氣對地下空間開發(fā)利用的影響主要有兩個方面：一是在施工期的危害，二是在運營期的危害，均不能小視。如：①淺層天然氣的局部聚集，會造成施工人員的中毒、窒息傷亡事故。②淺層天然氣涌出或局部聚集后，甲烷在空氣中濃度含量達到5%～15%時，遇到火源就可能發(fā)生燃燒、爆炸等重特大事故。③隧道施工中如噴發(fā)，極易引起水和砂土流失，導致地面塌陷。

可見，淺層天然氣對地下空間開發(fā)利用影響是顯著的。但需要說明的是，淺層天然氣僅賦存于淺部粉砂、粉土及粉砂呈薄片狀交錯分布的淤泥質土中，在宏觀上呈現(xiàn)不均勻、連通性差的囊塊狀或上下交錯的海綿絮狀，分布有局限性，探測難度較大。

4 結論

（1）寧波平原分布有多個含水層，水文地質條件較復雜，地下水對地下空間開發(fā)利用影響較大，其主要影響因素有孔隙潛水位埋深、含水層厚度、巖土層透水性能和基坑突涌可能性等。

（2）寧波平原為典型軟土地區(qū)，第四系松散覆蓋層厚度大，歷經(jīng)多次海侵，第四系巖性巖相變化較大，其工程地質條件較復雜。工程地質條件的優(yōu)劣直接影響地下空間開發(fā)的建設成本和施工難易程度，其主要影響因素有軟土厚度、人工填土厚度、土質均勻性和地層組合等。

（3）寧波地區(qū)對地下空間開發(fā)有影響的環(huán)境地質問題有地面沉降、砂土液化、軟土震陷及淺層天然氣影響等，其中地面沉降和淺層天然氣影響為主要因素。

（4）影響地下空間開發(fā)利用的因素是多方面的，如地質環(huán)境條件、區(qū)域經(jīng)濟狀況、現(xiàn)有產業(yè)布局等，但地質環(huán)境條件是影響地下空間開發(fā)利用最基本的因素。通過研究寧波市地下空間開發(fā)利用的地質環(huán)境制約因素，為寧波市地下空間開發(fā)利用地質環(huán)境適宜性評價奠定基礎，為寧波市地下空間的合理開發(fā)利用提供技術支撐。

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The Study on the Constraints of Exploitation and Utilization of Underground Space in Ningbo

WU Binghua, CAI Guocheng, PAN Xiaoqing, CHEN Shenjian
(Zhejiang Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Ningbo 315012)

The geological environment is the most basic factor that restricts the exploitation and utilization of underground space. Only the correct understanding of the impacts of underground space development on geological environment can avoid the adverse consequences from the improper underground space development. Based on the profound understanding of geological environmental background in Ningbo, this paper studies the infuence of underground space exploitation and utilization from three aspects: hydrogeology, engineering geology and environmental geology. This study establishes a good foundation for the geological environment suitability evaluation on underground space exploitation and utilization in Ningbo and provides the technical support for the rational exploitation and utilization of underground space in Ningbo.

Underground space exploitation and utilization; Geological environment; Constraints; Ningbo

TU42

A

1007-1903（2016）04-0039-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.04.007

吳炳華（1982- ），男，高工，注冊土木工程師（巖土）。主要從事水文地質、工程地質和環(huán)境地質調查與研究。E-mail：43019996@qq.com。