大興規劃新城地下空間開發地質環境質量研究

黃 驍，陳 剛，劉新義（北京市地質工程勘察院，北京 100048）

大興規劃新城地下空間開發地質環境質量研究

黃 驍，陳 剛，劉新義
（北京市地質工程勘察院，北京 100048）

地下空間是城市重要的空間資源，城市的地質環境條件制約和影響著地下空間的開發利用。通過對大興規劃新城地質載體、地下水環境及不良地質作用等影響地下空間開發因素的分析，采用層次分析模糊綜合評判方法（AHP-Fuzzy法），將研究區淺層、次淺層地下空間開發地質環境適宜性分為4個區，為新城的地下空間利用提供了地質技術支持。研究表明：Ⅰ級區基本不受地質災害危害，較適宜地下空間開發利用，巖土層是較好的天然地基持力層；Ⅳ級區受活動斷裂危害，需加強抗震設防；而其余2個區均有不同的工程地質特征，在地下空間的開發利用中需針對其不良工程地質特性，采取相應的工程加固防治措施。

地下空間；地質環境質量；適宜性

0　引言

城市地下空間不僅是有效的防護空間，更是潛力巨大的城市空間資源。地下空間的開發與利用在緩解城市矛盾，擴大城市空間容量和提高城市環境質量上具有明顯優勢（宛素春等，1995）。北京作為“國家首都、國際城市、文化名城、宜居城市”，開發利用地下空間，既是鞏固其戰略地位的重要手段，也是科學、有效地拓展城市空間、節約土地資源、改善人居環境、保護歷史文化名城以及實現城市可持續發展的有效途徑（陳剛等，2006）。

工程地質條件影響地下空間利用的經濟性與安全性，充分利用工程地質的有利條件，防治和改造不利條件，是經濟合理地興建地下建筑的首要條件。應著重對地形地貌、巖土體性狀與結構、地質構造、水文地質等工程地質條件進行調查、研究，以充分利用有利條件，合理改造不利條件，使地下工程既經濟又安全（李相然等，1995）。

地下空間的開發利用深度一般分為4層，地表至地下10m為淺層開發，地下10～30m為次淺層開發，地下30～50m為次深層開發，地下50～100m為深層開發。目前北京規劃的地下空間開發主要集中在淺層和次淺層空間（陳剛，2006）。本文依托北京大興規劃新城前期區域工程地質勘查項目的開展，分析研究了影響和制約規劃新城地下空間開發利用的地質環境因素，并在此基礎上對規劃新城淺層、次淺層地下空間開發地質環境適宜性進行了分區評價，為新城未來地下空間的經濟安全建設提供了前期地質支撐。

1　地質條件分析

大興規劃新城地處永定河沖積扇中、下部，地勢平坦。區內地質構造、地質載體的巖土條件、地下水及不良地質作用等不同程度影響和制約著地下空間的開發利用。

1.1地質構造

地下空間利用首先要考慮區域穩定性。雖然總體上地震對地下工程的破壞性要較地面工程小，但因其破壞力巨大，加之修復的困難性等，因此在確定地下建筑工程位置時，應盡量避開區域穩定性差和地質構造條件不良的地段，不能避開時，要認真加以研究，以便采取對策。

研究區自中生代末期以來，地殼運動強烈，使區內構造變得復雜，褶皺、斷裂發育。主要斷裂有南苑—通縣斷裂、良鄉—前門斷裂（由良鄉北斷裂和前門斷裂構成）及永定河斷裂（徐錫偉等，2002；黃驍等， 2012）。其中永定河斷裂為第四紀活動斷裂，需考慮其對工程建設和地下空間開發的影響。

1.2地質載體巖土條件

地質載體是地下空間開發利用的介質和環境，地質載體巖土類型、物理力學性質、單元結構類型、圍巖類別、掘進強度等影響地下工程開挖的難易和圍巖的穩定性。

研究區第四系松散層具有典型的沖洪積平原沉積韻律，為砂卵石與粘性土互層。除表層有人工填外，中間還夾有軟粘土和液化的粉土、砂土等特殊性巖土。人工填土、軟粘土等承載力低，變形大，在地下空間開發中整體不穩定；飽和粘性土、粉土及液化砂土、粉土等，承載力亦較低，雖可保證一定的穩定性，但整體較不穩定，變形較難滿足要求；非飽和粘性土、粉土，承載力中等，經部分加固處理可保持整體穩定，有一定的變形；砂卵石承載力高，整體較穩定，易滿足變形要求。

1.3地下水

地下水對巖土體工程性質具有很強的物理、化學弱化作用，地下水引發的工程地質問題是城市地下空間普遍存在的重大問題（韓文峰等，2000）。在地下工程施工過程中，因水動力條件發生改變，易生發入滲、流砂、流土，承壓水更易造成突滲和管涌。此外，地下水對地下結構產生巨大的浮托作用，如防水或抗浮措施不當，可能造成地下工程結構破壞，影響其安全運營（廖建三等， 2006）。

研究區潛水為貯存在永定河沖洪積物砂、卵、礫石中的孔隙水，它具有沖洪積扇地下水的一般特征。高家堡、立垡和狼垡一帶含水層巖性主要是砂卵石，單層厚度為20～5m，滲透性能好，富水。蘆城—黃村一帶，含水層巖性為粉細砂、中粗砂。歷史上該地區地下水位很淺，有的地方就是潛水溢出帶，近年來由于開采量較大水位埋藏較深。南部北臧、龐各莊一帶，潛水埋藏在粉細砂和粉土層中，歷史上豐水期潛水水位埋深3～5m，目前埋藏亦較深。研究區第四系承壓水含水層主要為砂卵石層，埋深一般大于30m。

1.4不良地質作用

研究區影響地下空間開發的不良地質作用除活動斷裂外還包括地面沉降、砂土液化等。

地面沉降對地下空間的正常使用造成嚴竣影響。研究區位于榆垡—禮賢沉降區的西北部，連續多年的枯水和過量開采地下水導致地面沉降達400mm；研究發現南北地層特性導致地面沉降差異（郭萌等，2011）。研究區北部土體以單一結構的砂卵石層為主，夾少量粘性土層，含水層顆粒粗，抗壓強度高，可壓縮性低，不易產生壓縮變形，且可壓縮的第四系松散層厚度相對較?。?0～70m），因此地面沉降表現不明顯，目前地面累計沉降量小于50mm。而中部至南部地區土層逐漸過渡為多層中細砂、薄層砂卵石層與多層粘性土，并以壓縮性較高的粘性土為主的多層土體結構類型，且可壓縮的第四系松散層厚度相對較厚（可達250～300m），沉降量逐漸增大。

研究區位于永定河東岸，地處近代沖洪積平原，地表下淺層地基土多液化，可液化層主要為粉土和粉細砂。唐山大地震時，液化層深度一般為4～8m，最深可達10m左右。飽和粉細砂及部分粉土，雖然在靜載作用下具有較高的強度，但在地震力的反復作用下有可能產生液化，地基會因液化而喪失承載能力。研究區內新城規劃的10個片區（組團），除狼垡組團處理深度小于4m外，其余片區（組團）液化處理深度一般為6～8m。

2　評價方法

地下空間地質環境質量評價是一項復雜的系統工程，它涉及的因素眾多，因素與因素之間又相互制約，相互牽連，同時它們對質量分級標準也是外延不清晰的模糊概念。顯然這類問題用經典的數學模型是難以定量描述的。而模糊數學的理論則是解決這類模糊問題的有效手段。為使地下空間地質環境系統中的每個影響因素都能夠真實有效的參與評價，首先確定參與評價的環境地質質量因素并將這些因素劃分為不同的層次；其次采用層次分析模糊綜合評判方法（AHP-Fuzzy法），進行逐級評判；最后得出地質環境質量總評價結果。

2.1地質環境評價指標與分級標準

根據研究區地質載體環境特點，在分析規劃區地質環境基本特征的基礎上，從地質載體結構、地下水環境以及地質災害三方面，選取了巖土類型、承載力、壓縮模量、地下水位埋深、土體的滲透性、地下水侵蝕性、活斷裂、地面沉降、砂土液化等9個因素作為評價指標，建立了規劃區地下空間地質環境評價指標分級標準（表1 ）及相應的評價體系（圖1）。

2.2參評因素權重確定

地下空間地質環境質量的優劣是諸多因素綜合作用的結果，但它們的作用和地位是不同的。為了客觀地反映這種差異，本次采用了A.Lsaaty的標度方法，通過兩兩因素的對比，確定兩因素間的重要性，并逐層比較多種關聯因素，最后確定各因素權重值（表2）。

3　地下空間地質環境質量分區評價

地下空間地質環境質量評價采用1：2.5萬地形底圖，以100m×100m作為評價單元，地下空間評價深度范圍為0～10m淺層和10～30m次淺層。

3.1地下淺層（0～10m）地質環境質量分區評價

研究區地下淺層（0～10m）地質環境質量劃分為4個區（圖2）。

表1　地下空間開發地質環境質量評價指標及分級Tab.1 The evaluation index and classification of geological environment quality in thedevelopment of underground space

圖1　地下空間開發地質環境質量評價體系框圖Fig.1 The block diagram of geological environment quality evaluation in the development of underground space

（1）地質環境質量Ⅰ級區：主要分布在狼垡以北小范圍地區。本區0～10m深度范圍內土層以砂、卵石為主，基本無軟土分布。地下空間圍巖一般為Ⅴ類，土石可挖性為Ⅰ～Ⅲ，砂土輕微液化，基本不受地質災害危害和地下水影響。本區較適宜地下空間開發利用，不需要采取降水措施，但圍巖一般無粘聚力，自穩定能力差，易崩塌，需及時進行圍巖支護，且圍巖相對不易掘進，可挖性等級達到Ⅲ。本區巖土層是較好的天然地基持力層，建議多作為建筑的地基土規劃使用。

（2）地質環境質量Ⅱ級區：主要分布于南程莊、三合莊、六合莊、新立村、北臧村、后大營等地。本區0～10m深度范圍內土層以粘性土和新近沉積的粉細砂為主，淺部多有軟粘土分布。地下空間圍巖一般為Ⅵ類，土石可挖性為Ⅰ～Ⅱ，砂土液化輕微或中等，基本不受地下水影響。本區地下空間開發利用時不需要采取降水措施，圍巖相對易掘進，但圍巖易坍塌變形，需及時做好支護。本區上部巖土層工程特性差，不宜直接作為天然地基土規劃使用；下部相對較好，可作為一般建（構）筑物的天然地基持力層。

表2　評價因素層次總排序權值表Tab.2 the table of the total sort weight of hierarchy of evaluation factors

圖2　研究區地下空間淺層（0～10m）開發地質環境質量分區圖Fig.2 The zoning map of geological environment quality in the development of underground space （0 ～ 10m） in the research area

（3）地質環境質量Ⅲ級區：主要分布在鵝房、蘆城、黃村、海子角、邢各莊、韓園子、天宮院等地。本區0～10m深度范圍內土層以人工填土及新近沉積的粉土、粘性土、粉細砂為主，人工填土、軟粘土、液化砂土等特殊土分布廣泛，且厚度大。地下空間圍巖一般為Ⅵ類，土石可挖性為Ⅰ，易掘進。砂土液化輕微或中等，基本不受地下水影響。本區地下空間開發利用時不需要采取降水措施，但圍巖極易坍塌變形。由于巖土體強度低、質軟，不宜直接作為天然地基土規劃使用。

（4）地質環境質量Ⅳ級區：分布在規劃區內永定河斷裂兩側各300m的斷裂影響帶內。本區受活動斷裂危害中等，地下空間開發時需加強抗震設防。

3.2地下次淺層（10～30m）地質環境質量分區評價

研究區地下次淺層（10～30m）地質環境質量劃分為4個區（圖3）。

（1）地質環境質量Ⅰ級區：主要分布于狼垡、高米店、西紅門及西黃村等地段。本區10～30m深度范圍內為單一砂、卵石地層。地下空間圍巖一般為Ⅴ類，土石可挖性為Ⅰ—Ⅲ，基本不受地質災害危害影響。本區較適宜地下空間開發利用，一般需要采取堵排水措施，圍巖無粘聚力，自穩定能力差，易崩塌，需及時進行圍巖支護；易發生流砂、潛蝕等破壞；且圍巖相對不易掘進，可挖性等級達到Ⅲ。本區巖土層是較好的天然地基持力層，建議多作為建筑的地基土規劃使用。

（2）地質環境質量Ⅱ級區：本區分布在鵝房、蘆城、黃村、海子角、邢各莊、后大營及北臧村等地。本區10～30m深度范圍內土體為砂、卵石和粘性土互層的多層結構，土層不液化。地下空間圍巖一般為Ⅴ—Ⅵ類，土石可挖性為Ⅰ—Ⅲ，相對不易掘進。本區地下空間開發利用時一般需要采取堵排水措施，圍巖易坍塌變形，易發生流砂、潛蝕、管涌等破壞。砂、卵石層是較好的天然地基持力層。

（3）地質環境質量Ⅲ級區：主要分布于六合莊、新立村、羅奇營、三合莊、佟場、韓園子及天宮院等地。本區10～30m深度范圍內土體具有典型的雙層結構，上部以一般第四紀沉積的粉土、粘性土為主，下部以砂、卵石為主，土層不液化。地下空間圍巖一般為Ⅵ—Ⅴ類，土石可挖性為Ⅰ—Ⅲ，相對不易掘進。本區地下空間開發利用時一般需要采取堵排水措施，圍巖易坍塌變形，易發生流砂、潛蝕、管涌等破壞。淺部土層強度相對較弱，深部土層強度較高，可作為樁基礎樁端持力層使用。

圖3　研究區地下空間次淺層（10～30m）開發地質環境質量分區圖Fig.3 The zoning map of geological environment quality in the development of underground space （10 ～ 30m） in the research area

（4）地質環境質量Ⅳ級區：分布在規劃區內永定河斷裂兩側各300m的斷裂影響帶內。本區遭受活動斷裂危害中等，地下空間開發時需加強抗震設防。

4　結論

從地質構造、地質載體的巖土條件、地下水及不良地質作用等角度出發，研究區地下空間開發地質環境質量分4級；淺層（0～10m）空間開發時一般不受地下水影響，地質環境質量主要受人工填土、軟粘土和液化砂土控制；次淺層（10～30m）空間開發時一般需要采取堵排遣水措施，易發生流砂、潛蝕、管涌等破壞；圍巖整體自穩能力差，需及時采取支護措施。整體看，研究區在采取一定的工程加固措施下，地質條件適宜進行地下空間開發。

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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

基金課題：北京大興規劃新城前期區域工程地質勘查（BJJG-2009-140-01）

黃驍（1974- ），男，注冊土木（巖土）工程師，主要從事巖土工程勘察、設計與施工、地質災害評估。

電子信箱：huangxiaomail@163.com