銅陵城市地下空間開發主要地質環境問題與防治對策

吳長貴

（安徽省地質礦產勘查局321地質隊，安徽銅陵 244000）

0 引言

人類利用地下空間歷史久遠，但大量廣泛利用地下空間還是近代的事。我國上世紀60年代為備戰修建了大量人防工程、掩蔽工事、地下工廠、儲庫和軍事設施等。上世紀70 年代至80 年代，部分人防工程改造用于商業，地下商場、地下電影院、倉貯等，一些城市開始修建地鐵等。上世紀90年代，地下空間利用形式逐漸豐富，除用于地下交通、商業、物流、辦公等空間外，一些一線城市還修建了地下綜合管廊、地下綜合體、地下污水處理廠等。2000 年以來，地下空間利用規模越來越大，開挖深度越來越深，施工環境越來越復雜。地下空間開發趨勢也向著“綠色化、工業化、深層化、綜合化”發展。

銅陵市位于皖江南岸，地處沿江丘陵平原區。銅陵市地下空間開發利用主要以地下商業街、停車庫、地下人防設施、隧道和人行地下通道為主，規模和深度都非常有限。隨著城市化進程加快，城市人口增加，規模擴大，為應對城市中心重點地段土地緊缺、交通擁堵、停車困難等問題，大規模開發地下空間資源勢在必行。

銅陵市建成區地質環境條件復雜，存在巖溶、采空區、軟土等影響地下空間開發的地質環境制約因素，地下空間建設工程極易遭受其危害，同時地下空間工程建設也引發了一些較突出的地質環境問題與地質災害。因此，開展銅陵地下空間開發利用地質環境問題與防治對策研究十分必要。

本文根據銅陵城市地質調查相關成果，闡述了銅陵地下空間開發利用現狀及地質環境背景條件，對銅陵城市地下空間開發主要地質環境問題及形成原因進行了系統總結分析，并提出了對策意見。

1 地質環境條件

銅陵市區地貌類型復較雜，包括河漫灘、湖灘地、崗地、低丘、高丘。地勢南高北低，地形起伏變化較大。

基巖地層發育較全，泥盆系至白堊系地層均有分布。區域上二疊系棲霞組、三疊系南陵湖組、東馬鞍山組碳酸鹽巖地層分布廣泛。建成區碳酸鹽巖地層分布普遍。

基巖地質構造較復雜，褶皺由一系列北東向背、向斜構成。斷層主要有北東、北西向兩組，加劇了地下水活動和巖溶發育。

第四紀地層廣泛分布，成因復雜。沿江沖積平原區，厚度30～60m，為全新統沖積層。丘陵平原區，厚度一般5～20m，以中更新統地層最為發育。山體丘陵坡麓堆積有全新統殘積、殘坡積、坡洪積層，谷地有全新統沖積層，厚度薄，一般小于10m。

區內地下水資源豐富，主要以松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水為主。地下水水位埋藏淺，沿江沖積平原區地下水位埋深0.5～3m，巖溶區地下水位埋深3～8m。降水是區內地下水主要補給來源。受礦山或工程排水影響，地下水位動態變化大。

巖土體工程地質條件較復雜。主城區覆蓋型碳酸鹽巖分布面積較大，巖溶較發育。土體類型眾多，包括粘性土、砂性土、卵礫類土、特殊類土。特殊類土有淤泥類土（軟土）、粉砂、尾礦砂。淤泥類土（軟土）、粉砂主要分布在沿江沖積平原區，厚度大。尾礦砂沿黑砂河—至5公里尾礦庫一帶分布，為可液化砂，工程地質性質不良。

2 城市地下空間開發利用現狀

銅陵市地下空間開發利用主要集中于三個時期。上世紀60～70 年代修建了大量人防工程，80～90年代修建了一些地下商業街。2000年以來，隨著小區開發配套修建了大量停車庫、地下商業街、隧道和地下人行通道等。

在上世紀60～70 年代修建的大量人防坑道工程，多數位于丘陵山體坡麓地帶。一般位于巖體內硐室，規模較大，穩定性較好。根據丘陵山體地勢，埋深最大可達70～80m，一般20～30m。大多數硐身為毛硐或裸硐，僅進硐段為混凝土漿噴護或未襯砌，單個硐室面積最大可達10000m2。典型工程有天馬山防空洞，工程總面積7800m2，內有洞室49間，出入口部3處，硐內建有蓄水池、會廳、演藝廳等。一些硐室位于礦山采空塌陷區內，安全穩定性受到影響。位于土體內硐室多以坑道形式為主，埋藏淺，一般在10m以內，規模小，洞口及洞體大多磚混支護，防護簡單，受到地下水和降水滲透或洞口滑坡崩塌影響，上世紀80年代后大多數被廢棄未繼續利用，保存較好的極少。

2000年以來，地下空間工程多位于城市中心地帶和新建的居民小區，多修建在土體內，埋藏淺。總體看，現狀建筑地下空間開發深度小于15m，立體開發層數多為1～2層，少數3層。主要用于地下停車場、商業。最大單體地下停車場有上下二層近萬個停車位，如北斗星城、恒大綠洲地下車庫。長江中路地下人防商業街，總長度約850m，凈寬16.74m（含兩側商鋪），兩端及兩側設置出入口。工程位于粘土層中，鋼筋砼支護。現地下空間工程，筏形基礎，框架結構，穩定性好。

據有關資料，截至2014 年底，中心城區地下空間項目及人防工事共計254處，地下空間建筑面積97.49×104m2，地下空間人均建筑面積1.64m2。總體規模和開發深度都還有限，無法適應城市快速發展需求。

3 城市地下空間開發主要環境地質問題

目前銅陵城市地下空間工程開發深度淺，規模不大，且多位于土體內，主要采用直接開挖方式施工，引發的環境地質問題尚不突出。但由于復雜的巖溶地質背景條件，加之礦山開采影響，地下空間工程遭受的環境地質問題較嚴重。隨著地下空間工程開發深度和規模加大，一些地質環境問題將會加重。存在主要環境地質問題有：

（1）巖溶塌陷：銅陵市建成區覆蓋型碳酸鹽巖分布面積廣，包括三疊系下統南陵湖組、中統東馬鞍山組、二疊系下統棲霞組、石炭系中上統黃龍船山組灰巖。淺部巖溶發育，一般巖溶率3%～8%，局部構造發育地段可達10%以上，巖溶發育深度一般在-100m以淺，局部可達-150m 以上，巖溶發育中等～強。上覆土體主要是第四系全新統和中更新統地層，結構松散，厚度薄，一般5～20m。巖溶地下水位埋藏淺，自然狀態下地下水位埋深3～8m，具有承壓性，存在巖溶塌陷發育的地質背景條件。礦山周邊往往因礦山采礦排水，造成巖溶水天然動態大幅變化，引發巖溶塌陷地質災害。歷史上城區小街地區，楊家山、露采地區，白家澇-812 隊老基地、獅子山高新區等地都曾因礦山排水引發過嚴重的巖溶塌陷地質災害。除礦山排水外，地下空間工程、建筑基坑排水、地面震動、集中降水和管網滲水等都有可能誘發巖溶塌陷災害。銅陵雨潤廣場基坑、長江路人防工程（地下商城）基坑因受到巖溶地基和巖溶水問題影響，多次調整原設計方案，顯劇增加了預算成本和工期。根據調查，銅陵城區主要巖溶塌陷區有4 處，形成巖溶塌陷坑200余個，影響面積超過800000m2（表1）。

（2）采空塌陷：銅陵因礦興市，城市依托礦山建立，所以在建成區及周邊礦山眾多，包括煤礦和金屬礦山，遺留了大量采空區和塌陷區。根據調查資料，建成區及周邊共產生采空塌陷10余處，塌陷影響面積242×104m2。因采空塌陷造成大量城市建筑和基礎設施、塌陷區民房、土地破壞。主要采空塌陷區有銅官山銅礦采空塌陷、金口嶺銅礦采空塌陷、立新煤礦礦區采空塌陷等。金口嶺銅礦采空區塌陷累計影響面積16.9×104m2，局部塌坑深大于10.0m；筆山礦段-啤酒廠、露采新村一帶地表曾產生大量地面開裂。目前尚有部分空區未經處理。立新煤礦采空區：南北長5km，東西寬1km，開采深度-170m～-270m 水平，地面標高+20m，采空區地表均有不同程度的沉陷、開裂現象，影響面積161.4×104m2，沉陷深度多小于20cm，地裂縫圍繞沉陷區呈環狀分布，造成大量民宅、土地不同程度破壞。礦山在1996年閉坑，目前塌陷區已是銅陵市西湖新城區核心地帶，大部分采空區土地已得到治理和開發。區內天馬山人防工程、露采新村人防工程及321隊人防工程等，因采空塌陷影響而封閉或停用。

表1 銅陵城區主要巖溶塌陷區情況表Table 1.Main Karst Subsidence Areas in Tongling City

（3）軟土變形：軟土主要分布于沿江漫灘和湖泊洼地。沿江漫灘軟土一般下伏于地表高壓縮性亞粘土之下，層頂埋深0.00～7.60m，厚度2.20～28.40m。為淤泥質粉質粘土，灰黑色，含有機質及螺、貝殼類，以軟塑狀為主，局部呈流塑狀，呈似層狀分布，間夾粉砂透鏡體。湖泊洼地軟土主要分布于東湖、西湖四周及湖底，層頂埋深0.00～2.60m，厚3～15m。為淤泥質粘土、淤泥質粉質粘土，黑色、灰黑色，含有機質，軟-流塑狀。工程地質特征有：天然含水量高、孔隙比大，江北軟土天然含水量為26.9%～48.3%，孔隙比一般為1.000～1.549；江南軟土天然含水量為27.7%～43.3%，孔隙比一般為1.109～1.283。壓縮性高，江北軟土壓縮系數（a1-2）一般為0.50～0.97MPa-1，平均0.56MPa-1；江南軟土壓縮系數（a1-2）一般為0.55～0.75MPa-1，平均0.655MPa-1。低透水性，區內軟土透水能力弱，一般垂向滲透系數為8.61E-06～6.30E-06cm/s。承載力低，承載力標準值60～70KPa。對于基坑工程，易產生坑壁側向滑動及坑底隆起、土體位移變形等現象，導致基坑邊坡整體失穩。對荷載大，易產生地面沉降變形等。總之，軟土分布區工程地質條件較差，地基需進行處理。

（4）粉砂土滲透變形：分布于長江河漫灘、江心洲地帶，系近、現代河流沖積物，巖性為全新統粉砂夾薄層細砂，普遍分布2層：其中淺部粉砂夾層，分布在淤泥質軟土中，透鏡體狀，厚度薄，連續性差，分布不穩定，層頂埋深3～16m，厚度0.5～11m。深部粉砂層，分布在淤泥質軟土層下部，厚度較大，層頂埋深3.2～26.4m，厚度0.8～26.1m。其中以后一種為主。根據顆粒分析測試結果，粉砂粒徑一般小于0.25mm，其中：粉砂組（0.25～0.075mm）占74.8%～83.1%；粉粒組（0.075～0.005mm）占13.6%～21.9%；粘粒組（＜0.005mm）很少。根據現場標貫、靜探等原位測試等資料分析和計算，沿江粉砂層存在砂土液化可能，江北粉砂層液化指數7.62～13.33，屬中等液化等級；江南粉砂層液化指數0.35，屬輕微液化等級。沿江江堤管涌、水工工程基坑突涌流沙等不良工程地質問題常見。

除上述主要環境地質問題外，地下工程基坑排水還可能引起周圍地下水環境惡化，基坑支護不當或不及時，引起地面開裂、圍巖土體變形、位移等環境工程地質問題。

4 城市地下空間開發主要環境地質問題形成原因分析

銅陵城市地下空間開發主要環境地質問題形成的原因較復雜，主要有自然地質背景因素、社會經濟活動不當因素、技術經濟條件因素、歷史和人為因素等。

（1）自然地質背景因素：是城市地下空間開發主要環境地質問題形成的主要內因。本區地質構造復雜，巖土體類型眾多。建成區中心地帶碳酸鹽巖地層分布廣，巖溶發育，含巖溶水豐富，地下水位埋藏淺，抽排巖溶水極易引發巖溶塌陷。沿江地區多以淤泥質軟土、粉砂土為主，厚度較大，易形成軟土變形、粉砂土滲透變形等災害。

（2）規劃和建設中的不當因素：城市地下空間開發工程在規劃和建設前，未對工程場地進行地質災害危險性評估和勘察，或未按評估和勘察結論采取必要工程措施，也會直接間接地成為某些地質環境問題和地質災害形成的誘因。如將地下空間開發工程布置在地質災害易發區、危險區內，又未采取必要工程技術措施，往往會引發或加重環境地質問題的形成。在上世紀60～70年代修建的大量人防工程，大多數位于礦山采空塌陷區內，遭受采空塌陷危害，如天馬山、筆家山人防工程因采空塌陷影響現已封閉。

（3）受技術經濟條件的限制：地質環境勘查研究程度不夠，對地質環境認識不充分，造成意想不到的地質環境問題。如巖溶充水礦山在開采過程中出現巖溶塌陷是常見現象，在未認識這種規律之前，將地下空間工程布置在巖溶塌陷區內，造成危害也就不足為怪。對地質環境認識不足，往往是由于受技術經濟條件的限制地質環境勘查研究程度不夠造成的。

（4）由于工程技術措施不當產生的問題：從已調查地下空間開發主要環境地質問題來看，由于工程技術措施不當引發地質災害亦占有相當的比例。如基坑邊坡失穩往往與邊坡處理方法不夠合理和違反有關技術要求有關。有的因擋土墻或護坡設計、施工存在問題，達不到護坡目的，有的因防水、排水系統不完善，大氣降水就地入滲破壞了邊坡的穩定性。有的則是支護不及時引。如銅陵雨潤廣場基坑曾因支護不及時不合理引起傍側長江路小學操場地面和教學樓開裂。

（5）歷史和人為因素：建于上世紀60～70 年代的大量位于土體內的人防工程，多數十年不到的時間，眾多洞口和洞體坍塌。多是在對地質環境條件不清，工程技術措施不到位的情況下，倉促修建的。

綜上分析，銅陵城市地下空間開發主要環境地質問題的產生有其特定的地質環境背景，在未充分掌握客觀地質規律的情況下，冒然進行建設工程活動，加之技術措施不夠合理，引發或遭受留環境地質問題危害，可以說是自然界對人類的報復。

5 城市地下空間開發對策措施建議

銅陵市地下空間開發利用目前規模小、深度淺，存在問題較多，如缺乏整體的科學的全面規劃，管理體制不健全，一些部門管理缺位等。這些問題也必將影響地下空間的有效開發利用。本文僅從地質技術角度提出幾點措施建議。

（1）開展銅陵市地下空間地質環境承載力研究。評價地下工程的地質環境效應，包括工程建設引起的地面開裂、沉降、塌陷，以及基坑圍巖土體變形、位移等環境工程地質問題，研究地下工程對周圍地面建筑及基礎的危害。進行適宜性分區，提出地下空間適宜的開發規模和強度，提出合理開發城市地下空間及地質環境問題防治措施建議，為地下空間規劃、地下工程建設等供地質依據。

（2）城市地下空間開發及地下建設工程，應嚴格按有關法規要求開展建設項目工程地質災害危險性評估和巖土工程地質勘察，重點查明項目區巖土工程地質條件，預測和評估地下工程建設可能引發和遭受地質環境問題（包括地質災害）的危害和危險性，并根據評估、勘察結論做好防治工作。

（3）開展地下空間開發及地下建設工程的地質環境監測工作。對已經出現和可能出現的較嚴重地質環境問題（包括地質災害）的區域開展必要的監測，應盡可能采用新技術和新方法，提高監測精度和效果。

6 結語

目前，銅陵城市建設正處在加速期。根據城市總體規劃以及地下空間開發利用、人防、地下綜合管廊規劃等，銅陵城市地下空間將進一步拓展，新一輪地下工程建設起步在即。由于城市自然地質背景條件復雜，地質環境問題突出，地質災害頻發，因此有必要加速推進相關研究工作，為城市地下空間開發利用規劃優化調整和實施提供地質環境依據。