大興規(guī)劃新城地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量研究

黃 驍，陳 剛，劉新義（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048）

大興規(guī)劃新城地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量研究

黃 驍，陳 剛，劉新義
（北京市地質(zhì)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(zhì)環(huán)境條件制約和影響著地下空間的開(kāi)發(fā)利用。通過(guò)對(duì)大興規(guī)劃新城地質(zhì)載體、地下水環(huán)境及不良地質(zhì)作用等影響地下空間開(kāi)發(fā)因素的分析，采用層次分析模糊綜合評(píng)判方法（AHP-Fuzzy法），將研究區(qū)淺層、次淺層地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性分為4個(gè)區(qū)，為新城的地下空間利用提供了地質(zhì)技術(shù)支持。研究表明：Ⅰ級(jí)區(qū)基本不受地質(zhì)災(zāi)害危害，較適宜地下空間開(kāi)發(fā)利用，巖土層是較好的天然地基持力層；Ⅳ級(jí)區(qū)受活動(dòng)斷裂危害，需加強(qiáng)抗震設(shè)防；而其余2個(gè)區(qū)均有不同的工程地質(zhì)特征，在地下空間的開(kāi)發(fā)利用中需針對(duì)其不良工程地質(zhì)特性，采取相應(yīng)的工程加固防治措施。

地下空間；地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量；適宜性

0　引言

城市地下空間不僅是有效的防護(hù)空間，更是潛力巨大的城市空間資源。地下空間的開(kāi)發(fā)與利用在緩解城市矛盾，擴(kuò)大城市空間容量和提高城市環(huán)境質(zhì)量上具有明顯優(yōu)勢(shì)（宛素春等，1995）。北京作為“國(guó)家首都、國(guó)際城市、文化名城、宜居城市”，開(kāi)發(fā)利用地下空間，既是鞏固其戰(zhàn)略地位的重要手段，也是科學(xué)、有效地拓展城市空間、節(jié)約土地資源、改善人居環(huán)境、保護(hù)歷史文化名城以及實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的有效途徑（陳剛等，2006）。

工程地質(zhì)條件影響地下空間利用的經(jīng)濟(jì)性與安全性，充分利用工程地質(zhì)的有利條件，防治和改造不利條件，是經(jīng)濟(jì)合理地興建地下建筑的首要條件。應(yīng)著重對(duì)地形地貌、巖土體性狀與結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等工程地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)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(jīng)濟(jì)又安全（李相然等，1995）。

地下空間的開(kāi)發(fā)利用深度一般分為4層，地表至地下10m為淺層開(kāi)發(fā)，地下10～30m為次淺層開(kāi)發(fā)，地下30～50m為次深層開(kāi)發(fā)，地下50～100m為深層開(kāi)發(fā)。目前北京規(guī)劃的地下空間開(kāi)發(fā)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(guī)劃新城前期區(qū)域工程地質(zhì)勘查項(xiàng)目的開(kāi)展，分析研究了影響和制約規(guī)劃新城地下空間開(kāi)發(fā)利用的地質(zhì)環(huán)境因素，并在此基礎(chǔ)上對(duì)規(guī)劃新城淺層、次淺層地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性進(jìn)行了分區(qū)評(píng)價(jià)，為新城未來(lái)地下空間的經(jīng)濟(jì)安全建設(shè)提供了前期地質(zhì)支撐。

1　地質(zhì)條件分析

大興規(guī)劃新城地處永定河沖積扇中、下部，地勢(shì)平坦。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)載體的巖土條件、地下水及不良地質(zhì)作用等不同程度影響和制約著地下空間的開(kāi)發(fā)利用。

1.1地質(zhì)構(gòu)造

地下空間利用首先要考慮區(qū)域穩(wěn)定性。雖然總體上地震對(duì)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(fù)的困難性等，因此在確定地下建筑工程位置時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)區(qū)域穩(wěn)定性差和地質(zhì)構(gòu)造條件不良的地段，不能避開(kāi)時(shí)，要認(rèn)真加以研究，以便采取對(duì)策。

研究區(qū)自中生代末期以來(lái)，地殼運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，使區(qū)內(nèi)構(gòu)造變得復(fù)雜，褶皺、斷裂發(fā)育。主要斷裂有南苑—通縣斷裂、良鄉(xiāng)—前門(mén)斷裂（由良鄉(xiāng)北斷裂和前門(mén)斷裂構(gòu)成）及永定河斷裂（徐錫偉等，2002；黃驍?shù)龋?2012）。其中永定河斷裂為第四紀(jì)活動(dòng)斷裂，需考慮其對(duì)工程建設(shè)和地下空間開(kāi)發(fā)的影響。

1.2地質(zhì)載體巖土條件

地質(zhì)載體是地下空間開(kāi)發(fā)利用的介質(zhì)和環(huán)境，地質(zhì)載體巖土類(lèi)型、物理力學(xué)性質(zhì)、單元結(jié)構(gòu)類(lèi)型、圍巖類(lèi)別、掘進(jìn)強(qiáng)度等影響地下工程開(kāi)挖的難易和圍巖的穩(wěn)定性。

研究區(qū)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(kāi)發(fā)中整體不穩(wěn)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(wěn)定性，但整體較不穩(wěn)定，變形較難滿足要求；非飽和粘性土、粉土，承載力中等，經(jīng)部分加固處理可保持整體穩(wěn)定，有一定的變形；砂卵石承載力高，整體較穩(wěn)定，易滿足變形要求。

1.3地下水

地下水對(duì)巖土體工程性質(zhì)具有很強(qiáng)的物理、化學(xué)弱化作用，地下水引發(fā)的工程地質(zhì)問(wèn)題是城市地下空間普遍存在的重大問(wèn)題（韓文峰等，2000）。在地下工程施工過(guò)程中，因水動(dòng)力條件發(fā)生改變，易生發(fā)入滲、流砂、流土，承壓水更易造成突滲和管涌。此外，地下水對(duì)地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的浮托作用，如防水或抗浮措施不當(dāng)，可能造成地下工程結(jié)構(gòu)破壞，影響其安全運(yùn)營(yíng)（廖建三等， 2006）。

研究區(qū)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(xì)砂、中粗砂。歷史上該地區(qū)地下水位很淺，有的地方就是潛水溢出帶，近年來(lái)由于開(kāi)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(xì)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(qū)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(zhì)作用

研究區(qū)影響地下空間開(kāi)發(fā)的不良地質(zhì)作用除活動(dòng)斷裂外還包括地面沉降、砂土液化等。

地面沉降對(duì)地下空間的正常使用造成嚴(yán)竣影響。研究區(qū)位于榆垡—禮賢沉降區(qū)的西北部，連續(xù)多年的枯水和過(guò)量開(kāi)采地下水導(dǎo)致地面沉降達(dá)400mm；研究發(fā)現(xiàn)南北地層特性導(dǎo)致地面沉降差異（郭萌等，2011）。研究區(qū)北部土體以單一結(jié)構(gòu)的砂卵石層為主，夾少量粘性土層，含水層顆粒粗，抗壓強(qiáng)度高，可壓縮性低，不易產(chǎn)生壓縮變形，且可壓縮的第四系松散層厚度相對(duì)較薄（50～70m），因此地面沉降表現(xiàn)不明顯，目前地面累計(jì)沉降量小于50mm。而中部至南部地區(qū)土層逐漸過(guò)渡為多層中細(xì)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(jié)構(gòu)類(lèi)型，且可壓縮的第四系松散層厚度相對(duì)較厚（可達(dá)250～300m），沉降量逐漸增大。

研究區(qū)位于永定河?xùn)|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(xì)砂。唐山大地震時(shí)，液化層深度一般為4～8m，最深可達(dá)10m左右。飽和粉細(xì)砂及部分粉土，雖然在靜載作用下具有較高的強(qiáng)度，但在地震力的反復(fù)作用下有可能產(chǎn)生液化，地基會(huì)因液化而喪失承載能力。研究區(qū)內(nèi)新城規(guī)劃的10個(gè)片區(qū)（組團(tuán)），除狼垡組團(tuán)處理深度小于4m外，其余片區(qū)（組團(tuán)）液化處理深度一般為6～8m。

2　評(píng)價(jià)方法

地下空間地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)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(shí)它們對(duì)質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)也是外延不清晰的模糊概念。顯然這類(lèi)問(wèn)題用經(jīng)典的數(shù)學(xué)模型是難以定量描述的。而模糊數(shù)學(xué)的理論則是解決這類(lèi)模糊問(wèn)題的有效手段。為使地下空間地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)中的每個(gè)影響因素都能夠真實(shí)有效的參與評(píng)價(jià)，首先確定參與評(píng)價(jià)的環(huán)境地質(zhì)質(zhì)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(píng)判方法（AHP-Fuzzy法），進(jìn)行逐級(jí)評(píng)判；最后得出地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量總評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.1地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)載體環(huán)境特點(diǎn)，在分析規(guī)劃區(qū)地質(zhì)環(huán)境基本特征的基礎(chǔ)上，從地質(zhì)載體結(jié)構(gòu)、地下水環(huán)境以及地質(zhì)災(zāi)害三方面，選取了巖土類(lèi)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(gè)因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了規(guī)劃區(qū)地下空間地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表1 ）及相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系（圖1）。

2.2參評(píng)因素權(quán)重確定

地下空間地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣是諸多因素綜合作用的結(jié)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(biāo)度方法，通過(guò)兩兩因素的對(duì)比，確定兩因素間的重要性，并逐層比較多種關(guān)聯(lián)因素，最后確定各因素權(quán)重值（表2）。

3　地下空間地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分區(qū)評(píng)價(jià)

地下空間地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)采用1：2.5萬(wàn)地形底圖，以100m×100m作為評(píng)價(jià)單元，地下空間評(píng)價(jià)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(zhì)環(huán)境質(zhì)量分區(qū)評(píng)價(jià)

研究區(qū)地下淺層（0～10m）地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量劃分為4個(gè)區(qū)（圖2）。

表1　地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及分級(jí)Tab.1 The evaluation index and classification of geological environment quality in thedevelopment of underground space

圖1　地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)體系框圖Fig.1 The block diagram of geological environment quality evaluation in the development of underground space

（1）地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量Ⅰ級(jí)區(qū)：主要分布在狼垡以北小范圍地區(qū)。本區(qū)0～10m深度范圍內(nèi)土層以砂、卵石為主，基本無(wú)軟土分布。地下空間圍巖一般為Ⅴ類(lèi)，土石可挖性為Ⅰ～Ⅲ，砂土輕微液化，基本不受地質(zhì)災(zāi)害危害和地下水影響。本區(qū)較適宜地下空間開(kāi)發(fā)利用，不需要采取降水措施，但圍巖一般無(wú)粘聚力，自穩(wěn)定能力差，易崩塌，需及時(shí)進(jìn)行圍巖支護(hù)，且圍巖相對(duì)不易掘進(jìn)，可挖性等級(jí)達(dá)到Ⅲ。本區(qū)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(guī)劃使用。

（2）地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級(jí)區(qū)：主要分布于南程莊、三合莊、六合莊、新立村、北臧村、后大營(yíng)等地。本區(qū)0～10m深度范圍內(nèi)土層以粘性土和新近沉積的粉細(xì)砂為主，淺部多有軟粘土分布。地下空間圍巖一般為Ⅵ類(lèi)，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(qū)地下空間開(kāi)發(fā)利用時(shí)不需要采取降水措施，圍巖相對(duì)易掘進(jìn)，但圍巖易坍塌變形，需及時(shí)做好支護(hù)。本區(qū)上部巖土層工程特性差，不宜直接作為天然地基土規(guī)劃使用；下部相對(duì)較好，可作為一般建（構(gòu)）筑物的天然地基持力層。

表2　評(píng)價(jià)因素層次總排序權(quán)值表Tab.2 the table of the total sort weight of hierarchy of evaluation factors

圖2　研究區(qū)地下空間淺層（0～10m）開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分區(qū)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(zhì)環(huán)境質(zhì)量Ⅲ級(jí)區(qū)：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(qū)0～10m深度范圍內(nèi)土層以人工填土及新近沉積的粉土、粘性土、粉細(xì)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(lèi)，土石可挖性為Ⅰ，易掘進(jìn)。砂土液化輕微或中等，基本不受地下水影響。本區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)利用時(shí)不需要采取降水措施，但圍巖極易坍塌變形。由于巖土體強(qiáng)度低、質(zhì)軟，不宜直接作為天然地基土規(guī)劃使用。

（4）地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量Ⅳ級(jí)區(qū)：分布在規(guī)劃區(qū)內(nèi)永定河斷裂兩側(cè)各300m的斷裂影響帶內(nèi)。本區(qū)受活動(dòng)斷裂危害中等，地下空間開(kāi)發(fā)時(shí)需加強(qiáng)抗震設(shè)防。

3.2地下次淺層（10～30m）地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分區(qū)評(píng)價(jià)

研究區(qū)地下次淺層（10～30m）地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量劃分為4個(gè)區(qū)（圖3）。

（1）地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量Ⅰ級(jí)區(qū)：主要分布于狼垡、高米店、西紅門(mén)及西黃村等地段。本區(qū)10～30m深度范圍內(nèi)為單一砂、卵石地層。地下空間圍巖一般為Ⅴ類(lèi)，土石可挖性為Ⅰ—Ⅲ，基本不受地質(zhì)災(zāi)害危害影響。本區(qū)較適宜地下空間開(kāi)發(fā)利用，一般需要采取堵排水措施，圍巖無(wú)粘聚力，自穩(wěn)定能力差，易崩塌，需及時(shí)進(jìn)行圍巖支護(hù)；易發(fā)生流砂、潛蝕等破壞；且圍巖相對(duì)不易掘進(jìn)，可挖性等級(jí)達(dá)到Ⅲ。本區(qū)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(guī)劃使用。

（2）地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量Ⅱ級(jí)區(qū)：本區(qū)分布在鵝房、蘆城、黃村、海子角、邢各莊、后大營(yíng)及北臧村等地。本區(qū)10～30m深度范圍內(nèi)土體為砂、卵石和粘性土互層的多層結(jié)構(gòu)，土層不液化。地下空間圍巖一般為Ⅴ—Ⅵ類(lèi)，土石可挖性為Ⅰ—Ⅲ，相對(duì)不易掘進(jìn)。本區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)利用時(shí)一般需要采取堵排水措施，圍巖易坍塌變形，易發(fā)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(zhì)環(huán)境質(zhì)量Ⅲ級(jí)區(qū)：主要分布于六合莊、新立村、羅奇營(yíng)、三合莊、佟場(chǎng)、韓園子及天宮院等地。本區(qū)10～30m深度范圍內(nèi)土體具有典型的雙層結(jié)構(gòu)，上部以一般第四紀(jì)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(lèi)，土石可挖性為Ⅰ—Ⅲ，相對(duì)不易掘進(jìn)。本區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)利用時(shí)一般需要采取堵排水措施，圍巖易坍塌變形，易發(fā)生流砂、潛蝕、管涌等破壞。淺部土層強(qiáng)度相對(duì)較弱，深部土層強(qiáng)度較高，可作為樁基礎(chǔ)樁端持力層使用。

圖3　研究區(qū)地下空間次淺層（10～30m）開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分區(qū)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(zhì)環(huán)境質(zhì)量Ⅳ級(jí)區(qū)：分布在規(guī)劃區(qū)內(nèi)永定河斷裂兩側(cè)各300m的斷裂影響帶內(nèi)。本區(qū)遭受活動(dòng)斷裂危害中等，地下空間開(kāi)發(fā)時(shí)需加強(qiáng)抗震設(shè)防。

4　結(jié)論

從地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)載體的巖土條件、地下水及不良地質(zhì)作用等角度出發(fā)，研究區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分4級(jí)；淺層（0～10m）空間開(kāi)發(fā)時(shí)一般不受地下水影響，地質(zhì)環(huán)境質(zhì)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(kāi)發(fā)時(shí)一般需要采取堵排遣水措施，易發(fā)生流砂、潛蝕、管涌等破壞；圍巖整體自穩(wěn)能力差，需及時(shí)采取支護(hù)措施。整體看，研究區(qū)在采取一定的工程加固措施下，地質(zhì)條件適宜進(jìn)行地下空間開(kāi)發(fā)。

［1］宛素春，王春梅. 北京地下空間的利用與開(kāi)發(fā)［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，2l （2）：52～59.

［2］陳剛，李長(zhǎng)栓，朱嘉廣. 北京地下空間規(guī)劃［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006：289.

［3］李相然，孫淑賢. 談城市地下空間利用中的工程地質(zhì)條件研究［J］. 地下空間，1995，15（4）：296～300.

［4］徐錫偉，吳衛(wèi)民，等. 首都圈地區(qū)地殼最新構(gòu)造變動(dòng)與地震［M］. 北京：科學(xué)出版社，2002：376.

［5］黃驍，陳剛，李哲林. 南苑—通縣斷裂大興規(guī)劃新城段的研究［J］. 城市地質(zhì)， 2012，7（4）：15～19.

［6］韓文峰，諶文武，宋暢. 城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的工程地質(zhì)與巖土工程［J］. 天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，6（1）：1～5.

［7］廖建三，彭衛(wèi)平，林本海. 影響廣州市淺層地下空間開(kāi)發(fā)利用的地質(zhì)因素分析及分區(qū)評(píng)價(jià)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（增2）：3357～3362。

［8］郭萌，陳剛，黃驍，等. 北京大興規(guī)劃新城地面沉降研究［J］. 城市地質(zhì)， 2011，6（1）：17～21.

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(guī)劃新城前期區(qū)域工程地質(zhì)勘查（BJJG-2009-140-01）

黃驍（1974- ），男，注冊(cè)土木（巖土）工程師，主要從事巖土工程勘察、設(shè)計(jì)與施工、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估。

電子信箱：huangxiaomail@163.com