長沙市地下空間開發利用現狀、適宜性評價與工程措施

2021-07-12 03:32:36彭柏興王星華王會云舒倩

城市勘測 2021年3期

彭柏興，王星華，王會云，舒倩

(1.長沙市規劃勘測設計研究院，湖南長沙 410007； 2.中南大學土木工程學院，湖南長沙 410075)

1 引言

“下者為巢，上者營窟”(《孟子·滕文公》)，是原始人類最早使用地下空間的記載。1863年，世界首條地鐵在倫敦通車拉開了近現代城市地下空間利用的序幕，巴黎廢棄礦井改造成地下綜合管廊、雷亞諾中央廣場的立體化開發、波士頓中央大道地下城和大阪站前區梅田地下綜合體的建設都是一時之典范[1]。專家學者們開始了對地下空間規劃利用的探索，注意到地震、地質、水文、地面坡度、巖土介質等因素對地下空間開發的影響[2、3]。John則開始關注已有地下管線、建構/筑物的影響，采用了綜合疊加分析方法，首次提出地下空間資源開發利用的適宜性概念[2]。隨著社會經濟發展，人們已經認識到地下巖、土體是不可忽視的新型“國土資源”，地下空間的開發利用已成為拓展城市空間、改善人居環境，醫治“城市病”、實施可持續發展的重要途徑[4]。

長沙現轄六區二縣一市，國土總面積 11 819.46 km2，市區面積 1 923.97 km2。近年來，為解決經濟高速發展給長沙帶來的環境與交通矛盾、建筑空間擁擠等問題，有關部門組織開展了《長沙市地下空間總體規劃(2014-2020)》及《長沙市城市地下空間開發利用專項規劃》[5]，部分學者對長株潭城市群地下空間開發適宜性評價進行過一定程度的探討[6，7]。

當前，我國城市地下空間劃分為淺層、次淺層、次深層和深層四個層次[8]，深度界線分別為地下 15.0 m、30.0 m、50.0 m，遵循“分層利用，由淺入深”的原則，綜合考慮自然、環境、人文及發展諸要素影響。本文概括了長沙地下空間的現狀，側重于地形、地貌、工程地質與水文地質條件、不良地質作用等自然要素分析，對長沙地下空間適宜性進行分區，并對常用技術措施進行了歸納，希望對長沙城市地下空間規劃、設計、建設有幫助。

2 長沙市地下空間的利用現狀

2.1 發展階段

長沙城市地下空間開發經歷了以下幾個階段：

(1)起步階段：大致從20世紀50年代開始，在戰爭思想的指導下，地下空間的利用主要體現在人民防空工程方面。

(2)發展階段：20世紀60、70年代，在“深挖洞、廣積糧”精神號召下，在市中心結合山體等修建了人防洞室、通道等大型人防工程。

(3)功能轉型階段：70年代末到21世紀初，長沙市采用“平戰結合”方式開發利用了五一廣場地下商業街、金滿地、韶山路地下商業街。同時，地下市政管網建設逐年增加。

(4)快速發展時期：21世紀以來，隨著經濟社會的快速發展，城市軌道交通、地下過街通道、大型商業綜合體及交通樞紐建設加快，長沙地下空間進入高速發展時期。

2.2 應用現狀

調查表明，長沙地下空間開發利用程度較低，多為結合住宅或商業建筑開發的地下停車庫，商業、文化娛樂等功能的開發量很少且分布零散，未成規模。地下交通主要為各主干路的人行通道、年嘉湖隧道、營盤路隧道、南湖路隧道以及正在施工的湘雅路隧道。軌道交通初具規模，已運營的1、2、3、4、5號線路總長 142.5 km、111個車站，長株潭城際鐵路長沙市區段地下敷設南、北段總長 23 km，武廣高鐵瀏陽河隧道長沙隧道長 10 km。正在施工的6號線長 48.11 km、長株潭城際軌道交通西環線一期地下段長 7.357 km。此外，還有望城坡交通樞紐、汽車南站交通樞紐、五一廣場、芙蓉廣場等商業綜合體。市政管線一改過去的淺層直埋方法，采用頂管施工。

從深度分布統計發現(圖1)，目前長沙地下空間開發以地下交通(停車場庫)為主，96%的地下空間開發集中在淺層，僅約4%的地下空間達到次淺層。目前超過地下 40 m的項目為長沙國際金融中心，地下7層，地下埋深 34.25 m、核心筒部位深 42 m，屬于次深層開發。軌道交通區間及站點深度集中在 20 m～40 m范圍內，武廣高鐵瀏陽河隧道埋深較大，30 m～50 m。總體說來，長沙尚未形成豎向開發層次與開發功能相結合的綜合功能體系。

圖1 長沙現狀地下空間開發深度比例

2.3 存在問題

長沙地下空間開發使用尚處于比較無序的狀態，缺乏系統認識和規劃編制體系引導，更談不上地面、地下、地上建筑的合理布局，甚至一些建筑基礎、橋梁樁基和既有軌道線路影響后續地下空間的建設。主要體現在：

(1)缺乏相關規劃引導，孤立開發，地下空間資源浪費；

(2)地下空間開發建設無法可依；

(3)開發功能單一，局限于淺層開發，未形成完善的綜合功能體系；

(4)城市核心地段的地下空間開發未成體系，再開發難度較大；

(5)缺乏統一協調的管理機構。

3 地下空間適宜性分區評價

3.1 自然地理概況

長沙位于揚子準地臺和華南褶皺系兩個大地構造單元接合部位，經歷了武陵-雪峰-加里東-印支-燕山-喜山等多次構造運動。地貌形態以低山、丘陵、崗地和沖積平原為特點，主城區坐落在湘江和瀏陽河階地上。

區內地層從中元古界冷家溪群至新生代第四紀地層均有出露，僅震旦紀、新近紀部分缺失和志留紀地層全部缺失。以冷家溪群、板溪群板巖，白堊紀碎屑巖和第四紀松散堆積層分布最為廣泛。中心城區幾乎為第四系地層覆蓋，具有典型的河流二元相結構，厚度一般在 15 m以內，部分地段受構造影響深愈 100 m[9]。

本區屬中亞熱帶濕潤季風氣候區，四季分明、具有溫暖潮濕、雨量充沛、嚴寒期短等特點。“一江四水”(湘江、瀏陽河、撈刀河、靳江河、龍王港)構成了長沙市的樹枝狀水系，此外，還有年嘉湖、躍進湖、梅溪湖、洋湖垸、西湖、月湖、后湖等地表水體。其中，湘江自南而北縱貫市區，水位變化幅度 8 m～10 m，平均流速約 1 m/s，汛期流速高達 2.6 m/s。豐水期在每年的5月～8月，水位 30 m～32 m，史載最高洪水位(吳淞口高程) 39.51 m(2017.7.2)；枯水期為每年10月至翌年2月，平均水位 27 m。

長沙設計地震分組為第一組，抗震設防烈度6度，設計基本地震加速度值 0.05 g。建筑場地類別多為Ⅱ類場地，局部為Ⅰ1或Ⅲ類場地。近場區內沒有發生過破壞性的歷史地震，不存在發震構造。

3.2 影響地下空間利用的主要地質問題

影響長沙市地下空間開發利用的主要地質問題有地震與斷裂、巖溶與風化槽谷、地下水。

(1)斷裂

區內斷裂構造及褶皺較為發育，區內規模較大的斷裂有NE、NW、EW向三組(圖2)，具有多期活動性和繼承性。市內主要區域性斷裂有：張家嘴-榮灣鎮-新塘灣斷裂(F85)、葫蘆坡-金盆嶺-炮臺子斷裂(F101)、施家沖-新開鋪-磊石塘斷裂(F106)、東山鎮-石橋斷裂(F132)。據熱釋光測齡結果，其活動年限為17～45萬年，斷層活動在晚更新世前，為非全新世斷裂[10]。

圖2 長沙市地質構造綱要圖

斷裂對地下工程建設影響甚大，軌道交通2號線一期工程在汽車西站至溁灣鎮一帶的丘間谷地陡坡地段，因斷裂構造而節理裂隙發育，造成施工難度增加。NNE向斷裂F85從傅家洲斜貫營盤路隧道，形成寬度 100 m～140 m的斷層破碎帶(圖3)，嚴重影響了礦山法施工進程，增加了施工難度。F101斷裂經過洋湖垸、溁灣鎮、鴨子鋪等區域，造成第四系地層與基巖邊界厚達數十米的落差，對高層建筑的基坑止水、基礎選型帶來不少難題。

圖3 F85的地震反射剖面

(2)巖溶

長沙市區的可溶巖分為兩大類，一為碳酸鹽巖，以石灰巖、白云巖為代表，二為白堊系鈣質礫巖或灰礫巖。碳酸鹽巖主要分布于洋湖垸、桃子湖、望月湖、五一廣場、月湖公園及大王山片區(圖4)。鈣質礫巖主要分布于沙灣公園、鴨子鋪(圖5)、洋湖垸、湘府路與坪塘路交匯區。

圖4 西延線一期清-山區間工程地質斷面圖

圖5 地鐵5號線鈣質礫巖中巖溶充填物

巖溶往往與斷裂構造密切相關。勞動路湘江隧道受F85影響，鉆孔見洞率高達63.16%，鉆探時發生過地面塌陷[11]。長沙軌道交通1、2號線的五一廣場站、五-芙區間位于區域性斷裂F85與F101之間，灰巖中巖溶強烈發育，形態多樣，溶蝕底板埋深介于 17.20 m～63.20 m。3號線從橘子洲-阜埠河區間、山-洋區間，4號線從湖南大學到溁灣鎮之間，城際軌道西延線一期的清風路站、巡-清區間和清-山區間均屬巖溶發育區域，5號線的尹家灣-鴨子鋪區間均屬巖溶發育區[12]。

(3)風化深槽

風化深槽主要見于白堊紀礫巖區。長沙軌道交通2號線一期工程沙灣公園站，因溶蝕風化作用而形成的風化溝槽造成圍護樁嚴重超灌、支護變形。又如，萬家麗路瀏陽河段受F132斷裂作用，全風化礫巖厚達 90 m尚不見底，橋梁基礎、電纜隧道及5號線區間隧道穿越該地段時不得不采取預加固處理。

(4)地下水

長沙地區與地下空間工程建設關系密切的淺層地下水主要為孔隙水，賦存于各級階地的砂礫石層中，其流向受基底地層和地勢控制。一般地，Ⅰ、Ⅱ級階地的富水性相對于Ⅲ、Ⅳ級較好，Ⅲ、Ⅳ級階地中的地下水之間存在一定的聯系[13]。其次為巖溶水及基巖裂隙水，巖溶水分布于石炭紀和泥盆紀灰巖、白云巖及白堊紀鈣質礫巖的巖溶洞穴或裂隙中，富水性中等。碎屑巖裂隙水賦存于白堊系與古近系紅層中，富水性中等～貧乏。震旦系淺變質巖的裂隙水則水量貧乏。

4 地下空間適宜性評價

4.1 評價因子的確定

城市地下空間與場地環境、地質、水文條件密切相關。根據CJJ57-2012[14]，建設場地適宜性劃分為不適宜、適宜性差、較適宜和適宜四個等級。一般采用定性與定量相結合的綜合評判方法。定性分級時，需要考慮工程地質和水文地質條件及場地治理的難易程度，定量評價采用評價單元多因子分級加權指數和法。

4.2 適宜性指數的計算

評價單元的定量評價因子由一級因子層和二級因子層組成。按下式計算評價單元的適宜性指數(IS)：

(1)

本文一級因子層包括工程地質條件、地形地貌、地質災害與不良地質作用、水文與地下水五大因素。二級因子考慮巖土分布及特性、巖土強度及其對圍護結構的影響，地面形態與坡度，巖溶、斷裂破碎帶、管涌及滑塌，洪水淹滅的可能及所處水系水域、地下水的埋深與承壓性。各因子的權重根據專家會議會確定(表1)。各評價單元的地下空間適宜性可根據適宜性指數，按表2判定。

地下空間開發利用適宜性評價因子權重表1

評價結果等級表表2

根據定性與定量相結合的綜合評判原則，經計算各評價單元的適宜性指數，將長沙市地下空間利用適宜性分為三個大區：Ⅰ區為適宜區，Ⅱ區為基本適宜區，Ⅲ區為適宜性差區(圖6)。其適宜性指數分別為74.15、66.13、44.20、43.60。其中適宜區(Ⅰ區)約占主城區面積的67.1%，較適宜區(Ⅱ區)約占29.2%，適宜性差區(Ⅲ區)占3.7%，(Ⅲ1區2.6%，Ⅲ2區1.1%)。

圖6 長沙市地下空間開發利用適宜性分區圖

4.3 地下空間利用的技術措施

城市地下工程成敗的關鍵是施工問題。施工方法的選擇應根據工程性質、規模、巖土層條件、環境條件、施工設備、工期要求等要求，經技術、經濟比較后確定。常用方法有明挖法、蓋挖法、淺埋暗挖法、盾構、頂管。

明挖法施工：坡率法、土釘墻或復合土釘墻，樁錨或樁+內支撐；前者多用于建筑基坑，內支撐主要用于地鐵車站與少數環境敏感工程，如中心醫院醫技樓、旺旺醫院綜合樓，九龍倉則采用了部分樁錨、部分支撐方案。

蓋挖法在長沙應用尚少，僅用于交通疏解困難的地下通道或地鐵站點，如3號線烈士公園東站。

淺埋暗挖法的代表性工程有營盤路隧道、湘江路瀏陽河隧道，其次為地鐵區間的聯絡通道。

盾構法又分泥水平衡盾構與土壓平衡盾構，長沙市的軌道交通工程及過湘江隧道皆采用此方法施工。如南湖路湘江隧道與地鐵3號線過湘江段均為泥水平衡法，其他各線路均為土壓平衡盾構。

頂管主要用于市政管網施工，長沙頂管直徑一般 800 mm～3 600 mm不等。過去采用人工掘進頂管，近年來機械頂管應用漸多，大大提高了施工效率和人員安全。

地下水處治：長沙水文地質條件不很復雜，含水層多在 15 m內，常采用落地式全封閉止水帷幕，以樁間或樁后高壓旋噴樁止水為主，也有采用攪拌樁、咬合樁或地下連續墻作為止水措施。市政管溝施工中，拉森鋼板樁也是常用的支護止水措施。對特別厚的含水層，如溁灣鎮、省政府附近、月湖公園、洋湖垸站以及鴨子鋪等深達3-4F地下室基坑，多采用封底止水或懸掛式帷幕結合井點降水。

綜合長沙市地質、水文條件，地下空間開發利用的措施建議如下(表3)。