交通軟土地下空間開發(fā)工程地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究

余以強(qiáng) 嚴(yán)鑫* 肖旦強(qiáng) 詹偉 胡智

(1.浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院 浙江省道橋檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江杭州 311305;2.浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院 浙江杭州 310023)

軟粘土在浙江省廣泛分布，尤其以海相軟黏土為主，具有高含水量、弱透水性、固結(jié)速度緩慢、大孔隙比、高壓縮性、低抗剪強(qiáng)度、觸變性（結(jié)構(gòu)性）、流變性等工程特性[1-2]。杭州、寧波、溫州、紹興等地的城市軌道交通正進(jìn)入快速建設(shè)時(shí)期，伴隨交通軟土地下空間開發(fā)深度和廣度的增加，開發(fā)技術(shù)難度也逐漸增加，尤其是在復(fù)雜多變的施工擾動(dòng)與交通荷載影響下，軟土很容易由于強(qiáng)度不足引發(fā)變形甚至失穩(wěn)與滲蝕等不利災(zāi)變，導(dǎo)致重大基礎(chǔ)設(shè)施和鄰近建（構(gòu)）筑物關(guān)聯(lián)破壞，誘發(fā)道路、地下管線、地鐵隧道等大面積工程尺度災(zāi)害[3-5]。由此，為了科學(xué)指導(dǎo)交通軟土地區(qū)地下空間的合理開發(fā)，有必要對(duì)地下空間開發(fā)層次開展工程地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)。

鑒于工程地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系作為交通軟土地下空間開發(fā)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)[6-7]，該文將圍繞交通軟土地下空間開發(fā)屬性，重點(diǎn)結(jié)合浙江軟土分布廣泛典型特點(diǎn)，詳細(xì)分析交通軟土地下空間開發(fā)影響機(jī)理，針對(duì)不同交通軟土地下空間開發(fā)深度層次建立了工程地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，旨在于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)交通軟土地區(qū)地下空間開發(fā)工程地質(zhì)適宜性。

1 交通軟土地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)層次

地下空間資源可逆性差，開發(fā)工程具有永久性屬性，后期地下空間開發(fā)需考慮先前開發(fā)的地下空間結(jié)構(gòu)，為此，在進(jìn)行地下空間規(guī)劃時(shí)應(yīng)具有前瞻性，科學(xué)合理地對(duì)深度層次進(jìn)行分類。

參考國(guó)內(nèi)城市地下空間開發(fā)層次規(guī)劃（如圖1 所示），按照資源開發(fā)豎向?qū)哟卧瓌t，根據(jù)浙江省內(nèi)各地市目前的開發(fā)程度和已掌握地質(zhì)資料程度，兼顧交通軟土地區(qū)地下空間開發(fā)建設(shè)工程經(jīng)驗(yàn)與規(guī)劃需求，將交通軟土地區(qū)地下空間開發(fā)劃分為3 個(gè)層次：淺層地下空間，0～10 m，地下服務(wù)設(shè)施和建筑為主；中層地下空間，10～30 m，大型地下設(shè)施與地鐵為主；次深層地下空間，30～50 m，地下空間儲(chǔ)備區(qū)。

圖1 國(guó)內(nèi)城市地下空間開發(fā)層次規(guī)劃

2 交通軟土地下空間開發(fā)影響因素分析

交通軟土地下空間開發(fā)具有其獨(dú)特性，地下空間開發(fā)的關(guān)鍵基礎(chǔ)是地質(zhì)條件滿足與否，建筑基礎(chǔ)等建設(shè)現(xiàn)狀條件限制著地下空間的開發(fā)，施工條件差異引起的巖土層擾動(dòng)條件差異也對(duì)地下空間開發(fā)有一定的影響。該文將從地質(zhì)條件、既有結(jié)構(gòu)以及開發(fā)擾動(dòng)這3 個(gè)層面分析交通軟土地下空間開發(fā)影響因素，致力于準(zhǔn)確軟土地區(qū)交通地下空間地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)體系的建立。

2.1 地質(zhì)條件影響分析

2.1.1 地形地貌條件

地形地貌直接反映了地表高低起伏形態(tài)，是軟土地區(qū)交通地下空間開發(fā)給予考慮的首要因素，針對(duì)地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)可以從地面標(biāo)高和地形坡度兩個(gè)方面來分析對(duì)地下空間開發(fā)的影響。

地面標(biāo)高的影響主要表現(xiàn)為暴雨時(shí)期地勢(shì)低洼地區(qū)容易引發(fā)臨時(shí)積水區(qū)，地下空間開發(fā)的出入口位置與結(jié)構(gòu)以及對(duì)應(yīng)的工程防排水措施均受到影響。

地形坡度對(duì)地下空間與地表界面連接的空間形式有重要影響，平原地區(qū)可采用垂直交通方式聯(lián)系，施工復(fù)雜程度相對(duì)不高，且造價(jià)不高；地形較陡地區(qū)（10%～30%）可采用靠坡式地下空間結(jié)構(gòu)形式，施工復(fù)雜程度一般，造價(jià)偏高；對(duì)于坡度較大地形區(qū)，可采用施工復(fù)雜程度大、造價(jià)高的礦山法開發(fā)。

2.1.2 工程地質(zhì)條件

軟土的主要工程特性表現(xiàn)為含水率與孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度與滲透性低，在地下空間開發(fā)過程中容易導(dǎo)致大變形問題，引起工程事故，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。結(jié)合軟土特征，下伏軟土層厚度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮模量以及孔隙比可以用來衡量軟土對(duì)交通軟土地下空間開發(fā)的影響。

下伏軟土層厚度越厚，對(duì)地下空間的開發(fā)越不利。粘聚力和內(nèi)摩擦角是粘性土的重要力學(xué)特性指標(biāo)，土體抗剪強(qiáng)度對(duì)于地層及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響很大。壓縮模量反映的是巖土體抗變形能力的大小，壓縮模量越大，巖土體抗變形能力越好內(nèi)摩擦角。孔隙比越小，土越密實(shí)，壓縮性越低；孔隙比越大，土越疏松，壓縮性越高。土的壓縮性高，表明土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差，則土體的壓縮量大。

2.1.3 水文地質(zhì)條件

地表水是指與地下水聯(lián)系的一切江河湖海水體，地表水體較大程度地影響著周邊地下空間的開發(fā)建設(shè)難度，容易導(dǎo)致地下空間開發(fā)施工難度非常大且極有可能帶來流砂、突涌等現(xiàn)象，容易造成經(jīng)濟(jì)損失且可能引發(fā)安全事故。地表水體對(duì)地下空間開發(fā)的不利影響同地表水體與開發(fā)空間的水平距離和豎向距離成負(fù)相關(guān)，距離越大，影響越小。

潛水是埋藏在地表以下第一個(gè)穩(wěn)定隔水層以上的重力水，在地下空間開發(fā)過程中體現(xiàn)的不利影響表現(xiàn)在地下空間開發(fā)施工易改變地下水流場(chǎng)進(jìn)而發(fā)生滲流潛蝕突涌等災(zāi)變與對(duì)地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大托浮作用引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞兩種型式。地下潛水埋深越，對(duì)地下空間開發(fā)的影響越小，反之越大。

承壓水水壓力易引發(fā)地下土層流砂、地基滲透變形，不利于地下工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。承壓水中及其上部相鄰的土層最易發(fā)生流砂和突涌現(xiàn)象，所以承壓水埋深越淺、水頭壓力越大的地區(qū)，出現(xiàn)地下水突涌的可能性越大；相對(duì)而言，承壓水層埋深越深，對(duì)地下空間工程建設(shè)影響越有利，反之越不利。

地下水中含有一些具有侵蝕性的CO2、SO42、Cl-、H+等元素，當(dāng)腐蝕性元素含量過多，會(huì)腐蝕地下工程建筑混凝土結(jié)構(gòu)物和鋼結(jié)構(gòu)，造成相關(guān)設(shè)備的損壞，降低工程結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

2.1.4 地質(zhì)構(gòu)造條件

地質(zhì)構(gòu)造是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，一般表現(xiàn)為褶皺、斷層和裂隙，均會(huì)導(dǎo)致巖體發(fā)生變形或移位，破壞巖體完整性，較大程度地影響著工程建筑物的穩(wěn)定性。對(duì)交通軟土地下空間開發(fā)而言，主要影響因素表現(xiàn)為活動(dòng)斷裂和基巖面埋深。

活動(dòng)斷裂是第四紀(jì)以來活動(dòng)、至今仍在活動(dòng)的斷層，對(duì)地下空間開發(fā)建設(shè)的影響主要涵蓋3 個(gè)方面：（1）斷裂錯(cuò)動(dòng)與地表相通，導(dǎo)致地面引起位錯(cuò)破壞，處于錯(cuò)帶上的建筑難以用工程手段規(guī)避；（2）由斷裂活動(dòng)引發(fā)的次生效應(yīng)易誘發(fā)地基失穩(wěn)并且具有不可預(yù)見性、突發(fā)性以及極大災(zāi)難性等特點(diǎn)；（3）斷裂破碎帶由于裂隙密集，容易成為地下水的良好富集帶，而且?guī)r體強(qiáng)度低、軟弱夾層發(fā)育，對(duì)地下空間的開發(fā)利用具有嚴(yán)重安全隱患。

地質(zhì)體中的基巖一般為比較穩(wěn)定的部分，基巖面之上的覆蓋層由于其土體特征會(huì)對(duì)開挖建設(shè)產(chǎn)生不同的影響，基巖面埋深越淺的地方，上覆層越淺，對(duì)地下空間開發(fā)的影響越小。

2.1.5 不良地質(zhì)條件

不良地質(zhì)作用是指對(duì)地下空間開發(fā)不利的地質(zhì)作用，對(duì)建筑物的安全造成威脅，破壞性較大。結(jié)合交通軟土地下空間開發(fā)情況，不良地質(zhì)條件的不利影響因素可以用砂土液化和場(chǎng)地類別兩個(gè)方面來衡量。

（1）砂土液化是指在外界強(qiáng)烈振動(dòng)作用下，由于孔隙水壓力的增大導(dǎo)致土層水頭差的產(chǎn)生，進(jìn)而引發(fā)砂土懸浮液化，如果上覆土層厚度較薄或存在薄弱區(qū)域時(shí)，還有可能導(dǎo)致噴水冒砂，不利于地下空間開發(fā)。

（2）場(chǎng)地類別是表征場(chǎng)地穩(wěn)定性的指標(biāo)，與研究區(qū)內(nèi)的土體性質(zhì)及覆蓋層厚度關(guān)聯(lián)較大，參考抗震設(shè)計(jì)規(guī)范即可計(jì)算出場(chǎng)地類別。場(chǎng)地類別在一定程度上可以反映出不同場(chǎng)地條件對(duì)地震效應(yīng)的緩沖程度，基于建筑安全的角度考慮，場(chǎng)地類別對(duì)應(yīng)著不同的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，是地表建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃的重要依據(jù)，同樣也為地下空間開發(fā)利用提供參考。

2.2 既有結(jié)構(gòu)指影響分析

現(xiàn)狀地上建（構(gòu)）筑物及其基礎(chǔ)對(duì)地下空間資源的開發(fā)利用也有重要的制約作用，既有機(jī)構(gòu)對(duì)交通軟土地下空間開發(fā)的不利影響可以從地面空間現(xiàn)狀和地下空間現(xiàn)狀兩個(gè)方面來概括。

2.2.1 地面空間現(xiàn)狀

地面空間現(xiàn)狀條件主要包括地表建筑、地面道路等已有結(jié)構(gòu)設(shè)施，該文重點(diǎn)考慮快速路和主干路的影響。通過資料收集、數(shù)據(jù)分析可以提取得到屋頂矢量圖和地面道路矢量圖，在評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)，根據(jù)評(píng)價(jià)單元與既有地面建筑或道路的距離來評(píng)估影響，距離越大，影響越大；反之，則越小。

2.2.2 地下空間現(xiàn)狀

地下空間現(xiàn)狀主要包括既有地下建筑、建筑基礎(chǔ)、地下隧道、地下管線等結(jié)構(gòu)設(shè)施。相對(duì)地面空間現(xiàn)狀而言，對(duì)于地下空間現(xiàn)狀信息的獲取及統(tǒng)計(jì)分析難度更大。該項(xiàng)目主要考慮既有地下隧道、大型地下綜合體的影響，如地鐵隧道、市政地下隧道、地下商場(chǎng)等，依據(jù)評(píng)價(jià)單元與既有地下結(jié)構(gòu)的距離來確定影響，距離越大，影響越大；反之，則越小。

2.3 開發(fā)擾動(dòng)影響分析

目前，該省軟土分布區(qū)的交通地下空間開發(fā)主要以地鐵車站及隧道、地下交通綜合體、地下停車場(chǎng)等為主，且開發(fā)深度以淺層為主。該文以淺層交通地下空間開發(fā)最常用的基坑工程形式為代表，研究地下空間開發(fā)施工擾動(dòng)對(duì)巖土層及既有地下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)影響規(guī)律，地下空間開發(fā)的擾動(dòng)影響可以用地表沉降以及地下結(jié)構(gòu)位移來表征。

通過對(duì)不同地層情況下不同形式的地下空間開發(fā)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，可以得到地下空間開發(fā)引起的位移場(chǎng)空間分布并提取土體地表沉降最大值和結(jié)構(gòu)本身位移來評(píng)估施工擾動(dòng)影響，數(shù)值越大，開發(fā)擾動(dòng)影響越大。

3 交通軟土地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系確定

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

通過對(duì)影響軟土地區(qū)交通地下空間開發(fā)的工程地質(zhì)條件進(jìn)行分析，基于負(fù)面清單法指導(dǎo)、篩選規(guī)避了重疊因素，提煉出適用于交通軟土地區(qū)地下空間開發(fā)的適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體如表1所示。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

3.2 指標(biāo)體系建立

對(duì)于淺層交通軟土地下空間地質(zhì)條件適宜性評(píng)價(jià)，選取確定一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)為地形地貌條件、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造條件以及不良地質(zhì)條件，每個(gè)一級(jí)指標(biāo)下，根據(jù)影響程度不同又細(xì)分成多個(gè)二級(jí)指標(biāo)；由于中層和次深層地下空間位于地下15 m以下，地形地貌條件對(duì)其幾乎無影響，所以剔除了這項(xiàng)指標(biāo)；地下水腐蝕性對(duì)中層和次深層地下空間開發(fā)幾乎沒有影響，中層和次深層評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中剔除了這項(xiàng)指標(biāo)；地表水對(duì)次深層地下空間開發(fā)影響很小，次深層評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行了剔除；地面空間和地表沉降對(duì)次深層地下空間的開發(fā)影響小，次深層評(píng)價(jià)指標(biāo)體系剔除這兩項(xiàng)指標(biāo)；其余相關(guān)指標(biāo)均根據(jù)對(duì)不同層位的影響程度大小而進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，不同深度層次的軟土地區(qū)交通地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖2所示，圖中每個(gè)指標(biāo)下方方框中的S、M、D 分別代表淺層、中層、次深層，有顏色填充表示該指標(biāo)在該評(píng)價(jià)深度需要考慮。

圖2 不同深度層次的交通軟土地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

4 結(jié)語

該文結(jié)合浙江省交通建設(shè)快速、土地資源短缺以及省內(nèi)軟土分布廣泛實(shí)際，充分結(jié)合軟土特征，從地質(zhì)條件、既有結(jié)構(gòu)以及開發(fā)擾動(dòng)這3 個(gè)方面重點(diǎn)分析了交通軟土地區(qū)地下空間開發(fā)的影響機(jī)理，選取確定了適用于交通軟土地區(qū)地下空間開發(fā)的適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了評(píng)價(jià)軟土地區(qū)不同深度層次交通地下空間開發(fā)工程地質(zhì)適宜性的指標(biāo)體系，為交通軟土地下空間開發(fā)工程地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)提供參考。