環(huán)境地質(zhì)對(duì)寶坻區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)的影響分析

張 洋，張朋飛，李先瑞

（天津華北地質(zhì)勘查局核工業(yè)二四七大隊(duì)，天津 301800）

寶坻區(qū)位于京津冀協(xié)同發(fā)展的京唐秦發(fā)展軸上，處于天津市域空間布局的西部城鎮(zhèn)發(fā)展帶上，定位為京津聯(lián)動(dòng)橋頭堡和京唐秦發(fā)展軸現(xiàn)代大中型城市[1]。為了更好地規(guī)劃和開(kāi)發(fā)寶坻區(qū)地下空間資源，有必要從環(huán)境地質(zhì)角度開(kāi)展適宜性評(píng)價(jià)。

1 影響地下空間開(kāi)發(fā)的環(huán)境地質(zhì)因素

對(duì)寶坻區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)影響比較大的不良地質(zhì)現(xiàn)象主要有斷層與地裂縫、地面沉降、砂土液化與地震等[2]。

1.1 斷層與地裂縫

斷層是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的一種表現(xiàn)形式，反映出地殼自形成以來(lái)仍在不斷地運(yùn)動(dòng)和發(fā)展[3]。除具有非活動(dòng)斷裂的特性外，其穩(wěn)定性較差，存在一定突發(fā)性地震的可能，對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)的影響較大，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。一是活斷層地面錯(cuò)動(dòng)和附近巖土體變形會(huì)直接損害跨斷層修建或建于其附近的建筑物與地下工程，不因地下空間埋深而變化；二是地震時(shí)，活斷層發(fā)震會(huì)直接破壞其上的建筑物和開(kāi)發(fā)的地下空間；三是活斷層是產(chǎn)生不良地質(zhì)現(xiàn)象的重要影響因素，活斷層發(fā)育地帶往往產(chǎn)生較大的地形高差，地下水容易入滲，加大風(fēng)化強(qiáng)度，容易產(chǎn)生滑坡、崩塌、泥石流等現(xiàn)象。

斷裂帶大量開(kāi)采地下水常造成地裂縫，地裂縫對(duì)地下空間資源可用程度的影響與斷層類(lèi)似，易造成地下建（構(gòu)）筑物開(kāi)裂、錯(cuò)位及地下管道破裂。因此，應(yīng)考慮地裂縫對(duì)地下空間資源質(zhì)量的影響，嚴(yán)禁在地裂縫嚴(yán)重地區(qū)進(jìn)行城市地下空間開(kāi)發(fā)。

1.2 地面沉降

地面沉降對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)的影響較大。它會(huì)引起地下建筑物沉降、變形，引起地下流體管道的損壞、變形，造成泄漏和倒流，給地下空間開(kāi)發(fā)增加困難，導(dǎo)致標(biāo)高變異和混亂、分段施工對(duì)接錯(cuò)位等。目前，我國(guó)許多大城市不同程度地存在地面沉降現(xiàn)象。根據(jù)《全國(guó)地面沉降防治規(guī)劃（2011—2020年）》的安排，我國(guó)以長(zhǎng)江三角洲地區(qū)、華北地區(qū)、汾渭盆地為主要目標(biāo)區(qū)，用10年時(shí)間，查明全國(guó)地面沉降災(zāi)害現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)、形成原因及分布規(guī)律，建立重點(diǎn)地區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，建立健全政府主導(dǎo)、部門(mén)協(xié)同、區(qū)域聯(lián)動(dòng)的地面沉降防治工作體系，形成適合國(guó)情的地面沉降防治與地下水控采技術(shù)方法體系。地面沉降應(yīng)作為地下空間資源評(píng)價(jià)的一個(gè)要素加以分析。選取沉降速率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)較為準(zhǔn)確，其等級(jí)劃分為輕微級(jí)、一般級(jí)、較嚴(yán)重級(jí)和嚴(yán)重級(jí)[4]。

1.3 砂土液化與地震

砂土液化現(xiàn)象往往伴隨地震而產(chǎn)生，強(qiáng)烈地震發(fā)生后，新近堆積的飽和細(xì)粒松散地層常常會(huì)出現(xiàn)液化現(xiàn)象，在液化地段及其鄰近地表，地基失效會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)破壞，進(jìn)而造成上部結(jié)構(gòu)破壞。另外，噴水冒砂是砂土液化的宏觀標(biāo)志，大面積噴水冒砂會(huì)掩埋農(nóng)田，淤塞渠道。影響砂土液化的主要因素有：地震時(shí)波及砂土區(qū)的地面最大加速度或地震烈度、地震持續(xù)時(shí)間、地下水位以及飽和砂土的密度、埋深與厚度等。

砂土液化對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)的影響程度與砂土液化指數(shù)及場(chǎng)地地震烈度有關(guān)，液化的發(fā)生需要同時(shí)滿足3個(gè)條件[5]：土質(zhì)為疏松或稍密的粉砂、細(xì)砂或粉土；土層處于地下水位以下，呈飽和狀態(tài)；遭遇大中地震。在地震的作用下，飽和松散的砂土尤其是粉細(xì)砂，其顆粒趨于密實(shí)并重新排列，土中孔隙水無(wú)法排除，瞬間處于懸浮狀態(tài)，失去地基承載力，造成砂土液化。因此，液化指數(shù)和地震烈度是評(píng)價(jià)砂土液化程度的重要指標(biāo)。根據(jù)液化指數(shù)，砂土液化可以劃分為3級(jí)，即輕微、中等、嚴(yán)重。

2 環(huán)境地質(zhì)因素危險(xiǎn)性分析

寶坻區(qū)處于平原地區(qū)，無(wú)山地特有的崩塌與滑坡危險(xiǎn)性，因此僅就地震危險(xiǎn)性、地面沉降危險(xiǎn)性和砂土液化危險(xiǎn)性進(jìn)行分析。

2.1 地震危險(xiǎn)性

經(jīng)天津市基巖地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查與區(qū)域地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，全新世以來(lái)，對(duì)地殼穩(wěn)定性有影響的斷裂主要為近東西向的寶坻斷裂，它是寧河-張家口斷裂的東段。該斷裂是一條多期活動(dòng)的繼承性張性斷裂，自燕山期產(chǎn)生以來(lái)，一直活動(dòng)到晚新近紀(jì)，各個(gè)時(shí)期活動(dòng)都較強(qiáng)烈。該斷裂全線隱伏，走向近東西，傾向南，傾角為45°～60°，斷距大于1 000 m，延展長(zhǎng)度約為80 km，自西向東貫穿寶武公路、連子營(yíng)、王辛莊、潮白河、津薊鐵路。

寶坻斷裂為隱伏活動(dòng)斷裂，斷裂南北兩盤(pán)基巖埋藏深度差異懸殊，在斷裂北部寶坻凸起上，第四系沉積一般厚度達(dá)數(shù)百米，下伏即古生界或中、上元古界地層，而斷裂南部武清凹陷中生界埋深大于3 000 m，甚至可達(dá)9 000 m，新近系斷距為1 000～1 500 m。經(jīng)推斷，該斷裂可能發(fā)育于古生代，而中生代時(shí)期又復(fù)活動(dòng)，至新生代，活動(dòng)更為強(qiáng)烈，饒陽(yáng)組由寶坻斷裂北盤(pán)向南盤(pán)延伸，突然增厚，顯示斷裂在早更新世可能發(fā)生強(qiáng)烈活動(dòng)。受唐山-豐南地震牽動(dòng)，在斷裂附近小震活動(dòng)頻繁，推測(cè)其為全新世活動(dòng)斷裂。寶坻斷裂活動(dòng)強(qiáng)烈，但因其向南傾，傾角較緩，歷史上沒(méi)有強(qiáng)震分布，現(xiàn)今弱震頻繁。寶坻斷裂至今還在活動(dòng)。

2.2 地面沉降危險(xiǎn)性

寶坻區(qū)地面沉降以寶坻斷裂為界，斷裂以北基本為不沉降區(qū)，年均沉降量為1～2 mm，主要為構(gòu)造性沉降，斷裂以南地區(qū)存在人為引起的沉降區(qū)。1985—2016年，寶坻區(qū)整體累計(jì)沉降量小于800 mm，寶坻區(qū)整體上屬于地面沉降輕微區(qū)。2016—2018年，年平均沉降量均維持在5～6 mm。2016年，最大沉降量為27 mm，位于爾王莊鎮(zhèn)中部。2017年，沉降量10 mm以上的測(cè)點(diǎn)主要分布在寶坻區(qū)中部和南部。2018年，最大沉降量為20 mm，位于牛家牌鎮(zhèn)西老鴉口村，最大沉降點(diǎn)主要分布在寶坻區(qū)中部和南部。2019年，平均沉降量為9 mm，比2018年增大3 mm，最大沉降點(diǎn)位于寶白公路大楊各莊橋處，沉降量為22 mm。

2.3 砂土液化危險(xiǎn)性

根據(jù)已有勘察揭示的土層情況，寶坻區(qū)20 m深度范圍內(nèi)存在多個(gè)粉砂層，需要進(jìn)行地震液化判別。為使計(jì)算結(jié)果利于工程安全，地下水位按埋深0.5 m考慮。地震液化判別依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010），首先進(jìn)行初判，初判存在地震液化可能的通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)進(jìn)行判別。根據(jù)項(xiàng)目勘察的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)資料，按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）對(duì)其液化情況進(jìn)行判定。液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值的計(jì)算公式為

式中：Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值，次；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，取12次；ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度，m；dw為地下水位，m；ρc為黏粒含量百分率（%），當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)采用3；β為調(diào)整系數(shù)，設(shè)計(jì)地震第二分組取0.95。

寶坻區(qū)以往項(xiàng)目一般無(wú)液化土層，僅有1個(gè)項(xiàng)目局部鉆孔發(fā)現(xiàn)液化土層。該項(xiàng)目砂土液化判別成果如表1所示，其中，液化土層為5-2粉土層和6-2粉土層，最大液化指數(shù)分別為2.26和1.00。各地層巖土均為粉土。樣品1采集于321孔5-2粉土層；樣品2和樣品3采集于340孔5-2粉土層；樣品4采集于345孔6-2粉土層；樣品5采集于354孔5-2粉土層，樣品6和樣品7采集于354孔6-2粉土層。液化等級(jí)與液化指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。另?yè)?jù)宏觀調(diào)查，1976年唐山地震波及天津市時(shí)，寶坻區(qū)無(wú)噴水冒砂現(xiàn)象，結(jié)合以往項(xiàng)目勘察資料，綜合判定寶坻區(qū)大部分地區(qū)屬不液化場(chǎng)地。

表1 項(xiàng)目液化判別成果

表2 液化等級(jí)與液化指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 結(jié)論

天津市寶坻區(qū)處于平原地區(qū)，無(wú)山地特有的崩塌與滑坡危險(xiǎn)性。雖然寶坻斷裂活動(dòng)強(qiáng)烈，但因其向南傾，傾角較緩，歷史上沒(méi)有強(qiáng)震分布，引起的地震和地面沉降危險(xiǎn)性較小。個(gè)別項(xiàng)目局部鉆孔發(fā)現(xiàn)輕微液化，大部分地區(qū)屬不液化場(chǎng)地。斷層與地裂縫、地面沉降、砂土液化與地震等環(huán)境因素總體對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)的影響較小，寶坻區(qū)屬于適宜開(kāi)發(fā)區(qū)。