宜昌市城市地下空间工程地质研究

2014-07-05钱丹生

资源环境与工程 2014年3期

钱丹生

(湖北省地质环境总站工程地质调查评价中心，湖北荆州 434020)

0 引言

宜昌市规划要建成拥有547万人的特大型城市，定位为世界著名的水电旅游名城、长江中上游区域性中心城市、湖北省域副中心城市，这将大大推进整个城市的跨越式发展。城市形成沿江带状多组团的空间布局结构，主要沿长江城镇聚合带布局，城市发展空间受限。为了适应宜昌市的发展需要，规划的地铁三号线将在中心城区通过过江隧道穿过长江，随后地铁工程也将随着发展而全面展开。利用地下空间向地下发展城市交通，极易诱发出现地面塌陷、隧道透水和特殊类土变形等工程地质问题，必须做好开发利用区划，使地下空间得到充分合理的利用。因此，对宜昌市城市地下空间开展工程地质研究具有现实意义。

1 地下空间的物质载体及组合特征

1.1 地下空间的物质载体及其分布［1］

宜昌市中心城区地面高程在54～165 m，长江河谷最低标高5～25 m，残丘陵及山地165～219.7 m，长江水位38.67～43.97 m。根据宜昌市目前的经济技术水平和城市发展需要，地下空间利用的下限一般宜在－40 m标高。该空间内的物质载体如下:

前震旦系结晶杂岩，主体岩性为石英闪长岩体、斜长花岗岩体，其间有后期侵入的伟晶岩脉、辉绿岩脉等。分布在北西部太平溪—三斗坪一带，构成侵蚀剥蚀中山—低山区。在山脊处裸露全—强风化层厚10～20 m;在冲沟处被人工填土覆盖，强风化层厚2～3 m，上覆盖层最大厚度达55 m。

震旦系—奥陶系碳酸盐岩，主体岩性为薄—巨厚层状灰岩、白云质灰岩夹砂岩、页岩，分布于莲沱—南津关一带，构成黄陵背斜南东翼单斜构造侵蚀剥蚀中山—低山区，形成有天柱山、三游洞、白马洞等。

白垩系—第三系碎屑岩，主体岩性为薄—厚层状粉细砂岩、泥岩及砂岩互层夹砂砾岩，分布于南津关—猇亭一带，经长期风化剥蚀和城市建设改造成现今的残丘岗地，厚度达4 930 m。

第四系松散土体，更新统(Q1－3)下部为砾石夹土，中部局部为粉细砂土，上部为粘性土夹砂土。厚度5～120 m。呈斑块状零星分布于小溪塔、西陵、西坝、伍家岗、猇亭、白洋、宜都一带的长江一级—五级阶地，多具二元结构。全新统(Q4)为粘性土，主要分布于长江及其主要支流河床、江心洲、漫滩、一级阶地，在沟谷地带冲洪堆积、斜坡地带残坡堆积，前者具典型的二元结构和多韵律特征。

1.2 载体的组合特征

地下空间载体的组合主要指其在水平方向的连续性和垂直方向的分层性，前者主要受控于构造断裂，后者主要取决于沉积相的变化。

1.2.1 横向地下空间载体组合

地下空间载体在水平方向主要沿断裂和不整合接触面组合构成。

宜昌单斜，略成三角形插入淮阳山字型西翼反射弧砥柱—黄陵背斜东翼与长阳东西向构造带之间。受新构造运动影响，西部呈断块式隆升，东部下降，在黄陵背斜和宜昌单斜周缘有活动性断裂环绕，西侧有北北西向的仙女山断裂和北北东向九湾溪断裂，南侧有北西西向的天阳坪断裂，北侧有北西向的雾渡河断裂，北东侧有北北西向通城河断裂和远安断裂。

宜昌单斜岩层平缓，位于黄陵背斜的南东翼，西侧与黄陵背斜为沉积不整合关系，共生有微弱褶皱和小断裂构造;雾渡河断裂斜切黄陵背斜，为一基底断裂，中、新生代复活切割盖层，属压扭性活动性断裂;天阳坪断裂由两条相距很近的断层和许多小断层组成，属逆掩断层，中、新生代存在活动性;仙女山断裂具张扭性和压扭性，垂直断距达数百米。

1.2.2 垂向岩土体组合

宏观上看，北西部有前震旦纪的古老结晶杂岩出露地表，中部有震旦纪—奥陶纪沉积的以海相碳酸盐岩为主的沉积岩系和之后东南部白垩纪—早第三世沉积的巨厚的陆相碎屑岩红色岩系，以及最后在低丘谷地、长江多级阶地上沉积的第四纪各类松散土体。

微观上看，－40 m标高以上地下空间岩土体组合有多种组合类型。古老结晶大型岩基组合，主要为石英闪长岩和斜长花岗岩，分布于太平溪—三斗坪一带低山地区;海相碳酸盐岩组合，主要为灰岩和白云质灰岩，分布于莲沱—南津关一带中山地区(图1);陆相碎屑岩组合，主要为粉细砂岩、泥岩夹砾岩，分布于南津关—猇亭一带的残丘岗地，厚度大;各类松散土体，主要为粘性土、粉细砂土夹砾石，一般具典型的二元结构，主要分布于长江多级阶地、低丘谷地和猇亭—白洋一带［2］(图 2、图 3)。

图1 1-1'剖面图Fig.1 Section 1-1'

图2 2-2'剖面图Fig.2 Section 2-2'

图3 3-3'剖面图Fig.3 Section 3-3'

2 岩土体工程地质条件

2.1 岩土体工程地质性质

黄陵背斜核部结晶块状岩类，为前震旦系坚硬花岗闪长岩，岩性硬脆，强度高，表层常风化呈碎石、砂土状。震旦系—奥陶系强岩溶白云质灰岩及灰岩，岩性硬脆，常形成高陡边坡，卸荷裂隙较发育，易产生掉块或局部崩塌。所夹页岩遇水易软化、泥化和崩解及产生压缩变形破坏。白垩系—第三系红层构成宜昌单斜，为中厚层状、钙质或泥质胶结，由较坚硬的砂岩、砂砾岩和较软弱的泥岩组成，因此强度差异较大。泥岩具有亲水性强、遇水膨胀、软化、泥化、失水干裂、风化速度快、抗滑稳定性差的特点，易形成软弱泥化夹层，使岩体整体强度和稳定性降低(表1)。

表1 岩体强度特征值Table 1 Feature value of the rock mass intensity

第四系松散土体，更新统下部砾石层，承载力较高;中部局部夹细砂层，承载能力低，有可能产生振动液化及管涌;上部粘性土，可塑—硬塑状，承载力较高，有弱—中等胀缩性。全新统下部砾石层结构松散，承载力较高;粉细砂层易产生振动液化，淤泥质土具有更高的压缩性，由其组成的边坡稳定性差，易产生塑性变形及滑移;上部粘性土呈软塑—可塑状态，承载力差异较大(表2)。

表2 土体力学特征指标Table 2 Mechanics characteristic indexes of the soil bodies

2.2 岩土体赋水条件

宜昌市地下空间含地下水类型较多、含水层较厚、富水程度差异较大，主要赋存在前震旦系结晶岩风化壳裂隙中、震旦系—奥陶系的碳酸盐岩中和第四系全新统、更新统砂砾石粉细砂层中。震旦系—奥陶系碳酸盐岩岩溶洞隙水，岩溶管道复杂，地下水位一般埋深＞50 m。前震旦系结晶花岗闪长岩含少量风化裂隙水和构造裂隙水，季节变化明显，富水程度较差(表3)。

表3 地下水含水岩组水文地质特征Table 3 Hydrological feature of the groundwater－bearing bed

对地下空间利用影响较大的地下水类型主要有松散岩孔隙承压水。第四系全新统冲积砂砾层、粉砂层含水岩组，主要分布于一级阶地，前缘与长江相通，两者水力联系紧密，地下水位与江水位变化近于一致，水量中等富水。第四系上更新统冲积砂砾石层、粉砂层含水岩组分布于长江二—五阶地及支流岸坡，地下水动态与大气降水关系密切，水量贫乏。白垩系—第三系分布于小溪塔—伍家岗区段，一般因渗透性差，水量极其贫乏，可看成是其它地下水体的隔水岩体。

3 岩土体工程地质问题

依据前述地质基础条件，宜昌市地下工程建设主要存在三大工程地质问题，即地面塌陷、隧道透水和特殊类土变形问题。

3.1 地面塌陷

地面塌陷主要分为岩溶地面塌陷和采空地面塌陷两种类型。南津关碳酸盐岩地区岩溶发育，形成有较多的地下暗河和溶洞，如三游洞、白马洞、龙泉洞等，但还未形成岩溶地面塌陷。北部樟村坪化工矿业经济区，多年来以大中型磷矿开采为主导，采空后卸荷作用使裂隙张开，易于地表水入渗和地下水的渗漏，导致采空区大量积水，顶板冒顶，形成地面塌陷多处，总面积147 120 m2。中心城区铁路坝—九码头一带，在上世纪70年代，在一级阶地粘性土体上建设地下洞室较多，受大气降雨和长江地表水的影响，多数长期处于积水废弃状态，并已发生多处地面塌陷。

3.2 隧道透水

对于浅部地下工程，在第四系、白垩系—第三系非岩溶地区降水施工过程中，主要易出现基坑渗水或硐室围土变形的工程地质问题，具体表现在基坑的坑壁上层滞水的渗漏，硐室顶板侧壁的渗水流沙等方面;对于深部地下工程，在前震旦系—奥陶系岩体中施工时，将会贯通较多的溶洞和地下暗河，应特别注意岩溶洞水的透水事故发生。

3.3 特殊类土的变形

在地下空间载体中，全新统和更新统土体中较普遍地隐埋的特殊类土包括人工填土、软土、粉细砂土、膨胀土，是地下工程施工中需要密切注意的问题。人工填土填埋在沟、坑、暗塘、边坡岸坡地带，具有不均匀性、湿陷性、自重压密性及低强度、高压缩性的特点。软土主要分布于长江河谷一级阶地的樵湖岭—铁路坝一带，或局部暗塘、湖边裸露于地表，浅部地下工程中经常遇到，一般呈流塑状态，天然含水量高、孔隙比大，具有触变性、流变性、高压缩性、低强度、低透水性和不均匀性的特点。粉细砂土主要在铁路坝、市政府、伍家岗等处分布，在地下水位以下易出现振动液化和流沙现象。膨胀土在长江二级、四级和五级阶地上局部分布，受地下水影响后具有弱—中等胀缩性。在地下工程中，当基坑或硐室开挖后，人工填土易出现垮塌，软土失去侧限，易出现塑流挤出变形，饱和粉细砂土易出现液化，膨胀土受到地下水作用后会出现胀缩性变形，均对地下工程产生不利影响，从而导致基坑的边坡坍塌、裂缝，硐室顶板侧壁的冒顶片帮，甚至塌陷等。

4 地下空间利用区划

4.1 地下空间利用区划

根据地下空间载体工程地质性质与水文地质条件，划分为4个利用区(图4)，即以岩浆岩结晶岩体为主的A型利用区、以层状碳酸盐岩夹碎屑岩为主的B型利用区、以层状碎屑岩与老粘土为主的C型利用区、以松散松软土体和层状碎屑岩体为主的D型利用区。

A型利用区，分布于太平溪—三斗坪地区，三峡工程建设对原始地形改造较大，存在较多的开挖和回填区，要重点防范浅部人工填土的不均匀性和高压缩性导致的沉陷垮塌变形;B型利用区，分布于莲沱—南津关和北部樟村坪地区，因长年的人类采掘活动和地下水影响，要重点防范樟村坪地区的采空地面塌陷和南津关—莲沱一带地下岩溶管道形成的导水通道，防止因麻痹思想导致的透水事故发生;C型利用区，分布于小溪塔—猇亭一级阶地内侧残丘岗地，为优先利用的相对隔水岩体。要注意防范单斜红色碎屑岩系中受季节影响的局部岩溶裂隙水和泥岩夹层遇水后膨胀、软化、泥化产生的蠕动和老粘土中含有膨胀土的变形;D型利用区，分布于西陵—伍家岗临江一级阶地和猇亭—白洋地带，要重点防范上部松散松软土中的孔隙承压水和一级阶地暗塘、湖地处的人工填土沉陷垮塌、软土高压缩性和流变性、粉细砂土的液化沉陷及流沙变形。

图4 宜昌城市地下空间组合及利用区划图Fig.4 Urban underground space combination and use zoningmap of Yichang

4.2 地下空间利用方法［2］

在A利用区，地下工程应尽量避免工程布置在回填边坡区。在B利用区，应尽量避免在地面塌陷区和沿长江外侧临水布置，在高程上也尽量避开岩溶发育段，减少与碳酸盐岩岩溶管道遭遇的机会，降低岩溶透水事故发生率。在C利用区，应注意泥岩受局部地下水的渗漏作用而产生蠕动变形导致岩体强度和稳定性降低。在D利用区，松散松软土体浅部地下工程进行降水时，除降低下伏孔隙承压水外，还要对上覆孔隙潜水，尤其是透镜状产出的上层滞水进行疏干，避免发生坑壁透水流沙事故。松散松软土体区深部地下工程应尽量避开利用特殊类土作为硐室顶板和硐身，避免硐室因围土塑流变形而发生地面沉陷事故。地下工程应尽可能避开地面密集建筑群，尤其是采用桩基础的高层建筑区，应沿空旷场地、轻荷载低矮建筑区布置，减小地下工程施工对桩基础的影响，减轻对周边建筑产生的损害。