天津滨海新区地下空间开发适宜性评价

王兰化，马武明，李明明，张　莺，崔凯鹏

（天津市地质环境监测总站，天津300191）

天津滨海新区地下空间开发适宜性评价

王兰化，马武明，李明明，张莺，崔凯鹏

（天津市地质环境监测总站，天津300191）

依据现有研究成果，本文论述了天津滨海新区工程地质背景。选取淤泥质土厚度、20m以浅粉砂土分布、第Ⅰ海相层底板埋深、地面沉降、地下水腐蚀性为评价因子，采用层次分析和综合评分数学模型，对滨海新区非明开挖及时支护的线性地下空间工程进行了适宜性评价。评价结果表明，区内东部沿海边一带地下空间开发适宜性较差，盾构施工及支护难度较大，占总面积的24%；西部、南部及北部地下空间开发适宜性较好，盾构施工及支护难度小，占总面积的46%；其余区域为一般区，盾构施工及支护难度中等，占总面积的30%。

天津滨海新区；工程地质；层次分析；地下空间开发

城市地下空间指城市规划区内地表以下的空间，包括地下管线、地下街、地下购物中心、地下娱乐设施、地下通道、停车场及人防工程等，是一种不可再生资源。城市地下空间作为一种新型资源，是立体化城市再开发的一种有效途径，在功能上可以成为地面空间的补充和完善。地下空间资源越来越多地利用于各种领域，已成为现代城市功能转入地下的重要载体。近些年，国内外学者针对地下空间开发利用中出现的的环境地质问题、影响因素及地下资源的综合评价，采用不同方法进行了综合研究和分析评价［1-7］。

天津滨海新区自被纳入国家总体发展战略后，其经济的快速发展和城市化进程不断加速。但滨海新区位于海河流域下游，自全新世以来，地层成因类型、空间分布受气候、古地理环境及海陆变迁的控制和影响。区内软土震陷，粉砂土液化、水土腐蚀等不良的工程地质现象，均会对地下空间开发起到制约作用。

以往天津滨海新区开展了大量的工程地质工作，但多数围绕城市建设进行城镇工业区、水利、铁路、工民建等工程地质勘探，研究成果以工程地质勘察为主，很少涉及地下空间的开发利用研究。

本文在中国地质调查局国土资源大调查项目研究成果基础上，结合前人资料，对天津滨海新区进行地下空间开发适宜性评价。

1　工程地质背景

1.1研究区概况

天津滨海新区地处华北平原东北部，区内水系发育，海河水系和蓟运河水系均由本区入海。近海陆地主要为盐碱荒地和沼泽，陆地与海域之间为滩涂。区内地势低平，处在我国典型的淤泥质海岸岸段北部渤海湾西岸。陆域西部为海积、冲积低平原，由海侵层和河流冲积层交互形成；陆域临海的海积低平原沿海岸呈带状分布，主要由滨海盐滩、泻湖洼地构成，地表以淤泥质粘性土为主，土壤盐渍化严重。

1.2工程地质层的划分

根据《中国地层表（2014）》规定，天津地质矿产研究所王强研究员建立了华北平原区第四系划分方案［8］，天津滨海新区100m以浅为中更新世中晚期以来的沉积地层，即：全新世［9］—天津组，晚更新世—塘沽组和中更新世晚期—佟楼组（表1）。

自新生代以来，天津滨海新区在构造上长期处于大面积沉降的背景下，经历了多次海陆变迁，沉积环境不断变化，促进堆积地貌的再改造，在河流冲积与海洋沉积交互作用下，历经沧桑巨变，沉积类型多种多样，工程层特性各异，形成独具特色的滨海地区工程地质条件。

勘察深度100m以浅自上而下所揭露的地层为第四系全新统、上更新统和中更新统，包括河流冲积相、湖沼相、滨海相沉积，岩性以粘性土和砂性土互层为主要特征。根据其地质时代、成因类型、岩性特征、沉积规律，将其划分为Ⅺ个工程地质层（表2）。

表1　华北平原第四纪地层系统Tab le 1 Quaternary stratigraphic system in North China Plain

表2　滨海新区各工程地质层分布特征Tab le 2 Distribution characteristics o f the engineering geo loey layers in BinhaiNew Aera

2　地下空间开发适宜性评价

从工程施工角度来分析，地下空间开发可分为两类：一类是非明开挖及时支护的线性工程；比如：城市交通隧道、隧洞和地铁线网，城市管网设施等，采用盾构导向开挖是最常见的一种施工方式。另一类是明挖支护的点工程；比如：地下广场，地下商场，步行街，地下停车场，防空洞，地下掩体等，类似于基坑的开挖。部分工程需要在浅层开挖，比如地下广场、地下停车场等，部分工程需要在深层开挖，比如地下储藏设施，人防工程等。

本文主要针对滨海新区非明开挖及时支护的线性地下空间工程进行分析评价。根据滨海新区的实际情况和工程地质条件选用盾构法进行非明开挖类工程施工方法，依据《地铁设计规范（GB50157-2013）》［10］规定：盾构法施工的区间隧道的覆土厚度不宜小于隧道外径轮廓直径，即起始开挖计算深度为10m。隧道影响范围为3倍隧道直径。考虑不均匀沉降对工程施工安全的影响，隧道评价底界深度一般不超过第一海相层底板埋深20m。

2.1非明开挖及时支护工程的工程地质问题分析

综合国内工程研究资料，我国沿海城市地下隧道多建在软弱土层中，容易出现沉降过大或流砂现象。

（1）工程地质问题

城市地下隧道所遇到的工程地质问题与施工方法有关，当采取暗挖法时，主要为围岩稳定、支护或衬砌的安全性及地表沉降。

（2）水文地质问题

当隧道穿越江、河底时，防止地下水渗漏的问题则尤为突出。地下水问题可分为两个方面：一方面为渗入地下水量大，影响工作，恶化围岩稳定性；另一方面是水位降幅过大，致使周围建筑物沉降过大而遭到破坏。

2.2评价因子的选择

盾构施工及隧道的安全与隧道影响深度范围内土体岩性组合有关，隧道上部土体岩性组合反映了地面沉降的问题，隧道中部土性组合反映开挖的难易程度和隧道开挖安全问题，隧道下部土性组合反映了下部土体在开挖时应力释放和荷载作用下的变形问题，可以等同于20m以浅粉（砂）土分布情况，第一海相沉积层底板埋深、淤泥质土厚度和20m以浅是否存在粉（砂）土反映了隧道运营期隧道的变形和差异沉降问题。地下水开采引起的地面沉降对运营期隧道地基变形影响极大；滨海新区100m深度内地下水含盐量高，对地下结构混凝土和建筑材料的腐蚀性会影响隧道安全。

图1　滨海新区淤泥质土厚度分区Fig.1 Thickness zoning o fmucky soil in BinhaiNew Area，Tian jin

针对非明开挖类工程的特点，根据研究区的地质环境条件，充分考虑各种不良地质环境因素对地下空间开发的制约，选择淤泥质土厚度、20m以浅粉砂土分布、第Ⅰ海相层底板埋深、地面沉降、地下水腐蚀性作为非明开挖类工程的评价因子。

（1）淤泥质土厚度

淤泥质土主要赋存在全新统（Qh）第I海相层中，滨海地区软土广泛分布，仅东部与河北接壤地区及大港西部钱圈水库附近缺失。软土底板埋深17.65～18.90m，一般厚度2.5～5.0m，轻纺经济区，塘沽天津港一带软土厚度最大超过10m（图1）。

（2）20m以浅粉砂土分布

20m以浅广泛发育全新统3段古河道、洼淀沉积层、全新统2段海相沉积层（第Ⅰ海相层）和全新统1段陆相冲积层（第Ⅱ陆相层），上述地层中普遍发育粉砂土沉积层，由于其沉积时代新，压实作用不充分，加之区内地下水位较浅，因此，普遍具有松散、饱水的特点，是饱和粉砂土地震液化的主要发生层位。绝大多数地区粉砂土厚度小于6m，粉砂土厚度大于10m的区域主要位于蓟运河、海河入海口，大港南部、汉沽东南部有少量分布；北塘水库以北、东丽湖附近、开发区西区西部、塘沽盐场中南部等地饱和粉砂土厚度较小，平均厚度在1m以下（图2）。

（3）第Ⅰ海相层底板埋深

图2　 20m以浅粉砂土厚度分区Fig.2 Thickness zoning o f uncon fined aquifers whose dep th a re less than 20 m

全新世海侵始自9 K a.B.P，大约在7～5K a.B.P海侵达到最大范围、几乎覆盖了天津市中南部的广大平原区，所形成的第Ⅰ海侵层洽如一楔状物插入陆地，研究区底板埋深西部及西南部13～14m，向东逐渐增加至19m左右，在天津新港一带超过20m（图3）。

（4）地面沉降

1986年以后，滨海新区充分利用引滦水等外调水源，大力压缩地下水开采量，地面沉降逐渐减少。近5年平均沉降速率20～30mm/a所占的区域最大，包括塘沽大部分地区、大港水库附近、汉沽蔡家堡到大田一线；平均沉降速率小于20mm/a的区域主要分布在黄港水库、生态城、汉沽开发区附近及大港水库南部地区；平均沉降速率小于10mm/a的区域仅在大港南部与河北接壤的地区分布；滨海新区西部受津南区地下水开采的影响，平均沉降速率超过30mm/a。

（5）地下水腐蚀性

图3　第Ⅰ海相层底板埋深分区Fig.3 Bu ried dep th zoning o f the bo ttom p la te （The firstmarine beds）

滨海新区地下水位随季节变化，地下水中Cl-离子含量高。研究区内地下水腐蚀性以强腐蚀为主，部分地区为中等腐蚀，仅在西部民航大学附近、茶淀及潮白河永定河局部地区为弱腐蚀。地下水腐蚀性有明显分带性（图4）。

2.3评价方法

非明开挖类地下空间开发适宜性评价框图（图5）。

定权采用层次分析法［11］，确定不同层组的评价判断矩阵；然后通过各组的指标项形成构造判断矩阵，采用最优矩阵传递法对群体判断矩阵进行计算，最终得到明挖支护类工程各评价因子的权值（表3），综合划分区间与等级划分（表4）。

图4　地下水腐蚀性（干湿交替）分区Fig.4 G roundw a te r co rrosion zoning （Alternate Drying-W etting）

图5　非明开挖类地下空间开发适宜性评价框图Fig.5 Suitability eva luna tion fo r the u tility tunne l construc tion o f unde rg round space deve lopm en t

式中：Z为综合评分值；ai为第i因素的权重；mi为对第i因素的评分。

2.4评价结果

评价结果（图6）表明：区内西部、南部及北部地下空间开发适宜性较好（Ⅰ类区），占总面积46%；中部为一般区（Ⅱ类区）；占总面积的30%，东部靠近海边为较差区（Ⅲ类区），占总面积24%。

表3　非明挖类（隧道）评价指标的权重及评价标准分值Tab le 3 Weight va lue and eva luation standard va lue for utility tunne l construction

表4　地下空间利用非明挖类（20m以浅）难易程度划分区间与评价Tab le 4 In te rva l d ivision o f d ifficu lt deg ree and eva luation for utility tunne l construction o f underground space deve lopment

图6　天津滨海新区地下空间开发适宜性评价分区Fig.6 Suitability eva lunation zoning o f the underground space deve lopment in BinhaiNew Area，Tian jin

Ⅰ区：主要分布于东丽、大港、官港水库西北部、塘沽西部、汉沽东北角至高庄一带；该区20m以浅粉砂土厚度多数小于6米；第Ⅰ海相层底板埋深一般小于14m；受津南区地下水开采影响，局部地区地面沉降年沉降速率较大；淤泥质土层厚度一般小于5m，局部有缺失区。该区为地下空间开发适宜性较好区，盾构施工及支护难度小。

Ⅱ区：主要分布在区内的中部；该区20m以浅粉砂土厚度一般小于6m；淤泥质土厚度在5m～9m。第Ⅰ海相层底板埋深一般大于16m；除局部地区，地面沉降年沉降速率一般小于30mm；地下水腐蚀性为中等～强腐蚀。该区在地下空间开发中可能遇到涌水、变形或侧壁失稳等工程地质问题，为地下空间开发适宜性一般区，盾构施工及支护难度中等。

Ⅲ区：主要分布于区内东部沿海一带；该区20m以浅粉砂土厚度一般小于4m，北部大于6m；淤泥质土厚度大于9m。第Ⅰ海相层底板埋深一般大于18 m；因海岸线附近处于地下水禁采区，地面沉降年沉降速率一般小于30mm；地下水腐蚀性为强腐蚀。该区在地下空间开发中可能遇到涌水突泥、管涌、变形或侧壁失稳等工程地质问题，为地下空间开发适宜性较差区，盾构施工及支护难度较大。

3　结语

采用层次分析和综合评分数学模型，对滨海新区非明开挖及时支护的线性地下空间工程进行了适宜性评价。结果表明：区内东部沿海边一带地下空间开发适宜性较差，盾构施工及支护难度较大，占总面积的24%；西部、南部及北部地下空间开发适宜性较好，盾构施工及支护难度小，占总面积的46%；其余区域为一般区，盾构施工及支护难度中等，占总面积的30%。

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Abstract：In thispaper，we builtsoilmoisture transform model，the crop rootwater absorptionmodeland the solute transportmodelwith using HYDRUS-1D software，and then，simulated the transportation and transformation of the nitrogen in unsaturated zone at Guanzhong basin in Shaanxiprovince.The results indicate:1）The ruleof crop root adsorbing water and nitrogen is consistent，and themain absorptionof ammonia nitrogen，the absorption rate is35%；2）the nitratenitrogen and nitrate aremore likely tobe leaching intogroundwater，and aremainly composedof nitrate nitrogen；3）Different unsaturated zone lithology has a great influenceonm igration rate and amountof nitrogen.

Key Words：nitrogen；unsaturated zone；m igration and transformation；HYDRUS-1D；Guanzhong basin

Suitability Evaluation for Underground SpaceDevelopment in BinhaiNew Area，Tianjin

WANG Lan-hua，MAWu-ming，LIM ing-ming，ZHANG Ying，CUIKai-peng

（Tianjin Monitoring stationsofGeologicalenvironment，Tianjin 300191，China）

Basedon previous research results，this paper discusses the engineering geological background in Binhai New Area，Tianjin.We assess underground space suitability evaluation in Binhai New Area by selecting mucky soil thickness，silty soil distribution（＜20m），aquifer bottom plate depthof the firstmarine beds，land subsidence，groundwater corrosion as evaluation factors and applying analytical hierarchy process andmathematical model.The resultsshow thateastern coastalarea，making up 24%of the totalarea，experiencespoorevaluation resultsw ith difficulty in shield construction and foundation pitsupport.North，westand southof thearea，making up 46%of the total area，experiences good evaluation results and is easy in shield construction and foundation pit support.Other partsof the area is general area with normal difficulty in shield construction and foundation pit support.

Binhai New Area；engineering geology；analytical hierarchy process；underground space development

M igrating and Transform ing Ruleof Nitrogen in Unsaturated Zone in Guanzhong Basin Based on HYDRUS-1DM odel

WANG Xiao-dan1，FENGWei2，WANGWen-ke3，CAOYu-qing4，XIAYu-bo1

（1.Tianjin Centre，China Geological Survey，Tianjin 300170，China；
2.China Instituteof Geo-EnvironmentalMonitoring，Beijing 100081，China；
3.SchoolofEnvironmental ScienceandEngineering，Changan University，Xi'an 710064，China；
4.CollegeofEnvironmentand Resources，Jilin University，Changchun 130026，China）

TU984.11+3；X141

A

1672－4135（2015）03－0299-06

2015-06-18

中国地质调查局国土资源大调查项目“天津滨海新区工程地质调查评价（1212011120090）”；“天津滨海新区1/5万工程地质调查评价（12120114033701）”

王兰化（1963-），男，硕士，教授级高工，主要从事水文地质、环境地质调查研究工作，E-mail:hjdzs@126.com。