长沙市城市地下空间开发利用的地质因素分析

邓佩如，关 欣，李巧云 (湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙410128)

按照《长沙市城市总体规划(2003－2020)》，长沙市将实现“1小时都市圈”目标，预计2020年，长沙轨道交通通车里程将达234.3 km，轨道交通占公共交通出行量的40%(均不包括长株潭城际铁路)［1］。2014年4月29日，长沙市地铁2号线一期工程正式开通运营，全长22.26 km。截至2011年，长沙市已建成总长度为68 km，贯通河东及河西的天然气管道［2］。根据《关于进一步明确我市结合民用建筑修建防空地下室有关规定的通知》规定，人防工程逐渐民众化［3］。长沙市规划局公示，将在2014年8月对黄兴路地下、地铁1号线区间上方建立一个建筑总面积达10 046.8 km2的地下商业街［4］。由此可见，长沙市已完全进入了一个地下空间综合开发利用的重要阶段。

地下空间的开发利用以地质体为基础，区域的水文地质和工程地质条件将不可避免地被改变。地下空间资源的科学合理地利用对解决城市建设发展中遇到的一系列城市问题:环境污染、交通堵塞、用地紧张等有着不容忽视的作用。相反，不合理的开发利用会对人类的生活环境产生一系列的地质问题，如地面开裂、地面塌陷、地下水污染等。如何平衡经济发展与环境保护，科学合理地利用地下空间资源成为长沙市综合发展所需要深入思考的新课题。因此，开展长沙市地下空间开发面临的地质因素分析，针对潜在的地质环境问题提出切实可行的对策建议，对长沙市城市地下空间规划建设与资源可持续利用具有重要的现实意义。

1 影响地下空间开发的主要地质因素

1.1 岩土体工程性质对地下空间开发影响分析 长沙盆地位于湖南省东部的浏阳河与燕山断带的西南断陷处。整个地形沿湘阴断带断陷以南、株洲断带断陷以北、雪峰山以东分布，盆地地形多且复杂。主要分布的丘陵景观类型包括岩石、花岗岩丘陵、红岩丘陵地形，其次是砂页岩、泥灰岩丘陵、喀斯特丘陵和梯田漫滩阶地地形。它的形成主要是第四纪更新世的网纹红土和冲积性砂砾。沿湘江流域两岸、望城县、宁乡县东北部等一带主要分布着第四系Q冲积性或湖积性的砂砾、粘土及粉砂质粘土。浏阳地区主要分布着中元古界时期冷家溪群Pt2lj的板岩、变质砂岩，同时还夹有少部分的玄武质火山岩(花岗闪长岩和富斜花花岗岩)。宁乡县西部主要受雪峰山脉影响，芙蓉区、星沙一带主要分布着白垩系时期的红色砂岩、砂砾岩、钙泥岩。北面主要分布着燕山时期侏罗纪时的火山花岗岩。西面宁乡县一带主要分布着第四系、白垩系、泥盆系等多个时期的岩石地层。临近娄底市地段主要分布着印支期三叠系的二长花岗岩(图1)。

研究表明，长沙盆地地层浅层分布有厚约13.5 m的黏土、粉砂、淤泥及其他杂填土等。上段为人工杂填土，即地表硬壳层，大部分未完成自重固结，往往密实程度都不高。下段是高压缩性的软弱淤泥层，具有低力学强度和低抗剪强度性的特点。中部有湘江和浏阳河冲积沉积留下的厚约18.10 m的交互粗砂和粉砂质粘土、细砂等。砂层与淤泥质土相互作用的输出，在夹层中软弱的部分分布着由于湘江变化而产生的厚约1.90～3.50 m泥质砂砾卵(碎)石和含砾粘性土，进而形成了含有泥质圆角砾碎石的漂石层［5］。

对于不能完成自重固结的部分，在地下空间开发过程中极易造成土体结构被破坏，使其强度进一步降低，从而导致土壤排水固结需要更长的时间。比如在处置不当的外部载荷作用下施工容易造成不同程度的沉降，导致桩基不稳的建筑物发生倾斜和漂移。同时，由于泥岩、泥质粉砂岩、砾岩裸露地表失水干燥，易产生收缩裂隙，浸水后易吸水膨胀，容易湿化崩解。另外，长沙盆地中部分布有透水性较好的砂土，基坑开挖将改变地下水流场排水，宽松的粉砂和饱和细砂所产生的砂流管道可能会诱发地面沉降，进而导致基坑边坡失稳［6］。

1.2 断裂构造对地下空间开发的影响分析 该区地处宁乡－浏阳东西向褶断带上，构造线方向主要为东西向，其次为北东向及北西向。区内褶皱主要有岳麓山向斜、牛头大岭向斜、福林塘向斜等，断层有二里半断层、爱晚亭断层、桃花岭－荣湾镇断层、燕子塘断层等。主要的活动断裂带有(图1):①公田－宁乡活动断裂带，断裂走向北东，倾向北西，倾角30～45°。沿断裂带北段泊罗组与新开铺组呈直线状接触，南段白沙井组与桔子洲组接触，且物探异常。据钻探查明，断裂北西侧第四系80～125 m，南东侧厚20～40 m，反映两盘垂直断距达40～110 m，并且是一条活化了的基底断裂。据历史记载，沿断裂及交汇带附近多次发生过地震。②长沙－岳麓山活动断裂带。由东向12～23活动断裂和北西向92、93、95活动断裂组成，倾向北西，其中14活动断裂是该带内发育延伸最长的一条。断裂带沿线多处滑坡近旁的粘土层中裂隙褶曲发育，局部张性小断裂组成发育［7］。据史料记载，在断裂带沿线地震活动较频繁，这些断裂构造为表面上覆松散层覆盖，地表很难发现，对长沙市地下空间工程建设危害较大，并给工程带来较大安全隐患。

断裂构造对地下空间开发利用的影响主要表现为:①断裂破碎带裂隙密集，岩体强度低，是良好的地下水富集带，为地层内地下水和有害气体的运移提供通道，较常见的工程灾害有地下水运移导致的地面变形，地表水渗流带来的水土流失，深埋隧道的涌水和毒气安全威胁;②断裂活动产生的次生效应，如砂土液化地基失稳，具有突发性、不可预见性和极大灾难性的特点，其破坏主要表现在断裂两盘位移活动频繁，造成差异沉降错动，造成地下建构筑物开裂错位及地下管道破裂等影响，威胁地下线路安全运行。

1.3 地下水对地下空间开发的影响分析 地下水的赋存状态和水位的变化是地下水对地下空间开发利用的重要影响因素。富水性越好，地下水埋深越浅，越不利于城市地下空间的开发利用。根据资料记载，长沙市地下水主要富水地段概况见表1。地下水对地下空间利用的影响主要体现在:①在地下空间开挖施工过程中，由于破坏地下水流场原有的完整性，容易造成基坑或管道渗流涌水和突水，威胁施工作业人员的安全，增加地下工程建设的难度。长沙市的地铁隧道底界为12～30 m，开挖隧道将形成临空面低水位区，改变了原有地下水径流，使周围地下水向临空面内汇集。②地下水对地下结构产生的浮托作用，施工中疏干排水及后续地下水补给使地下水位发生急剧变化，若防水措施或抗浮措施不当，可能导致地下工程建筑结构发生破坏，威胁其安全运营。③长沙市区广泛分布地下热水，可分为上部第四系孔隙层状承压热水和下部花岗岩类构造裂隙脉状承压热水，地下工程建设与上部第四系孔隙层状热水埋深于斗门站到屏山站存在交集区间，同时地下热水的高温及地热中富含的等离子对钢混凝土结构具有弱腐蚀性，构成持久的安全隐患。

1.4 地面塌陷对地下空间开发的影响分析 长沙市地面塌陷分为岩溶塌陷和采空塌陷。研究表明，长沙市境内分布71处地面塌陷，岩溶塌陷多发生在下部灰岩中、上部有第四系冲洪积物覆盖的坳谷地带;岩溶塌陷发育于区域内构造密集复杂、断层及褶皱密布区;岩溶塌陷集中分布在区内地下水集中径流带上;岩溶塌陷多分布在河床及其两岸低阶地及冲沟中心地带。采空塌陷多发生于三叠系、二叠系、石炭系、第四系地层等赋存煤、粘土矿的地区的采空区地带［9］。2011年湖南省地质灾害统计显示，人为因素诱发的岩溶塌陷占全国总数的86.6%，塌坑占总数的99.8%［10］。地面塌陷危害主要表现在突然毁坏城镇设施、工程建筑、农田，干扰破坏交通线路，造成人员伤亡。在进行地下空间开发前，应该充分考察好开发区域的地质情况，避免发生不必要的事故和灾难。

表1 长沙市地下水主要富水地段概况［8］

2 防治对策与建议

目前，长沙市正处在地下空间开发利用的关键时期，科学、合理、有效的防治措施是科学、合理开发长沙市地下空间资源，减小城市生产生活负面影响的必需。

2.1 合理、科学地制定地下空间开发利用详细系统的规划 目前，长沙市没有一部科学合理的总体规划，对地下工程开发深度也没有详细控制和规定。现有关专业型规划管理范围仅限于单方面，对其他的地下空间类型没有效力，容易发生“无部门管理，无法规可依”的现象。建议市政府编制独立的长沙市地下空间开发利用总体规划，为合理科学开发利用长沙市地下空间资源提供更全面、更具体的法律保障。同时，对地下空间的开发深度和强度进行详细的控制和规范，避免出现不安全开发和资源浪费现象。

2.2 政府采用科学的方法，严格合理审批地下空间开发项目 政府应该根据地下空间建设的实际情况，尽快进行地下空间审批的法律法规建设，严格控制审批的程序，对所申报的项目应该从“技术专业、安全可持续、合理有效”3方面进行审核。聘请相关专业的技术单位对地下空间开发的可行性进行严谨科学的论证，进行详细的项目开发的利弊分析，呈报相关的技术报告。同时，尽早颁布关于地下空间建设的技术标准和安全规定。

2.3 把好安全关，做好地下工程勘察工作 相关项目申请单位应该聘请专业的技术单位对拟建区水文地质条件和岩土工程地质条件进行详细的调查，获取详实的工程勘察资料，如加强地下水位的动态观测和水质监测研究，减小地下水对地下空间开发建设施工和安全运行的影响;尽量避开区域稳定性差和地质构造条件不良地段;工程布置阶段应尽量避免沿向斜轴布置，遇到褶皱断层时，尤其应注意穿向斜部位，应因地制宜采取规避或者加固的方法，避免裂隙岩溶水透水事故发生;对浅部地下工程建设时，采用降低地下水位方法时应该尽量避开岩溶发育段，减少岩溶地面塌陷问题和降低岩溶透水事故发生率;对于深部地下工程，必要时需建立相应的防渗墙，形成很好的隔水空间，避免发生局部透水突沙事故。另外，摸清城市地下有害气体的分布规律等，有针对性地布置工程项目，制定合理的工程施工方案，最大限度减小地质因素对地下空间开发项目的影响。

2.4 做好城市地下工程开发地质因素的评价、动态监测和预测 政府应成立相关的工作小组，对长沙市相关的地质环境背景和地质材料进行详细的记录和整理分析，建立一个系统动态的信息数据库，综合评价未来长沙市地下空间开发的地质灾害危险性。预测一定时间段会面临的地质问题，提早采取相应的对策，规避将面临的危险，为制定长沙市地下空间防灾减灾预案提供有效的依据。

3 结语

随着长沙城市化进程的加快，城市土地利用日益紧张，地下空间的开发利用已迫在眉睫。通过对长沙市开发地下空间资源可能面临的地下水、岩土体工程性质、断裂构造、地面塌陷等主要地质因素的分析，提出开发利用地下空间资源应在制定科学合理的城市地下空间总体规划，进行科学严谨的建设项目论证，做好建设项目工程勘察工作基础上，依据城市发展水平和社会需求，循序渐进地开发城市地下空间，实现长沙地下空间资源的可持续发展。

［1］湖南省人民政府.长沙市城市总体规划2003－2020(2014年修订)［R］.2014.

［2］曾力力.长沙天然气管道昨日穿越湘江，总长度为1450米［N］.三湘都市报，2011－03－01.

［3］长沙市人民政府.关于进一步明确我市结合民用建筑修建防空地下室有关规定的通知［R］.2014.

［4］长沙黄兴路将建地下商业街，总面积过万平方米［EB/OL］.(2014－08－27)http://www.hn.chinanews.com/news/2014/0827/217835.html.

［5］杨柳.长沙市区岩土体工程地质特征［J］.冶金矿山设计与建设，1997，29(6):15－18.

［6］李贵仁，刘慧林，赵龙辉，等.湖南省城市地质资源在城市规划建设中的作用探讨［C］//中国地质调查局.全国主要城市环境地质调查评价学术交流会议论文集.北京:地质出版社，2010:216－220.

［7］湖南省地质环境监测总站.长沙县地质灾害调查与区划报告［R］.2007:70 －73.

［8］长沙市规划局.长沙市地下水概况［EB/OL］.http://www.cusp.gov.cn/.

［9］王川，赵亚辉，刘新华.浅析长沙市地质灾害发育特征及防治对策［J］.地质灾害与环境保护，2010，21(4):12 －19.

［10］湖南省地质环境监测总站.长沙县地质灾害调查与区划报告［R］.2011:80 －83.