天津城市建设工程地质稳定性综合分析

房万领，李学云，田德培，王林海

（天津市地质调查研究院，天津300191）



天津城市建设工程地质稳定性综合分析

房万领，李学云，田德培，王林海

（天津市地质调查研究院，天津300191）

摘要：本文根据天津市多年来取得的活动断裂及地壳稳定性调查资料，以构造稳定性研究为主，配合城市建设岩土体稳定性和地面稳定性的研究，采用GIS的分层分析方法，对天津城市建设工程地质稳定性进行了综合评价。以现今构造应力场新构造运动特点和地壳垂直变形和水平形变资料为依据，综合分析讨论了现今构造活动和地震活动规律。结合本区介质稳定性和地面稳定性，将宁河、汉沽地区及宝坻西部至武清河西务地区划为较不稳定区；将蓟县北部山区和大港南部划为较稳定区；其余地区为过渡区，划为次较稳定区。根据建筑抗震设计规范的有关规定，本区在城市建设规划时可不考虑区内断裂活动性对建筑物的影响。

关键词：构造稳定性；工程地质稳定性；介质（岩土体）稳定性；地面稳定性；城市发展

资助项目：国土资源部项目“天津市基岩地质构造调查与区域地壳稳定性评价（1212011220232）”

城市的发展将带动区域经济的发展和人民生活水平的提高。发达国家的人口约有70%～80%都居住在城市[1]。我国约有1/3人口居住在各大小城市[2]，城市化水准还偏低。随着经济的稳步、快速发展，城市化建设的进程也必然加快。天津市作为北方的经济中心，国际港口城市，生态城市，近年来城市建设飞速发展。从城市发展的历史长河中可知，恶劣的地质环境制约城市的发展，而优越的地质环境使许多城市历经数千年而长盛不衰[3-4]，因此，要保证城市建设可持续发展，必须依据城市的地质环境条件，科学地确定城市发展的性质和规模，充分发挥地质环境的效应和潜能，使之与城市规划和建设相协调。本文在全面阐述天津区域地质构造背景基础上，分析了天津地区浅部岩土体工程地质特征，并综合构造活动性、地基介质条件以及地面稳定性对天津市工程地质稳定性进行了评价，以期为城市规划和建设提供基础理论依据，实现城市减灾防灾，保障城市健康持续发展。

1　区域地质特征

1.1构造位置特征

天津市地处华北地台北缘，跨越燕山台褶带和华北断坳。华北断坳北界为宝坻断裂、蓟运河断裂和昌黎-宁河断裂与燕山台褶带为界，西界为太行山山前断裂，东界为郯庐断裂。地理上包括了现代海河的大部分及天津全部、河北、山东、辽宁的一部分。是周边被一系列深大断裂和隆起山区围成的断陷块体。本区域构造格架主要是两坳夹一隆。由西向东为冀中坳陷、沧县隆起和黄骅坳陷（图1）。隆起区基岩顶面埋深在千米左右，而坳陷区基岩埋深达八九千米。

1.2断裂分布特征

天津市位于北东向河北平原断裂带和北西向张家口-渤海断裂带的交汇部位。境内基底断裂纵横交错，按深度可划分为岩石圈断裂、壳断裂和盖层断裂三类，按展布方向可归纳为北东东-近东西向、北东-北北东向、北西-北北西向、南北或近南北向四组。北东向断裂主要有沧东断裂、天津断裂、大寺断裂等；北西向或近东西向断裂有海河断裂、蓟运河断裂、宝坻断裂、蓟县断裂等。据初步研究，多数属于活动性断裂。沧东断裂在与蓟运河断裂相交的苗枣庄至裴庄一带，上断点已影响到埋深50 m以上更新统中上部。根据地震地质调查和历史地震资料，沿断裂带附近迄今数百年间及唐山地震前后曾多次发生4～6级地震，在七里海附近曾发生4.2～4.9级地震达5次之多，说明断裂在晚更新世仍在活动的断裂。根据浅层人工地震探测资料，汉沽断裂在杨家泊和付村一带断裂上断点埋深分别达38～50 m，进入上更新统中上部。唐山地震时沿断裂带曾发生过4次4级以上的地震，其中两次震级大于6级，是本区震害最严重的地区之一，说明汉沽断裂是现今仍在活动的断裂[5-8]。这些断裂相互交汇，有些属规模大、活动性强的断裂，是潜在的震源区（图2，表1）。

图1　区域构造位置分区图Fig.1 Map of the Regional tectonic location

图2　天津市断裂构造分布图Fig.2 Tianjin fault structure distribution

1.3地震活动与地震灾害

1.3.1区域地震活动带

华北地区很多断裂带往往是地震十分活跃的地区，90%的地震发生在构造断裂带上。大地震常常发生在构造断裂带的交汇部位。

张家口-渤海地震带：呈北西向至北西西向展布。张家口-渤海断裂带及其邻近地区，从公元294年起至今，约有26次6级以上的地震和大量的中小地震，大部分地震群集中于断裂带与北东向断裂带交汇的地段，形成若干个地震密集区。近代有名的地震为1679年三河8级地震，1969年渤海7.4级地震。

河北平原地震带：呈北北东向展布，河北平原带内发生≧4.7级地震达40多次，近代有名的1969年河间6.3级和1976年唐山7.8级地震均发生在该带内。天津地区位于华北强震区，地震空间分布显示是不均匀性和呈带状特点。

天津市跨越了上述两个强震带。自公元294年以来，Ms≧4.7级地震明显呈现北西和北东向活动格局，华北地区Ms≧4.7级地震172次。

1.3.2天津及邻区地震活动概况

天津市以中小地震活动为主，并主要发生在本市的中东部，即靠近宝坻至宁河、汉沽一带（图3）。其周边地震活动强度高，是直接影响本市的地震活动。如唐山大地震引发的宁河6.9级、6.2级强震。

天津及邻区地震灾害有历史资料记载以来，天津地区共发生5级以上地震18次，其中较大的有5次（表2）。

除天津地域内的地震外，导致天津震害较为严重的大多数是邻区的强烈地震。据记载邻区发生的造成天津Ⅵ度以上破坏的地震共6次（表3）。

表1　天津市及周边主要断裂一览表Tab.1 Main fault structure of Tianjin and its surrounding area

图3　天津及邻区Ms≧5.0历史地震分布图Fig.3 Historical earthquake distribution map of Ms≧5.0 in Tianjin and adjacent regions

表2　天津地区地震历史记录表Tab.2 Earthquake history log sheet of Tianjin

表3　天津邻区地震历史记录表Tab.3 Earthquake history log sheet of Tianjin adjacent area

1976年唐山7.8级地震对天津市的破坏最为严重。宁河、汉沽的地震烈度达Ⅸ度，塘沽大部分地区达Ⅷ度，市区及其他地区为Ⅶ度，市区部分地区存在Ⅷ度异常区。近年来本区还发生了2002年5月19日宁河ML4.7级地震；2003年4月宁河小震群最大震级ML4.3级地震；2003年12月塘沽小震群最大震级ML4级地震；2003年8月宝坻林亭口ML3.7级地震；这些地震的发生说明区域应力在调整中。

2　天津地区浅部岩土体工程地质特征

天津市除北部基岩裸露外，其余地区均为第四系松散沉积层分布区，北部地区第四系地层较薄，数米到300 m，其他平原区厚度为300到410 m，岩性主要是粘土、砂质粘土、轻亚粘土、粉细砂及淤泥组成各类土层。高层大型工程建筑物对地基影响深度一般为20～30 m，超高层巨型建筑物或地下道路工程对地基影响深度达40～50 m以上，因此本文侧重研究查明50～60 m以上浅部的工程地层特性，特别是主要持力层和软弱层的组成、结构、厚度、埋深及分布规律，以及它们对建筑地基强度和变形直接影响的特性[9]。

根据土层的沉积相、地层岩性及其厚度、土层所处含水部位、土层的物理力学性质和分层标观测资料，该层土层主要是全新统及更新统上部地层，主要是河漫滩相地层（第一陆相层）、浅海相地层（第一海相层）及第二陆相层。其中第一陆相层承载力较低，但仍可做天然地基。第一海相层为软弱地层，主要岩性为淤泥质土及淤泥，不能做地基基础。第二陆相层为漫滩相及海陆交互相地层为中高强度持力层（表4）。将天津市区第四系地层划分为8个工程地质层，各层主要岩性及物理力学性质（表4）。

表4　天津市区第四系工程地质特征综合表Tab.4 Quaternary engineering geology characteristic in Tianjin urban district

3　存在的主要工程地质问题

3.1地面沉降

地面沉降是当前天津市最为严重的地质灾害之一，宝坻城关以南的广大平原区均有不同程度地面沉降，面积达9 538 km2，形成了市区、塘沽区、汉沽区、大港区及海河下游工业区等沉降中心。由于历史上长期抽取地下水，地面沉降灾害由来已久，随着天津市的多年控制沉降治理及替代水源的逐步配套，市区及滨海新区沉降量已经基本得到控制，但每年还保持着20 mm左右的沉降速率。天津市地面沉降灾害影响因素非常复杂，地面沉降产生的原因可归纳为自然因素和人为因素两类。从天津市地面沉降动态监测和现状沉降分析，人为因素造成的区域性沉降量，已远远大于自然因素产生的沉降量（图4）。

3.2软土地基

软土具有强度低，压缩性高和透水性小等对工程建设不利的特点。本市的软土主要是埋藏于全新统中段内第一海相层中的淤泥质粘土和淤泥，在滨海地区厚度大，分布广，尤其是滨海平原区及潮间带区为甚。此外，还有陆相黑色或灰色淤泥质土和淤泥，分布蓟县山前冲洪积扇前缘与平原区交界部位，一般埋深较浅，近于地表埋深0.2～2 m，最深为4 m，一般厚为0～1.4 m，最厚为2.7 m。在淤泥质土中多夹泥炭层，俗称“马粪土”，为山前冲洪积扇前缘地下水溢出带为湖沼沉积。

在软土地基修建各类建筑物时，必须注意地基的变形和稳定，稍有疏忽，将导致建筑物产生过量沉降或差异沉降，进而导致其开裂、失稳，最终产生破坏。

3.3地基土的液化

可以液化的土类主要是饱和砂性土和饱和粉砂。根据1976年7月28日唐山7.8级地震震害砂土液化调查资料，结合多年来已有的地基勘察液化判别资料，划出了天津市液化区域和可能液化区的范围（图4）。从土层埋藏条件分析，可液化土层上覆土层厚度多小于6～8 m，地下水埋深小于2 m。故认为本区都属可液化范围。从土性特征来看，就粉土而言，根据颗分资料粘粒含量Pc（%）多为小于13%，属可液化土层。根据上述影响砂土液化诸因素的分析，结合唐山7.8级地震液化的实地调查资料，可以看出液化带的分布特征：多沿海河及北运河沿岸分布；沿蓟运河及其支流如泃河、州河、箭杆河、鲍丘河、窝头河等沿岸分布；沿现代海岸及潮间带地区分布。砂土液化是较复杂的工程地质问题，是否液化取决于地质条件和地震条件等因素综合作用的结果，液化土层的分布受地质年代、成因类型、地下水条件及地形地貌等条件制约。

4　天津地区工程地质稳定性综合性评价及分区

4.1综合性评价原则

（1）以构造稳定性评价为重点，配合介质稳定性和地面稳定性进行综合评价[10-11]。

（2）根据《工程地质调查规范》[12]在区域地壳稳定性评价与分区中，在稳定性方面按4级划分的基础上，结合本区特点进一步进行细分（表5）。

（3）时间和空间上，分别侧重选用第四纪以来的时限范围和地壳表层的稳定程度。

表5　天津市区域稳定性等级划分表Tab.5 Regional stability grade division in Tianjin urban district

图4　天津市1967-1985年地面沉降累计沉降等值线和地基土液化范围分布图Fig.4 Contour map of accumulative surface subsidence in Tianjin 1967-1985 and Distribution diagram of the foundation soil liquefaction range

4.2综合评价指标

采用GIS的层次分析方法进行地壳稳定性综合评价，并结合本区情况将构造活动（包括断层活动、地震、地壳变形做主要因素）、介质工程地质条件、地面变形等做参考指标，根据各个因子对稳定性影响程度，专家打分确定权重系数（表6）。

4.3综合性评价及分区

4.3.1稳定性综合评价

（1）构造稳定性

1）构造稳定性主要表现为断裂的现今活动强度及其与地震活动强度和频度的关系。从区域地质构造背景分析可知，天津地区跨越张-渤地震带及河北平原地震带。地震群集于张-渤断裂带与北东向断裂带交汇地段，本区以中、小地震活动为主，主要发生在市区的中东部即靠近宁河、汉沽一带，其周边地震活动强度高，直接影响到本地区地震活动；2）第四纪活动断裂的海河断裂、蓟运河断裂等上断点埋深约在100 m以下，说明断层最新活动时间在晚更新世以前，大部分在Q1-Q3之间，尚未在全新世（Q4）地层中发现断点；3）本区蓟县山区和大港南部地区地震烈度为Ⅵ度，峰值加速度为0.10 g；蓟县山前平原至宝坻北部和中心城区、新四区、静海及大港北部等地区地震烈度为Ⅶ度，峰值加速度为0.15 g；宁河、汉沽地区及宝坻西部-武清河西务地区地震基本烈度Ⅷ度，峰值加速度为0.20 g。本区不存在稳定区和不稳定区。

表6　地壳稳定性分级评价指标确定Tab.6 Earth crust stability grading evaluation index

（2）岩土体稳定性

岩土体稳定性亦即介质稳定性，主要考虑作为建筑物持力层的稳定性。本区北部为低山丘陵区，基岩裸露多为块状，以层状岩石为主，这些地区稳定性较好。冲洪积平原区以硬地基土为主，稳定性较好，东部滨海平原区广布软土，自西而东靠近海岸带地区厚度增大，土体稳定性差。

（3）地面稳定性

本区外动力地质作用较弱，在1986年以前市政府对控制沉降未采取治理措施前，市区、塘沽、汉沽、大港等地区地面变形较大，出现数个漏斗区，采取控沉措施之后上述现象得到控制，可以认为地面基本处于稳定状态。

4.3.2稳定性综合分区

根据上述评价原则及评价指标作如下分区（图5）：

（1）天津地区总体上属较稳定区（Ⅱ），局部地段属较不稳定区（Ⅲ），没有稳定区（Ⅰ）和不稳定区（Ⅳ）。

（2）宁河、汉沽地区以及宝坻西部-武清河西务地区为较不稳定区（Ⅲ）。（3）蓟县北部山区和大港的南部为较稳定区（Ⅱ1）。（4）其余地区为过渡区，划为较稳定区（Ⅱ1）和次较稳定区（Ⅱ2）。

5　结论与建议

（1）以构造活动为主结合地基介质条件及地面

稳定性将天津地区划分为三个分区：

图5　天津工程地质稳定性综合评价分区图Fig.5 Comprehensive evaluation zoning map of engineering geology stability in Tianjin

1）宁河、汉沽地区及宝坻西部—武清河西务地区。地震基本烈度Ⅷ度，峰值加速度为0.20 g；2）大港南部和蓟县北部山区为次稳定区（Ⅱ1）；3）除上述两区（Ⅲ、Ⅱ1）外，其他地区均为较稳定区（Ⅱ）。中心城区及重点建设区虽跨越海河断裂，断裂在更新世早、中期有活动迹象，但海河断裂东段及中段活动性弱，不具备发生中强地震的条件，海河断裂西段虽具有一定的潜在活动性，但仍没有发生中强地震的条件。

（2）在地层划分的基础上，对城市建设区各典型工程地质层的物理力学指标进行了对比区分，并对各工程地质层进行了工程地质评价，将建设区内0～410m厚度内自上而下划分为8个工程地质层。以此划分标准为依据，将平原区30 m以浅地基土的稳定性进行了划分，中上部承载力普遍较低，下部为中高强度的持力层。

（3）在前人地质构造研究成果基础上，进一步确定了对城市建设区内构造稳定性具有决定影响的几条较大的第四纪以来有过活动断裂，即海河断裂、天津断裂、沧东断裂、大寺断裂与宜兴阜断裂。虽然晚更新世以来和全新世在城市建设区基本未见活动，但还是要注意在城市规划和工程建设中对其避让。

（4）本区发育有软土和饱和易液化砂（粉）土等不良工程地质层，局部地区是场地液化和震陷的易发区。在地震灾害曾经较严重的区域，易产生地震引发的破坏，工程建设中需做专门性工作，结合具体建筑工程，加强场区的液化判别和震陷的评价工作。

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中图分类号：P642.4

文献标识码：A

文章编号：1672-4135（2016）01-0064-07

收稿日期：2015-06-09

作者简介：房万领（1960-），男，1983年毕业于河北地质大学水文地质专业，现从事国内外水工环地质勘探评价、地球物理勘探和矿产地质勘探与评价工作，Email：fangwanling@126.com。

Comprehensive evaluation and analysis on the engineering geological stability of Tianjin urban construction

FANGWan-ling，LI Xue-yun，TIAN De-pei，WANGLin-hai

(Tianjin Instituteof Geological Survey and Research, Tianjin300191)

Abstract：According to the survey data of active faults and crustal stability, a comprehensive evaluation of Tianjin urban construction engineering geological stability was carried with GIS hierarchical analysis method in this paper. The study on tectonic stability was major aspect while the study on urban construction medium stability and ground stability were complementary. Based on the new characteristics of current tectonic stress field movement and thedataof crustal vertical deformation and horizontal deformation, acomprehensiveanalysis of current tectonic activity and earthquakeactivity ruleswerediscussed. Combined with themedium stability and ground stability, the Ningheregion, Hangu region and theregion of Bodi west to Wuqing Hexiwu wereclassified to lessstability; the Jixian northern mountainsand Dagang south wereclassified to quitestability; therest regions were classified to the transition area, that is the quite stability and secondary stability.According to the relevant standards of building seismic design, it is not necessary to consider the effects of faults activity on the buildings for thisresearchareaincity constructionplanning.

Key words：Engineeringgeological stability; tectonicstability; medium(rock andsoil) stability; groundstability