北京市雨水排蓄地下廊道建设地质适宜性研究

乔　玲

(北京市水文地质工程地质大队，北京 100195)

北京市水资源紧缺，供需矛盾突出。降水时空分布不均，雨水利用率不高。2012年“7.21”和2016年“7.20”两次强降雨，引发严重内涝，导致全城瘫痪，造成巨大经济损失，严重威胁城市安全。同时，雨污合流已成为北京市地区水环境污染日益严重的主要原因之一[1]。

为进一步提高中心城防洪排涝能力，北京市将启动规划建设西部、东部排蓄廊道工程，预计廊道总长约100 km，蓄滞能力达到800万m3，地下水廊道将实现雨水从地下排出，有效避免城市内涝[2]。规划雨水廊道对于改善城市内涝、加强雨水利用和改善水环境具有十分重要的意义。而建设雨水综合廊道，则要在综合考虑地质、水文地质条件、地质环境等问题基础上开展。本文以保证首都防洪安全为前提，在北京市中心城区范围内，从区域稳定性、岩土体稳定性、地下水影响等方面分析了影响雨水管廊建设的地质因素，构建了雨水综合廊道建设适宜性评价指标体系，确定了雨水综合廊道建设的适宜深度，划分出雨水调蓄综合廊道建设适宜性分区。

1　研究区概况

北京市平原区是由永定河、潮白河、温榆河、蓟运河、大石河等河流相互作用叠置塑造而成的山前缓倾斜冲洪积原，地势西北高，东南低。北京市中心城区主要位于永定河冲洪积扇上(见图1)，第四纪厚度自山前不足10 m到东南部逐渐增厚，最厚处达600 m，含水层也由山前单一的砂卵砾石层逐渐过渡到砾砂、砂质黏土互层的多层结构[3]。北京市中心城地面沉降主要发生在永定河冲洪积扇和潮白河冲积扇交接地带黏性土层沉积厚度较大的地区。

图1　研究区位置图

北京市中心城区地下水总体径流方向由西北向东南流，局部受地下水开采或工程降水的影响，地下水流场相应变化。潜水在各大河流冲积扇顶部一般埋深都较大，永定河冲洪积扇顶部地区达到40 m；冲洪积扇中下部及各冲积平原区，地下潜水水位埋深一般10～25 m。承压水在开采的条件下，改变了其自然流场，尤其是东郊来广营以东、王四营以南等地形成降落漏斗，承压水头埋深25～50 m。

2　地下廊道建设地质适宜性分析

2.1　评价指标确定

影响北京市平原区地下空间开发的地质因素主要包括区域稳定性、围岩稳定性、不良地质作用和地下水等因素。

(1)区域稳定性。地下空间使用期限内的工程场地应无地壳差异性升降，无活动性断裂和强烈地震影响而产生开裂、沉降或破坏，或由于振动引起地下水运动状态的改变以及发生砂土液化等。若遇活动性断裂，大型的工业场地或地下线性工程必须避让[4-7]。

(2)围岩稳定性。地下空间是在岩土体中开拓出来的，因此地下岩土体稳定性问题是地下空间开发中普遍存在的工程地质问题[8]。岩土体的种类和空间分布对其地下空间开发利用的适宜性影响较大。岩土体结构单一，岩性为砂土、碎石土的容易满足岩土体稳定性要求，为地下工程适宜区。饱和黏性土、非饱和黏性土岩土体稳定性较差，为工程建设适宜性较差区。

(3)不良地质作用。不良地质作用主要包括岩溶塌陷、砂土液化、地面沉降及地裂缝等。在岩溶区存在坍塌滑动的潜在危险，为地下工程建设不适宜区。饱和砂土发生液化后失去抗剪能力，岩土体自稳能力丧失，地下空间围岩稳定性降低，为地下工程建设不适宜区。地裂缝是地表岩土体在自然因素或人为因素作用下，产生开裂并在地面形成一定长度和宽度的现象，地裂缝能导致地下工程围护结构开裂，地基失稳，应以避让。

(4)地下水影响。地下水对岩土体工程性质有很大影响，地下水引发的工程地质问题是城市地下空间普遍存在的重大问题。地下水易软化岩石，浸润岩体结构面，且常将泥质物带入结构面，将结构面变成软弱结构面，从而大大削弱岩体强度；地下水还能产生动水压力和静水压力，促使岩土体的变形失稳与破坏，在地下水位高的区域开发地下空间，必须考虑抗浮问题。

同时，地下工程的修建对地下水也有一定的影响。参考地铁工程对地下水流场的影响分析，地铁与地下水流场正交，减少了地下水过水断面的面积，从而使第四系全新统承压含水层地下水水位产生一定程度的壅高。地铁走向与水流方向正交，建设初期短时内对水位有壅高的影响，建成后影响逐渐减小[9]。走向与地下水流向基本一致，对地下水的阻隔作用不甚显著，地下水流场所受到的影响较小[10-13]。

2.2　地下廊道建设适宜区划分

2.2.1适宜深度确定

地下空间的开发利用深度一般分为四层，地表至地下10 m为浅层开发，地下10～30 m为次浅层开发，地下30～50 m为次深层开发，地下50 m以下为深层开发。目前，北京地区1～6层不带地下室工程建筑，基础埋深一般不超过3 m。带1～2层地下室的6层以上多层建筑和高层建筑物，基础的埋深一般在6 m左右。地下照明、通讯、电力及燃气、上水、污水管线等，主要沿道路和人行便道铺设，埋设深度2～6 m。地铁工程深度一般是20 m，局部达到30 m。

卵砾石地层压缩性较低，地基土的承载力很高，是良好的地基持力层。据研究，中心城西部和西南部地区第一层卵石层埋深小于10 m，中心城北部、东北部、东部和东南部大部分地区第一层卵石层埋深20～30 m。考虑到中心城区分布多层地下室的高层建筑物及地下各种公共设施，地下廊道建设适宜深度应建在埋深30 m以下第一砂卵砾石层中。

2.2.2适宜区划分

以地下空间开发利用适宜性为目的的工程地质分区与地上建设的地基条件的工程地质分区不同，它应对地下空间工程地质环境质量做出综合的工程地质评价。根据现行工程地质理论，对地下空间开发利用工程地质适宜性评定宜采用多因素工程地质条件综合叠加分析法[4]。依据场地的稳定性、围岩稳定性、地下水条件、不良地质作用等将场地工程建设适宜性分为适宜、较适宜、适宜性差和不适宜四类(表1)。

表1　地下空间工程建设适宜性分类

按照上述标准，将中心城地下空间工程地质环境适宜性分为四个区，见图2。

图2　中心城地下空间适宜性分区图

I区：适宜性较好区。分布于永定河冲积扇顶顶部地区，地表除薄层粉土外，其下为较厚的砂卵石层。本区工程地质条件良好，地下开发空间的围岩稳定性较好，地下水位埋深普遍在35 m以下。浅层开发空间内一般不需降水，可采用通用地下施工与作业技术；在次浅层空间域内开发时需采取降水措施。在山前地带基岩揭露亦浅，在掘进时需采用基岩开挖设备。

Ⅱ区：适宜性中等。主要分布于永定河故河道二级阶地。为多层岩土体结构，由西向东砂卵石层埋深加大，厚度变薄，地下水埋深25～35 m不等，区域稳定性较好，地面沉降影响较小，岩土体稳定性较好。一般需要降水，岩土可掘性较好，可采用通常地下施工与作业技术，建筑防水要求高，施工技术难度一般。

Ⅲ区：适宜性差。位于中心城中北部，地处温榆河、潮白河、永定河冲积平原，扇缘交汇部位。该区较稳定，地层以粉土、黏性土为主夹有砂性土，表层多分布新近沉积土层，地下水条件复杂，为潜水位以下承压水水位以上，地面沉降危害一般(累计沉降量300～500 mm，沉降速率≤10 mm/a)[14]，工程地质条件较复杂，洼里地区有岩溶塌陷风险，施工时需加强围岩稳定措施，防止流砂与塌方发生。

IV区：不适宜区。主要分布于中心城的东北和东南部，地层以粉土、黏性土为主，夹有砂性土，表层多分布新近沉积土层，地下水条件复杂，受开采影响地下水位埋深较大，地下饱和砂土和粉土易发液化，区域稳定性差，有活动断裂和地裂缝，地面沉降危害严重(累计沉降量500～1000 mm，沉降速率30～50 mm/a)[14]，工程地质条件复杂，施工时需加强围岩稳定措施，防止流砂与塌方发生。

3　结　论

雨水廊道对于改善城市内涝、加强雨水利用和改善水环境具有十分重要的意义。综合考虑区域稳定性、岩土体稳定性、地下水水位等地质因素，对北京市中心城区雨水廊道建设适宜性进行了评价，划分为四个区。适宜性较好区分布范围在东冉村-玉渊潭-十八里店以南，南岗洼-羊坊-大白楼以北地区。适宜性中等区分布在昆明湖-故宫-通州城关一线。适宜性较差区分布在海淀-平房-清河-洼里-东坝一带，不适宜区分布在清河-洼里-东坝以北地区，王四营以南。