交通软土地下空间开发工程地质适宜性评价指标体系研究

余以强 严鑫* 肖旦强 詹伟 胡智

(1.浙江省交通运输科学研究院 浙江省道桥检测与养护技术研究重点实验室 浙江杭州 311305;2.浙江省交通运输科学研究院 浙江杭州 310023)

软粘土在浙江省广泛分布，尤其以海相软黏土为主，具有高含水量、弱透水性、固结速度缓慢、大孔隙比、高压缩性、低抗剪强度、触变性（结构性）、流变性等工程特性[1-2]。杭州、宁波、温州、绍兴等地的城市轨道交通正进入快速建设时期，伴随交通软土地下空间开发深度和广度的增加，开发技术难度也逐渐增加，尤其是在复杂多变的施工扰动与交通荷载影响下，软土很容易由于强度不足引发变形甚至失稳与渗蚀等不利灾变，导致重大基础设施和邻近建（构）筑物关联破坏，诱发道路、地下管线、地铁隧道等大面积工程尺度灾害[3-5]。由此，为了科学指导交通软土地区地下空间的合理开发，有必要对地下空间开发层次开展工程地质适宜性评价。

鉴于工程地质适宜性评价指标体系作为交通软土地下空间开发评价的基础[6-7]，该文将围绕交通软土地下空间开发属性，重点结合浙江软土分布广泛典型特点，详细分析交通软土地下空间开发影响机理，针对不同交通软土地下空间开发深度层次建立了工程地质适宜性评价指标体系，旨在于准确评价交通软土地区地下空间开发工程地质适宜性。

1 交通软土地下空间开发地质适宜性评价层次

地下空间资源可逆性差，开发工程具有永久性属性，后期地下空间开发需考虑先前开发的地下空间结构，为此，在进行地下空间规划时应具有前瞻性，科学合理地对深度层次进行分类。

参考国内城市地下空间开发层次规划（如图1 所示），按照资源开发竖向层次原则，根据浙江省内各地市目前的开发程度和已掌握地质资料程度，兼顾交通软土地区地下空间开发建设工程经验与规划需求，将交通软土地区地下空间开发划分为3 个层次：浅层地下空间，0～10 m，地下服务设施和建筑为主；中层地下空间，10～30 m，大型地下设施与地铁为主；次深层地下空间，30～50 m，地下空间储备区。

图1 国内城市地下空间开发层次规划

2 交通软土地下空间开发影响因素分析

交通软土地下空间开发具有其独特性，地下空间开发的关键基础是地质条件满足与否，建筑基础等建设现状条件限制着地下空间的开发，施工条件差异引起的岩土层扰动条件差异也对地下空间开发有一定的影响。该文将从地质条件、既有结构以及开发扰动这3 个层面分析交通软土地下空间开发影响因素，致力于准确软土地区交通地下空间地质适宜性评价体系的建立。

2.1 地质条件影响分析

2.1.1 地形地貌条件

地形地貌直接反映了地表高低起伏形态，是软土地区交通地下空间开发给予考虑的首要因素，针对地质适宜性评价可以从地面标高和地形坡度两个方面来分析对地下空间开发的影响。

地面标高的影响主要表现为暴雨时期地势低洼地区容易引发临时积水区，地下空间开发的出入口位置与结构以及对应的工程防排水措施均受到影响。

地形坡度对地下空间与地表界面连接的空间形式有重要影响，平原地区可采用垂直交通方式联系，施工复杂程度相对不高，且造价不高；地形较陡地区（10%～30%）可采用靠坡式地下空间结构形式，施工复杂程度一般，造价偏高；对于坡度较大地形区，可采用施工复杂程度大、造价高的矿山法开发。

2.1.2 工程地质条件

软土的主要工程特性表现为含水率与孔隙比大、压缩性高、强度与渗透性低，在地下空间开发过程中容易导致大变形问题，引起工程事故，造成较大的经济损失。结合软土特征，下伏软土层厚度、粘聚力、内摩擦角、压缩模量以及孔隙比可以用来衡量软土对交通软土地下空间开发的影响。

下伏软土层厚度越厚，对地下空间的开发越不利。粘聚力和内摩擦角是粘性土的重要力学特性指标，土体抗剪强度对于地层及结构稳定性影响很大。压缩模量反映的是岩土体抗变形能力的大小，压缩模量越大，岩土体抗变形能力越好内摩擦角。孔隙比越小，土越密实，压缩性越低；孔隙比越大，土越疏松，压缩性越高。土的压缩性高，表明土体的结构强度差，则土体的压缩量大。

2.1.3 水文地质条件

地表水是指与地下水联系的一切江河湖海水体，地表水体较大程度地影响着周边地下空间的开发建设难度，容易导致地下空间开发施工难度非常大且极有可能带来流砂、突涌等现象，容易造成经济损失且可能引发安全事故。地表水体对地下空间开发的不利影响同地表水体与开发空间的水平距离和竖向距离成负相关，距离越大，影响越小。

潜水是埋藏在地表以下第一个稳定隔水层以上的重力水，在地下空间开发过程中体现的不利影响表现在地下空间开发施工易改变地下水流场进而发生渗流潜蚀突涌等灾变与对地下结构产生巨大托浮作用引发结构破坏两种型式。地下潜水埋深越，对地下空间开发的影响越小，反之越大。

承压水水压力易引发地下土层流砂、地基渗透变形，不利于地下工程结构稳定性。承压水中及其上部相邻的土层最易发生流砂和突涌现象，所以承压水埋深越浅、水头压力越大的地区，出现地下水突涌的可能性越大；相对而言，承压水层埋深越深，对地下空间工程建设影响越有利，反之越不利。

地下水中含有一些具有侵蚀性的CO2、SO42、Cl-、H+等元素，当腐蚀性元素含量过多，会腐蚀地下工程建筑混凝土结构物和钢结构，造成相关设备的损坏，降低工程结构的安全性和耐久性。

2.1.4 地质构造条件

地质构造是构造运动的产物，一般表现为褶皱、断层和裂隙，均会导致岩体发生变形或移位，破坏岩体完整性，较大程度地影响着工程建筑物的稳定性。对交通软土地下空间开发而言，主要影响因素表现为活动断裂和基岩面埋深。

活动断裂是第四纪以来活动、至今仍在活动的断层，对地下空间开发建设的影响主要涵盖3 个方面：（1）断裂错动与地表相通，导致地面引起位错破坏，处于错带上的建筑难以用工程手段规避；（2）由断裂活动引发的次生效应易诱发地基失稳并且具有不可预见性、突发性以及极大灾难性等特点；（3）断裂破碎带由于裂隙密集，容易成为地下水的良好富集带，而且岩体强度低、软弱夹层发育，对地下空间的开发利用具有严重安全隐患。

地质体中的基岩一般为比较稳定的部分，基岩面之上的覆盖层由于其土体特征会对开挖建设产生不同的影响，基岩面埋深越浅的地方，上覆层越浅，对地下空间开发的影响越小。

2.1.5 不良地质条件

不良地质作用是指对地下空间开发不利的地质作用，对建筑物的安全造成威胁，破坏性较大。结合交通软土地下空间开发情况，不良地质条件的不利影响因素可以用砂土液化和场地类别两个方面来衡量。

（1）砂土液化是指在外界强烈振动作用下，由于孔隙水压力的增大导致土层水头差的产生，进而引发砂土悬浮液化，如果上覆土层厚度较薄或存在薄弱区域时，还有可能导致喷水冒砂，不利于地下空间开发。

（2）场地类别是表征场地稳定性的指标，与研究区内的土体性质及覆盖层厚度关联较大，参考抗震设计规范即可计算出场地类别。场地类别在一定程度上可以反映出不同场地条件对地震效应的缓冲程度，基于建筑安全的角度考虑，场地类别对应着不同的基础设计方案，是地表建筑设计规划的重要依据，同样也为地下空间开发利用提供参考。

2.2 既有结构指影响分析

现状地上建（构）筑物及其基础对地下空间资源的开发利用也有重要的制约作用，既有机构对交通软土地下空间开发的不利影响可以从地面空间现状和地下空间现状两个方面来概括。

2.2.1 地面空间现状

地面空间现状条件主要包括地表建筑、地面道路等已有结构设施，该文重点考虑快速路和主干路的影响。通过资料收集、数据分析可以提取得到屋顶矢量图和地面道路矢量图，在评价区域内，根据评价单元与既有地面建筑或道路的距离来评估影响，距离越大，影响越大；反之，则越小。

2.2.2 地下空间现状

地下空间现状主要包括既有地下建筑、建筑基础、地下隧道、地下管线等结构设施。相对地面空间现状而言，对于地下空间现状信息的获取及统计分析难度更大。该项目主要考虑既有地下隧道、大型地下综合体的影响，如地铁隧道、市政地下隧道、地下商场等，依据评价单元与既有地下结构的距离来确定影响，距离越大，影响越大；反之，则越小。

2.3 开发扰动影响分析

目前，该省软土分布区的交通地下空间开发主要以地铁车站及隧道、地下交通综合体、地下停车场等为主，且开发深度以浅层为主。该文以浅层交通地下空间开发最常用的基坑工程形式为代表，研究地下空间开发施工扰动对岩土层及既有地下结构的响应影响规律，地下空间开发的扰动影响可以用地表沉降以及地下结构位移来表征。

通过对不同地层情况下不同形式的地下空间开发进行数值计算，可以得到地下空间开发引起的位移场空间分布并提取土体地表沉降最大值和结构本身位移来评估施工扰动影响，数值越大，开发扰动影响越大。

3 交通软土地下空间开发地质适宜性评价指标体系确定

3.1 评价指标选取

通过对影响软土地区交通地下空间开发的工程地质条件进行分析，基于负面清单法指导、筛选规避了重叠因素，提炼出适用于交通软土地区地下空间开发的适宜性评价指标，具体如表1所示。

表1 评价指标选取

3.2 指标体系建立

对于浅层交通软土地下空间地质条件适宜性评价，选取确定一级评价指标为地形地貌条件、工程地质条件、水文地质条件、地质构造条件以及不良地质条件，每个一级指标下，根据影响程度不同又细分成多个二级指标；由于中层和次深层地下空间位于地下15 m以下，地形地貌条件对其几乎无影响，所以剔除了这项指标；地下水腐蚀性对中层和次深层地下空间开发几乎没有影响，中层和次深层评价指标体系中剔除了这项指标；地表水对次深层地下空间开发影响很小，次深层评价指标体系对这些指标进行了剔除；地面空间和地表沉降对次深层地下空间的开发影响小，次深层评价指标体系剔除这两项指标；其余相关指标均根据对不同层位的影响程度大小而进行相应调整，不同深度层次的软土地区交通地下空间开发地质适宜性评价指标体系如图2所示，图中每个指标下方方框中的S、M、D 分别代表浅层、中层、次深层，有颜色填充表示该指标在该评价深度需要考虑。

图2 不同深度层次的交通软土地下空间开发地质适宜性评价指标体系

4 结语

该文结合浙江省交通建设快速、土地资源短缺以及省内软土分布广泛实际，充分结合软土特征，从地质条件、既有结构以及开发扰动这3 个方面重点分析了交通软土地区地下空间开发的影响机理，选取确定了适用于交通软土地区地下空间开发的适宜性评价指标，建立了评价软土地区不同深度层次交通地下空间开发工程地质适宜性的指标体系，为交通软土地下空间开发工程地质适宜性评价提供参考。