郑州市城区中层基坑工程地质环境适宜性评价

2024-02-26郭晓静刘沙沙何欣琳马晓宇

地质与勘探 2024年1期

郭林，唐辉，郭晓静，刘沙沙，何欣琳，马晓宇

（1.河南省地质研究院，河南郑州 450001；2.河南省地下水污染防治与修复重点实验室，河南郑州 450001；3.河南省城市地质工程技术研究中心，河南郑州 450001）

0 引言

随着城市化进程的逐渐加快，城市人口不断增加，地面空间日显拥挤，城市发展需要寻找新的空间和资源。地下空间作为一种稀缺而有价值的资源，具有巨大的开发潜力。城市地下空间的开发利用不仅可以解决城市空间资源、环境等问题（吴文忠等，2020），而且拓宽了城市景观的空间形态，可以使得城市病得以缓解，提高城市活力和品质，为城市集约化发展、可持续发展提供有效的解决思路，最终大幅度提高整个城市的生活质量。

地下空间是珍贵且不可再生的自然资源，对于我国土地资源的拓展和延伸起着重要作用。地质环境是地下空间开发利用的基础和依托，对地下空间的稳定、安全性等具有直接的影响。只有充分考虑地质环境因素，合理规划和利用地下空间资源，才能实现地下空间的可持续发展（石卫和王有林，2018）。地下空间的建设具有不可逆性，对地下空间的盲目开发也将会导致一系列地质灾害发生。鉴于地下空间开发的不可逆性、投资高、工期长等特点，地下空间建设的规划和决策需要更加谨慎，因此有必要综合分析各种地质影响因素，对地质环境条件开展适宜性评价，评估适宜性等级，全面了解地下空间开发的潜在风险和限制因素，并制定相应的措施和策略，对地下空间的合理规划、设计、施工和运营至关重要。

国内外许多学者对地下空间地质环境适宜性展开了大量的研究，通过探究如何科学合理的评价地质环境适宜性，以推动地下空间的高效利用。目前已开展的城市地下空间地质环境适宜性评价研究工作的城市较多（欧刚，2008；欧孝夺等，2009；陈绪钰等，2016；史玉金等，2016；吴炳华等，2017），但多数的研究是针对全域，很少开展针对不同的地下空间开发方式进行的分层地质环境适宜性评价。由于不同深度的地下空间资源禀赋不同，因此对地下空间资源分层评价极为重要。通过调研，在郑州（郭晓静等，2020；Guo et al.，2020）、上海（史玉金等，2016）、天津宝坻区（杜东等，2019）、杭州（邢怀学等，2022）、重庆市渝中半岛（赵思成等，2022）开展了分层的地下空间地质环境适宜性评价工作。研究区内开展的相关研究也相对较少（夏友和马传明，2014；张晶晶等，2016；吴冰华等，2019；张润华等，2021；石贝凝和向中林，2023）。研究区开展的研究包括：对地下空间开发的敏感工程地质因子进行研究，以城市为单位，形成一套煤矿城市地下空间开发适宜性评价体系，开展煤矿地下空间适宜性评价、针对郑州全域建立统一的评价指标体系，建立的评价指标体系过于笼统，针对性不强。

总体而言，目前还没有在研究区域内开展针对基坑工程地质环境适宜性评价的研究工作。地下空间开发利用形式主要有基坑工程和隧道工程两种，基坑开挖是进行工程建设的必要工序，同时也是地下空间开发的主要形式之一，因此本次地质环境适宜性评价工作主要针对-15～-30 m的中层基坑工程进行，并提出针对性的开发利用建议，以期对郑州市地下空间开发建设的深度和强度进行科学规划，为城市地下空间开发利用带来最大收益和最小损失。

1 研究区概况

郑州市是河南省省会和国家重要中心城市之一。其区位优势、发展潜力和政策优势，使得郑州市成为中原地区经济发展重心和交通枢纽，具有重要的战略地位（杨书申等，2016）。

郑州市位于黄河南部，属淮河流域。研究区地貌特征主要受北西向和近东西向构造控制，大致以京广铁路为分界，西部西南部为山前冲洪积倾斜平原，地形侵蚀切割作用明显，有一定起伏；东部平原区地形广阔坦荡。研究区地形呈阶梯状自西南向东北缓慢降低，地层属华北地层区华北平原地层分区。整个研究区内广泛分布第四系，仅在西南部丘陵区有前第四系出露。研究区主要构造活动为隐伏断裂构造。断裂构造发育以北西向构造为主，且多发生在第四纪之前，形成一系列正断层。

郑州市开发利用地下空间起步较早，早期以普通地下室、人防工程、过街地下通道等市政服务设施为主，开发深度一般不超过15 m，具有开发深度浅、分布散乱、不成规模等特点。截止到2017年底，郑州市地下空间开发建设总量为2.8×107m2，以附建式地下空间为主，使用功能主要为配件停车与人防工程，少部分为地下商业服务设施。郑州市城区地下空间按地层结构、开发时序和功能安排，参照《城市地下空间规划标准》和郑州市主城区地下空间资源开发利用及人防工程总体规划（2017-2035年），将郑州市城区地下空间垂向上分为：浅层（0～-15 m）、中层（-15～-30 m）、次深层（-30～-50 m）和深层（-50～-100 m）。目前郑州市城区地下空间开发集中在浅层，中层地下空间开发现状相对较为滞后，但是郑州市的基础设施规划和城市转型战略已经涉及到中层地下空间工程。中层基坑工程是未来城市发展的重要方向之一，政府和相关部门会加大投入和管理力度，促进中层基坑工程的开发和应用。因此中层基坑工程的地质环境适宜性评价迫在眉睫。

2 地质环境适宜性评价方法

地下空间的地质环境适宜性评价是涉及多指标的综合评价问题。评价指标涉及诸多因素，其中既有定量指标，又有定性指标（郑祥凤和丁美青，2021）。在地质环境适宜性评价方法中，应用于实际案例的有层次分析法、专家打分法、模糊数学综合评价法等（徐铼等，2022）。本次研究采用了多目标线性加权函数法进行评价。数学模型如下：

其中：PI为适宜性得分；wi为一级评价因子对目标层的权重；m为一级评价因子的因子个数；n为一级评价因子中二级评价因子的个数；wij为第i个一级评价因子中第j个二级评价因子权重；uij为第i个一级评价因子中第j个二级评价因子赋值。

3 评价指标确定

地下空间开发利用的影响因素具有多源性和复杂性的特点，不同深度层次不同开发方式地质环境适宜性评价考虑的因素不尽相同。在选取评价因子过程中，结合郑州市地质环境特点按分级、分序、抓主、淡次的原则，将影响因素主要从地形地貌、工程地质条件、水文地质条件、环境地质问题、地面建设现状、敏感因子、地质构造及地震烈度这几个方面来考虑。每一类影响因素又可细化为若干个评价影响因子，构建郑州市地下空间地质环境适宜性评价指标体系。

研究区地形坡度整体较缓，相对差距不大。地面标高对中层地下空间开发利用的影响较小，地下空间出入口地面标高应高于室外地面，并满足防洪要求。故本研究不考虑地形地貌对地下空间开发利用的影响。地表被第四系覆盖，其构造形迹均为隐伏状态。据以往遥感物探研究成果，主要构造活动为断裂活动。断裂构造以北西向断裂构造为主，且多发生在第四纪之前，形成一系列正断层。老鸦陈断裂控制了郑州市东西部第四系沉积厚度的差异，第四纪初期老鸦陈断裂仍有活动，但活动较弱，20世纪60年代在与上街断层交汇处发生过弱震。因此，地质构造将不再考虑。根据国家地震局的2015年中国地震烈度区划图，郑州市地震动峰值加速度为0.15 g，地震动反应谱特征周期为0.40 s，郑州市工程抗震设防等级为VII度区。因此地震烈度也不做考虑。

3.1 工程地质条件

城市中基坑工程的施工条件差，对周围环境的影响大。基坑工程设计中边坡主动土压力计算对于城市基坑工程中无法放坡情况下确定边坡的稳定性、保证项目安全、降低建设成本和减少环境影响都有着至关重要的作用。土体的压缩模量反映了土体受到垂向应力时的变形特征，压缩模量越小，土体压缩系数越大，在荷载作用下，更易产生过大变形和不均匀沉降、基坑坍塌等工程地质问题，不宜开发利用地下空间。所以在进行基坑开挖时对土体的压缩模量进行准确评估，对于确保地下结构的安全稳定具有重要意义。环境介质的均匀程度是影响地下工程结构稳定性和安全性的重要因素之一。环境介质越均匀，所承受的应力越简单，从而减少裂缝、失稳等不利影响，可使地下空间结构稳定性更高。地层均匀性主要依据不同地层在垂向上的压缩模量差异来表征。岩土体压缩模量变化越大，说明地层的均匀性越差。在基坑开挖过程中，边坡稳定性直接影响施工过程中的支护、地基处理措施。土体的粘聚力和内摩擦角是影响基坑边坡稳定性的主要指标，本次研究在岩土体结构分区的基础上采用土体的粘聚力和内摩擦角这两个指标对中层基坑稳定性进行分级评价。本次研究选用边坡主动土压力、地层厚度加权压缩模量、地层均匀性、边坡稳定性四个指标来反映基坑工程施工的工程地质条件。

3.2 水文地质条件

研究区地下水主要为松散岩类孔隙水，可划分为浅层含水层组和中深层含水层组。浅层含水层组埋藏浅，底板埋深一般在45～55 m，局部大于60 m，为潜水或微承压水类型，其下为一组粉质粘土或粉土弱透水层与下伏中深层含水层组相隔，厚25～45 m。根据含水层深度可知，影响中层地下空间开发的含水层为浅层含水层组。其水位埋深对地下空间的开发利用有很重大的影响。潜水水位埋深越浅，对地下空间的开发利用越不利，反之则越有利。地下水位变幅对地下空间建设和使用具有重要的影响（雷琨，2017；贾方建，2021）。在地下空间建设过程中，需要根据不同地区地下水位的变化情况，设计和建造出相应的工程控制措施以控制地下水位的变幅。随着南水北调工程的常态化运行，地下水开采量减少，造成研究区地下水位逐年上升（张院等，2013）。但目前来看不能确定地下水位变化的规律和趋势，故暂不考虑水位变幅对地下空间的影响。含水层富水性对地下空间的开发利用影响很大。地下水富水性好，会增加施工期间地下水控制难度和防水排水措施所需要的成本，对地下空间资源开发利用不利。地下水中腐蚀性离子对衬砌、隔水材料的耐久性和安全性带来不利影响。特别是对钢筋混凝土结构而言，地下水的腐蚀性问题是必须考虑的重要因素。高浓度的腐蚀性离子会侵蚀钢筋混凝土结构的表面，损害结构的强度和稳定性，从而降低结构的使用寿命并增加维修和加固的成本。因此在进行地下空间开发过程中，必须考虑地下水对地下空间结构的腐蚀性问题。基坑工程施工会对周围附近地表水域产生扰动，可能沟通地表水对地下水的补给通道，对地下工程的安全性构成潜在威胁，对于中层基坑工程而言，支护结构采用止水效果好的支护方式，无需考虑地表水的影响。因此水文地质条件将选择水位埋深、含水层富水性、水的腐蚀性三个指标反映基坑工程施工的水文地质条件。

3.3 环境地质问题

鉴于软土的低压缩模量、低抗剪强度、低渗透性等特点，使得软土在开挖过程中易产生剪切破坏和侧向变形，导致基坑边坡失稳或支护结构变形。此外，软土具有明显的触变特性，当受到扰动或震动时，其结构强度会骤然降低，导致土体沉降或滑动，进而降低地下施工的安全性（魏伟，2017）。在设计和施工过程中，需要采取相应的工程措施，以减少软土对地下空间开发的不稳定性和风险，同时对已建好的地下空间，还需要定期检查和维护。研究区的软弱土主要分布在京广铁路以东、陇海铁路以北（张建羽等，2023）。在地下空间开发过程中，当遇到松散且饱和的砂土时，特别在强烈震动的情况下，浅层土体中的砂土或粉土可能产生液化失稳现象，严重时会出现涌水冒砂、土体滑坡、沉陷或浮起等现象，在地震力的作用下可瞬时丧失抗剪强度和承载能力，对土体和地下结构物的建设及运营造成十分不利的影响。地面沉降是一种慢性的、长期的土地表面下沉现象，往往不易被察觉。尽管对人们的日常生活影响较小，但是对地下空间的施工、开发、维护带来很大的不利影响（吴文博等，2013）。因此环境地质问题将选择软土厚度、砂土液化、地面沉降反映基坑工程施工时遭遇的环境地质问题。

3.4 地面建设现状

制定地下空间发展规划时必然已经存在一些已经开发利用的地下空间，且对地下空间开发利用有影响的因素不只是已开发的地下空间，还包括地面建设状况。根据地基基础影响理论，地下空间开发通常需要与既有建筑物在水平和垂直方向上保持一定的距离（褚云鹏，2020）。但郑州市尚未建立地下空间开发利用现状的基础数据库，目前暂时无法考虑地下空间开发利用现状。地面建设现状的分析可以了解城市建设的趋势和需求，也可反映地下空间开发的限制条件。因此可将地面建设现状作为影响地下空间开发利用的因素之一。

3.5 敏感因子

敏感因子是具有决定性制约作用的评价因子，一旦敏感因子存在，预期的社会经济发展目标就难以实现，采用一票否决制，当该因子出现时，直接将评价单元归类为不适宜区。根据《郑州都市区总体规划（2012～2030）》中将都市区范围用地划为禁止建设区、限制建设区和适宜建设区，实行分区管制，保证空间有序发展。禁止建设区是生态底线范围内非经特殊许可不得建设的区域，包括水源地保护区、主要河流、水库、主要行洪通道、大型基础设施廊道及其控制带。文物对现代历史研究和文化传承具有重要意义，所以文物及其周围一定范围和深度内不可进行地下空间的开发和利用。另外，参考《城市地下空间开发地质环境适宜性评价技术规范》（DB 41/T 2020-2021，2021年），当区内存在明确矿权登记的重要矿产资源时，矿区范围划定为地下空间开发禁止建设区，不进行地质环境适宜性评价。

在综合分析研究区地质环境条件的基础上，选取工程地质条件、水文地质条件和环境地质问题、地面建设现状、敏感因子作为一级评价指标，每个一级指标进行进一步细化，选择具有代表性的二级评价指标，以构建一个完整的评价指标体系，如表1所示。

表1 郑州市中层基坑工程地质环境适宜性评价指标体系表Table 1 Index system for the suitability assessment of geoenvironment of foundation pit in the middle layer of Zhengzhou City

4 评价指标分区及赋值标准

研究区各评价指标分区结果见图1～图13，各评价指标分级及赋值见表2。

图1 主动土压力分区图Fig.1 Zoning map of active soil pressure on slopes

图2 岩土层加权平均压缩模量分区图Fig.2 Zoning map of the thickness-weighted average compressive modulus

图3 地层均匀性分区图Fig.3 Zoning map of uniform of the strata

图4 基坑稳定性分区图Fig.4 Zoning map of slope stability

图5 水位埋深分区图Fig.5 Zoning map of groundwater depth

图6 含水层富水性分区图Fig.6 Zoning map of aquifer water richness

图7 地下水中Cl-含量分区图Fig.7 Zoning map of Cl- in groundwater

图8 软土累计厚度分区图Fig.8 Zoning map of soft clay thickness

图9 砂土液化等级分区图Fig.9 Zoning map of sand liquefaction

图10 地面沉降速率分区图Fig.10 Zoning map of ground subsidence rate

图11 地面建设现状分布图Fig.11 Zoning map of existing buildings

图12 空间管制区分布图Fig.12 Zoning map of prohibited construction areas

图13 文物保护单位分布图Fig.13 Zoning map of cultural relics protection

表2 各评价指标分级及评分Table 2 Grading and scores of evaluation indexes

5 评价指标权重确定

权重是评价过程中非常关键的一个因素，其确定是否合理直接影响评价结果的准确性（王晓峰等，2009）。权重是根据评价指标对地下空间开发的影响大小而确定的，反映了各评价指标对地下空间适宜性分级的贡献程度。对于权重的确定，目前常用的方法包括专家打分法、熵值法、层次分析法等。本研究综合考虑各评价指标间的相对重要关系和评价过程的科学性和客观性，采用层次分析法确定各指标权重。权重确定结果见表3。

表3 评价指标权重分配Table 3 Weight distribution of evaluation factors

6 中层基坑工程地质环境适宜性评价

根据表1的指标分级及评分标准，对研究区内的各评价因子进行量化处理，采用MapGIS软件对每个评价指标进行分区赋值，分别根据各自的权重进行加权叠加运算，最后聚类合并得到综合评价结果，将地下空间开发利用适宜性分为3个级别，划分为适宜性好区、中等区和差区，适宜性等级标准见表4。在此基础上，叠加敏感因子分布图，最终得到郑州市地下空间开发利用适宜性分区图，见图14。

图14 郑州市中层基坑工程地质环境适宜性评价图Fig.14 Map of geo-environment suitability evaluation for foundation pit in the middle layer of Zhengzhou City

表4 适宜性等级标准Table 4 Classification standard of geo-environmental suitability

由图14可以看出，地质环境适宜性好区主要分布在京广铁路以西的区域内，面积约107.6 km2，占总面积的24.6%。该区域地质环境条件良好，适宜兴建各种形式的地下工程。适宜性中等区主要分布在京广铁路以东、东风渠以南、京广高速铁路以西的区域内，面积约166.3 km2，占总面积的38%。该区域地质环境条件较好，施工技术难度低，基坑维护成本低，采取合适的处理方法加固第四系松散土层，适当采取止水、排水措施，可兴建各类地下工程。适宜性差区主要分布在龙湖附近以及京广高速铁路以东区域，面积约108 km2，占研究区总面积的24.6%。该区域地质环境条件相对较为不利，地下工程建设施工难度及成本较高，建设时应采取合理的基坑围护和施工工艺，并做好防水、降水措施。禁止建设区主要包括常庄水库、西流湖水库以及保护区以及南水北调中线工程一级保护区、郑州东部京广高速铁路等控制带、零散分布的部分文物保护单位及集中分布在陇海铁路和京广铁路东北部的文物保护范围，面积约55.9 km2，占总面积的12.8%。

地质环境适宜性评价分区特征评价见表5。

表5 评价分区地质环境特征表Table 4 Description of suitability evaluation units

7 结论

（1）通过分析影响城市中层基坑工程开发的地质环境条件，结合工程实际，选取地质环境适宜性评价指标，构建针对中层基坑工程地质环境适宜性评价指标体系。评价指标体系主要包括工程地质条件、水文地质条件、环境地质问题、地面建设现状、敏感因子5个一级指标，在各一级指标下选择了地层压缩性、地层均匀性、含水层富水性、软土、液化沙土等13个二级指标。通过量化处理，将部分定性指标转化为定量指标，从而更准确地反映试验区的实际情况。

（2）评价因子的权重反映对基坑工程适宜性的贡献程度。对于中层基坑工程而言，工程地质条件对地质环境影响最大，工程地质条件中基坑边坡稳定性权重最大，影响最为显著，其次为潜水位埋深、含水层富水性、地面沉降权重较大，影响显著，其他评价因子影响不明显。

（3）在中层基坑工程地质环境适宜性综合评价中，适宜性中等区的面积占主导地位，适宜性差区和适宜性好区的面积相对接近。适宜性好区地层压缩性好，地层均匀，边坡稳定性好，无地下水分布，无软土和液化砂土分布，地面沉降速率小，建成区占比小；适宜性中等区地层压缩性较好，地层均匀性以中等为主，水位埋深以10～30 m为主，含水层富水性弱，地下腐蚀性弱，存在软土分布，砂土液化等级以不液化为主，地面沉降速率中等，建成区占比较大；适宜性差区地层压缩性差，地层均匀性以中等为主，水位埋深小，含水层富水性弱，地下水腐蚀性强，存在软土分布区，软土呈多层分布，软土厚度以0～4 m为主，砂土以中等液化为主，地面沉降速率大，建成区占比小。在进行重大地下工程建设时，应优先选择适宜性中等或适宜性好的区域进行施工，尽可能避免出现与地质环境有关的建设风险。在地质环境适宜性中等区内进行施工时，还需注意一些特定的地质环境问题，并采取相应的措施来保证工程施工的安全、稳定和可靠。

8 建议

（1）进行地下空间开发和地质环境的互馈机制研究。本次研究只限于研究地质环境对地下空间开发的制约关系研究。但地下空间的开发利用对生态环境也会产生或大或小的扰动。在提升城市性能的同时，需遵循生态环境保护优先的原则。

（2）地下空间现状条件对其开发利用产生重要影响，地下空间已建成区是地下空间的不可再开发区，本次研究并未将地下空间建设现状纳入评价指标体系中，城市地下空间现状较为复杂，因此有必要建立一个全面的基础数据库以了解地下空间的开发利用现状，与地质环境条件相结合，共同指导郑州市地下空间的分层合理开发。

（3）应建立地下空间开发利用适宜性动态评价模型；在城市发展的不同阶段，影响地下空间开发利用的相关指标会发生变化。城市地下空间开发利用规模、数量也受到城市发展水平的限制，根据城市发展目标建立地下空间与地上空间功能标准的定性和定量的关系。对影响地下空间开发利用的各种地质环境因素，建立动态观测系统，随时监测地下水位、地面沉降等内容，为已有的地下工程建筑运营状况提供数据资料，保证建筑安全工作；为新建地下工程建筑提供规划依据，提供地质环境资料，建立地下空间开发利用适宜性动态评价模型。

（4）由于条件限制，与地下空间开发利用相关的各种社会因素、开发利用现状等未加以考虑，在进一步研究中将改进完善。

［附中文参考文献］

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