土体工程地质层划分及其在城市地下空间开发中的应用

2024-02-26许书刚龚绪龙顾春生龚亚兵崔龙玉

地质与勘探 2024年1期

唐鑫，许书刚，龚绪龙，顾春生，龚亚兵，崔龙玉

（1.江苏省地质调查研究院，江苏南京 210018；2.自然资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏南京 210049；3.江苏省数字地下空间工程研究中心，江苏南京 210049）

0 引言

地下空间是地表基质层中宝贵的自然资源之一，其作为城市有机体的重要组成部分，在未来城市建设中起着举足轻重的作用（何兴江等，2005；章立峰等，2015；唐鑫等，2022）。常州市地下空间开发由来已久，21世纪以来更是进入大规模开发阶段，截止到2020年，地下空间开发总量约为1704万m2，人均地下空间面积达到3.6 m2。

常州市区范围内除局部零星分布的残丘外，大部分为广阔的平原，广泛沉积第四纪松散物，厚度86.14～233 m不等，构成了地下空间开发的主体。工程地质层的正确划分是研究土体结构和工程地质特性的基础（胡夏嵩等，2001；李晓昭等，2004；崔征科和杨文达；2013），同时对于地下空间规划、建设和管理具有指导性作用。例如通过土体工程地质层划分可识别城市优势地层和不良地层，指导地下空间开发适宜性评价和竖向分层工作的开展，为地下空间规划编制提供基础数据。此外，土体工程地质层划分对于城市地面建设桩基持力层的选择也具有一定的指导作用。

由于城市勘察工作历史较长，工作单位众多，不同单位之间、同一单位内部不同年代之间、相同年代不同工程项目之间对于工程地质层的划分原则不尽相同，导致工程地质分层在区域上难以统一。常州城市地质调查项目对区内工程勘察钻孔开展了系统性的收集整理工作，累积收集钻孔上万个。由于不同工程勘察钻孔之间地质分层结构、编码、岩性描述等五花八门，大大降低了资料的可利用性。随着城市的不断建设，大量工程勘察钻孔仍会不断积累，海量的钻孔数据由于无法统一而失去意义（阎浩等，2020）。因此，对常州市土体工程地质层进行划分，建立统一的划分标准是十分必要的。将城市地质调查工作收集的工程勘察钻孔按实际位置投绘到地形图上，选择具有代表性的钻孔257个（图1b），在区内第四纪地层划分的基础上，对100 m以浅土体工程地质层进行系统研究，建立土体工程地质层划分标准。通过工程地质层划分标准的建立，分析其在桩基持力层选择、地下空间开发适宜性评价、地下空间竖向分层规划、多种地下资源协同利用等方面的应用，为常州市地下空间开发提供工程应用实践。

图1 研究区构造位置图（a）与工程勘察钻孔部署图（b）Fig.1 Structural location map （a） and engineering investigation drilling deployment map （b） of the research area

1 地质概况

常州市位于长江三角洲太湖平原西北缘（图1a），依据成因类型和地形特征，可分为长江漫滩平原、冲湖积平原、冲海积平原、波状平原、构造剥蚀残丘5种地貌单元（徐敏和罗元喜，2016）（图1b）。区内第四纪松散层厚度总体呈现东南西北四个角较薄，由中部向北逐渐增厚的态势，底板形态显示向北倾斜开口的盆形谷地。第四纪地层出露齐全，自老至新可划分为早更新世海门组、中更新世启东组、晚更新世昆山组、滆湖组和全新世如东组地层等（吴小斌等，2021）。由于区内大片地区被厚度较大的第四系覆盖，能直接观察到的断裂不多。前第四纪主要活动断裂以NE、NEE向为主，主要为奔牛-孝都断裂、厚余-新桥断裂、麻皮桥夏港断裂。第四纪以来主要活动断裂以NNE、NW和近EW向为主，早中更新世断裂主要有苏锡常断裂、金坛-南渡断裂，晚更新世活动断裂主要有茅东断裂。

2 土体工程地质层划分

2.1 划分方法

当前，关于岩体工程地质层组的划分方法和原则较为系统完善，但对于土体工程地质层组的划分方法还未形成统一标准（苟富刚等，2018）。特别是大范围的城市地质调查和勘探时，土层厚度大，类型多变，对于土体工程地质层组的概化与归并十分关键（严学新和史玉金，2006；苟富刚等，2018）。土体工程地质层划分以第四纪地层划分结果为基础，遵循详略得当、便于应用的原则，综合考虑3个方面的因素：①沉积时代、成因类型和形成环境；②物质成分和结构特征；③重度、孔隙比、液塑限等物理性质及压缩系数、内摩擦角、黏聚力等工程特性指标。划分采用钻孔剖面法进行，剖面布设以1∶5万地形地貌图作为底图，按照纵横结合的原则，平面上控制全区，在重点地貌单元和不同地貌单元变换处增加剖面钻孔数量来提高控制精度。剖面钻孔分为控制性钻孔和一般性钻孔，控制性钻孔深度为100 m，一般性钻孔深度为50 m。根据土层的沉积时代进行钻孔的工程地质层层组划分，将剖面中各孔对应地层“段”的界线进行连接，作为地层层组界线，层号由上到下按由小到大的顺序排序，以阿拉伯数字“1、2、3、4……”表示。每个地层层组内部包含若干个不同岩性及工程地质特征的地层分层，但它们属于区内同一地质时期的沉积产物。在每个地层层组内部，将地层岩性特征相同、工程地质特征相近的地层分层界线进行连接，作为工程地质层亚层界线，层号排序在工程地质层层组序号基础上根据各亚层沉积先后顺序并结合不同沉积相间的穿插关系由上到下按由小到大的顺序排序，对应的层序编号以“-1、-2、-3、-4”表示。

2.2 特殊标志层

单孔工程地质层划分是整个划分过程中难度较大的环节，需结合孔内竖向对比和区域横向对比进行。特殊标志层是区内第四纪地层划分时采用如古地磁、电子自选共振（ESR）测年等诸多测试方法确定的具有明显特征或重大意义的地层，对于单孔工程地质层划分具有借鉴作用（董士尤，1985）。常州地区特殊标志层包含有不同时期的海侵层、与较大的沉积间断相关的特殊岩性层如古土壤层或砾石层、区域平行不整合面等，其中对于工程地质层识别和划分具有重要意义的主要为区内不同时期的海侵层和硬土层（表1）。

表1 特殊标志层工程地质特征表Table 1 Engineering geological characteristics of special marker layers

2.2.1 海侵层

全区第四纪以来记录了三次大的海侵，由下至上分别为太湖海侵、滆湖海侵和镇江海侵，形成时代主要为晚更新世和全新世（于俊杰等，2016）。岩性以粉砂、粉砂夹黏土、粉砂与黏土互层为主，水平层理发育，其所特有的灰色系、较多呈现“千层饼”的特点为土体工程地质层的识别和划分提供重要依据（表1）。

2.2.2 硬土层

区内普遍存在1～2层硬塑状黏性土层，厚度较大，分布稳定，表现为第一硬土层和第二硬土层，沉积时代为晚更新世，是区域海退之后长期暴露地表沉积间断的重要标志。第一硬土层多以棕黄色硬黏土为主，第二硬土层主要为黄灰色黏土，向下夹粉砂含量逐渐增多（表1），均含铁锰结核和黄色锈斑，并有大量植物碎屑。

2.3 划分结果

最终将常州地区100 m以浅土体划分成10个工程地质层，其中部分工程地质层内部根据物质成分和工程特性指标的差异进一步细分出25个工程地质亚层（表2）。

表2 土体工程地质层划分表Table 2 Classification table of soil engineering geological layers

2.4 合理性验证

工程地质层划分结果的合理性检验可通过各层物理力学指标的离散型和三维地质模型构建来检验。变异系数是国际上通用的一个指标，反应数据分布的离散程度，为无量纲系数，多用于不同参数离散性的比较，用δ表示（刘柱等，2012）。δ＜0.1，变异性很低；0.1≤δ＜0.2，变异性低；0.2≤δ＜0.3，变异性中等；0.3≤δ＜0.4，变异性高；δ≥0.4，变异性很高。Ingles对于土体不同物理力学参数变异系数的范围值和建议标准值作了相关研究和报道（许红梅等，2016）。根据工程地质层划分结果，统计各工程地质层物理力学指标的变异系数，通过与建议标准值进行对照，变异系数多数在合理范围内，物理力学指标的离散性相对较小（表3），工程地质层的划分结果合理可行。

表3 工程地质层物理力学指标变异系数统计对比表Table 3 Statistical comparison of physical and mechanical indexes variation coefficient on engineering geological layers

另一方面，采用分级地层物理建模技术和隐式建模技术构建三维工程地质模型，分级地层物理建模技术按级别顺序从工程地质层到亚层进行构建，针对断层、地层间接触关系等离散且不完备的地质数据，采用隐式建模的方法构建（张家尹等，2021）。通过三维工程地质体模型和剖面模型可以看出相同工程地质层之间的连接相对平滑，上下工程地质层之间的接触关系相对合理（苟富刚等，2018），显示出工程地质层划分结果比较合理（图2）。

图2 常州市三维工程地质模型Fig.2 Three-dimensional engineering geological model in Changzhou City

3 城市地下空间开发应用

城市地下空间的开发利用主要有两种方式，一种是作为地面建筑的基础使用，另一种是作为地下室开发利用。土体工程地质层划分在地下空间开发中的应用十分广泛，包括桩基持力层选择、地下空间竖向分层规划、地下空间开发适宜性评价、多种地下资源协同利用等多个方面。

3.1 桩基持力层选择

随着常州市城市化、现代化进程的不断加快，地铁、高架、高层建筑等遍布城区，此类建筑荷载大，对沉降控制要求高，天然地基已无法满足，工程建设中一般采用桩基础（徐余等，2002）。依据工程地质层物理力学性质统计指标，采用《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）相关公式计算，同时结合地方经验可得到地基土承载力特征值（表4）。根据计算结果，4-2层粉砂、5层粉质黏土地基承载力特征值分别为220 kPa和240 kPa，顶板埋深多在10 m以浅，可作为短桩基础桩端持力层，满足多层和小高层建筑使用。6-2层粉砂地基承载力特征值为200 kPa，顶板埋深20 m左右，可作为中长桩基础桩端持力层，满足中高层建筑使用。高层建筑首选6-4层粉砂作为长桩基础桩端持力层，地基承载力特征值为200 kPa，顶板埋深30 m左右，具有压缩周期短的特点。6-4层缺失或厚度较小情况下，可选7-1层粉质黏土作为桩基础桩端持力层，但要关注粘性土的蠕变性对于桩基础的沉降影响（郑晓慧，2018）。

表4 桩基持力层地基承载力特征值Table 4 Characteristic values of foundation bearing capacity on pile bearing stratum

3.2 地下空间竖向分层规划

地下空间开发是一个由浅部逐渐向深部扩展的过程，随着城市的不断发展，地下空间开发的深度会越来越深，随之而来的建设成本也会成倍增加（李春和束昱，2006；易荣和贾开国，2020）。《常州市城市地下空间开发利用规划》（2005-2020）将地下空间竖向层次划分为“浅表层：-20～0 m、中层：-40～-20 m和深层：-40 m以下”。根据本次工程地质层划分结果，常州市深层承压含水层顶板最小埋深为32.9 m，统筹考虑深层承压水对地下工程的影响及优质含水层保护，可将-35 m作为地下空间开发红线，地下空间竖向层次划分建议调整为浅层地下空间：-10～0 m、中层地下空间：-35～-10 m和深层地下空间：-35 m以下（图3）。

图3 地下空间竖向层次划分示意图Fig.3 Schematic diagram of vertical hierarchical division about underground space

城市规划或地下空间专项规划编制时需进行地下空间开发竖向分层规划，使地下空间开发能够按照相应设施的功能以及地质环境进行有层次的开发，充分保护地下空间资源（陈志龙和伏海艳，2005）。常州市浅层地下空间土体开发条件较好，可安排综合管廊、地下商业、地下停车等公共交通服务设施，其中3层硬黏土层广泛分布，为建议开发层，4-2层富水砂层产生的涌水涌砂问题是影响地下空间开发最主要的地质环境问题。中层地下空间是轨道交通区间隧道适宜利用深度，其中5层硬黏土层广泛分布，是轨道交通开发的优良层位，6-2层富水砂层产生的涌水涌砂问题对于地下空间开发影响较大，有条件时可选择避开此层位。深层地下空间范围承压含水层广泛分布，应以地质生态环境保护为主，可统筹部署地下物流、深层储藏设施等城市基础设施和城市公用设施，在开发条件尚不成熟时，以资源预留为主（表5）。

表5 不同功能类型地下空间开发深度建议表Table 5 Suggestions for development depth on underground space of different functional types

3.3 地下空间开发适宜性评价

地下空间处于地质环境中，在对其进行前期规划、开发建设、后期运营及维护的全生命周期中，其地下结构与周边的地质体有着分不开的影响与作用（赵晋友等，2013；夏友和马传明，2014）。因此，在地下空间规划前进行地下空间开发适宜性评价意义重大（苟富刚等，2023）。以工程地质层划分结果为基础，结合地下空间竖向分层和施工工法，可进行分区分层地下空间开发适宜性判别，指导地下空间专项规划编制。

影响地下空间开发适宜性的地质环境因素主要包括填土、软土、砂土液化、承压水埋深、砂层厚度、地面沉降、滑坡崩塌等，利用专家调查法对评价因子进行分级，分值越低，其对地下空间开发影响越大，构建层次结构模型（表6）。再根据地下空间竖向分层和施工工法，选取不同层次地下空间对应的影响因素，通过层次分析法（AHP）计算权重（表7～9），借助GIS平台进行叠加计算评价单元开发难度得分S，根据S值的大小对地下空间开发适宜性等级进行划分（表10），由此得到浅层、中层和深层地下空间开发适宜性评价结果。浅层地下空间（-10～0 m）是常州市当前开发的主要层位，多采用明挖法施工，评价结果显示新北区春江镇沿江地区由于浅部砂土、软土较为发育，地下水埋深浅，适宜性一般，施工过程中需采取降水措施，其它地区以黏性土为主，适宜性总体较好。中层地下空间（-35～-10 m）是常州市当前迫切需求的层位，地质条件较浅层相对复杂，开发适宜性相对变差，新北区和钟楼区一带地下空间开发面临涌水涌砂的风险高，且该区域岩性组合复杂，盾构施工时需注意盾构机的姿态控制，避免发生抬头事故；深层地下空间（-35 m以下）优先预留保护，如果开发多采用盾构法施工，适宜性总体较好，仅在新北区、天宁区局部地区及北部沿江地区由于砂层厚度大，地下水富水性好，地下空间开发面临涌水涌砂的风险高，适宜性相对一般（图4）。

表6 地下空间开发适宜性评价指标量化表Table 6 Index quantitative table of suitability evaluation for underground space development

表7 浅层地下空间开发适宜性评价因子表Table 7 Factor table of suitability evaluation for shallow underground space development

表8 中层地下空间开发适宜性评价因子表Table 8 Factor table of suitability evaluation for middle underground space development

表9 深层地下空间开发适宜性评价因子表Table 9 Factor table of suitability evaluation for deep underground space development

表10 地下空间开发适宜性评价等级划分表Table 10 Grade division table of suitability evaluation for underground space development

图4 地下空间开发适宜性评价图Fig.4 Suitability evaluation of underground space development

3.4 多种地下资源协同利用

城市不仅有着巨大的地下空间开发潜力与需求，以地下水、浅层地热能以及地质材料资源为主导的多种地下资源禀赋也有着鲜明特点（杨洋等，2019）。城市地下多种资源共生共存于复杂的地质环境系统中，相互联系，相互制约。某一资源开发往往会对其它资源的开发潜力产生影响。例如，地下空间开发造成地下水流场、水质和水位的改变；地下水开发对浅层地热能利用效率的影响；浅层地热能的利用（埋管式地源热泵）可能对地下空间开发形成阻碍等（周丹坤等，2020）。因此，积极探索多种地下资源之间的相互影响机制，进行多种地下资源协同利用，是顺应科学发展的要求。

常州市深层地下水资源虽全面禁采，但随着禁采措施持续开展20年来地下水水位不断回升，深层地下水仍具备应急供水功能（苏东等，2023），且部分地下水中限量指标符合天然矿泉水要求，同时锶和偏硅酸含量较高，是优质地下水资源，地下空间开发应避免破坏7-2、8-2层优质含水层。

浅层地热能是一种可再生清洁能源，开发过程中若只考虑单一性的埋管式地源热泵开发，会占用大量的地下空间资源（沈军等，2021）。统筹考虑地下空间资源和浅层地热能资源，进行协同开发，既可节省地下空间，为未来地下空间的开发预留足够的潜力，又能节省工程建设成本。采用数学统计的方法对各工程地质层热物性参数进行统计发现，工程地质层平均导热系数分布在1.436～2.435 W·m-1·K-1之间，比热容分布在1.273～1.851 KJ·kg-1·K-1之间。导热系数最大值为10-2砂层，比热容最小值为8-4砂层，2-3淤泥质粉质黏土层导热系数最小，比热容最大（表11）。由此可见导热系数与比热容存在负相关关系。不同岩性工程地质层热物性参数有所差异，黏性土比热容大于砂性土，导热系数小于砂性土。总体上随着深度增大，导热系数呈现增大趋势，而比热容呈现减小趋势（图5）。常州市工程地质层中8-4、10-2层砂层是优良的热储层，地下工程建设过程中，将地下换热系统埋设在地下结构的基坑底板之下或围护结构中，亦或在成桩过程中埋设在桩基础内，可节约大量地下空间（夏才初等，2009；王守超，2010），实现地下空间资源与浅层地热能资源的协同利用。

表11 不同工程地质层热物性参数统计表Table 11 Statistics table of thermal properties on different engineering geological layers

图5 土体热物性参数随埋深变化曲线图Fig.5 Variation curves of soil thermophysical parameters with depth

随着开山采石的全面禁止，地质材料资源也有着巨大需求缺口。常州市土体地质材料主要为黏土材料，3、5、9-1层黏土层质地较好，具有较好的砖瓦烧制潜力，蕴藏量十分丰富，通过一定的技术手段进行改良后不仅可作为工程材料在不同建设领域运用，同时对于解决“渣土围城”问题起到关键性作用。

4 结论

（1）基于常州城市地质调查项目收集的工程勘察钻孔，在分析区内第四纪岩相古地理演化特征基础上，综合考虑沉积时代、物质成分、工程特性指标等因素，将常州市100 m以浅土体划分为10个工程地质层、25个工程地质亚层。通过对工程地质层的物理力学指标进行统计，多数指标的变异系数在规定范围内。构建的三维工程地质模型相同工程地质层之间的连接相对平滑，上下工程地质层之间的接触关系相对合理，反映出工程地质层划分结果合理可靠。

（2）土体工程地质层划分在地下空间开发中的应用十分广泛，根据划分结果，常州市桩基持力层主要有4-2层粉砂、5层粉质黏土、6-2层粉砂和7-1层粉质黏土，地基土承载力特征值均在200 kPa以上，可满足不同高度建筑使用。高层建筑对于桩基础沉降控制要求高，应首选砂层作为桩基持力层。

（3）常州市深层承压含水层顶板埋深最小为32.9 m，统筹考虑深层承压水对地下工程的影响及优质含水层保护，可将-35 m作为地下空间开发红线。综合管廊、地下商业、地下停车等公共交通服务设施优先选用浅层地下空间，3层硬黏土层是建议开发层位；轨道交通优先选用中层地下空间，5层硬黏土层是建议开发层位；深层地下空间应以地质生态环境保护为主，可统筹部署地下物流、深层储藏设施等城市基础设施和城市公用设施。

（4）以工程地质层划分结果为基础，结合地下空间竖向分层和施工工法进行地下空间开发适宜性评价。结果显示浅层地下空间在沿江地区由于浅部砂土、软土较为发育，地下水埋深浅，适宜性一般，其它地区适宜性总体较好；中层地下空间地质条件较浅层相对复杂，开发适宜性相对变差，新北区和钟楼区一带地下空间开发面临涌水涌砂的风险高；深层地下空间适宜性总体较好，仅在新北区、天宁区局部地区及北部沿江地区由于砂层厚度大，地下水富水性好，地下空间开发面临涌水涌砂的风险高，适宜性相对一般。

（5）地下空间开发应关注与地下水、浅层地热能、地质材料等多种地下资源的协同利用。常州市深层地下水仍具备应急供水功能，地下空间开发应避免破坏7-2、8-2层优质含水层；8-4、10-2层砂层是优良的热储层，可通过桩基地埋管实现地下空间资源与浅层地热能资源的协同利用。3、5、9-1层黏土层质地较好，通过一定的技术手段进行改良后可作为工程材料在不同建设领域运用。

［附中文参考文献］

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