鄭州市城區中層基坑工程地質環境適宜性評價

郭 林，唐 輝，郭曉靜，劉沙沙，何欣琳，馬曉宇

（1.河南省地質研究院，河南鄭州 450001；2.河南省地下水污染防治與修復重點實驗室，河南鄭州 450001；3.河南省城市地質工程技術研究中心，河南鄭州 450001）

0 引言

隨著城市化進程的逐漸加快，城市人口不斷增加，地面空間日顯擁擠，城市發展需要尋找新的空間和資源。地下空間作為一種稀缺而有價值的資源，具有巨大的開發潛力。城市地下空間的開發利用不僅可以解決城市空間資源、環境等問題（吳文忠等，2020），而且拓寬了城市景觀的空間形態，可以使得城市病得以緩解，提高城市活力和品質，為城市集約化發展、可持續發展提供有效的解決思路，最終大幅度提高整個城市的生活質量。

地下空間是珍貴且不可再生的自然資源，對于我國土地資源的拓展和延伸起著重要作用。地質環境是地下空間開發利用的基礎和依托，對地下空間的穩定、安全性等具有直接的影響。只有充分考慮地質環境因素，合理規劃和利用地下空間資源，才能實現地下空間的可持續發展（石衛和王有林，2018）。地下空間的建設具有不可逆性，對地下空間的盲目開發也將會導致一系列地質災害發生。鑒于地下空間開發的不可逆性、投資高、工期長等特點，地下空間建設的規劃和決策需要更加謹慎，因此有必要綜合分析各種地質影響因素，對地質環境條件開展適宜性評價，評估適宜性等級，全面了解地下空間開發的潛在風險和限制因素，并制定相應的措施和策略，對地下空間的合理規劃、設計、施工和運營至關重要。

國內外許多學者對地下空間地質環境適宜性展開了大量的研究，通過探究如何科學合理的評價地質環境適宜性，以推動地下空間的高效利用。目前已開展的城市地下空間地質環境適宜性評價研究工作的城市較多（歐剛，2008；歐孝奪等，2009；陳緒鈺等，2016；史玉金等，2016；吳炳華等，2017），但多數的研究是針對全域，很少開展針對不同的地下空間開發方式進行的分層地質環境適宜性評價。由于不同深度的地下空間資源稟賦不同，因此對地下空間資源分層評價極為重要。通過調研，在鄭州（郭曉靜等，2020；Guo et al.，2020）、上海（史玉金等，2016）、天津寶坻區（杜東等，2019）、杭州（邢懷學等，2022）、重慶市渝中半島（趙思成等，2022）開展了分層的地下空間地質環境適宜性評價工作。研究區內開展的相關研究也相對較少（夏友和馬傳明，2014；張晶晶等，2016；吳冰華等，2019；張潤華等，2021；石貝凝和向中林，2023）。研究區開展的研究包括：對地下空間開發的敏感工程地質因子進行研究，以城市為單位，形成一套煤礦城市地下空間開發適宜性評價體系，開展煤礦地下空間適宜性評價、針對鄭州全域建立統一的評價指標體系，建立的評價指標體系過于籠統，針對性不強。

總體而言，目前還沒有在研究區域內開展針對基坑工程地質環境適宜性評價的研究工作。地下空間開發利用形式主要有基坑工程和隧道工程兩種，基坑開挖是進行工程建設的必要工序，同時也是地下空間開發的主要形式之一，因此本次地質環境適宜性評價工作主要針對-15～-30 m的中層基坑工程進行，并提出針對性的開發利用建議，以期對鄭州市地下空間開發建設的深度和強度進行科學規劃，為城市地下空間開發利用帶來最大收益和最小損失。

1 研究區概況

鄭州市是河南省省會和國家重要中心城市之一。其區位優勢、發展潛力和政策優勢，使得鄭州市成為中原地區經濟發展重心和交通樞紐，具有重要的戰略地位（楊書申等，2016）。

鄭州市位于黃河南部，屬淮河流域。研究區地貌特征主要受北西向和近東西向構造控制，大致以京廣鐵路為分界，西部西南部為山前沖洪積傾斜平原，地形侵蝕切割作用明顯，有一定起伏；東部平原區地形廣闊坦蕩。研究區地形呈階梯狀自西南向東北緩慢降低，地層屬華北地層區華北平原地層分區。整個研究區內廣泛分布第四系，僅在西南部丘陵區有前第四系出露。研究區主要構造活動為隱伏斷裂構造。斷裂構造發育以北西向構造為主，且多發生在第四紀之前，形成一系列正斷層。

鄭州市開發利用地下空間起步較早，早期以普通地下室、人防工程、過街地下通道等市政服務設施為主，開發深度一般不超過15 m，具有開發深度淺、分布散亂、不成規模等特點。截止到2017年底，鄭州市地下空間開發建設總量為2.8×107m2，以附建式地下空間為主，使用功能主要為配件停車與人防工程，少部分為地下商業服務設施。鄭州市城區地下空間按地層結構、開發時序和功能安排，參照《城市地下空間規劃標準》和鄭州市主城區地下空間資源開發利用及人防工程總體規劃（2017-2035年），將鄭州市城區地下空間垂向上分為：淺層（0～-15 m）、中層（-15～-30 m）、次深層（-30～-50 m）和深層（-50～-100 m）。目前鄭州市城區地下空間開發集中在淺層，中層地下空間開發現狀相對較為滯后，但是鄭州市的基礎設施規劃和城市轉型戰略已經涉及到中層地下空間工程。中層基坑工程是未來城市發展的重要方向之一，政府和相關部門會加大投入和管理力度，促進中層基坑工程的開發和應用。因此中層基坑工程的地質環境適宜性評價迫在眉睫。

2 地質環境適宜性評價方法

地下空間的地質環境適宜性評價是涉及多指標的綜合評價問題。評價指標涉及諸多因素，其中既有定量指標，又有定性指標（鄭祥鳳和丁美青，2021）。在地質環境適宜性評價方法中，應用于實際案例的有層次分析法、專家打分法、模糊數學綜合評價法等（徐錸等，2022）。本次研究采用了多目標線性加權函數法進行評價。數學模型如下：

其中：PI為適宜性得分；wi為一級評價因子對目標層的權重；m為一級評價因子的因子個數；n為一級評價因子中二級評價因子的個數；wij為第i個一級評價因子中第j個二級評價因子權重；uij為第i個一級評價因子中第j個二級評價因子賦值。

3 評價指標確定

地下空間開發利用的影響因素具有多源性和復雜性的特點，不同深度層次不同開發方式地質環境適宜性評價考慮的因素不盡相同。在選取評價因子過程中，結合鄭州市地質環境特點按分級、分序、抓主、淡次的原則，將影響因素主要從地形地貌、工程地質條件、水文地質條件、環境地質問題、地面建設現狀、敏感因子、地質構造及地震烈度這幾個方面來考慮。每一類影響因素又可細化為若干個評價影響因子，構建鄭州市地下空間地質環境適宜性評價指標體系。

研究區地形坡度整體較緩，相對差距不大。地面標高對中層地下空間開發利用的影響較小，地下空間出入口地面標高應高于室外地面，并滿足防洪要求。故本研究不考慮地形地貌對地下空間開發利用的影響。地表被第四系覆蓋，其構造形跡均為隱伏狀態。據以往遙感物探研究成果，主要構造活動為斷裂活動。斷裂構造以北西向斷裂構造為主，且多發生在第四紀之前，形成一系列正斷層。老鴉陳斷裂控制了鄭州市東西部第四系沉積厚度的差異，第四紀初期老鴉陳斷裂仍有活動，但活動較弱，20世紀60年代在與上街斷層交匯處發生過弱震。因此，地質構造將不再考慮。根據國家地震局的2015年中國地震烈度區劃圖，鄭州市地震動峰值加速度為0.15 g，地震動反應譜特征周期為0.40 s，鄭州市工程抗震設防等級為VII度區。因此地震烈度也不做考慮。

3.1 工程地質條件

城市中基坑工程的施工條件差，對周圍環境的影響大?；庸こ淘O計中邊坡主動土壓力計算對于城市基坑工程中無法放坡情況下確定邊坡的穩定性、保證項目安全、降低建設成本和減少環境影響都有著至關重要的作用。土體的壓縮模量反映了土體受到垂向應力時的變形特征，壓縮模量越小，土體壓縮系數越大，在荷載作用下，更易產生過大變形和不均勻沉降、基坑坍塌等工程地質問題，不宜開發利用地下空間。所以在進行基坑開挖時對土體的壓縮模量進行準確評估，對于確保地下結構的安全穩定具有重要意義。環境介質的均勻程度是影響地下工程結構穩定性和安全性的重要因素之一。環境介質越均勻，所承受的應力越簡單，從而減少裂縫、失穩等不利影響，可使地下空間結構穩定性更高。地層均勻性主要依據不同地層在垂向上的壓縮模量差異來表征。巖土體壓縮模量變化越大，說明地層的均勻性越差。在基坑開挖過程中，邊坡穩定性直接影響施工過程中的支護、地基處理措施。土體的粘聚力和內摩擦角是影響基坑邊坡穩定性的主要指標，本次研究在巖土體結構分區的基礎上采用土體的粘聚力和內摩擦角這兩個指標對中層基坑穩定性進行分級評價。本次研究選用邊坡主動土壓力、地層厚度加權壓縮模量、地層均勻性、邊坡穩定性四個指標來反映基坑工程施工的工程地質條件。

3.2 水文地質條件

研究區地下水主要為松散巖類孔隙水，可劃分為淺層含水層組和中深層含水層組。淺層含水層組埋藏淺，底板埋深一般在45～55 m，局部大于60 m，為潛水或微承壓水類型，其下為一組粉質粘土或粉土弱透水層與下伏中深層含水層組相隔，厚25～45 m。根據含水層深度可知，影響中層地下空間開發的含水層為淺層含水層組。其水位埋深對地下空間的開發利用有很重大的影響。潛水水位埋深越淺，對地下空間的開發利用越不利，反之則越有利。地下水位變幅對地下空間建設和使用具有重要的影響（雷琨，2017；賈方建，2021）。在地下空間建設過程中，需要根據不同地區地下水位的變化情況，設計和建造出相應的工程控制措施以控制地下水位的變幅。隨著南水北調工程的常態化運行，地下水開采量減少，造成研究區地下水位逐年上升（張院等，2013）。但目前來看不能確定地下水位變化的規律和趨勢，故暫不考慮水位變幅對地下空間的影響。含水層富水性對地下空間的開發利用影響很大。地下水富水性好，會增加施工期間地下水控制難度和防水排水措施所需要的成本，對地下空間資源開發利用不利。地下水中腐蝕性離子對襯砌、隔水材料的耐久性和安全性帶來不利影響。特別是對鋼筋混凝土結構而言，地下水的腐蝕性問題是必須考慮的重要因素。高濃度的腐蝕性離子會侵蝕鋼筋混凝土結構的表面，損害結構的強度和穩定性，從而降低結構的使用壽命并增加維修和加固的成本。因此在進行地下空間開發過程中，必須考慮地下水對地下空間結構的腐蝕性問題?；庸こ淌┕χ車浇乇硭虍a生擾動，可能溝通地表水對地下水的補給通道，對地下工程的安全性構成潛在威脅，對于中層基坑工程而言，支護結構采用止水效果好的支護方式，無需考慮地表水的影響。因此水文地質條件將選擇水位埋深、含水層富水性、水的腐蝕性三個指標反映基坑工程施工的水文地質條件。

3.3 環境地質問題

鑒于軟土的低壓縮模量、低抗剪強度、低滲透性等特點，使得軟土在開挖過程中易產生剪切破壞和側向變形，導致基坑邊坡失穩或支護結構變形。此外，軟土具有明顯的觸變特性，當受到擾動或震動時，其結構強度會驟然降低，導致土體沉降或滑動，進而降低地下施工的安全性（魏偉，2017）。在設計和施工過程中，需要采取相應的工程措施，以減少軟土對地下空間開發的不穩定性和風險，同時對已建好的地下空間，還需要定期檢查和維護。研究區的軟弱土主要分布在京廣鐵路以東、隴海鐵路以北（張建羽等，2023）。在地下空間開發過程中，當遇到松散且飽和的砂土時，特別在強烈震動的情況下，淺層土體中的砂土或粉土可能產生液化失穩現象，嚴重時會出現涌水冒砂、土體滑坡、沉陷或浮起等現象，在地震力的作用下可瞬時喪失抗剪強度和承載能力，對土體和地下結構物的建設及運營造成十分不利的影響。地面沉降是一種慢性的、長期的土地表面下沉現象，往往不易被察覺。盡管對人們的日常生活影響較小，但是對地下空間的施工、開發、維護帶來很大的不利影響（吳文博等，2013）。因此環境地質問題將選擇軟土厚度、砂土液化、地面沉降反映基坑工程施工時遭遇的環境地質問題。

3.4 地面建設現狀

制定地下空間發展規劃時必然已經存在一些已經開發利用的地下空間，且對地下空間開發利用有影響的因素不只是已開發的地下空間，還包括地面建設狀況。根據地基基礎影響理論，地下空間開發通常需要與既有建筑物在水平和垂直方向上保持一定的距離（褚云鵬，2020）。但鄭州市尚未建立地下空間開發利用現狀的基礎數據庫，目前暫時無法考慮地下空間開發利用現狀。地面建設現狀的分析可以了解城市建設的趨勢和需求，也可反映地下空間開發的限制條件。因此可將地面建設現狀作為影響地下空間開發利用的因素之一。

3.5 敏感因子

敏感因子是具有決定性制約作用的評價因子，一旦敏感因子存在，預期的社會經濟發展目標就難以實現，采用一票否決制，當該因子出現時，直接將評價單元歸類為不適宜區。根據《鄭州都市區總體規劃（2012～2030）》中將都市區范圍用地劃為禁止建設區、限制建設區和適宜建設區，實行分區管制，保證空間有序發展。禁止建設區是生態底線范圍內非經特殊許可不得建設的區域，包括水源地保護區、主要河流、水庫、主要行洪通道、大型基礎設施廊道及其控制帶。文物對現代歷史研究和文化傳承具有重要意義，所以文物及其周圍一定范圍和深度內不可進行地下空間的開發和利用。另外，參考《城市地下空間開發地質環境適宜性評價技術規范》（DB 41/T 2020-2021，2021年），當區內存在明確礦權登記的重要礦產資源時，礦區范圍劃定為地下空間開發禁止建設區，不進行地質環境適宜性評價。

在綜合分析研究區地質環境條件的基礎上，選取工程地質條件、水文地質條件和環境地質問題、地面建設現狀、敏感因子作為一級評價指標，每個一級指標進行進一步細化，選擇具有代表性的二級評價指標，以構建一個完整的評價指標體系，如表1所示。

表1 鄭州市中層基坑工程地質環境適宜性評價指標體系表Table 1 Index system for the suitability assessment of geoenvironment of foundation pit in the middle layer of Zhengzhou City

4 評價指標分區及賦值標準

研究區各評價指標分區結果見圖1～圖13，各評價指標分級及賦值見表2。

圖1 主動土壓力分區圖Fig.1 Zoning map of active soil pressure on slopes

圖2 巖土層加權平均壓縮模量分區圖Fig.2 Zoning map of the thickness-weighted average compressive modulus

圖3 地層均勻性分區圖Fig.3 Zoning map of uniform of the strata

圖4 基坑穩定性分區圖Fig.4 Zoning map of slope stability

圖5 水位埋深分區圖Fig.5 Zoning map of groundwater depth

圖6 含水層富水性分區圖Fig.6 Zoning map of aquifer water richness

圖7 地下水中Cl-含量分區圖Fig.7 Zoning map of Cl- in groundwater

圖8 軟土累計厚度分區圖Fig.8 Zoning map of soft clay thickness

圖9 砂土液化等級分區圖Fig.9 Zoning map of sand liquefaction

圖10 地面沉降速率分區圖Fig.10 Zoning map of ground subsidence rate

圖11 地面建設現狀分布圖Fig.11 Zoning map of existing buildings

圖12 空間管制區分布圖Fig.12 Zoning map of prohibited construction areas

圖13 文物保護單位分布圖Fig.13 Zoning map of cultural relics protection

表2 各評價指標分級及評分Table 2 Grading and scores of evaluation indexes

5 評價指標權重確定

權重是評價過程中非常關鍵的一個因素，其確定是否合理直接影響評價結果的準確性（王曉峰等，2009）。權重是根據評價指標對地下空間開發的影響大小而確定的，反映了各評價指標對地下空間適宜性分級的貢獻程度。對于權重的確定，目前常用的方法包括專家打分法、熵值法、層次分析法等。本研究綜合考慮各評價指標間的相對重要關系和評價過程的科學性和客觀性，采用層次分析法確定各指標權重。權重確定結果見表3。

表3 評價指標權重分配Table 3 Weight distribution of evaluation factors

6 中層基坑工程地質環境適宜性評價

根據表1的指標分級及評分標準，對研究區內的各評價因子進行量化處理，采用MapGIS軟件對每個評價指標進行分區賦值，分別根據各自的權重進行加權疊加運算，最后聚類合并得到綜合評價結果，將地下空間開發利用適宜性分為3個級別，劃分為適宜性好區、中等區和差區，適宜性等級標準見表4。在此基礎上，疊加敏感因子分布圖，最終得到鄭州市地下空間開發利用適宜性分區圖，見圖14。

圖14 鄭州市中層基坑工程地質環境適宜性評價圖Fig.14 Map of geo-environment suitability evaluation for foundation pit in the middle layer of Zhengzhou City

表4 適宜性等級標準Table 4 Classification standard of geo-environmental suitability

由圖14可以看出，地質環境適宜性好區主要分布在京廣鐵路以西的區域內，面積約107.6 km2，占總面積的24.6%。該區域地質環境條件良好，適宜興建各種形式的地下工程。適宜性中等區主要分布在京廣鐵路以東、東風渠以南、京廣高速鐵路以西的區域內，面積約166.3 km2，占總面積的38%。該區域地質環境條件較好，施工技術難度低，基坑維護成本低，采取合適的處理方法加固第四系松散土層，適當采取止水、排水措施，可興建各類地下工程。適宜性差區主要分布在龍湖附近以及京廣高速鐵路以東區域，面積約108 km2，占研究區總面積的24.6%。該區域地質環境條件相對較為不利，地下工程建設施工難度及成本較高，建設時應采取合理的基坑圍護和施工工藝，并做好防水、降水措施。禁止建設區主要包括常莊水庫、西流湖水庫以及保護區以及南水北調中線工程一級保護區、鄭州東部京廣高速鐵路等控制帶、零散分布的部分文物保護單位及集中分布在隴海鐵路和京廣鐵路東北部的文物保護范圍，面積約55.9 km2，占總面積的12.8%。

地質環境適宜性評價分區特征評價見表5。

表5 評價分區地質環境特征表Table 4 Description of suitability evaluation units

7 結論

（1）通過分析影響城市中層基坑工程開發的地質環境條件，結合工程實際，選取地質環境適宜性評價指標，構建針對中層基坑工程地質環境適宜性評價指標體系。評價指標體系主要包括工程地質條件、水文地質條件、環境地質問題、地面建設現狀、敏感因子5個一級指標，在各一級指標下選擇了地層壓縮性、地層均勻性、含水層富水性、軟土、液化沙土等13個二級指標。通過量化處理，將部分定性指標轉化為定量指標，從而更準確地反映試驗區的實際情況。

（2）評價因子的權重反映對基坑工程適宜性的貢獻程度。對于中層基坑工程而言，工程地質條件對地質環境影響最大，工程地質條件中基坑邊坡穩定性權重最大，影響最為顯著，其次為潛水位埋深、含水層富水性、地面沉降權重較大，影響顯著，其他評價因子影響不明顯。

（3）在中層基坑工程地質環境適宜性綜合評價中，適宜性中等區的面積占主導地位，適宜性差區和適宜性好區的面積相對接近。適宜性好區地層壓縮性好，地層均勻，邊坡穩定性好，無地下水分布，無軟土和液化砂土分布，地面沉降速率小，建成區占比??；適宜性中等區地層壓縮性較好，地層均勻性以中等為主，水位埋深以10～30 m為主，含水層富水性弱，地下腐蝕性弱，存在軟土分布，砂土液化等級以不液化為主，地面沉降速率中等，建成區占比較大；適宜性差區地層壓縮性差，地層均勻性以中等為主，水位埋深小，含水層富水性弱，地下水腐蝕性強，存在軟土分布區，軟土呈多層分布，軟土厚度以0～4 m為主，砂土以中等液化為主，地面沉降速率大，建成區占比小。在進行重大地下工程建設時，應優先選擇適宜性中等或適宜性好的區域進行施工，盡可能避免出現與地質環境有關的建設風險。在地質環境適宜性中等區內進行施工時，還需注意一些特定的地質環境問題，并采取相應的措施來保證工程施工的安全、穩定和可靠。

8 建議

（1）進行地下空間開發和地質環境的互饋機制研究。本次研究只限于研究地質環境對地下空間開發的制約關系研究。但地下空間的開發利用對生態環境也會產生或大或小的擾動。在提升城市性能的同時，需遵循生態環境保護優先的原則。

（2）地下空間現狀條件對其開發利用產生重要影響，地下空間已建成區是地下空間的不可再開發區，本次研究并未將地下空間建設現狀納入評價指標體系中，城市地下空間現狀較為復雜，因此有必要建立一個全面的基礎數據庫以了解地下空間的開發利用現狀，與地質環境條件相結合，共同指導鄭州市地下空間的分層合理開發。

（3）應建立地下空間開發利用適宜性動態評價模型；在城市發展的不同階段，影響地下空間開發利用的相關指標會發生變化。城市地下空間開發利用規模、數量也受到城市發展水平的限制，根據城市發展目標建立地下空間與地上空間功能標準的定性和定量的關系。對影響地下空間開發利用的各種地質環境因素，建立動態觀測系統，隨時監測地下水位、地面沉降等內容，為已有的地下工程建筑運營狀況提供數據資料，保證建筑安全工作；為新建地下工程建筑提供規劃依據，提供地質環境資料，建立地下空間開發利用適宜性動態評價模型。

（4）由于條件限制，與地下空間開發利用相關的各種社會因素、開發利用現狀等未加以考慮，在進一步研究中將改進完善。

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