土體工程地質層劃分及其在城市地下空間開發中的應用

唐 鑫，許書剛，龔緒龍，顧春生，龔亞兵，崔龍玉

（1.江蘇省地質調查研究院，江蘇南京 210018；2.自然資源部地裂縫地質災害重點實驗室，江蘇南京 210049；3.江蘇省數字地下空間工程研究中心，江蘇南京 210049）

0 引言

地下空間是地表基質層中寶貴的自然資源之一，其作為城市有機體的重要組成部分，在未來城市建設中起著舉足輕重的作用（何興江等，2005；章立峰等，2015；唐鑫等，2022）。常州市地下空間開發由來已久，21世紀以來更是進入大規模開發階段，截止到2020年，地下空間開發總量約為1704萬m2，人均地下空間面積達到3.6 m2。

常州市區范圍內除局部零星分布的殘丘外，大部分為廣闊的平原，廣泛沉積第四紀松散物，厚度86.14～233 m不等，構成了地下空間開發的主體。工程地質層的正確劃分是研究土體結構和工程地質特性的基礎（胡夏嵩等，2001；李曉昭等，2004；崔征科和楊文達；2013），同時對于地下空間規劃、建設和管理具有指導性作用。例如通過土體工程地質層劃分可識別城市優勢地層和不良地層，指導地下空間開發適宜性評價和豎向分層工作的開展，為地下空間規劃編制提供基礎數據。此外，土體工程地質層劃分對于城市地面建設樁基持力層的選擇也具有一定的指導作用。

由于城市勘察工作歷史較長，工作單位眾多，不同單位之間、同一單位內部不同年代之間、相同年代不同工程項目之間對于工程地質層的劃分原則不盡相同，導致工程地質分層在區域上難以統一。常州城市地質調查項目對區內工程勘察鉆孔開展了系統性的收集整理工作，累積收集鉆孔上萬個。由于不同工程勘察鉆孔之間地質分層結構、編碼、巖性描述等五花八門，大大降低了資料的可利用性。隨著城市的不斷建設，大量工程勘察鉆孔仍會不斷積累，海量的鉆孔數據由于無法統一而失去意義（閻浩等，2020）。因此，對常州市土體工程地質層進行劃分，建立統一的劃分標準是十分必要的。將城市地質調查工作收集的工程勘察鉆孔按實際位置投繪到地形圖上，選擇具有代表性的鉆孔257個（圖1b），在區內第四紀地層劃分的基礎上，對100 m以淺土體工程地質層進行系統研究，建立土體工程地質層劃分標準。通過工程地質層劃分標準的建立，分析其在樁基持力層選擇、地下空間開發適宜性評價、地下空間豎向分層規劃、多種地下資源協同利用等方面的應用，為常州市地下空間開發提供工程應用實踐。

圖1 研究區構造位置圖（a）與工程勘察鉆孔部署圖（b）Fig.1 Structural location map （a） and engineering investigation drilling deployment map （b） of the research area

1 地質概況

常州市位于長江三角洲太湖平原西北緣（圖1a），依據成因類型和地形特征，可分為長江漫灘平原、沖湖積平原、沖海積平原、波狀平原、構造剝蝕殘丘5種地貌單元（徐敏和羅元喜，2016）（圖1b）。區內第四紀松散層厚度總體呈現東南西北四個角較薄，由中部向北逐漸增厚的態勢，底板形態顯示向北傾斜開口的盆形谷地。第四紀地層出露齊全，自老至新可劃分為早更新世海門組、中更新世啟東組、晚更新世昆山組、滆湖組和全新世如東組地層等（吳小斌等，2021）。由于區內大片地區被厚度較大的第四系覆蓋，能直接觀察到的斷裂不多。前第四紀主要活動斷裂以NE、NEE向為主，主要為奔牛-孝都斷裂、厚余-新橋斷裂、麻皮橋夏港斷裂。第四紀以來主要活動斷裂以NNE、NW和近EW向為主，早中更新世斷裂主要有蘇錫常斷裂、金壇-南渡斷裂，晚更新世活動斷裂主要有茅東斷裂。

2 土體工程地質層劃分

2.1 劃分方法

當前，關于巖體工程地質層組的劃分方法和原則較為系統完善，但對于土體工程地質層組的劃分方法還未形成統一標準（茍富剛等，2018）。特別是大范圍的城市地質調查和勘探時，土層厚度大，類型多變，對于土體工程地質層組的概化與歸并十分關鍵（嚴學新和史玉金，2006；茍富剛等，2018）。土體工程地質層劃分以第四紀地層劃分結果為基礎，遵循詳略得當、便于應用的原則，綜合考慮3個方面的因素：①沉積時代、成因類型和形成環境；②物質成分和結構特征；③重度、孔隙比、液塑限等物理性質及壓縮系數、內摩擦角、黏聚力等工程特性指標。劃分采用鉆孔剖面法進行，剖面布設以1∶5萬地形地貌圖作為底圖，按照縱橫結合的原則，平面上控制全區，在重點地貌單元和不同地貌單元變換處增加剖面鉆孔數量來提高控制精度。剖面鉆孔分為控制性鉆孔和一般性鉆孔，控制性鉆孔深度為100 m，一般性鉆孔深度為50 m。根據土層的沉積時代進行鉆孔的工程地質層層組劃分，將剖面中各孔對應地層“段”的界線進行連接，作為地層層組界線，層號由上到下按由小到大的順序排序，以阿拉伯數字“1、2、3、4……”表示。每個地層層組內部包含若干個不同巖性及工程地質特征的地層分層，但它們屬于區內同一地質時期的沉積產物。在每個地層層組內部，將地層巖性特征相同、工程地質特征相近的地層分層界線進行連接，作為工程地質層亞層界線，層號排序在工程地質層層組序號基礎上根據各亞層沉積先后順序并結合不同沉積相間的穿插關系由上到下按由小到大的順序排序，對應的層序編號以“-1、-2、-3、-4”表示。

2.2 特殊標志層

單孔工程地質層劃分是整個劃分過程中難度較大的環節，需結合孔內豎向對比和區域橫向對比進行。特殊標志層是區內第四紀地層劃分時采用如古地磁、電子自選共振（ESR）測年等諸多測試方法確定的具有明顯特征或重大意義的地層，對于單孔工程地質層劃分具有借鑒作用（董士尤，1985）。常州地區特殊標志層包含有不同時期的海侵層、與較大的沉積間斷相關的特殊巖性層如古土壤層或礫石層、區域平行不整合面等，其中對于工程地質層識別和劃分具有重要意義的主要為區內不同時期的海侵層和硬土層（表1）。

表1 特殊標志層工程地質特征表Table 1 Engineering geological characteristics of special marker layers

2.2.1 海侵層

全區第四紀以來記錄了三次大的海侵，由下至上分別為太湖海侵、滆湖海侵和鎮江海侵，形成時代主要為晚更新世和全新世（于俊杰等，2016）。巖性以粉砂、粉砂夾黏土、粉砂與黏土互層為主，水平層理發育，其所特有的灰色系、較多呈現“千層餅”的特點為土體工程地質層的識別和劃分提供重要依據（表1）。

2.2.2 硬土層

區內普遍存在1～2層硬塑狀黏性土層，厚度較大，分布穩定，表現為第一硬土層和第二硬土層，沉積時代為晚更新世，是區域海退之后長期暴露地表沉積間斷的重要標志。第一硬土層多以棕黃色硬黏土為主，第二硬土層主要為黃灰色黏土，向下夾粉砂含量逐漸增多（表1），均含鐵錳結核和黃色銹斑，并有大量植物碎屑。

2.3 劃分結果

最終將常州地區100 m以淺土體劃分成10個工程地質層，其中部分工程地質層內部根據物質成分和工程特性指標的差異進一步細分出25個工程地質亞層（表2）。

表2 土體工程地質層劃分表Table 2 Classification table of soil engineering geological layers

2.4 合理性驗證

工程地質層劃分結果的合理性檢驗可通過各層物理力學指標的離散型和三維地質模型構建來檢驗。變異系數是國際上通用的一個指標，反應數據分布的離散程度，為無量綱系數，多用于不同參數離散性的比較，用δ表示（劉柱等，2012）。δ＜0.1，變異性很低；0.1≤δ＜0.2，變異性低；0.2≤δ＜0.3，變異性中等；0.3≤δ＜0.4，變異性高；δ≥0.4，變異性很高。Ingles對于土體不同物理力學參數變異系數的范圍值和建議標準值作了相關研究和報道（許紅梅等，2016）。根據工程地質層劃分結果，統計各工程地質層物理力學指標的變異系數，通過與建議標準值進行對照，變異系數多數在合理范圍內，物理力學指標的離散性相對較?。ū?），工程地質層的劃分結果合理可行。

表3 工程地質層物理力學指標變異系數統計對比表Table 3 Statistical comparison of physical and mechanical indexes variation coefficient on engineering geological layers

另一方面，采用分級地層物理建模技術和隱式建模技術構建三維工程地質模型，分級地層物理建模技術按級別順序從工程地質層到亞層進行構建，針對斷層、地層間接觸關系等離散且不完備的地質數據，采用隱式建模的方法構建（張家尹等，2021）。通過三維工程地質體模型和剖面模型可以看出相同工程地質層之間的連接相對平滑，上下工程地質層之間的接觸關系相對合理（茍富剛等，2018），顯示出工程地質層劃分結果比較合理（圖2）。

圖2 常州市三維工程地質模型Fig.2 Three-dimensional engineering geological model in Changzhou City

3 城市地下空間開發應用

城市地下空間的開發利用主要有兩種方式，一種是作為地面建筑的基礎使用，另一種是作為地下室開發利用。土體工程地質層劃分在地下空間開發中的應用十分廣泛，包括樁基持力層選擇、地下空間豎向分層規劃、地下空間開發適宜性評價、多種地下資源協同利用等多個方面。

3.1 樁基持力層選擇

隨著常州市城市化、現代化進程的不斷加快，地鐵、高架、高層建筑等遍布城區，此類建筑荷載大，對沉降控制要求高，天然地基已無法滿足，工程建設中一般采用樁基礎（徐余等，2002）。依據工程地質層物理力學性質統計指標，采用《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）相關公式計算，同時結合地方經驗可得到地基土承載力特征值（表4）。根據計算結果，4-2層粉砂、5層粉質黏土地基承載力特征值分別為220 kPa和240 kPa，頂板埋深多在10 m以淺，可作為短樁基礎樁端持力層，滿足多層和小高層建筑使用。6-2層粉砂地基承載力特征值為200 kPa，頂板埋深20 m左右，可作為中長樁基礎樁端持力層，滿足中高層建筑使用。高層建筑首選6-4層粉砂作為長樁基礎樁端持力層，地基承載力特征值為200 kPa，頂板埋深30 m左右，具有壓縮周期短的特點。6-4層缺失或厚度較小情況下，可選7-1層粉質黏土作為樁基礎樁端持力層，但要關注粘性土的蠕變性對于樁基礎的沉降影響（鄭曉慧，2018）。

表4 樁基持力層地基承載力特征值Table 4 Characteristic values of foundation bearing capacity on pile bearing stratum

3.2 地下空間豎向分層規劃

地下空間開發是一個由淺部逐漸向深部擴展的過程，隨著城市的不斷發展，地下空間開發的深度會越來越深，隨之而來的建設成本也會成倍增加（李春和束昱，2006；易榮和賈開國，2020）?！冻Ｖ菔谐鞘械叵驴臻g開發利用規劃》（2005-2020）將地下空間豎向層次劃分為“淺表層：-20～0 m、中層：-40～-20 m和深層：-40 m以下”。根據本次工程地質層劃分結果，常州市深層承壓含水層頂板最小埋深為32.9 m，統籌考慮深層承壓水對地下工程的影響及優質含水層保護，可將-35 m作為地下空間開發紅線，地下空間豎向層次劃分建議調整為淺層地下空間：-10～0 m、中層地下空間：-35～-10 m和深層地下空間：-35 m以下（圖3）。

圖3 地下空間豎向層次劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of vertical hierarchical division about underground space

城市規劃或地下空間專項規劃編制時需進行地下空間開發豎向分層規劃，使地下空間開發能夠按照相應設施的功能以及地質環境進行有層次的開發，充分保護地下空間資源（陳志龍和伏海艷，2005）。常州市淺層地下空間土體開發條件較好，可安排綜合管廊、地下商業、地下停車等公共交通服務設施，其中3層硬黏土層廣泛分布，為建議開發層，4-2層富水砂層產生的涌水涌砂問題是影響地下空間開發最主要的地質環境問題。中層地下空間是軌道交通區間隧道適宜利用深度，其中5層硬黏土層廣泛分布，是軌道交通開發的優良層位，6-2層富水砂層產生的涌水涌砂問題對于地下空間開發影響較大，有條件時可選擇避開此層位。深層地下空間范圍承壓含水層廣泛分布，應以地質生態環境保護為主，可統籌部署地下物流、深層儲藏設施等城市基礎設施和城市公用設施，在開發條件尚不成熟時，以資源預留為主（表5）。

表5 不同功能類型地下空間開發深度建議表Table 5 Suggestions for development depth on underground space of different functional types

3.3 地下空間開發適宜性評價

地下空間處于地質環境中，在對其進行前期規劃、開發建設、后期運營及維護的全生命周期中，其地下結構與周邊的地質體有著分不開的影響與作用（趙晉友等，2013；夏友和馬傳明，2014）。因此，在地下空間規劃前進行地下空間開發適宜性評價意義重大（茍富剛等，2023）。以工程地質層劃分結果為基礎，結合地下空間豎向分層和施工工法，可進行分區分層地下空間開發適宜性判別，指導地下空間專項規劃編制。

影響地下空間開發適宜性的地質環境因素主要包括填土、軟土、砂土液化、承壓水埋深、砂層厚度、地面沉降、滑坡崩塌等，利用專家調查法對評價因子進行分級，分值越低，其對地下空間開發影響越大，構建層次結構模型（表6）。再根據地下空間豎向分層和施工工法，選取不同層次地下空間對應的影響因素，通過層次分析法（AHP）計算權重（表7～9），借助GIS平臺進行疊加計算評價單元開發難度得分S，根據S值的大小對地下空間開發適宜性等級進行劃分（表10），由此得到淺層、中層和深層地下空間開發適宜性評價結果。淺層地下空間（-10～0 m）是常州市當前開發的主要層位，多采用明挖法施工，評價結果顯示新北區春江鎮沿江地區由于淺部砂土、軟土較為發育，地下水埋深淺，適宜性一般，施工過程中需采取降水措施，其它地區以黏性土為主，適宜性總體較好。中層地下空間（-35～-10 m）是常州市當前迫切需求的層位，地質條件較淺層相對復雜，開發適宜性相對變差，新北區和鐘樓區一帶地下空間開發面臨涌水涌砂的風險高，且該區域巖性組合復雜，盾構施工時需注意盾構機的姿態控制，避免發生抬頭事故；深層地下空間（-35 m以下）優先預留保護，如果開發多采用盾構法施工，適宜性總體較好，僅在新北區、天寧區局部地區及北部沿江地區由于砂層厚度大，地下水富水性好，地下空間開發面臨涌水涌砂的風險高，適宜性相對一般（圖4）。

表6 地下空間開發適宜性評價指標量化表Table 6 Index quantitative table of suitability evaluation for underground space development

表7 淺層地下空間開發適宜性評價因子表Table 7 Factor table of suitability evaluation for shallow underground space development

表8 中層地下空間開發適宜性評價因子表Table 8 Factor table of suitability evaluation for middle underground space development

表9 深層地下空間開發適宜性評價因子表Table 9 Factor table of suitability evaluation for deep underground space development

表10 地下空間開發適宜性評價等級劃分表Table 10 Grade division table of suitability evaluation for underground space development

圖4 地下空間開發適宜性評價圖Fig.4 Suitability evaluation of underground space development

3.4 多種地下資源協同利用

城市不僅有著巨大的地下空間開發潛力與需求，以地下水、淺層地熱能以及地質材料資源為主導的多種地下資源稟賦也有著鮮明特點（楊洋等，2019）。城市地下多種資源共生共存于復雜的地質環境系統中，相互聯系，相互制約。某一資源開發往往會對其它資源的開發潛力產生影響。例如，地下空間開發造成地下水流場、水質和水位的改變；地下水開發對淺層地熱能利用效率的影響；淺層地熱能的利用（埋管式地源熱泵） 可能對地下空間開發形成阻礙等（周丹坤等，2020）。因此，積極探索多種地下資源之間的相互影響機制，進行多種地下資源協同利用，是順應科學發展的要求。

常州市深層地下水資源雖全面禁采，但隨著禁采措施持續開展20年來地下水水位不斷回升，深層地下水仍具備應急供水功能（蘇東等，2023），且部分地下水中限量指標符合天然礦泉水要求，同時鍶和偏硅酸含量較高，是優質地下水資源，地下空間開發應避免破壞7-2、8-2層優質含水層。

淺層地熱能是一種可再生清潔能源，開發過程中若只考慮單一性的埋管式地源熱泵開發，會占用大量的地下空間資源（沈軍等，2021）。統籌考慮地下空間資源和淺層地熱能資源，進行協同開發，既可節省地下空間，為未來地下空間的開發預留足夠的潛力，又能節省工程建設成本。采用數學統計的方法對各工程地質層熱物性參數進行統計發現，工程地質層平均導熱系數分布在1.436～2.435 W·m-1·K-1之 間，比 熱 容 分 布 在1.273～1.851 KJ·kg-1·K-1之間。導熱系數最大值為10-2砂層，比熱容最小值為8-4砂層，2-3淤泥質粉質黏土層導熱系數最小，比熱容最大（表11）。由此可見導熱系數與比熱容存在負相關關系。不同巖性工程地質層熱物性參數有所差異，黏性土比熱容大于砂性土，導熱系數小于砂性土?？傮w上隨著深度增大，導熱系數呈現增大趨勢，而比熱容呈現減小趨勢（圖5）。常州市工程地質層中8-4、10-2層砂層是優良的熱儲層，地下工程建設過程中，將地下換熱系統埋設在地下結構的基坑底板之下或圍護結構中，亦或在成樁過程中埋設在樁基礎內，可節約大量地下空間（夏才初等，2009；王守超，2010），實現地下空間資源與淺層地熱能資源的協同利用。

表11 不同工程地質層熱物性參數統計表Table 11 Statistics table of thermal properties on different engineering geological layers

圖5 土體熱物性參數隨埋深變化曲線圖Fig.5 Variation curves of soil thermophysical parameters with depth

隨著開山采石的全面禁止，地質材料資源也有著巨大需求缺口。常州市土體地質材料主要為黏土材料，3、5、9-1層黏土層質地較好，具有較好的磚瓦燒制潛力，蘊藏量十分豐富，通過一定的技術手段進行改良后不僅可作為工程材料在不同建設領域運用，同時對于解決“渣土圍城”問題起到關鍵性作用。

4 結論

（1）基于常州城市地質調查項目收集的工程勘察鉆孔，在分析區內第四紀巖相古地理演化特征基礎上，綜合考慮沉積時代、物質成分、工程特性指標等因素，將常州市100 m以淺土體劃分為10個工程地質層、25個工程地質亞層。通過對工程地質層的物理力學指標進行統計，多數指標的變異系數在規定范圍內。構建的三維工程地質模型相同工程地質層之間的連接相對平滑，上下工程地質層之間的接觸關系相對合理，反映出工程地質層劃分結果合理可靠。

（2）土體工程地質層劃分在地下空間開發中的應用十分廣泛，根據劃分結果，常州市樁基持力層主要有4-2層粉砂、5層粉質黏土、6-2層粉砂和7-1層粉質黏土，地基土承載力特征值均在200 kPa以上，可滿足不同高度建筑使用。高層建筑對于樁基礎沉降控制要求高，應首選砂層作為樁基持力層。

（3）常州市深層承壓含水層頂板埋深最小為32.9 m，統籌考慮深層承壓水對地下工程的影響及優質含水層保護，可將-35 m作為地下空間開發紅線。綜合管廊、地下商業、地下停車等公共交通服務設施優先選用淺層地下空間，3層硬黏土層是建議開發層位；軌道交通優先選用中層地下空間，5層硬黏土層是建議開發層位；深層地下空間應以地質生態環境保護為主，可統籌部署地下物流、深層儲藏設施等城市基礎設施和城市公用設施。

（4）以工程地質層劃分結果為基礎，結合地下空間豎向分層和施工工法進行地下空間開發適宜性評價。結果顯示淺層地下空間在沿江地區由于淺部砂土、軟土較為發育，地下水埋深淺，適宜性一般，其它地區適宜性總體較好；中層地下空間地質條件較淺層相對復雜，開發適宜性相對變差，新北區和鐘樓區一帶地下空間開發面臨涌水涌砂的風險高；深層地下空間適宜性總體較好，僅在新北區、天寧區局部地區及北部沿江地區由于砂層厚度大，地下水富水性好，地下空間開發面臨涌水涌砂的風險高，適宜性相對一般。

（5）地下空間開發應關注與地下水、淺層地熱能、地質材料等多種地下資源的協同利用。常州市深層地下水仍具備應急供水功能，地下空間開發應避免破壞7-2、8-2層優質含水層；8-4、10-2層砂層是優良的熱儲層，可通過樁基地埋管實現地下空間資源與淺層地熱能資源的協同利用。3、5、9-1層黏土層質地較好，通過一定的技術手段進行改良后可作為工程材料在不同建設領域運用。

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