王建秀，刘月圆，刘笑天，史玉金，杨天亮，陈 勇，陈大平

(1. 同济大学土木工程学院，上海 200092；2. 国土资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072；3. 上海地面沉降控制工程技术研究中心，上海 200072；4. 上海市地质调查研究院，上海 200072)

上海市地下空间地质结构及其开发适应性

王建秀1,2，刘月圆1，刘笑天1，史玉金2,3,4，杨天亮2,3,4，陈 勇2,3,4，陈大平2,3,4

(1. 同济大学土木工程学院，上海 200092；2. 国土资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072；3. 上海地面沉降控制工程技术研究中心，上海 200072；4. 上海市地质调查研究院，上海 200072)

地下空间开发是城市未来发展的重点方向，地质环境问题在开发中不可忽视。针对地下空间开发中的地质灾害，以上海为例，利用Sufer和CAD软件建模计算上海地层分布，对不同开发深度进行地质结构分析，得到地下空间开发敏感层土层分布。根据不同深度土层特性，地下建构筑物特点以及开发过程中地层的相互影响，进一步得到不同深度不同区域易发地质灾害类型，从而提出地下空间开发的建设性意见。

地下空间；地质环境问题；工程建设；规划建议

随着新一轮人口数量的增长以及城市化进程的加快，城市规模扩张和城市人口急剧增加成为社会发展的新趋势，如何合理开发利用城市土地资源也成为热点和重点研究课题。国内一二线城市用地和使用程度趋近饱和，地面建筑密集。限于土地资源的限制，城市建设逐渐朝着高空和地下发展。地下空间开发是未来城市建设的重点，而地质环境对地下空间的开发利用起着不可忽视的作用，深入分析开发区域地质环境可以为地下空间的开发打下坚实基础，并且有效预防在开发中出现地质环境引起的灾害事故。

目前，上海多发的地质问题已经有很多学者进行了研究，例如周学明等介绍了某地铁工程、浦西高架、某公路工程的地基变形，验证了上海软土对这类工程的沉降影响[1]；于通介绍了地铁东环南路站的深基坑开挖变形，强调深基坑开挖中变形监测的重要性[2]；谢石连等介绍了西大盈港西侧某沉井的流砂事故，说明在底部能达到粉砂层的沉井易发生流砂事故并可以采用深井降水的措施进行沉降控制[3]；王中原介绍了某厂区工程设备的基坑流砂事故，说明压密注浆法可以很好处理流砂事故[4]；孙海忠介绍了宝山区家乐福及专业卖场工程东侧基坑坍塌事故，强调局部深基坑应单独设计及深基坑施工严格审查的重要性[5]；吕国平介绍了广东路路基塌陷事故，说明压密注浆手段和旋喷桩在地基加固中效果较好[6]。对上海地下空间的开发也有学者进行研究，例如俪璐等介绍了上海地下空间开发及利用现状，强调地下空间规划的必要性[7]；江帆等介绍了人民广场、真如副中心等地下空间开发案例，表明对地下资源及环境的保护势在必行[8]；严学新等根据上海特有的地质环境条件，通过案例介绍了包括地面沉降、砂土粉土液化及地下水等问题[9]。前述学者对上海地质问题及地下空间开发都有论述，但并未结合上海地区具体地质数据以及地质环境问题对地下空间开发进行分析。

本文通过Sufer和CAD软件计算上海地层各类别土体量以及在上海市域的分布，并结合上海常见的地质环境风险，基于不同开发深度给出未来地下空间开发的规划建议。

1 上海市地下空间开发面临的地质风险

上海地区是典型的三角洲沉积平原，地层主要是海陆交替相、以海相为主的疏松堆积物，岩性主要以黏性土和砂、粉性土为主。根据上海地区常见的地下工程施工深度影响特点可知，第二软土层及其以上土层对工程建设影响最大。表层土为褐黄色粉质黏土，全区都有分布；其下第一砂土层为灰色粉砂夹砂质粉土，主要分布在河口砂岛和东部海岸带，这一层有潜水分布；西部湖沼平原分布有第一硬土层，是黄褐、暗绿色黏性土；第一软土层全区都有分布，上部为灰色淤泥质粉质黏土加薄层粉砂，下部为灰色淤泥质黏土；第二软土层全区分布较普遍，上部是灰色黏土，中部为灰色粉砂夹砂质粉土含天然气，下部为灰色粉质黏土夹薄层粉砂含泥炭，这一层中有微承压水。上海地区广泛分布的表土层及第一、第二软土层地基承载力不足，在地下空间开发利用中的基坑施工中容易各类周边建筑地基产生过量沉降事故。

同时上海地区地下水位高，30m以下的地层基本为饱和含水流塑或软塑黏土层，这种地层极易发生变形，产生较大的周围地层的移动，当基坑开挖至地下水位以下时，降水施工会造成基坑内外水力坡度增大，形成坑壁由外向内的渗流动水压力，当动水压力超过土的浮容重时，就会形成流砂或涌土事故。

另外在大规模的城市建设中，地层应力状态改变，在受力变化时，容易因触变特点而产生较大变形，甚至引起的塌方事故。

表1 上海部分地质灾害灾情Table 1 The accidents of geological hazard in Shanghai

2 基于开发深度的地质结构敏感度分析

2.1 地层分布计算

以上海地区地质钻孔资料为基础，利用CAD软件作出上海市等高线图，随后利用Sufer软件进行插值计算，插值结果覆盖整个上海市域（图1）。

第一步：处理钻孔数据。钻孔数据包括钻孔编号、钻孔类型、钻孔坐标、钻孔深度等二十多项数据，并且分散、数量繁多。本方法仅摘取板顶板底标高，并根据基础地质资料删减部分错误钻孔数据。

第二步：作等高线图。以钻孔板顶板底标高为基础做出不同地层等高线图。并在等高线分布稀疏而地形起伏较大地区根据周边钻孔资料适当增添等高线，以确保之后插值计算准确。

图1 计算流程图Fig.1 Calculating flow chart

第三步：作散点图。等高线图数据第一次导入Sufer软件进行差值。插值过程中，选用克里金插值法以区域化变量理论为基础以变差函数为主要工具在保证估计值满足无偏性条件和最小方差条件的前提下求得估计值，结果较为准确。网格密度选择中，兼顾计算速度及结果精度，选择50×50网格密度。第一次插值结果导入CAD软件，扣除地层缺失区及区域轮廓线外插值数据。再次将CAD数据导入Sufer软件进行插值计算，得到完整覆盖上海市域的散点数据。

第四步：结合散点高程数据及网格划分长度，以及地下开发不同深度规定，用函数公式对插值所得栅格化数据计算浅、中、深层地下空间各类土体积比例，并在Sufer软件中得到不同深度不同类别土体积比例及分布。

2.2 基本地层结构分析

（1）不同类别土体积比例分析

由表2的上海地下土层分布可知，0～15m的浅层空间中，表层土和淤泥质黏土成分最多，淤泥质黏土含量接近50%，表层土占31.67%，而上海表层土性质也接近淤泥质黏土。粉细砂和黏土最少，黏土约7%，粉细砂仅有1.54%。上海的淤泥质黏土呈灰褐色，结构不均，颗粒组成以粉粒为主，主要黏土矿物成分为伊利石、高岭石、蒙脱石等，天然密度高，饱和度高，天然含水量一般大于液限，呈软塑-流塑状态，承载力低，透水性低，固结速度缓慢。

15～40m的中层空间中，表层土和淤泥质黏土含量减少，分别约3%和11%，黏土和粉细砂成分较多，黏土含量达到64.76%，是这一深度土层的主要组成部分。上海的黏土主要矿物成分为高岭石类、蒙脱石类和伊利石类，是颗粒非常小的可塑的硅酸铝盐。可塑性较强，含水量较高但略低于淤泥质黏土，透水性弱，承载力较低。粉细砂属于砂土，是无黏性质的散体，没有可塑性，具备一定程度压缩性，但压缩性较小，承载力较高，有较大的渗透系数，并且当其受到一定程度的振动时，原来的颗粒结构易产生破坏形成流砂。40～110m的深层空间中，不含表层土和淤泥质黏土，中粗砂和黏土含量最多，中粗砂含量达64.69%，黏土含量接近三分之一。中粗砂为浅黄色，稍湿，松散状，属于低承载力、中压缩性土，液化特性较低，相对来说质量较好。

表2 不同开发深度土体积比例Table2 Soil volume ratio in different depth

（2）不同类别土分布分析

由图2(a)-(d)可知，0～15m范围内，淤泥质黏土分布在上海市绝大部分地区，崇明岛西北角和青浦区西部有少量缺失区。南部金山区含量最高。市区中部地带分布量较大厚度较高，平均厚度超过50%，徐汇区、静安区、虹口区、杨浦区等商业区都处在中部地带，浦东新区西部含量也超过50%。中部地区建筑物密集，高层建筑较多，地下商业街及密集地铁交通网络也处在这一深度，对地基质量要求较高。少量黏土分布在青浦区西部古河道部位，粉细砂少量分布在中西部，对这一深度地下空间开发影响不大。

由图2(e)-(g)可知，淤泥质黏土分布较少，主要集中在长兴乡、横沙乡以及崇明岛西南角，长兴乡、横沙乡局部地区厚度超过50%，其余地带含量在10%～30%之间。黏土广泛分布在上海市区域，中西部分布较多，局部超过50%，青浦区南部和金山区西部分布密集，东部浦东新区含量在10%～30%之间。崇明县和长兴乡、横沙乡分布略多于浦东新区，在30%～60%之间。粉细砂主要分布在除崇明县、长兴乡、横沙乡以外的区域，西部边缘古河道地区有缺失区。整体含量在10%～50%之间，以浦东新区、奉贤区、闵行区分布较多。

由图2(h)-(i)可知，粉细砂主要分布在浦东新区、闵行区和奉贤区，含量在10%～30%之间，存在液化风险。黏土主要分布在崇明县、长兴乡、横沙乡以及西北区域，中东部古河道区域有缺失区，含量在10%～50%之间，松江区局部区域超过50%。分布最多的是中粗砂，在这一深度地区基本上覆盖整个上海市域，并且含量在30%～80%之间。

2.3 敏感层分布及影响分析

（1）不同开发深度已建工程对敏感层影响分析

图2 不同土类分布Fig.2 Distribution of different soil in Shanghai

上海浅层0～15m范围内广泛分布着淤泥质黏土，由前述分析可知，徐汇区、静安区、虹口区、杨浦区等商业区集中在市区中部淤泥质黏土最厚地区，这部分城区广泛分布各类地下管线、地下室、地下车站、地下商业街、地下停车场以及地铁隧道等建构筑物。地下管线在使用期间容易受到地面沉降的影响，导致管道断裂损坏，而由分析可知，0～15m范围内以淤泥质黏土、黏土分布为主，极易产生较大地面沉降，因此在规划建设中应充分考虑不均匀沉降问题，尽量减少对地下管道的影响。地下室及地下车站的基坑施工中，由于地基土质量太差，承载力低并且含水量较高，容易发生侧壁坍塌、边坡失稳等事故。上海地铁隧道埋深最浅为11m（最小覆土5m），最深达35m（穿越黄浦江底）。大部分处于0～15m范围内。地铁隧道管片对地铁的运营起重要作用，而不均匀沉降会导致管片断裂变形，影响地铁正常工作，淤泥质黏土中的高含水量也对管片的防渗性能有较大影响。

15～40m范围内分布着大量粉细砂，其中青浦区南部和金山区西部分布密集，东部浦东新区含量也较高。青浦区以农业规划为主，地下空间开发问题不突出，金山区在市政规划中属于高新园区发展，并且将带动商贸发展，而浦东新区则是商贸繁华区。金山区、浦东新区区域内这一深度现今或者规划期将分布众多中高层建筑物桩基、地铁隧道、地下隧道等。这部分土层容易出现流砂涌水现象，虽然桩基一定程度上可以跨越流砂层，但对于这一深度中桩端不到基岩的桩来说，也有被流砂影响的危险。地铁隧道和地下隧道在施工中很容易因为动力机械的扰动从而引起流砂事故，黏土的低承载力性能也是需要地铁隧道施工运营中密切关注的。

40～100m中的60m范围内分布着高层超高层建筑的深桩基，主要分布在浦东地区，这一深度土层质量较好，是理想的桩基持力层，也是未来规划中地下空间发展的主要方向。

（2）不同开发深度影响层相互影响分析

不同地层中的工程建设不仅影响本深度土体性质，对相邻上下地层也会产生扰动。浅层地下空间开发中，以基坑开挖为主，影响较大的工程建设措施是抽降地下水，地下水水位下降导致土层固结变形，同时基坑开挖引起土体应力释放与地层应力平衡状态改变，导致土层位移和地表变形，而在近些年地下水回灌之后，根据上海环境公报显示，部分地区已经开始出现地下水水位上升后的回弹问题，复杂地层应力状态的改变会对深部土体产生扰动，而中层空间中的粉细砂土层，在扰动中很容易产生流砂现象。中部地下空间开发中，地铁隧道的地层损失引起的地面沉降，盾构施工对地层的扰动，以及降水引起浅部地层进一步固结沉降。同时，在浅层、中层的土体开挖中都会导致下部地层的纵向变形。

3 结束语

地质环境全面影响着一个地区地下空间开发的建设布局、规模、深度，地质环境的好坏对地下空间的开发有着很强的约束作用[10]。而同时在地下空间开发过程中，原有的地质环境条件包括地下水等发生了改变，施工时可能会发生突涌、土体液化及塌方等地质问题，对原有建筑、道路及设施产生一系列的影响，严重的甚至会出现周边建筑物倾斜、道路开裂等破坏性的灾害，造成人员伤亡以及重大的经济损失。而在地下空间开发迫在眉睫的形势下，对地下空间的地质环境进行深入调查分析非常有必要。

上海地层以淤泥质黏土、黏土、粉细砂和中粗砂为主。0～15m浅层地下空间以淤泥质黏土为主，承载力低、透水性差，在上海全市均有分布，以中心城区为主，在工程建设时应当注意基坑降水以及周边地面沉降问题。15～40m中层地下空间以黏土为主，主要分布在中西部，同样需要注意地面沉降以及基坑坍塌问题。粉细砂含量不多，均匀分布，但粉细砂易引起的流砂涌水也不可忽视。40～110m深层地下空间以中粗砂和黏土为主，中粗砂在整个市域均有分布且厚度较大，整体来说地基土质量较浅、中层要好。

不同的地质环境条件导致在地下空间开发中容易发生各类地质灾害，但地下空间开发是现在及未来城市建设发展的重要方向，因此全面详细并且多角度地分析地质环境非常有必要。结合不同开发深度下土层特性，根据其体积量以及分布图，分析在特定区域易发地质灾害，可以为其城市规划提供建设性意见。

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[1] 周学明,袁良英,蔡坚强. 上海地区软土分布特征及软土地基变形实例浅析[J]. 上海地质,2005,26(4):6-9,61. Zhou X M, Yuan L Y, Cai J Q. Analysis of soft soil distributional characteristics and deformation xamples of Shanghai Area[J]. Shanghai Geology, 2005,26(4):6-9,61.

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[4] 王中原. 某基坑工程流砂事故及处理方案[J]. 施工技术,2004, (10):77. Wang Z Y. Sand drift accident and treatment plan of a foundation pit project [J]. Construction Technique, 2004, (10):77.

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Geological structure of the Shanghai underground space and a preliminary analysis of the development of adaption

WANG Jian-Xiu1,2, LIU Yue-Yuan1, LIU Xiao-Tian1, SHI Yu-Jin2,3,4, YANG Tian-Liang2,3,4, CHEN Yong2,3,4, CHEN Da-Ping2,3,4
(1. Department of Geotechnical Engineering College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Key Laboratory of Land Subsidence Monitoring and Prevention, Ministry of Land and Resources, Shanghai 200072, China; 3. Shanghai Engineering Research Center of Land Subsidence, Shanghai 200072, China; 4. Shanghai Institute of Geological survey, Shanghai 200072, China)

Underground space is the focus of future development in many cities, and in such cases, geological environmental problems cannot be ignored. Taking Shanghai province as an example, geological hazards in the development of underground space are examined, using Surfer and AutoCAD software to model and calculate stratigraphic distribution. Through the analysis of geological structures at different depths, we can obtain a sensitive layer of the underground space development distribution. According to the characteristics of soil and underground buildings at different depths, interaction with strata in the development process can cause geological disasters at various depths and areas. We present constructive suggestions regarding the development of underground space.

underground space; geological environment problems; engineering construction; planning proposals

P642.26

：A

：2095-1329(2017)02-0039-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.02.010

2017-04-06

修回日期: 2017-06-04

王建秀(1971-),男,博士,教授,主要从事深基坑降水工程深层地下空间开发等研究.

电子邮箱: wang_jianxiu@163.com

联系电话: 021-65983923

上海市科委课题(16DZ1201303);上海浦江人才计划(15PJD039);国土资源部地面沉降监测与防治重点实验室开放基金(KLLSMP201403,KLLSMP201404)