地质通报  2019, Vol. 38 Issue (9): 1571-1580  
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何静, 郑桂森, 周圆心, 王继明, 刘予, 李超, 刘立岩, 何晗晗. 城市地下空间资源探测方法研究及应用[J]. 地质通报, 2019, 38(9): 1571-1580.
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He J, Zheng G S, Zhou Y X, Wang J M, Liu Y, Li C, Liu L Y, He H H. Research and application of detection methods for urban underground space resources[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(9): 1571-1580.
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基金项目

北京市地质矿产勘查开发局基金项目《北京市地下空间资源调查评价及关键技术研究项目》(编号:PXM2017_158203_000006)

作者简介

何静(1981-), 女, 硕士, 高级工程师, 从事城市地下空间资源调查评价工作。E-mail:48406199@qq.com

通讯作者

郑桂森(1959-), 男, 教授级高级工程师, 从事城市地质研究。E-mail:zhenggs@bjdkj.gov.cn

文章历史

收稿日期: 2018-11-12
修订日期: 2019-08-08
城市地下空间资源探测方法研究及应用
何静1 , 郑桂森2 , 周圆心1 , 王继明2 , 刘予1 , 李超1 , 刘立岩1 , 何晗晗1     
1. 北京市地质调查研究院, 北京 100195;
2. 北京市地质矿产勘查开发局, 北京 100195
摘要: 地下空间资源探测是科学合理开发利用地下空间资源的基本前提,国内各大城市相继开展了地下空间资源调查评价工作,但对地下空间资源探测方法尚未开展系统梳理。在北京城市地下空间资源调查评价工作的基础上,对地下空间资源开发利用2个阶段,即建成区和待建区地下空间资源探测对象和探测方法分别做了阐述,指出建成区的探测对象是已开发利用的地下空间资源,可以采用遥感技术解译建筑物高度,利用建筑物竖向影响深度推算已利用开发地下空间,利用物探手段(电法、磁法、重力、地震)较精确地圈定已开发利用空间;对于待建区,调查对象主要是影响地下空间资源开发利用的地质条件,可以通过相应的地质工作开展调查。最后列举了应用实例,以期为城市地下空间资源探测工作起到借鉴作用。
关键词: 城市地质    地下空间资源    探测方法    地质环境    成果应用    
Research and application of detection methods for urban underground space resources
HE Jing1, ZHENG Guisen2, ZHOU Yuanxin1, WANG Jiming2, LIU Yu1, LI Chao1, LIU Liyan1, HE Hanhan1     
1. Beijing Institute of Geological Survey, Beijing 100195, China;
2. Beijing Geological Prospecting and Developing Bureau, Beijing 100195, China
Abstract: The pre-exploration is the basic premise of scientific exploitation and utilization of underground space resources. Although significant investigation and evaluation have been carried out in many large cities in China, there is no published systematic summarization of exploration. On the basis of investigation and evaluation of urban underground space in Beijing, this paper describes both detection objects and methods for underground space resources in built-up areas and places to be built respectively, which represent two key steps of underground space utilization. In built-up areas in Beijing, underground space is calculated by affected depth of buildings in the vertical direction with the application of various geophysical prospecting methods, including electrical method, magnetic method, gravity detection and seismic techniques, which can define exploited underground space accurately. On the other hand, geological conditions which are likely to have impact on underground space development become the major research objects in areas to be built. In addition, a practical example is summarized to explain the concrete operation, with the expectation of providing references for related work of urban underground space resources.
Key words: underground space resources    detection methods    geological environment    practical application    

地下空间资源指在城市地表以下一定深度范围,受地质条件约束,在现有技术经济条件能开发利用的土层或岩层中天然形成或经人工开发而成的空间,以及空间中蕴藏的各类地质资源。由于地下空间的开发利用都是在地质体中进行的,各类地质条件均对地下空间的开发利用产生制约,同时地下空间的开发利用又会反作用于地质环境,如果盲目无序开发可能引发地质灾害。因此地下空间的开发利用必须经过精心探测,周密规划。

现阶段中国城市地下空间开发利用规模迅猛发展,但在开发的同时也出现了一系列的问题,例如浅层空间无序开发,浪费严重;地下空间建设期间施工事故频发,对社会产生不良影响;地下空间建成后出现各类地质安全隐患,影响使用等。究其原因,很大程度在于规划利用地下空间前,缺乏地质专项探测,缺乏专门针对地下空间资源探测的各类技术规程。结合北京地区实际地质工作,在北京城市地区初步摸索出了一套适合北京城市地下空间资源的探测方法,本文阐述相关概念和基本工作思路、方法。

1 北京城区地质概况

北京城区位于北京平原地区,北京平原地层大致由两部分构成,上层为第四纪松散堆积物,下层为基岩[1]

北京平原上层的松散层堆积物厚度变化非常大,最薄十余米,最厚可达1000m(沉积凹陷);沉积物颗粒粒径从0.001mm(粘土)到1000mm(砾石)均存在。总体来说,北京平原松散层在垂向上交互出现,横向地层变化显著,地质条件相当复杂[2]。而这一层松散堆积物正是北京地下空间资源开发利用的主要部分,人类大部分的开发利用活动都在这一层内进行。

下伏基岩顶板埋深从十余米到几千米变化很大,总体形成断陷盆地[3]。基岩被不同历史时期形成的断裂切割为非均一块体。块体之间的相对运动对于区域地壳稳定性产生影响,且这些块体之间的运动产生的应力变化也对上层松散层堆积物内应力应变产生影响。

另外,在断陷盆地内,在上覆松散层和下伏基岩之间存在半固结的新近纪和古近纪沉积物,大部分埋藏较深,但局部地区埋深较浅。对于埋深较浅的这类半固结沉积物,在进行整体地下空间开发利用规划时应当加以考虑。

2 影响地下空间资源开发利用的主要因素

所有地下空间资源的开发利用活动都是在地质体中进行的,影响地下空间资源开发利用的地质条件分为两大类:一类是基础条件,主要是岩土体条件,岩土体的物质组成(岩性)、地层结构、岩土体自身的物理力学特性等;另一类是各类地质约束条件,包括水文地质条件(含水层结构,地下水类型)、活动断裂、地面沉降(地层压缩)、地温场变化、有害气体(氡气、汞气)等均会对地下空间资源的开发利用造成不利影响,在开发利用前必须查清上述问题,规避地质风险,保障安全利用。此外,地面建筑和已开发利用的地下空间也会对地下空间资源的利用造成影响[4]图 1)。

图 1 建筑物基础对人防工程影响区域分布图 Fig.1 The influence of building foundation on civil air defence project
3 地下空间资源探测对象

按照地下空间资源开发利用现状分为两大区域:一是待建区,二是建成区。每个区域探测重点和探测方法不同。待建区尚未进行大规模地下空间资源开发利用,影响地下空间资源开发利用的主要因素是地质因素,这在前节已经论述;建成区已进行了部分地下空间资源开发利用,如果需要再进行地下空间资源的开发利用,受已开发利用地下空间的影响,必须查清已有地下空间的分布及其影响范围。对于待建区地下空间资源探测,由于探测对象主要为影响开发利用的地质条件,针对与地下空间开发相关的要素,通过传统的地质调查手段,依据不同精度的需求开展即可。对于建成区,需要掌握地下空间资源开发利用现状,即地下空间范围(利用的埋深、边界范围及其影响范围,图 1)。由于历史原因,北京与地下空间开发利用相关的资料未系统管理,分散多家保管,单靠收集各家单位资料,很难查清地下空间开发利用现状,要全面掌握则必须开展一系列的实地探测工作。

4 地下空间资源探测方法 4.1 待建区

待建区尚未进行地下空间资源开发利用,主要影响因素为地质因素,包括基础条件(岩土体条件)和约束条件(水文条件、活动断裂、地面沉降、地温场变化、有害气体等)。

(1)基础条件

基础条件主要指岩土体条件,岩土体是地下空间资源开发最直接作用的对象,地下空间一切利用活动都在岩土体中进行,其物质组成、岩土体结构、岩土体构造、岩土体的物理力学参数都对地下空间规划、设计及施工产生很大影响。以英国伦敦地铁修建为例,伦敦地铁大部分都穿越层名为“London Clay”的粘土层,对此英国相关学者对该层粘土开展了大量的研究,宏观上查清了粘土地层的走向及空间分布,据此规划地铁走向;微观上做了大量物理力学试验[5]。在地铁规划设计建设前,完成了各项研究工作,确保地铁能安全施工并最终投入运营。

岩土体物质组成及结构、构造、物理力学参数、物理性质等,都可以通过大量的钻探取样及室内土工试验或野外试验获得相应参数。常规的室内试验包括筛析法、环刀法、烘干法、搓条法、圆锥法、直接剪切试验、岩石静力弹性参数试验等;野外试验包括标准贯入、静力触探、波速测试、载荷试验等。上述探测方法在北京地区都是常用的探测手段。除上述手段外,在北京平原区还尝试采用旁压试验获取深部岩土体力学参数。该方法在永定河冲积扇中下部取得了较好的试验数据,但在永定河冲积扇的上部,由于砾石的大量存在,旁压实验不适宜应用在该地区。

通过大量钻探及试验获取了各类地层岩性及物理力学参数等属性数据,这些数据都是离散的二维数据。但地下空间资源是空间结构,单独的二维数据无法很好地展示三维空间。为此,需要通过一定方法,将上述离散二维数据按照相应的地质规律和数学算法,展现在三维地质空间结构中,也就是三维地质结构和属性结构建立的过程。目前在地质领域较多应用的建模平台有Paradigm公司的SKUAGOCAD软件[6-7]、国内的中地软件公司MapGIS的K9软件[8-9]及北京超维创想公司Creatar软件[10-11],都可以实现三维地质结构体的搭建和展示。

(2)约束条件

北京平原区对地下空间资源开发利用有影响的约束条件,包括水文地质条件[12]、活动断裂[13]、地面沉降[14]、地温场变化[15]及有害气体[16-17]。在进行地下空间资源开发利用前必须查清上述条件,规避在开发利用过程中和开发后产生的各类地质风险。

① 水文地质条件

地下水的赋存状态和地下水水位变化对地下空间开发利用影响较大。地下水的动水压力和静水压力可能引起岩土体的变形、失稳和破坏[18-19],在地下水水位高的区域开发地下空间,必须解决其抗浮问题[20]。以北京某段地铁修建为例,在设计之初没有充分考虑地下水水位,在实际施工阶段发现无法解决抗浮问题,只能修改最初方案,改变地铁埋深至符合抗浮要求。

从上述水文地质条件对地下空间开发利用的影响看,必须查清地下水类型、含水层结构、含水层埋深、流向、水头压力、涌水量、腐蚀性等参数。这些参数对于空间资源开发的规划布局有重要影响。

② 活动断裂

平原区主要发育隐伏活动断裂。由于活动断裂两盘的水平或垂直的移动都会对地下空间造成拉裂、变形甚至破坏,对于跨断裂建设的地下空间,如地下隧道、重要市政管线、地下综合管廊等,会造成极大破坏[21]。因此在前期规划建设阶段,必须查明活动断裂的位置,在进行活动断裂调查时要查清断裂走向及其精确定位,尤其是断裂上断点延伸至第四系松散层浅部位置(地下空间资源开发利用层位)。要查清上断点空间位置,可以采用浅层地震、高密度电法、大地电测深、微重力等方法探明。

③ 地面沉降

地面沉降也是北京平原发育的主要地质灾害之一,近年沉降范围及沉降速率都呈现快速增长的趋势。地面沉降产生的原因目前有2种看法:一种认为主要原因是开采地下水过量;另一种认为主要是地质原因,由于存在可压缩的地层所致。从现有地面沉降发育地区及沉降速率较大地区看,沉降中心都分布在冲洪积扇的扇缘和第四纪沉积凹陷附近,而沉积凹陷又受断裂构造控制,这些地区多为细颗粒地层,如粘土层,粉质粘土等,存在较厚的可压缩层[22]。地面沉降的危害主要表现在对地铁、重要市政管网等线状设施的影响。凡通过沉降区的地铁线路和地下设施会整体不均匀下沉[23],情况严重时会影响地铁运行安全,造成管网破损、排水困难等诸多问题。探测方法主要有地表水准测量,可压缩层分层测量,获取整体沉降数据和不同深度沉降数据。

④ 有害气体

目前在北京平原区已知对地下空间有影响的有害气体主要是氡气和汞气。氡气属于放射性气体,在地下的扩散很不均匀,常沿断裂、破碎带等地质薄弱部位富集,并沿这些部位由地下深部向大气扩散[24]。在氡气丰富的地区,氡气可沿各种缝隙进入地下空间。如果达到一定浓度,会对人体造成伤害。汞气在土壤中普遍存在,它在土壤中的含量除与地质背景有关外,还与人类活动密切相关。凡是人类活动频繁的区域,特别是工业发达的地区,土壤中汞的含量普遍较高[25]。如果地下汞的含量超标,对地下空间的开发同样不利。经初步调查,北京平原沿断裂分布的区域,一般地下氡气、汞气的含量普遍存在异常。因此,在开发利用之前,需要掌握土壤氡、汞浓度。

查清水文地质条件,需要开展相应的水文地质钻探工作,进行取样分析,并开展野外水文地质试验(包括抽水试验、压水试验等);查明活动断裂的分布及定位,在北京平原区目前常用的工作手段主要是采用钻探、槽探,利用各类物探方法包括人工地震、微重力、电测深等开展活动断裂的定位及其在第四系松散层中上断点的精确位置;对地面沉降监测,现有方法主要依靠地表GPS、InSAR,这些方法可以测量地面沉降值,通过地下埋设分层标、基岩标,确定可压缩层层位及其压缩特性,为地下空间资源规划利用提供精确信息;测量土壤氡含量,可以通过土壤氡气测量仪器进行检测。

4.2 已建区

已建区地下空间资源的开发利用除受到上述地质环境约束外,更重要的是已建成地下空间和地面建筑对地下空间进一步利用的影响。需要确定已开发利用的地下空间埋深及空间分布范围,为地下空间资源规划提供详实的基础资料。

已开发利用地下空间资源,包括已有建筑物地基基础影响区域(包括基础、桩基的影响区域和地下室)(图 2)及大型单体地下空间建筑。

图 2 已开发利用空间示意图 Fig.2 Sketch map of developed space

探测对象中,已有地面建筑基础和基础影响深度的获取难度较大,因为这类资料一般不能通过直接调查获取,需要通过收集建筑物基础的原始资料获取。通常情况下都分散在各个建设单位,如果大面积开展此类工作,尤其在北京城区,地面建筑物数量巨大,要完全准确获取每个建筑物的基础埋深及基础影响深度几乎不可能。因此,利用遥感影像判断地面建筑高度,从而利用建筑物竖向影响深度推算已开发利用的地下空间深度。

(1)已有建筑物地基基础影响区域(建筑物竖向影响深度计算模型)

按照地基基础类型划分,北京地区主要的建筑地基基础类型分为四大类:天然地基、复合地基(CFG桩桩土复合地基最普遍)、换填垫层地基和桩基础。在计算模型时按照建筑物的高度2层、6层、10层、20层、32层和100层的情况,其中桩中心距小于等于6倍桩径的桩基沉降计算深度Zn,对于单桩、单排桩、疏桩复合桩基的最终沉降计算深度Zn按应力比法计算[26];复合地基沉降计算深度应该满足σz≤ 0.2σc或Δsn-≤ 0.025 $\sum\limits_{i=1}^n$ Δsi-,Δsi-在计算深度范围内,第i层土的计算变形值(mm),Δsn-在由计算深度向上取厚度为Δz的土层计算变形值(mm)[27],最后综合得出结论(表 1)。据此可以利用建筑物的高度间接估算地下空间开发利用的深度。由于建筑物的高度可通过遥感解译技术批量获得[28],因此该方法可以快速估算地面建筑对应的已开发利用地下空间深度。

表 1 地面建筑高度与影响深度关系 Table 1 Relationship between ground building height and its influenced depth

(2)单体地下空间探测

物探技术在解决地下空间探测中有重要的应用,在建筑物基础资料或其他地下设施信息缺失时,凭借其高效、经济、灵活的优点,能获取丰富信息,对地下管线、地下障碍物(包括防空洞、老桩基)等探测[29]。利用不同的物探方法针对不同调查对象可以获取较好的探测效果。但是作为通过观测和研究各种地球物理场的变化解决地质问题或工程问题的一种勘查方法,物探方法必须有一定的地球物理条件才能取得满意的效果:探测对象与周围介质存在一定的物性差异;探讨对象必须具备一定的规模,能产生相对地球物理异常;能正确区分干扰场带来的异常;克服多解性带来的偏差。虽然物探方法具有许多应用先决条件,但是在进行地下空间资源详查时还是有较好的应用前景。考虑到实际地质条件和探测对象,在北京地区主要应用探地雷达、高密度电法、浅层地震和微重力进行探测。各方法在进行地下空间探测的平面位置和探测深度有效性见表 2

表 2 地下空间探测的物探方法 Table 2 Geophysical prospecting methods for underground space exploration

① 高密度电法

通过观测与研究人工建立的地下电流场的分布规律,确定地下电性异常体的分布范围、埋深及其电导率值。图 3中解译地表至地下5m为地表覆盖层,5~18m为粘土层,18m以下为砂性土层。G6测线电阻率剖面80m处出现高阻异常,推测高阻异常为地下管道、地下室等引起。

图 3 高密度电阻率解译成果图 Fig.3 Interpretation of high density resistivity

② 地质雷达

利用一个天线发射高频电磁波,另一个天线接收来自地下物质界面的反射波,根据电磁波从发射到接收的传播时间、幅度、波形等资料可推断地下空间的分布、形态。图 4是在北京城区某道路下探测到人防工程雷达剖面,矩形圈定区域有明显的异常,推断由人防工程引起,并可以推测出该工程埋深2~4m,宽度4m。

图 4 探地雷达解译成果图 Fig.4 Interpretation of ground penetrating radar

③ 浅层地震

利用地下介质弹性和密度的差异,通过观测人工产生的振动波在地下运动的传播规律,分析地下构造的性质和形态。应用浅层地震可以提供地基基地的几何形状、地层结构(厚度和分界面位置)、断层位置与产状等有关信息。图 5测线位于北京北四环某地区,走向由西向东。该地区地表主要为人工堆积层,岩性为房渣土及素填土层,厚度分布不均。在20~30ms之间存在一套振幅较强的反射层,推测该层为强风化低速层的底界面,其上部地层岩性主要为粘性土或粉土层,地层平均波速约1200m/s,推算该层底界面埋深12~15m。在100ms左右存在一套振幅较强、连续性较差的反射层,推测该层可能为一套第四系内的岩性界面,埋深75~80m。在剖面102~112m反射特征杂乱,推测可能由于地下异常体引起。

图 5 浅层地震测线解译成果图 Fig.5 Interpretation of shallow seismic survey

④ 重力探测

较常用于区域性地质构造普查,随着近20年来科学技术的发展,重力仪探测精度可以达到几微伽,使重力探测应用于城市地下空间变成了可能。在常规的重力探测中,人为造成的地下空间体需要作为干扰项进行剔除,如果将其作为目标体进行研究,则可以作为地下空间探测的有效方法。图 6为在北京城区某平房区布置的重力测线,重力探测效果十分显著,通过水平导数计算(水平导数的极值处标示重力场水平变化的拐点处,通常代表边界),能明显地划分地下空间体的边界。

图 6 高精度微重力探测成果图(红色代表重力高,蓝色代表重力低) Fig.6 Interpretation diagram of high-precision micro-gravity exploration
5 工作方法应用

以北京某建成区和某待建区地下空间资源探测为例,利用上述探测方法,针对已建成区,重点开展了已有地下空间资源探测,查清地下空间资源开发利用的岩土体结构,以及已开发利用地下空间资源分布(图 7图 8),利用GIS平台,按照地下0~ 10m、10~30m、30~50m三个层次[30], 计算了地下空间资源数量(表 3)。

图 7 研究区地下空间各开发层次地层分布情况 Fig.7 Stratigraphic distribution in underground space in build-up district of the research area
图 8 研究区已开发利用地下空间现状 Fig.8 Present situation of developed underground space in build-up district of the research area
表 3 北京地下空间资源数量 Table 3 The amount of underground space resources in build-up district of Beijing

对于待建区,重点开展了地下空间资源开发利用的地质因素调查,确定了影响地下空间资源开发利用的地质问题,包括活动断裂、岩溶塌陷及砂土液化,含水层的分布也直接影响地下空间资源的开发利用,对于上述地质因素以三维形式展示其空间分布(图 9)及其岩土体三维地质结构(图 10)。

图 9 北京某待建区活动断裂空间分布示意图 Fig.9 Spacial distribution of active faults in building district of Beijing
图 10 北京某待建区三维模型(地下0~100m) Fig.10 Three-dimensional model (100m underground) of building district of Beijing

通过分析,从地下空间利用深度看,0~10m产生影响的主要地质因素有断裂、地面沉降、工程地质条件(涉及的地层岩性主要为人工填土、粉质粘土、粉细砂和粉土);10~30m产生影响的主要地质因素有断裂、地面沉降、隐伏岩溶塌陷、砂土液化、工程地质条件(涉及的地层岩性主要为粉质粘土和粉细砂);30~50m产生影响的主要地质因素有断裂、水文地质条件、地面沉降、隐伏岩溶塌陷;50~ 100m产生影响的主要地质因素有断裂、水文地质条件等。探测工作按照地下空间规划要求,探测精度可达1: 10000,竖向精度可达1: 200~1: 300。

6 结论

(1)地下空间资源探测是开展地下空间地质工作的核心部分,只有探明地下空间资源,才能科学合理地开展资源规划及利用。

(2)明确了地下空间资源探测对象和探测内容。地下空间资源探测按照开发利用现状可以划分为待建区域和建成区域,各区域探测的对象有所侧重。待建区域应针对岩土体的物性结构、水文地质条件、地面沉降、活动断裂、有害气体、砂土液化等开展相应的地质工作,查清其空间分布特征和影响范围;建成区域影响地下空间资源开发利用除地质条件外,已开发利用的地下空间是最重要的影响因素,还需要探明已开发利用的地下空间资源。

(3)提出了不同地下空间资源探测对象采用的探测方法。待建区域探测方法可以利用相应的地质手段,针对岩土体物性开展相应的钻探及土工试验,针对水文地质条件开展水文调查和观测等工作,针对地面沉降可以开展地表水准测量和压缩层分层监测,针对活动断裂可以利用高密度电法、浅层地震、大地电测深、微重力等确定上断点位置,针对有害气体可以利用监测手段开展气体监测;针对已建区域的探测,可以利用遥感解译技术,解译地面建筑物高度,利用相关公式推算地下空间利用深度,再辅以实地调查和物探手段(包括电法、磁法、重力、浅层地震)。通过以上方法综合判断地下空间开发利用范围,为城市地下空间不同的规划阶段提供基础数据参考。

致谢: 在地下空间资源探测方法研究中,北京市地质矿产勘查开发局蔡向民教授级高级工程师提出了有益的工作思路和方向,审稿专家对文章提出了中肯建议,在此表示衷心的感谢。

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