城市地下空间开发利用的潜在不利影响及其对策_杨木壮

城市地下空间开发利用的潜在不利影 响及其对策
Ｐｏｓｓｉｂｌｅ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｅｆｆｅｃｔｓ ａｎｄ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅ Ｍｅａｓｕｒｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｕｔｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｕｒｂａｎ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｓｐａｃｅ
杨木壮 张建峰 郑先昌
ＹＡＮＧ Ｍｕ－ｚｈｕａｎｇ ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ－ｆｅｎｇ ＺＨＥＮＧ Ｘｉａｎ－ｃｈａｎｇ
利用可能存在的不利影响研究，对城 避免地会对地下水环境造成一定的
现
代
市地下空间建设规划与资源可持续 影响。从造成影响的时间顺序角度来
城 市
利用具有重要实际意义。
分析，可以将地下综合体、地铁、地下
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究
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步行街、水底交通隧道等大跨度的地 下工程对城市地下水环境的影响分 为两类： 一是地下工程施工期间所 产生的影响， 二是地下工程建成后 的潜在影响。 ２．１．１ 地下工程施工期间所产生的影
变形和破坏则不易划分。洞室围岩的 现
变形与破坏，是发展的连续过程。弹
代 城
脆性岩石构成的围岩，变形尺寸小， 市
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发展速度快，肉眼不易察觉，而一旦 挖引起的地表位移和变形性质、大小 时，对周围管线的影响是基坑工程不
失稳，突然破坏，其强度、规模和影响 有关。
城市中心区域地面建筑设施密 集、地下管线复杂，地下工程施工开 挖引起的地面沉降将有可能危及周 围地面建筑设施和地下管线的安全。 随着城市建设的发展，城市地下工程 的修建必然日益增多。因此，如何在 开挖过程中防止坍塌并有效控制开 挖引起的地面沉陷，以保护工程沿线 建筑物和地下管线的安全，已成为开 展城市地下工程建设必须要面对的 问题。
在地下工程建成之后，会对城市 地下水环境形成一定的潜在影响，主 要的表现有：阻滞地下水的排泄，改 变地下水径流的方向，引起地下水位 的升降，若地下工程经过湖泊和古河 道，则可能会诱发两者贯通等。
相对地下工程在施工期间造成 的影响而言，在其建成之后的运营过 程中对地下水环境所产生的影响则
是大范围的。从时间上来看，其产生 的影响具有明显的“滞后性”，并且这 种影响具有“累积效应”［３］。例如城市 地铁工程的建设，可能会截住地下水 的径流路径，从而降低地铁附近地下 水的径流速度，使得地下水难以及时 排泄，污染物不断积累，导致污染加 剧。地铁隧道对地下水的拦截作用， 使其隧道两侧的地下水位发生变化， 迎水面水位壅高，背水面下降，影响 城市供水及地表植物的生长，进而影 响整个城市的生态环境。南京地铁１ 号线隧道，两次穿越秦淮河古河道， 其中三山街车站和许府巷车站的连 续墙埋深都超过３０ｍ，插入隔水层中， 这些大型构筑物不仅阻碍地下水的 传输，而且还通过侵占古河道降低了 地下水蓄存能力和调节能力。这个影 响是大范围、长久的［４］。 ２．２ 对岩土体的影响
２．２．１ 引起地表移动、沉降、变形 地下工程在施工中或竣工后，出
现地表移动、沉降、变形等是最常见 的环境工程地质问题。由于地下工程 的施工活动是在岩土体内部进行，因 此无论埋深大小，施工不可避免地会 对岩土体发生扰动影响，使其失去原 有的平衡状态，而向新的平衡状态转 化。在对岩土体的开挖过程中，由于 地层物质被挖出，自洞室临空面向地 层深处一定范围内地层应力将发生 调整，宏观表现为岩土体移动与变 形。对于埋深较浅的地下工程，这一 范围波及到地表，则会引起地表沉降 和变形，形成施工沉降槽。施工沉降 槽的影响会引起地面沉降和塌陷。
地表移动变形受多种因素的影 响，其大小不仅与地下工程的埋深、 断面尺寸、施工方法和支护方式有 关，而且受地层条件的影响。而地面
沉降主要受两个方面的影响：一是地
下水疏干所导致的差异性地面沉降，
另一个则是由于护坡设施的侧向变
形引起的地面沉降。前者产生的沉降
是在较大范围内，一般是以深基坑为
中心的环形区域里。后者主要集中在
１ 引言
２ 城市地下空间开发利用中的潜在不
随着城市人口的飞速增长，城市 利影响
化进程的不断加快，扩大城市空间容
城市是人类大量集中居住和活
量的需求与城市土地资源紧缺的矛 动的主要地域空间，是地球表层物
盾日益突出。为了解决这一矛盾，实 质、能量和信息高度集中的场所。城
现城市的集约化发展和可持续发展， 市地下空间的开发利用，改变了城市
枯、水资源逐步枯竭、地表水入渗或 经塌陷灌入地下，影响了城市的生态 环境。
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２．４．２ 地下空间开发产生的岩土弃渣
造成的地质灾害 城市地下空间开拓过程中的废
弃物需要大面积的堆置场地，会导致 对土地的过量占用和对堆置场原有 生态系统的破坏。堆置场地的占用不 仅严重影响了城市建设，其造成的污 染影响还要花费大量人力、物力、财 力并经过很长时间才能恢复，而且很 难恢复到原有的水平。另外，由于城 市堆放面积的有限性，许多废渣堆积 体被堆得又高又陡，遇暴雨后经常会 发生堆积体边坡失稳、滑移、泥石流 和崩塌等地质灾害，导致交通运输和 生产中断、附近建筑物遭受破坏，严 重影响人民群众的生命安全［ １ ０ ］ 。此 外，在废渣堆积体中含有许多有害的 干燥废渣物，在刮风的日子里，随风 吹到城市居民区，影响人民生活和身 体健康。 ２．５ 其他影响
地质灾害 城市地下空间开拓过程中常需
要对地下水进行疏干排水，有时还 要深降强排，以此确保隧道围岩体 的稳定及保持施工过程的干式作业。 上海、广州、深圳等地下空间开发利 用较集中的沿海城市，地下岩土体 软弱，物理力学特性较差，城市工程 地质和水文地质条件复杂。当隧道 掘进时，常会引发一系列的环境地 质问题，给城市生产生活带来许多 灾害［１０］。
（１ ）隧道突水事故不断发生。我 国东南沿海城市地下水位较高，施工 过程中强行对地下水进行深降强排， 会产生巨大的水头差，使隧道围岩体 及掌子面受到地下水高水压的威胁； 在一些构造破碎带和隔水薄层的地 段发生突水事故，严重威胁工程施工 人员的生命安全，并可能毁坏施工设 备和建筑材料，增加工程项目投资； 以突水点为中心的相当范围内，水位 下降数十米，会导致附近的城市厂 矿、工业和生活供水原有系统失灵， 甚至形成无法供水的局面。
容忽视的重要内容［５］。
都极显著。弹塑性岩石和塑性土构成
城市地下工程的开挖施工，会导 ２．４ 引发地质灾害
的围岩，变形尺寸大，甚至堵塞整个 致施工区域内地层应力状态的改变 ２．４．１ 地下空间开发疏干排水导致的
洞室空间，但其发展速度缓慢［７］。 洞室围岩失稳，塌方、冒顶是隧
道施工中普遍出现的工程地质问题。 我国东南沿海一带多发育盆岭相间 的地貌景观，近年来，公路发展较快， 开挖隧道也相应增多，在开挖隧道过 程中，于风化裂隙发育带、断裂带、岩 脉和小断层区、节理密集带、岩脉与 围岩接触带等地段，常发生围岩失稳 事故。城市地铁工程，洞室围岩失稳 也比较常见。通过对围岩失稳的调查 发现，围岩破坏几乎都是沿已有的结 构面产生，并可形成新的断裂。洞室 围岩失稳破坏，往往会导致地表环境 的突变，如洞内塌方引起地表坡体变 形、地表塌陷等［６］。 ２．３ 对临近建筑物和管线的影响
但其中起主导作用的还是岩石性质
及岩体的结构、岩体的天然应力状
态、地质构造、地下水等自然因素。
地下工程洞室开挖后，地下形成
自由空间，原来处于积压状态的围岩
由于解除束缚，而向洞室空间松胀变
形。由于洞室开挖，在隧道围岩中会
产生厚度为０．８～１．０ｍ的松动圈［６］。当
围岩应力超过岩土体强度时，便会导
致失稳破坏，有的显著而突然，有的
响 开展城市地下空间建设，对大多
数地下工程来说，要求有干燥的环境 以便于大型机械施工。在地下水较浅 地区进行深基坑开挖，用盾构法在饱 和土体中施工，为了保证地下工程开 挖面的稳定，进行大面积的人工降水 是不可避免的。但大面积的人工降 水，将会导致地下水“漏斗式”下降， 致使地下水的动力场和化学场发生 变化，引起地下水中某些物理化学组 分和微生物含量的变化，可能导致水 质恶化，加剧地下水污染。
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文章编号：１００９－６０００（２００９）０８－００２４－０５ 中图分类号：ＴＵ９８４ 文献标识码：Ｂ
基金项目：住房与城乡建设部科研项目（２００８－Ｋ７－１４，２００９－Ｒ２－１４），广东省科技 计划项目（２００８Ｂ０３０３０２０４６）
作者简介：杨木壮（１９６５—），男，广东揭阳人，博士，教授，广州大学主要从事自然 资源与土地资源研究； 张建峰（１９８０－），男，邯郸学院地理与旅游专业助教； 郑先昌（１９６８－），男，广州大学土木学院博士研究生，副教授。
地下管线可以分为刚性管线和 柔性管线。通常，刚性管线在土体移 动不大时可以正常使用，土体移动幅 度超过一定限度时则发生断裂破坏。 对于柔性管线，受力后接头可产生近 于自由转动的角度，接头转动的角度 及其管节中的应力小于允许值时，管 线可正常使用，否则也将产生断裂或 泄漏，影响使用［８］［９］。
地下工程施工所引起的地表移 动与变形对地下管线的损害与建筑 物基本类似，主要表现为地表倾斜损 害、地表曲率损害、地表水平变形损 害等形式。城市中由于地下管线非常 复杂，一旦当其受到地下工程施工的 影响和破坏时，就会给城市的生产生 活带来严重影响。例如，地下污水管 断裂，可能会使工地附近路面成河；
在的问题，为建设生态型城市带来了 于城市地下空间开发利用中可能造
新的契机。但是，如果对城市地下空 成的环境工程地质问题，主要体现在
间利用不当，也会导致一系列的环境 以下几个方面。
地质问题，例如地表塌陷、地下水污 ２．１ 对地下水环境的影响
染等［１］。因此，开展城市地下空间开发
城市地下空间的开发利用，不可
大幅度提高整个城市的生活质量，达 原始地表状况，以及城市所在区域岩
到高度的现代化，人们在向城市高空 石圈的原有自然平衡状态。如果城市
寻求空间的同时，也正在积极地开拓 地下空间开发利用不当，必然导致城
城市地下空间。城市地下空间的开发 市地质环境发生改变和恶化，给城市
利用将有助于解决很多目前城市存 建设和人民生活带来很大的危害。关
建筑物遭受损害。其遭受的损害程 坏，将会给国家造成政治、经济、军事 统，会造成大面积疏干漏斗、泉水干
度，取决于很多影响因素，除地层特
现 代
征以外，还与建筑物的基础及结构形
城 式、建筑物所处的具体位置，以及开
市
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方面重大损失。因此，进行地下工程 施工时，特别是进行诸如地铁车站等 大规模狭长支护的深基坑工程建设
（２ ）因疏干排水形成海水入侵， 破坏了当地淡水资源，并造成土壤的 盐渍化。
２．３．１ 对建筑物的影响
地下清水管断裂，更会给一方居民带
（３ Baidu Nhomakorabea疏干排水及废水废渣的排
城市地下工程施工会对沿线的 来灾难；煤气管道断裂，易引发更大 放，导致水环境发生变异甚至恶化。
建筑物产生一定影响，严重时会致使 恶性事故；地下重要通讯电缆被损 例如，破坏了地表水和地下水均衡系
基坑四周，根据工程实践经验， 在基
坑周边的地面沉降往往是地下水疏
干和围护结构变形叠加的结果。疏干
地下水产生地面沉降，如果水位降低
不大，产生的沉降危害可不予考虑，
但水头降低过大，并且疏干的范围又
较小时，不均匀沉降可能引起建筑物
的倾斜、墙体开裂，而围护结构变形
产生的地面沉降，对基坑周边产生的
影响往往是严重的［５］。
和调整，相应的也会导致地层及其地 表发生位移和变形。这种位移和变形 与岩土体的自重以及附加应力作用 所引起的岩土体的固结沉降，在沉降 速度和空间分布上有着不同的特点。 通常，地下工程施工可以在较短的时 间内引起地表较大位移和快速变形， 而这种较大位移和快速变形对于建 筑物的危害性可能更大。 ２．３．２ 对管线的影响
另外，施工中为提高土体的防渗 性能和增强土体的强度，需要进行化 学注浆，可能导致地下水化学污染； 施工中所产生的废水（洞内漏水、洗 刷水、排水）、废浆、施工机械漏油等， 都将会影响地下水的水质［２］。
一般来说，地下工程在施工期间 对地下水环境所产生的影响是局部 范围内的。随着施工的结束，其所造 成的影响经过较长的时间是能够得 到有效缓解的。 ２．１．２ 地下工程建成后的潜在影响
总之，开展地下工程建设，不论
是采用盾构法，还是沉井或基坑法，
均会扰动岩土层，产生软土层蠕动，
饱水砂性土的管涌、地面变形等环境
工程地质问题。
２．２．２ 导致洞室围岩失稳
洞室围岩的稳定性不仅与岩石
的性质、岩体的结构与构造、地下水、
岩体的天然应力状态、地质构造等自
然因素有关，而且还与隧道的开挖方
式及支护的形式和时间等因素有关。