长沙市地下空间开发利用现状、适宜性评价与工程措施

彭柏兴，王星华，王会云，舒倩

(1.长沙市规划勘测设计研究院，湖南 长沙 410007； 2.中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075)

1 引 言

“下者为巢，上者营窟”(《孟子·滕文公》)，是原始人类最早使用地下空间的记载。1863年，世界首条地铁在伦敦通车拉开了近现代城市地下空间利用的序幕，巴黎废弃矿井改造成地下综合管廊、雷亚诺中央广场的立体化开发、波士顿中央大道地下城和大阪站前区梅田地下综合体的建设都是一时之典范[1]。专家学者们开始了对地下空间规划利用的探索，注意到地震、地质、水文、地面坡度、岩土介质等因素对地下空间开发的影响[2、3]。John则开始关注已有地下管线、建构/筑物的影响，采用了综合叠加分析方法，首次提出地下空间资源开发利用的适宜性概念[2]。随着社会经济发展，人们已经认识到地下岩、土体是不可忽视的新型“国土资源”，地下空间的开发利用已成为拓展城市空间、改善人居环境，医治“城市病”、实施可持续发展的重要途径[4]。

长沙现辖六区二县一市，国土总面积 11 819.46 km2，市区面积 1 923.97 km2。近年来，为解决经济高速发展给长沙带来的环境与交通矛盾、建筑空间拥挤等问题，有关部门组织开展了《长沙市地下空间总体规划(2014-2020)》及《长沙市城市地下空间开发利用专项规划》[5]，部分学者对长株潭城市群地下空间开发适宜性评价进行过一定程度的探讨[6，7]。

当前，我国城市地下空间划分为浅层、次浅层、次深层和深层四个层次[8]，深度界线分别为地下 15.0 m、30.0 m、50.0 m，遵循“分层利用，由浅入深”的原则，综合考虑自然、环境、人文及发展诸要素影响。本文概括了长沙地下空间的现状，侧重于地形、地貌、工程地质与水文地质条件、不良地质作用等自然要素分析，对长沙地下空间适宜性进行分区，并对常用技术措施进行了归纳，希望对长沙城市地下空间规划、设计、建设有帮助。

2 长沙市地下空间的利用现状

2.1 发展阶段

长沙城市地下空间开发经历了以下几个阶段：

(1)起步阶段：大致从20世纪50年代开始，在战争思想的指导下，地下空间的利用主要体现在人民防空工程方面。

(2)发展阶段：20世纪60、70年代，在“深挖洞、广积粮”精神号召下，在市中心结合山体等修建了人防洞室、通道等大型人防工程。

(3)功能转型阶段：70年代末到21世纪初，长沙市采用“平战结合”方式开发利用了五一广场地下商业街、金满地、韶山路地下商业街。同时，地下市政管网建设逐年增加。

(4)快速发展时期：21世纪以来，随着经济社会的快速发展，城市轨道交通、地下过街通道、大型商业综合体及交通枢纽建设加快，长沙地下空间进入高速发展时期。

2.2 应用现状

调查表明，长沙地下空间开发利用程度较低，多为结合住宅或商业建筑开发的地下停车库，商业、文化娱乐等功能的开发量很少且分布零散，未成规模。地下交通主要为各主干路的人行通道、年嘉湖隧道、营盘路隧道、南湖路隧道以及正在施工的湘雅路隧道。轨道交通初具规模，已运营的1、2、3、4、5号线路总长 142.5 km、111个车站，长株潭城际铁路长沙市区段地下敷设南、北段总长 23 km，武广高铁浏阳河隧道长沙隧道长 10 km。正在施工的6号线长 48.11 km、长株潭城际轨道交通西环线一期地下段长 7.357 km。此外，还有望城坡交通枢纽、汽车南站交通枢纽、五一广场、芙蓉广场等商业综合体。市政管线一改过去的浅层直埋方法，采用顶管施工。

从深度分布统计发现(图1)，目前长沙地下空间开发以地下交通(停车场库)为主，96%的地下空间开发集中在浅层，仅约4%的地下空间达到次浅层。目前超过地下 40 m的项目为长沙国际金融中心，地下7层，地下埋深 34.25 m、核心筒部位深 42 m，属于次深层开发。轨道交通区间及站点深度集中在 20 m～40 m范围内，武广高铁浏阳河隧道埋深较大，30 m～50 m。总体说来，长沙尚未形成竖向开发层次与开发功能相结合的综合功能体系。

图1 长沙现状地下空间开发深度比例

2.3 存在问题

长沙地下空间开发使用尚处于比较无序的状态，缺乏系统认识和规划编制体系引导，更谈不上地面、地下、地上建筑的合理布局，甚至一些建筑基础、桥梁桩基和既有轨道线路影响后续地下空间的建设。主要体现在：

(1)缺乏相关规划引导，孤立开发，地下空间资源浪费；

(2)地下空间开发建设无法可依；

(3)开发功能单一，局限于浅层开发，未形成完善的综合功能体系；

(4)城市核心地段的地下空间开发未成体系，再开发难度较大；

(5)缺乏统一协调的管理机构。

3 地下空间适宜性分区评价

3.1 自然地理概况

长沙位于扬子准地台和华南褶皱系两个大地构造单元接合部位，经历了武陵-雪峰-加里东-印支-燕山-喜山等多次构造运动。地貌形态以低山、丘陵、岗地和冲积平原为特点，主城区坐落在湘江和浏阳河阶地上。

区内地层从中元古界冷家溪群至新生代第四纪地层均有出露，仅震旦纪、新近纪部分缺失和志留纪地层全部缺失。以冷家溪群、板溪群板岩，白垩纪碎屑岩和第四纪松散堆积层分布最为广泛。中心城区几乎为第四系地层覆盖，具有典型的河流二元相结构，厚度一般在 15 m以内，部分地段受构造影响深愈 100 m[9]。

本区属中亚热带湿润季风气候区，四季分明、具有温暖潮湿、雨量充沛、严寒期短等特点。“一江四水”(湘江、浏阳河、捞刀河、靳江河、龙王港)构成了长沙市的树枝状水系，此外，还有年嘉湖、跃进湖、梅溪湖、洋湖垸、西湖、月湖、后湖等地表水体。其中，湘江自南而北纵贯市区，水位变化幅度 8 m～10 m，平均流速约 1 m/s，汛期流速高达 2.6 m/s。丰水期在每年的5月～8月，水位 30 m～32 m，史载最高洪水位(吴淞口高程) 39.51 m(2017.7.2)；枯水期为每年10月至翌年2月，平均水位 27 m。

长沙设计地震分组为第一组，抗震设防烈度6度，设计基本地震加速度值 0.05 g。建筑场地类别多为Ⅱ类场地，局部为Ⅰ1或Ⅲ类场地。近场区内没有发生过破坏性的历史地震，不存在发震构造。

3.2 影响地下空间利用的主要地质问题

影响长沙市地下空间开发利用的主要地质问题有地震与断裂、岩溶与风化槽谷、地下水。

(1)断裂

区内断裂构造及褶皱较为发育，区内规模较大的断裂有NE、NW、EW向三组(图2)，具有多期活动性和继承性。市内主要区域性断裂有：张家嘴-荣湾镇-新塘湾断裂(F85)、葫芦坡-金盆岭-炮台子断裂(F101)、施家冲-新开铺-磊石塘断裂(F106)、东山镇-石桥断裂(F132)。据热释光测龄结果，其活动年限为17～45万年，断层活动在晚更新世前，为非全新世断裂[10]。

图2 长沙市地质构造纲要图

断裂对地下工程建设影响甚大，轨道交通2号线一期工程在汽车西站至溁湾镇一带的丘间谷地陡坡地段，因断裂构造而节理裂隙发育，造成施工难度增加。NNE向断裂F85从傅家洲斜贯营盘路隧道，形成宽度 100 m～140 m的断层破碎带(图3)，严重影响了矿山法施工进程，增加了施工难度。F101断裂经过洋湖垸、溁湾镇、鸭子铺等区域，造成第四系地层与基岩边界厚达数十米的落差，对高层建筑的基坑止水、基础选型带来不少难题。

图3 F85的地震反射剖面

(2)岩溶

长沙市区的可溶岩分为两大类，一为碳酸盐岩，以石灰岩、白云岩为代表，二为白垩系钙质砾岩或灰砾岩。碳酸盐岩主要分布于洋湖垸、桃子湖、望月湖、五一广场、月湖公园及大王山片区(图4)。钙质砾岩主要分布于沙湾公园、鸭子铺(图5)、洋湖垸、湘府路与坪塘路交汇区。

图4 西延线一期清-山区间工程地质断面图

图5 地铁5号线钙质砾岩中岩溶充填物

岩溶往往与断裂构造密切相关。劳动路湘江隧道受F85影响，钻孔见洞率高达63.16%，钻探时发生过地面塌陷[11]。长沙轨道交通1、2号线的五一广场站、五-芙区间位于区域性断裂F85与F101之间，灰岩中岩溶强烈发育，形态多样，溶蚀底板埋深介于 17.20 m～63.20 m。3号线从橘子洲-阜埠河区间、山-洋区间，4号线从湖南大学到溁湾镇之间，城际轨道西延线一期的清风路站、巡-清区间和清-山区间均属岩溶发育区域，5号线的尹家湾-鸭子铺区间均属岩溶发育区[12]。

(3)风化深槽

风化深槽主要见于白垩纪砾岩区。长沙轨道交通2号线一期工程沙湾公园站，因溶蚀风化作用而形成的风化沟槽造成围护桩严重超灌、支护变形。又如，万家丽路浏阳河段受F132断裂作用，全风化砾岩厚达 90 m尚不见底，桥梁基础、电缆隧道及5号线区间隧道穿越该地段时不得不采取预加固处理。

(4)地下水

长沙地区与地下空间工程建设关系密切的浅层地下水主要为孔隙水，赋存于各级阶地的砂砾石层中，其流向受基底地层和地势控制。一般地，Ⅰ、Ⅱ级阶地的富水性相对于Ⅲ、Ⅳ级较好，Ⅲ、Ⅳ级阶地中的地下水之间存在一定的联系[13]。其次为岩溶水及基岩裂隙水，岩溶水分布于石炭纪和泥盆纪灰岩、白云岩及白垩纪钙质砾岩的岩溶洞穴或裂隙中，富水性中等。碎屑岩裂隙水赋存于白垩系与古近系红层中，富水性中等～贫乏。震旦系浅变质岩的裂隙水则水量贫乏。

4 地下空间适宜性评价

4.1 评价因子的确定

城市地下空间与场地环境、地质、水文条件密切相关。根据CJJ57-2012[14]，建设场地适宜性划分为不适宜、适宜性差、较适宜和适宜四个等级。一般采用定性与定量相结合的综合评判方法。定性分级时，需要考虑工程地质和水文地质条件及场地治理的难易程度，定量评价采用评价单元多因子分级加权指数和法。

4.2 适宜性指数的计算

评价单元的定量评价因子由一级因子层和二级因子层组成。按下式计算评价单元的适宜性指数(IS)：

(1)

本文一级因子层包括工程地质条件、地形地貌、地质灾害与不良地质作用、水文与地下水五大因素。二级因子考虑岩土分布及特性、岩土强度及其对围护结构的影响，地面形态与坡度，岩溶、断裂破碎带、管涌及滑塌，洪水淹灭的可能及所处水系水域、地下水的埋深与承压性。各因子的权重根据专家会议会确定(表1)。各评价单元的地下空间适宜性可根据适宜性指数，按表2判定。

地下空间开发利用适宜性评价因子权重 表1

评价结果等级表 表2

根据定性与定量相结合的综合评判原则，经计算各评价单元的适宜性指数，将长沙市地下空间利用适宜性分为三个大区：Ⅰ区为适宜区，Ⅱ区为基本适宜区，Ⅲ区为适宜性差区(图6)。其适宜性指数分别为74.15、66.13、44.20、43.60。其中适宜区(Ⅰ区)约占主城区面积的67.1%，较适宜区(Ⅱ区)约占29.2%，适宜性差区(Ⅲ区)占3.7%，(Ⅲ1区2.6%，Ⅲ2区1.1%)。

图6 长沙市地下空间开发利用适宜性分区图

4.3 地下空间利用的技术措施

城市地下工程成败的关键是施工问题。施工方法的选择应根据工程性质、规模、岩土层条件、环境条件、施工设备、工期要求等要求，经技术、经济比较后确定。常用方法有明挖法、盖挖法、浅埋暗挖法、盾构、顶管。

明挖法施工：坡率法、土钉墙或复合土钉墙，桩锚或桩+内支撑；前者多用于建筑基坑，内支撑主要用于地铁车站与少数环境敏感工程，如中心医院医技楼、旺旺医院综合楼，九龙仓则采用了部分桩锚、部分支撑方案。

盖挖法在长沙应用尚少，仅用于交通疏解困难的地下通道或地铁站点，如3号线烈士公园东站。

浅埋暗挖法的代表性工程有营盘路隧道、湘江路浏阳河隧道，其次为地铁区间的联络通道。

盾构法又分泥水平衡盾构与土压平衡盾构，长沙市的轨道交通工程及过湘江隧道皆采用此方法施工。如南湖路湘江隧道与地铁3号线过湘江段均为泥水平衡法，其他各线路均为土压平衡盾构。

顶管主要用于市政管网施工，长沙顶管直径一般 800 mm～3 600 mm不等。过去采用人工掘进顶管，近年来机械顶管应用渐多，大大提高了施工效率和人员安全。

地下水处治：长沙水文地质条件不很复杂，含水层多在 15 m内，常采用落地式全封闭止水帷幕，以桩间或桩后高压旋喷桩止水为主，也有采用搅拌桩、咬合桩或地下连续墙作为止水措施。市政管沟施工中，拉森钢板桩也是常用的支护止水措施。对特别厚的含水层，如溁湾镇、省政府附近、月湖公园、洋湖垸站以及鸭子铺等深达3-4F地下室基坑，多采用封底止水或悬挂式帷幕结合井点降水。

综合长沙市地质、水文条件，地下空间开发利用的措施建议如下(表3)。

地下空间利用适宜性分区与工程措施 表3

5 结 语

(1)长沙市目前地下间的开发利用正方兴未艾，主要集中在中心城区与交通、市政项目，应用深度多在地下 40 m以内。

(2)影响本区地下空间开发利用的主要地质问题为断裂、岩溶、风化槽谷及地下水。经综合评判，长沙市地下空间开发利用可分为适宜、基本适宜和和适宜性差三个区，占城区面积的比例分别为：67.1%、29.2%、3.7%。

(3)传统的地质填图和地质调查已不能满足城市地下空间利用。既有建/构筑物的基础同及市政设施的布局和埋深已成为地下空间利用的障碍。基于GIS技术、BIM技术，构建城市地下空间三维综合模型，为城市规划、建设、管理提供技术支撑，将是城市工程地质发展的重要方向。