張建羽，呂敦玉，劉長禮，王翠玲，孟舒然，劉松波，張?jiān)?/p>

1)中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊，050061；2)中國地質(zhì)調(diào)查局第四紀(jì)年代學(xué)與水文環(huán)境演變重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊，050061

內(nèi)容提要: 巖土地層構(gòu)成了地下空間的基本物質(zhì)環(huán)境，對地下空間開發(fā)利用影響巨大，深入認(rèn)識、分析巖土地層結(jié)構(gòu)特征可以為地下空間的開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。鄭州市區(qū)主要分布粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、粉細(xì)砂、中粗砂等松散地層，局部存在軟弱土、濕陷性黃土等特殊土。依據(jù)巖土地層在垂向上的組合關(guān)系，劃分為單層結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)、三層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)。首次按照淺層(0～-15 m)、次淺層(-15～-30 m)和次深層(-30～-50 m)對鄭州市區(qū)地下空間的地層結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了論述，為地下空間開發(fā)利用提供了準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。提出了西部新城區(qū)重點(diǎn)開發(fā)建設(shè)地下倉儲、地下能源生產(chǎn)設(shè)施；主城區(qū)建設(shè)地下儲水管廊和排水深邃；東部新城區(qū)連霍高速公路以北作為地下空間開發(fā)避讓區(qū)；航空城區(qū)重點(diǎn)建設(shè)地下倉儲、現(xiàn)代物流通道等設(shè)施的地下空間開發(fā)利用建議，并探討了地層結(jié)構(gòu)對鄭州市海綿城市建設(shè)、路面塌陷的影響。

地下空間已被視為人類所擁有的，迄今尚未被充分開發(fā)的一種寶貴自然資源(張茂省等，2019)，在世界上許多發(fā)達(dá)國家得到了廣泛開發(fā)應(yīng)用。隨著我國城鎮(zhèn)化水平不斷提高，城市建設(shè)用地緊缺、交通擁堵、生態(tài)環(huán)境惡化等問題日趨嚴(yán)重，開發(fā)利用地下空間成為各個(gè)城市解決這些問題的有效途徑和必然趨勢(王初生等，2005；程光華等，2019；邢懷學(xué)等，2022)。地下空間作為一種自然資源同樣具有稀缺性、不可再生性和開發(fā)利用的不可逆性(蔡向民等，2010；郭朝斌等，2019)。地下空間以巖土體為介質(zhì)和環(huán)境，與以空氣為介質(zhì)的地面、上部空間存在根本差別(廖建三等，2006)，巖土地層的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等地質(zhì)條件對地下空間開發(fā)的安全和經(jīng)濟(jì)起重要作用(夏偉強(qiáng)等，2019；楊曉剛等，2019；韓博等，2020)，不同地層結(jié)構(gòu)其地下空間開發(fā)涉及巖土工程問題不同，可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害類型、開發(fā)成本、防治措施等均不同。因此深入認(rèn)識、分析研究區(qū)域的巖土地層結(jié)構(gòu)特征可以為地下空間的開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)(王建秀等，2017；朱合華等，2019)。

鄭州是中原城市群核心城市、建設(shè)中的國家中心城市、發(fā)展定位為國際綜合交通樞紐和物流貿(mào)易中心。隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展和城市建設(shè)步伐的加快，同其他大城市一樣，鄭州也出現(xiàn)了建設(shè)用地緊缺、交通擁堵等“城市綜合癥”，向地下發(fā)展，向地下要空間，進(jìn)行地下空間資源的充分開發(fā)與利用，已是當(dāng)前鄭州市最適宜的選擇。

鄭州地下空間開發(fā)利用主要位于主城區(qū)、航空城區(qū)和東部新城區(qū)、西部新城區(qū)、南部新城區(qū)(以下簡稱鄭州市區(qū))。筆者等按照“平面分區(qū)、垂向分層”的原則對鄭州市區(qū)淺層、次淺層、次深層地下空間的地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分層論述評價(jià)，試圖為鄭州市地下空間開發(fā)利用提供地學(xué)依據(jù)，也對其它黃泛平原城市劃分地下空間地層結(jié)構(gòu)具有一定參考意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景概況

1.1 地形地貌及地質(zhì)構(gòu)造概況

鄭州市位于河南省中北部，黃河下游，處于我國第二級地貌臺階與第三級地貌臺階的交接過渡地帶，總的地勢西南高、東北低，相對高差懸殊，呈階梯狀下降，地貌類型由西部、西南部侵蝕剝蝕丘陵、黃土丘陵逐漸下降過渡為沖洪積平原和黃河沖積平原，北部黃河橫貫全區(qū)。

鄭州市地層屬華北地層區(qū)，分屬華北平原分區(qū)的豫東地層小區(qū)和豫西分區(qū)的嵩箕地層小區(qū)。前第四系地層主要出露于西南部侵蝕剝蝕丘陵，第四系地層分布廣泛。研究區(qū)大地構(gòu)造橫跨嵩箕臺隆和華北臺坳兩個(gè)二級構(gòu)造單元，西南部屬于嵩箕臺隆，其它屬于華北臺坳的中南部，包括開封坳陷、通許隆起兩個(gè)三級大地構(gòu)造單元。研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造以北西向、近東西向?yàn)橹?，主要涉及尖崗斷層、中牟斷層、中牟北斷層、上街?jǐn)鄬?、須水?dāng)鄬印⒗哮f陳斷層、花園口斷層、古滎斷層等，均為前第四紀(jì)隱伏斷層，區(qū)域地殼穩(wěn)定性為基本穩(wěn)定??。

1.2 水文地質(zhì)概況

全區(qū)地下水埋深發(fā)育規(guī)律與地形、人類活動(dòng)強(qiáng)度等因素密切相關(guān)，大致為由東北到西南，從埋深 2 m增加到數(shù)十米。黃河沖積平原，地勢平坦，含水層由1～2層中粗砂、細(xì)砂夾礫石組成，結(jié)構(gòu)松散，為富水區(qū)，其中強(qiáng)富水區(qū)位于鄭州市東北部崗李至黃莊一帶。中等富水區(qū)主要位于古滎至溝趙，孫莊至薛崗以及西部的須水、常莊等地區(qū)。弱富水區(qū)主要分布于西南部的劉胡垌、侯寨、三李地區(qū)、三十里鋪地區(qū)以及西北部沖溝發(fā)育的邙山地區(qū)(夏友等，2014)。

1.3 巖土體工程地質(zhì)特征

研究區(qū)分布地層主要為第四系和新近系松散層，基巖出露很少，面積很小，按照成巖作用程度和巖、土顆粒被膠結(jié)程度，巖土介質(zhì)可以劃分為巖體和土體兩大類。

1.3.1巖體類型及工程性質(zhì)

巖體小面積分布于研究區(qū)西南部，根據(jù)建造類型、結(jié)構(gòu)類型和工程性質(zhì)劃分為3個(gè)建造類型、5個(gè)巖組?，即：

(1) 碎屑巖建造：包括①以較堅(jiān)硬層狀碎屑巖為主巖組：由古近系、二疊系—三疊系礫巖、砂巖夾黏土巖組成。巖體較完整，呈厚層狀，巖石致密堅(jiān)硬；②以軟弱層狀碎屑巖為主巖組：由新近系、二疊系泥巖、頁巖夾砂巖組成。巖體呈薄層狀，巖石較軟，工程性質(zhì)呈各向異性；③碎屑巖夾碳酸鹽巖巖組：由二疊系、石炭系礫巖、砂巖、黏土巖及灰?guī)r、大理巖等組成，但碳酸鹽巖含量30%以下，巖體以厚層狀為主，巖石軟硬相間。

(2) 碳酸鹽巖建造：以堅(jiān)硬層狀碳酸鹽巖為主巖組，由奧陶系、寒武系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、大理巖為主，夾少量礫巖、砂巖、黏土巖等。巖體完整，呈厚層狀，巖石致密堅(jiān)硬，易受溶蝕。

(3) 變質(zhì)巖建造：堅(jiān)硬—軟弱相間的片狀、板狀變質(zhì)巖為主巖組，由元古界片巖、板巖、千枚巖等組成。巖體多呈碎塊狀、層狀，工程性質(zhì)具各向異性。

1.3.2土體類型及工程性質(zhì)

土體主要為第四系和新近系沖積、沖洪積、沖湖積、湖積、風(fēng)積松散地層，根據(jù)土體是否具有特殊的工程性質(zhì)，將土體分為一般土和特殊土兩大類(彭建兵等，2019)。

(1) 一般土類型及工程性質(zhì)。一般土主要工程地質(zhì)類型包括粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、粉細(xì)砂、中粗砂、卵礫石。粉土、粉質(zhì)黏土、黏土一般具中等—高壓縮性，主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 鄭州市粉土、粉質(zhì)黏土、黏土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

表 2 鄭州濕陷性黃土、軟弱土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

粉細(xì)砂松散—密實(shí)，中粗砂中密—密實(shí)，卵礫石一般為密實(shí)，承載力高。

另外，鄭州市存在鈣質(zhì)膠結(jié)層和鈣質(zhì)結(jié)核層特殊地質(zhì)現(xiàn)象。其中，黏性土鈣質(zhì)膠結(jié)層，中等—強(qiáng)膠結(jié)，飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值10.5 MPa，fak=30～500 kPa；砂土鈣質(zhì)膠結(jié)層，強(qiáng)膠結(jié)為主，飽和單軸抗壓強(qiáng)平均值20.2 MPa，其工程性質(zhì)相當(dāng)于軟巖—較軟巖，fak=400 ～700 kPa；鈣質(zhì)結(jié)核層主要分布在鄭州市西南丘陵邊緣地帶，鈣質(zhì)結(jié)核粒徑一般1～10 cm，最大粒徑約25 cm，結(jié)核致密堅(jiān)硬，充填粉質(zhì)黏土或黏土，但該層一般厚度小于1 m，鈣質(zhì)結(jié)核層的工程力學(xué)性質(zhì)因所含鈣核的最大粒徑、顆粒分布的級配特征以及結(jié)核的含量變化而差異較大。

上述土體類型按粒度成份和連結(jié)特征可概括為黏性土(粉質(zhì)黏土、黏土)、粉土、砂土(粉砂、細(xì)砂、中砂、粗砂)、卵礫石和鈣質(zhì)膠結(jié)層(黏性土鈣質(zhì)膠結(jié)層、砂土鈣質(zhì)膠結(jié)層)、鈣質(zhì)結(jié)核層。

(2)特殊土類型及工程性質(zhì)。鄭州市特殊土主要包括填土、濕陷性黃土和軟弱土。

填土：以人工填土為主，分為素填土和雜填土，填土堆積時(shí)間不一，多為舊城改造及新區(qū)擴(kuò)展的產(chǎn)物，工程性質(zhì)極差，且分布極不均勻、厚度不大，不宜做天然地基，工程建設(shè)中建議挖除。

濕陷性黃土：包括濕陷性黃土和濕陷性黃土狀土，主要分布于京廣鐵路以西的大部分地區(qū)，褐黃、淺黃色，稍濕，稍密為主，含鈣質(zhì)結(jié)核，質(zhì)地較疏松，垂直節(jié)理發(fā)育，見大孔隙(物理力學(xué)指標(biāo)見表2)。濕陷性土體的厚度一般均小于10 m，濕陷系數(shù)為0.015～0.067，具輕微—中等濕陷性，屬Ⅰ級(輕微)—Ⅱ級(中等)非自重濕陷性黃土。

軟弱土：主要分布于京廣鐵路以東、隴海鐵路以北的黃河沖積平原區(qū)，主要由全新世湖沼相沉積的軟塑粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土組成，黑灰色、褐灰色，軟塑—流塑，垂向分布1～2層，其沉積厚度一般為1.8～4.5 m，局部可達(dá)12.8 m，有機(jī)質(zhì)含量一般小于5%(物理力學(xué)指標(biāo)見表2)，具有高壓縮性、低強(qiáng)度、低透水性、不均勻性等特征，工程性質(zhì)差。

2 鄭州市區(qū)地下空間地層結(jié)構(gòu)劃分方法

2.1 地層結(jié)構(gòu)劃分依據(jù)

2.1.1鄭州市地下空間總體地層結(jié)構(gòu)特征

鄭州市區(qū)地層結(jié)構(gòu)類型具有明顯的區(qū)塊特征。京廣鐵路一線是構(gòu)成不同地層結(jié)構(gòu)類型分區(qū)的明顯標(biāo)志(圖1)，這和地質(zhì)地貌分區(qū)特征具有高度的一致性，說明區(qū)域構(gòu)造和地貌對地層巖性沉積的控制作用非常明顯。

圖1 鄭州市工程地質(zhì)剖面結(jié)構(gòu)圖

京廣鐵路以西，主要為山前沖洪積區(qū)域，地層沉積粒度相對單一，地層結(jié)構(gòu)也相對簡單，上部地層以黃土及黃土狀土為主，下部以沖洪積黏性土為主。京廣鐵路以東，主要為黃河沖積平原，地層沉積粒度在空間和時(shí)間上變化較大，地層結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，主要為黏性土、粉土、粉細(xì)砂互層的多層結(jié)構(gòu)。其中東部新城區(qū)，地層結(jié)構(gòu)總體上是以砂層為主的砂土、黏性土、粉土互層的多層結(jié)構(gòu)，單層砂層厚度最大可達(dá)65 m，局部夾軟弱土；航空城區(qū)，地層結(jié)構(gòu)總體上是以黏性土為主的黏性土、粉土、粉細(xì)砂互層的多層結(jié)構(gòu)，單層黏性土厚度最大可達(dá)68 m。土層由北向南、由上至下逐漸變厚，砂層逐漸減少，這與黃河在該地區(qū)沖積、泛濫展布相一致。鄭州市地下空間總體地層結(jié)構(gòu)特征見圖1。

2.1.2鄭州市地下空間豎向分層

城市地下空間分層是保障地下空間有序開發(fā)與合理利用的基礎(chǔ)，其不僅與功能定位和使用性質(zhì)有關(guān)，還與所處地質(zhì)條件密切相關(guān)(陳大平，2014；雷升祥等，2019)，并應(yīng)參照有關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行適宜性開發(fā)(張弘懷等，2013)。目前，國內(nèi)外城市地下空間豎向分層的一般原則是“該深則深，能淺則淺；人貨分離，區(qū)別功能”(胡瑜韜等，2012)。不同城市大多將地下空間豎向劃分為4層(張茂省等，2019；辛韞瀟等，2019；唐鑫等，2022)。根據(jù)鄭州市地下空間總體地層結(jié)構(gòu)特征及開發(fā)利用現(xiàn)狀，參照《城市地下空間規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》，鄭州市區(qū)地下空間豎向上可劃分為淺層(0～-15 m)、次淺層(-15～-30 m)、次深層(-30～-50 m)和深層(-50～-100 m)四個(gè)層次。目前為止，鄭州市地下空間開發(fā)利用主要集中在淺層，少數(shù)工程(如城市地鐵交通及城市地下綜合管廊等)開發(fā)深度達(dá)到了次淺層，次深層和深層地下空間開發(fā)難度大，目前基本上還處于空白狀態(tài)。

本著劃分簡便，結(jié)果實(shí)用、好用的原則，更好的服務(wù)于地下空間開發(fā)利用，依據(jù)鄭州市地下空間分層，本文進(jìn)行淺層、次淺層、次深層地下空間地層結(jié)構(gòu)的劃分。

2.2 地層結(jié)構(gòu)劃分方法及類型

不同類型的土層表現(xiàn)出不同的工程性質(zhì)，不同的土層在空間上的展布與疊加，組成了不同的地層結(jié)構(gòu)。地層結(jié)構(gòu)劃分過程中，填土為人為堆積，分布極不均勻，工程建設(shè)中一般挖除，在地層結(jié)構(gòu)劃分時(shí)予以舍去。當(dāng)薄層與厚層的厚度比大于1/3時(shí)，定義為互層；厚度比在1/10～1/3，定義為夾層；對于厚度比小于1/10的土層進(jìn)行了舍去、合并，簡化了地層結(jié)構(gòu)類型。

鄭州市地下空間每一深度層次的地層結(jié)構(gòu)根據(jù)巖土體空間分布特征以及垂向上的組合關(guān)系，劃分為4種結(jié)構(gòu)類型，分別為單層結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)、三層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)。

(1)單層結(jié)構(gòu)：是指由一種巖土體類型組成，主要包括堅(jiān)硬層狀碳酸鹽巖單層結(jié)構(gòu)、黏性土單層結(jié)構(gòu)、粉土單層結(jié)構(gòu)、砂土單層結(jié)構(gòu)等。

(2)雙層結(jié)構(gòu)：是指由上、下兩種不同的巖土體類型組成，主要包括黃土狀土+粉土雙層結(jié)構(gòu)，粉土、黏性土雙層結(jié)構(gòu)，粉土、砂土雙層結(jié)構(gòu)，砂土、黏性土雙層結(jié)構(gòu)等。

(3)三層結(jié)構(gòu)：是指由上、中、下3種不同的巖土體類型組成，主要包括黃土狀土+粉土、黏性土三層結(jié)構(gòu)，黏性土、粉土、砂土三層結(jié)構(gòu)，黏性土夾砂土三層結(jié)構(gòu)等。

(4)多層結(jié)構(gòu)：是指由3種以上巖土體類型組成，主要包括粉土、黏性土、砂土互層多層結(jié)構(gòu)，黏性土、粉土互層多層結(jié)構(gòu)，黏性土、砂土互層多層結(jié)構(gòu)，黏性土夾粉土、砂土多層結(jié)構(gòu)等。

3 鄭州市區(qū)地下空間地層結(jié)構(gòu)特征

3.1 鄭州市區(qū)淺層(0～-15 m)地下空間地層結(jié)構(gòu)特征

首先根據(jù)基巖出露、存在濕陷性黃土、分布一般土情況分為基巖出露區(qū)(Ⅰ區(qū))、分布濕陷性黃土區(qū)(Ⅱ區(qū))和無濕陷性黃土分布區(qū)(Ⅲ區(qū))。其中Ⅰ區(qū)根據(jù)出露基巖的類型劃分為堅(jiān)硬層狀碳酸鹽巖單層結(jié)構(gòu)亞區(qū)(Ⅰ1)和較堅(jiān)硬層狀碎屑巖單層結(jié)構(gòu)亞區(qū)(Ⅰ2)；Ⅱ區(qū)再根據(jù)濕陷性黃土的類型分為黃土狀土亞區(qū)(Ⅱ1)和黃土亞區(qū)(Ⅱ2)；Ⅲ區(qū)再根據(jù)是否存在軟弱土分為一般土亞區(qū)(Ⅲ1)和分布軟弱土亞區(qū)(Ⅲ2)。亞區(qū)再依據(jù)垂向上巖土體地層結(jié)構(gòu)分布特征進(jìn)一步劃分地層結(jié)構(gòu)段(圖2)。

Ⅰ—基巖出露區(qū)；Ⅰ1—堅(jiān)硬層狀碳酸鹽巖單層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅰ2—較堅(jiān)硬層狀碎屑巖單層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅱ—分布濕陷性黃土區(qū)；Ⅱ1—黃土狀土亞區(qū)；Ⅱ1-1—黃土狀土+粉土雙層結(jié)構(gòu)段；Ⅱ1-2—黃土狀土+黏性土雙層結(jié)構(gòu)段；Ⅱ1-3—黃土狀土+粉土、黏性土三層結(jié)構(gòu)段；Ⅱ1-4—黃土狀土+粉土夾砂土三層結(jié)構(gòu)段；Ⅱ1-5—黃土狀土+黏性土、碎石三層結(jié)構(gòu)段；Ⅱ1-6—黃土狀土+黏性土、鈣質(zhì)膠結(jié)層三層結(jié)構(gòu)段；Ⅱ2—黃土亞區(qū)；Ⅱ2-1—黃土+粉土雙層結(jié)構(gòu)段；Ⅱ2-2—黃土+黏性土雙層結(jié)構(gòu)段；Ⅱ2-3—黃土+砂土雙層結(jié)構(gòu)段；Ⅱ2-4—黃土+碎石雙層結(jié)構(gòu)段；Ⅱ2-5—黃土+堅(jiān)硬碳酸鹽巖雙層結(jié)構(gòu)段；Ⅱ2-6—黃土+較堅(jiān)硬層狀碎屑巖雙層結(jié)構(gòu)段；Ⅱ2-7—黃土+黏性土、粉土三層結(jié)構(gòu)段；Ⅱ2-8—黃土+砂土、粉土、黏性土多層結(jié)構(gòu)段；Ⅲ—無濕陷性黃土區(qū)；Ⅲ1—一般土亞區(qū)；Ⅲ1-1—粉土單層結(jié)構(gòu)段；Ⅲ1-2—砂土單層結(jié)構(gòu)段；Ⅲ1-3—粉土、黏性土雙層結(jié)構(gòu)段；Ⅲ1-4—粉土、砂土雙層結(jié)構(gòu)段；Ⅲ1-5—砂土、黏性土雙層結(jié)構(gòu)段；Ⅲ1-6—粉土夾砂土三層結(jié)構(gòu)段；Ⅲ1-7—砂土夾粉土三層結(jié)構(gòu)段；Ⅲ1-8—粉土、黏性土、砂土三層結(jié)構(gòu)段；Ⅲ1-9—粉土、黏性土與砂土互層多層結(jié)構(gòu)段；Ⅲ2—分布軟弱土亞區(qū)；Ⅲ2-1—粉土、黏性土、軟弱土三層結(jié)構(gòu)段；Ⅲ2-2—粉土、黏性土、軟弱土、砂土多層結(jié)構(gòu)段

Ⅰ—山地丘陵及沖洪積平原區(qū)；Ⅰ1—堅(jiān)硬層狀碳酸鹽巖單層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅰ2—較堅(jiān)硬層狀碎屑巖單層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅰ3—粉土單層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅰ4—黏性土單層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅰ5—黏性土+較堅(jiān)硬層狀碎屑巖雙層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅰ6—粉土+軟弱層狀碎屑巖雙層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅰ7—粉土、黏性土雙層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅰ8—粉土、砂土雙層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅰ9—黏性土、砂土雙層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅰ10—黏性土、卵石雙層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅰ11—黏性土、鈣質(zhì)膠結(jié)層雙層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅰ12—黏性土、粉土、黏性土三層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅰ13—粉土、砂土、黏性土三層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅰ14—黏性土、卵石、黏性土三層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅰ15—粉土、砂土、卵石三層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅰ16—砂土、卵石、鈣質(zhì)膠結(jié)層三層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅰ17—粉土、黏性土互層多層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅰ18—堅(jiān)硬-軟弱相間變質(zhì)巖多層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅱ—黃河沖積平原區(qū)；Ⅱ1—黏性土單層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅱ2—砂土單層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅱ3—粉土、黏性土雙層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅱ4—砂土、粉土雙層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅱ5—砂土、黏性土雙層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅱ6—黏性土夾砂土三層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅱ7—黏性土、粉土、黏性土三層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅱ8—砂土夾粉土或黏性土三層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅱ9—黏性土、砂土、粉土三層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅱ10—砂土夾鈣質(zhì)膠結(jié)層三層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅱ11—黏性土、砂土互層多層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅱ12—粉土、黏性土互層多層結(jié)構(gòu)亞區(qū)；Ⅱ13—粉土、黏性土、砂土互層多層結(jié)構(gòu)亞區(qū)

其中，基巖出露區(qū)巖體較破碎—較完整，承載力高，工程性質(zhì)良好，但施工困難；分布濕陷性黃土區(qū)地下空間開發(fā)容易引起黃土崩塌、濕陷等工程問題；分布軟弱土亞區(qū)，軟弱土地基上的建筑物易產(chǎn)生大沉降量、側(cè)向滑動(dòng)或基礎(chǔ)下土體擠出現(xiàn)象；砂土單層、砂土夾粉土三層結(jié)構(gòu)段分布面積大，局部存在飽和砂土液化問題，地下空間開發(fā)利用時(shí)容易導(dǎo)致流砂、潛蝕、甚至噴砂涌水、地面沉降問題，不利于地下空間開發(fā)利用。而其它亞區(qū)、段工程性質(zhì)較好，有利于地下空間開發(fā)利用。

3.2 鄭州市區(qū)次淺層(-15～-30 m)、次深層(-30～-50 m)地下空間地層結(jié)構(gòu)特征

由于不存在特殊土，且受不同的地貌單元控制，鄭州不同區(qū)域地層結(jié)構(gòu)類型的發(fā)育種類及特征不盡相同。為了清晰描述鄭州市的地層結(jié)構(gòu)類型分區(qū)及特征，首先根據(jù)地貌分為山地丘陵及沖洪積平原區(qū)(Ⅰ區(qū))和黃河沖積平原區(qū)(Ⅱ區(qū))，再依據(jù)垂向上巖土體地層結(jié)構(gòu)分布特征進(jìn)行亞區(qū)劃分，各區(qū)、亞區(qū)分布情況見圖3、圖4。

圖3 鄭州市次淺層(-15～-30 m)地下空間地層結(jié)構(gòu)分區(qū)圖

鄭州市西部沖洪積平原次淺層、次深層地下空間地層結(jié)構(gòu)以粉土、黏性土雙層結(jié)構(gòu)及黏性土單層結(jié)構(gòu)分布面積最大，施工方法簡單，成本低，有利于地下空間開發(fā)利用。

鄭州市東部黃河沖積平原次淺層地下空間地層結(jié)構(gòu)以砂土單層結(jié)構(gòu)分布面積最大，地下空間施工時(shí)，容易引起坍塌、流沙、涌水事故，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)工作；次深層地下空間地層結(jié)構(gòu)以粉土、黏性土、砂土互層分布面積最大，較有利于地下空間開發(fā)利用。另外，卵礫石、鈣質(zhì)膠結(jié)層強(qiáng)度高，當(dāng)采用盾構(gòu)施工時(shí)，易產(chǎn)生刀具偏磨、偏離隧道軸線等問題。

4 討論

(1) 筆者等將鄭州市區(qū)地下空間統(tǒng)一劃分為淺層(0～-15 m)、次淺層(-15～-30 m)、次深層(-30～-50 m)和深層(-50-～-100 m) 4個(gè)層次，鄭州市各城區(qū)在進(jìn)行地下空間開發(fā)利用規(guī)劃時(shí)，宜根據(jù)地層結(jié)構(gòu)、地下水、地質(zhì)問題和地下空間開發(fā)現(xiàn)狀，因地制宜進(jìn)行地下空間層次劃分。

(2) 鄭州“7·20”特大暴雨后，城市內(nèi)澇災(zāi)害如何防范，海綿城市如何發(fā)揮減災(zāi)作用，廣受關(guān)注。目前，海綿城市建設(shè)較注重雨洪管理和河湖濕地生態(tài)建設(shè)，對地質(zhì)環(huán)境條件關(guān)注較少。而海綿城市建設(shè)采用的“滲、滯、蓄、凈、用、排”等六位一體措施中“滲、滯、蓄、凈”措施與地質(zhì)環(huán)境條件響應(yīng)顯著(黃敬軍等，2018)。砂土單層結(jié)構(gòu)雨水“滲”透能力強(qiáng)；黏性土單層結(jié)構(gòu)可“凈”化雨水；地下含水層的含水空間決定“蓄”存雨水的多少。因此，海綿城市規(guī)劃建設(shè)應(yīng)充分考慮包氣帶地層結(jié)構(gòu)因素的影響。從地層結(jié)構(gòu)角度分析，鄭州市東部、東南部地區(qū)淺層、次淺層地層結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的滲水能力、凈水能力和較充足的地下蓄水空間，海綿城市建設(shè)適宜性良好。建議充分利用地層結(jié)構(gòu)的有利條件進(jìn)行海綿城市建設(shè)，促使更多的雨洪就地消納,提高城市防洪排澇減災(zāi)能力。

(3)“7·20”特大暴雨后，鄭州市路面出現(xiàn)多處塌陷，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)分析，京廣鐵路與西三環(huán)之間塌陷分布密度最大，除去降雨和人類活動(dòng)因素外，塌陷和地層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，該區(qū)域淺層地下空間地層結(jié)構(gòu)以黃土狀土+粉土雙層結(jié)構(gòu)為主，黃土狀土垂直節(jié)理裂隙發(fā)育，具大孔隙，遇水產(chǎn)生濕陷，粉土結(jié)構(gòu)松散，粘聚力低，雨水下滲潛蝕掏空地下土體進(jìn)而形成塌陷。因此，應(yīng)查清地層結(jié)構(gòu)這個(gè)孕災(zāi)因子，結(jié)合氣象等致災(zāi)因子，圈出地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，建立監(jiān)測預(yù)警機(jī)制，提升城市防災(zāi)減災(zāi)、抵御風(fēng)險(xiǎn)的地質(zhì)韌性。

5 結(jié)論、建議

(1)鄭州市區(qū)主要位于山前沖洪積平原和黃河沖積平原上，地層以黏性土、粉土、砂土為主，無制約地下空間開發(fā)利用的重大地質(zhì)問題，地層結(jié)構(gòu)總體較簡單，地下空間開發(fā)的成本和工程風(fēng)險(xiǎn)較低，具備較大開發(fā)利用潛力。

(2)整體來看，京廣鐵路以西山前沖洪積平原區(qū)，地層沉積粒度相對單一，地層結(jié)構(gòu)也相對簡單，相比較京廣鐵路以東更適宜城市地下空間開發(fā)利用。

(3)由于不同深度的地下空間地層結(jié)構(gòu)不同，鄭州市城市規(guī)劃建設(shè)部門可以根據(jù)地層結(jié)構(gòu)合理選擇地鐵路線以及地下建筑的布局，不僅能節(jié)省投資, 另一方面可以降低對地質(zhì)環(huán)境的破壞。

(4)鄭州市西部新城區(qū)，次淺層、次深層地下空間地層以粉土、黏性土為主，可重點(diǎn)開發(fā)建設(shè)地下倉儲、地下能源生產(chǎn)設(shè)施、特種工程等。同時(shí)可利用自然地形建設(shè)地下糧倉，實(shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保儲糧。

(5) 鄭州市主城區(qū)淺層和次淺層地下空間利用程度高，次深層地下空間地質(zhì)條件良好，建議加強(qiáng)地下空間資源評價(jià)，建設(shè)城市地下儲水管廊和排水深邃解決城市內(nèi)澇問題。

(6) 鄭州市東部新城區(qū)連霍高速公路以北瀕臨黃河，地層結(jié)構(gòu)以砂層為主，存在飽和砂土嚴(yán)重液化和軟弱土，建議作為地下空間開發(fā)避讓區(qū)，除水利、生態(tài)工程以外，不進(jìn)行地下空間開發(fā)利用。

(7) 鄭州市航空城區(qū)次淺層和次深層地下空間地層結(jié)構(gòu)較簡單，以黏性土、砂土雙層結(jié)構(gòu)；黏性土單層結(jié)構(gòu)和粉土、砂土、黏性土三層結(jié)構(gòu)為主。結(jié)合其立體綜合交通樞紐有利條件，建議重點(diǎn)開發(fā)次淺層、次深層地下空間，建設(shè)軌道交通、地下倉儲、現(xiàn)代物流通道等設(shè)施。

注 釋/Notes

? 程新濤, 閆震鵬, 唐輝, 寇亞飛. 2015. 鄭州—開封城市地質(zhì)調(diào)查報(bào)告. 鄭州: 河南省地質(zhì)調(diào)查院.

? 閆震鵬, 焦紅軍, 陳光宇, 寇亞飛. 2009. 河南省主要城市環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價(jià)報(bào)告(鄭州市). 鄭州: 河南省地質(zhì)調(diào)查院.

? 邱金波, 王春暉, 左正金. 2016. 河南省工程地質(zhì)圖說明書. 鄭州: 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院.