兰州城市地下空间开发的岩土基础

初论制约兰州城市地下空间开发的地质岩土条件

甘肃水文地质工程地质勘察院 马国哲（注册岩土工程师）

摘要：兰州市位于黄河谷地，独特的地理地质条件造就了兰州城区特殊的岩土条件：在深度20ｍ的范围内主要岩土层有粉质粘土、卵石层及下伏泥质砂岩３大层，并间杂填土、粉砂夹层等。其中卵石层属于稍密－中密，是强富水性含水层。城区地下工程开挖涉及这３种主要岩土层，遇到的工程难题一是卵石层降水难，易出现出沙现象、二是泥质砂岩开挖困难、得借助爆破手段；三是基坑支护易出现桩间涌砂、涌土及锚杆应力损失等问题。这些问题的出现都不同程度制约着兰州城市空间开发的深度与广度。本文以兰州红楼时代广场基坑工程为例，该工程位于兰州市城关区中心地段，基坑开挖深度25.3m，代表了兰州市城区基坑开挖的最高水平。对兰州市城市地下空间开发时制约岩土条件进行了初步的论述，结论可供设计、施工、勘察等相关部门在其它同类工程参考。

关键词：兰州市 城区 基坑 岩土 制约

0引言

兰州市区现辖城关、七里河、西固、安宁、红古五区，面积1631.6km。市区建成区面积180km。其中主城区西固区以兰州石化工业集团为中心；安宁区以科教文体为中心，城关区以政府事业单位及大型商贸为中心，七里河以公交及高铁为中心组团发展。自二十世纪以来，随着全国经济的高速发展，兰州市城市建设也迅猛发展。随着城镇化步伐的加快，越来越多的农村人口逐渐向城市转移。伴随城市人口的增长，城市商业经济的快速发展，推动了城市住宅、道路、供水、供电、供气、排污管道等基础设施的全面发展。同时，城市向地下发展，越来越成为必然的趋势。地下空间按深度划分，以10m、10～20m、20～30m、30～50m，分为浅层、次浅层、次深层、深层，不仅与经济技术能力有关，还与城市的的岩土条件有关，因此，明确岩土条件是有效进行地下空间开发的基础条件。国内外城市地下空间开发实践经验证明，岩土及地下水条件成为制约城市地下空间开发的关键因素、基础因素。兰州同上海、北京、西安市地下空间的开发地质条件相比，具有显著的地质条件特点。上海位于滨海地区，分布有巨厚的滨海相软土。北京位于华北平原区，也有大厚度的第四纪软土层分布。西安位于关中盆地，具有厚度接近100m的黄土层。与这些城市相比，兰州地理地质条件有很大的不同，兰州主城区没有与之可比较的巨厚软土层：兰州主城区主要在黄河I、II级阶地区，地层分布上部马兰黄土厚仅10～25m左右，下伏厚5～20m的密实卵石层，再向下为新近系咸水河组砂岩与泥岩，厚度大于60m。由于黄土层较薄，密实又富水的卵石层及其下伏新近系咸水河组砂、泥岩成了制约城市地下空间开发深度的首要因素，限制了兰州地下空间开发的深度与广度。

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1 兰州自然地质、地理特征

1.1 兰州地质构造背景

从区域地质构造位置看，兰州位于祁连山加里东褶皱系与秦岭印支褶皱系的复合区；从构造体系分析，兰州位于陇西旋扭构造内旋褶皱带与河西系庄浪河凹陷带的斜接复合部位。兰州市区是一

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个构造盆地，西端起自黄河上游的八盘峡，东至桑园峡，东西长约50km，南北宽2～15km，为一双侧不对称的压扭性断陷谷地。基底地层为前寒武系，在盆地北缘的关山、白塔山及桑园峡等地零星出露。中生代白垩系河口群砂岩及页岩，层理清晰，产状平缓，在八盘峡东岭、西固北山、宜家沟、虎头崖等地呈片出露。第三系（E1-3）、新近系（N1-2）红色泥岩、砂岩，在黄河南北两岸分布很广。

1.2 兰州自然地理特征

兰州市区位于黄河上游，区内总体地势南高北低。南部为基岩山区，北部为黄土丘陵，中部为黄河谷地。兰州属内陆半干旱气候区，多年平均气温8.9°。多年平均降水量317.8mm。

根据兰州市城关区及邻区各气象站（哨）资料统计，兰州市城关区多年平均降水量为316.7mm，多集中于7、8、9三个月，其降水量约占全年降水量的61%以上(图１)。降水量年际变化较大，明显具有周期性规律（图2），其短周期4年，长周期约8－11年。即使是降水集中的七至九月份，年际变化也很大，如八月份（兰州气象站），最多达167.4mm（1979年），最少仅35.7mm（1996），相差5倍。连续降雨日数长达9天。各时段降雨强度：日最大降雨量96.8mm，小时最大降雨量52.0mm，10分钟最大降雨量18.6mm。地表有季节性冻土，标准冻土深度1.03m。

兰州盆地内黄河两岸发育了9～10级阶地，其中1、2级阶地较宽，是城区的主要建筑区。 Ⅰ级阶地分布广泛，是目前主要市区所在地，阶地面海拔高程为1510～1550m，主要为基座阶地。阶地下部卵砾石层拔河5～10m，上覆全新世黄土。

Ⅱ级阶地分布局限，主要发育在安宁区沙井驿及罗锅沟口、砂金坪等地，阶地面海拔高度1560～1570m。以基座阶地为主，基座为新近系红层；石峡口-砂金坪为侵蚀阶地，底部砾石层厚5m左右，上覆10～15m的冲积黄土层，顶部为20m厚的风成黄土。

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1.3 地下水

兰州断陷盆地内的第四系基底地层由新近系砂岩、泥岩组成，区内主要含水层为下更新统范家坪组砂层。断陷盆地含水层以范家坪、龚家湾一线为界分为南北两部分，南部为冲洪积相含泥砾卵石层含水层，上覆巨厚黄土；北部为冲积相卵砾石含水层。地下水类型为第四系孔隙潜水。在黄河干流Ⅰ级阶地区，卵石含水层厚度3-15m，水量丰富，水位埋深1.7-7.6m，水位标高1517～1519m。含水层渗透系数20～80m/d。地下水类型以CO3-Ga-Na型为主，对混凝土结构具有弱腐蚀性，对钢筋混凝土中的钢结构具有弱腐蚀性。

以位于兰州城区中心地段的红楼广场为例。拟建建筑场地地下水属第四系孔隙潜水，主要含水层为卵石层，水位埋深3.7～4.6m，相应水位标高为1516.80～1517.41m。地下水主要接受大气降水及地下径流补给，由南西向北东方向径流，最终排泄于黄河。根据甘肃省地矿局区域资料，其单孔涌水量400m/d左右，渗透系数20.0m/d。根据甘肃省地矿局环境监测总站长期观测资料，地下水位与黄河水位同步涨落，地下水位年变幅0.5～1.5m。

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2兰州主城区的岩土条件

2.1 岩土层厚度分布特点

兰州城区分布的主要土层岩性变化较大。自地表向下0－２０ｍ深度范围内，分别为填土、黄土状粉土（粉质粘土）局部夹粉砂、卵石，下伏基岩为新近系咸水河组砂岩与泥岩互层，产状近水平。以西固区、城关区与安宁区为例，第四系黄土状土(粉质粘土)厚度0.9～6.4m，层底深度5-12m。下部为砂层，再向下为厚度１-8m的卵石层。卵石层为中等-强富水性含水层。卵石层下为新近系砂岩、泥岩，厚度大于60m。表１－１。

表2-1 兰州主城区岩土分布特征 层厚（ｍ） 工程场地 土层名称 填土 粉砂 黄土状粉土（粉质粘土） 卵石层厚度 新近系咸水河组砂岩、泥岩顶界埋深 地下水位埋深 城关区红楼 时代广场 1.5-6.5 0.9-2.3 0.9-2.3 5.4-10.6 3.7-4.6 安宁区奇正实西固区桃园学业厂区 0.5-2.5 1.8-15.4 1.5-6.4 6.2-10.4 21.8-22.6 19.6-20.1 校 1-2 0.8-1.3 5.5-7.7 7.3-9.1 3.5-3.6 含水层 是 是

2.2 岩土层的物理力学特征

兰州主城区位于黄河Ⅰ～Ⅱ级阶地区，岩土层平面上变化小，具有相似性，现以城关区红楼时

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代广场为例对岩土层物理力学性质予以介绍。

①杂填土（Q4）：灰黑色，主要由粉土组成，另含有较多碎石、碎砖和炉渣等建筑垃圾，局部含有少量生活垃圾，土质稍黑，稍湿～饱和、松散～稍密。土质不均，在拟建场地内均有分布，层厚1.6～6.5m，属挖除地层，层面标高1520.67～1521.45m。

②粉质粘土（Q4

al＋plml

）：浅黄色，土质较均匀，刀切面粗糙、摇振反应慢，稍有光滑，韧性低，

干强度低。软塑～流塑。分布不连续，层厚不均匀。在Z15（T1）、Z17（T2）、Z19、Z24、Z25、Z27、Z28孔内揭露。埋深3.7～6.2m，层厚0.9～2.3m，层面标高1515.96～1519.35m。

③卵石（Q4

al+pl

）：青灰色，母岩成分以花岗岩、石英岩、变质岩为主，一般粒径20～60mm，约

占全重55～65%以上，最大粒径约220mm，颗粒粒径磨圆度度较好，次圆状。场地内分布连续，厚度变化大，层面埋深变化大，偶夹薄层砂透镜体。钻进较困难，孔壁有坍塌现象，稍密～中密。埋深3.5～6.5m，层厚0.9～5.9m。层面标高1514.67～1517.61m。

④1强风化砂岩（N）：黄红色，中粗粒结构，层状构造。岩芯较破碎，呈2～5cm左右的短柱状，泥质胶结。矿物成分以长石、石英为主，含少量云母。成岩作用差，遇水或扰动易崩解呈散砂状，暴露地表易风化，不经扰动时强度较高。层顶埋深5.4～10.6m，层厚6.0～7.6m，层面标高1510.51～1515.88m。

现场岩芯钻探中，风化界线非常不清晰，只能根据岩芯长短进行大致判断，然后根据超声波测试结果并按照波速比划分，综合判定自地面以下约16.0m处为强风化和中风化界线。

④2中风化砂岩（N）：黄红色，中粒结构，层状构造。岩芯较完整，多呈5～8cm左右的短柱状，泥质胶结。矿物成分以长石、石英为主，含少量云母。成岩作用差，遇水易软化，扰动呈砂状，暴露地表易风化，不经扰动时强度较高。层顶埋深12.6～17.0m，层面标高1504.11～1508.68m。场地内主楼处10钻孔穿透该层，层厚29.5～32.1m，平均厚度30.51m。根据钻探和超声波测试报告，自地面以下约45.5m处为中风化和微风化界线。

④3微风化砂岩（N）：黄红色，中粒结构，层状构造。岩芯较完整，多呈8～10cm左右的短柱状，泥质胶结。矿物成分以长石、石英为主，含少量黑云母等暗色矿物。成岩作用较差，遇水易软化，扰动呈砂状，暴露地表易风化，不经扰动时强度较高。层顶埋深43.5～46.5m，层面标高1474.61～1477.78m。本次勘察未穿透该层，最大揭露厚度16.4m（Z23）。

兰州红楼时代广场拟建建筑物设计有3层地下室，基坑深度达17m左右，安全性等级为一级。由甘肃水文地质工程地质勘察院提供的基坑支护形式为采用排桩与锚杆联合支护方式。提供的基坑支护相关设计采用参数如下：

①层杂填土： C=5kPa φ=3° γ=17kN/m

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②层粉质粘土： C=16kPa φ=25° γ=16kN/m ③层卵石： C=0 φ=35° γ=20kN/m ④1层强风化砂岩： C=80kPa φ=37° γ=23kN/m

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④2层中风化砂岩： C=150kPa φ=37°30′ γ=25kN/m

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3 地下空间开发深度受限岩土因素分析

3.1 密实的卵石层与下伏基岩开挖难度大

黄土层薄，密实卵石层及下伏基岩开挖困难，地下水问题突出，是兰州市在黄河Ⅰ、Ⅱ阶地上的主城区，在地下空间开发时遇到与岩土地质条件有关的普遍问题。

黄河河谷Ⅰ、Ⅱ阶地区的卵石层厚度普遍在1-8m之间，因上覆黄土状土层薄，地下工程必然要开挖密实的卵石层，甚至其下部的基岩层。黄河卵石层以稍密、中密、密实为主，局部地段甚至因钙质淋滤而有胶结现象，机械开挖困难。

卵石层下伏基岩岩性以泥质粉砂岩与粉砂质泥岩为主，因其厚度较大，机械开挖难度大，常需爆破开挖，环境影响大，施工周期长，因此工程费用消耗大。 3.2 地下水问题

１、降水引起涌沙、涌土问题

兰州红楼时代广场基坑原围护设计在基坑周边布置25口深度25m的降水井，实际施工时由于场地限制，仅布置了21口井，降水井与支护桩间的间距为1～2m。试验降水井在抽水过程中出现大量涌沙现象。对降水点深度进行了调整。卵石层降水效果好，开挖比较顺利。卵石层以下的强风化砂岩较为破碎，基坑继续向下开挖时，坑外地下水透过素混凝土嵌岩桩与钻孔灌注桩的缝隙渗入坑内，西侧、南侧和东侧圆弧段出现流水和涌土。由于强风化泥质砂岩渗水时产生一定的涌土，不仅基坑堵漏及挡土施工难度较大，而且不利于周边环境（建筑物、管线）的保护。为此，在渗水、涌土位置桩间采用高压注浆挡土，同时设置斜向轻型井点辅助降水。

２、抗浮设计

场区地下水水位埋深一般3.7～4.6m，场区地下水稳定水位高出基底约12.5m。因此应考虑地下室防水措施，并考虑筏板基础的抗浮设计和施工期间的抗浮问题。根据场区勘察期间量测的稳定水位，综合考虑周边场区水文条件及场地北侧世纪广场抽水试验结果，考虑场区水位变幅为0.5～1.5m，建议抗浮设计水位按自然地面以下2.2m（相应标高为1518.47m）考虑。地下部分施工结束后，建议对工作面采用粘性土分层回填夯实，采取一定的结构防水措施，以阻隔地下水渗流对基础底板及侧壁的直接作用，该项工作的质量直接影响地下水侧压力等指标的确定，应严格控制。

4、地下空间开发典型实例

４.１工程概况

拟建“兰州红楼时代广场”场地位于兰州市城关区南关什字东南角，北临庆阳路、西接酒泉路，南靠中街子，东侧为交通银行（砼15F）和一栋民用建筑（砼3F）。拟建物大致呈矩形，东南角凸出。设计±0标高为1521.10m。主楼55层、裙楼10层，整体设3层地下室。主楼建筑高度246.2m。总用地面积约8206m，总建筑面积123351.6m（包括地下室）。该工程岩土勘察由我院承担完成，基坑设计由甘肃中建市政工程勘查设计院承担，施工单位为浙江建工建筑集团有限责任公司承担。本工

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程选择卵石层下伏泥质砂岩层为地基持力层，设计采用箱筏基础。 4.2基坑工程概况

该基坑平面尺寸约120ｍ×70ｍ，周长400ｍ，基坑上口面积9115ｍ，坑底面积8534ｍ,场地地表绝对标高1520.22ｍ～1521.34m，设计建筑正负零标高为1521.10ｍ，裙房基坑开挖深度为17.4～17.9m,主楼基坑开挖深度为20.3ｍ～25.3m。基坑北临庆阳路（城区主街道之一）、西边临近酒泉路的人行道，南靠中街子街道，东邻交通银行甘肃分行高层办公楼（地下15Ｆ）及附属配套用房和地下设备用房。基坑处兰州主城区核心地段，对周围环境影响大，因此，基坑施工技术质量要求高。

基坑围护设计采用单排钻孔灌注桩（桩径１ｍ、间距1.9ｍ、桩长28.3ｍ）与三道预应力锚杆（长度分别为15ｍ、14ｍ、13ｍ，锚固段均为８ｍ，成孔角度10°,抗拔力设计值为300ＫＮ、200ＫＮ）的桩锚支护方案，结合基坑边环形布设。 ４.３基坑施工过程中出现的主要问题

１、基坑周边建筑环境复杂

本基坑工程周边环境复杂：南侧为兰州医药大厦，８层高，距离围护结构边11ｍ；东南侧为３层的建筑物，距离６ｍ；东北侧为交通银行大厦，距离超过１５ｍ。北侧和西侧为庆阳路和酒泉路，人行道边线离围护结构约８ｍ，道路上埋设有众多管线。

基坑周边建筑物距离近，普遍采用桩基础，持力层为卵石层。周边建筑物的荷载将通过其下卧持力层传至围护结构。

２、降水抽水出沙现象

设计在基坑周边布置25口深度25.0ｍ的降水井，实际施工时由于受场地限制，仅布置了21口井，降水井与围护桩间距1－２ｍ。试验抽水井在抽水过程中出现现沙现象，设计单位对降水井深度进行了调整，将降水井深度减少为20ｍ。

３、在卵石层与砂岩层界面处出现涌沙、涌土现象

基坑开挖至卵石层与下伏泥质砂岩界面处后，坑外地下水透过素混凝土嵌岩桩与钻孔灌注桩的缝隙渗入坑内，在基坑的西侧、南侧和东侧圆弧段均出现流水和涌土。由于强风化砂岩层为泥质砂岩，渗水同时产生一定的涌土，不仅基坑堵漏及挡土施工难度较大，而且不利于周边环境（建筑物、道路管线）的保护。为此，在渗水涌土位置桩间采用高压注浆挡土，同时设置轻型斜向井点，辅助降水。后期施工中采取了有效的稳妥的堵、降排水和挡土措施，防止了涌水、涌土、涌沙引起对周边道路和建筑物安全造成较大影响。 ４、预应力锚杆应力损失严重

实际施工过程中由于卵石层与强风化泥质砂质交界处渗水，锚杆成孔质量差，预应力损失较多。后期经过改进施工工艺和补设预应力锚杆，其抗拔力达到施工要求。但由于基坑开挖深度大，施工时期长，基坑施工中预应力锚杆长时间作用出现应力徐变损失现象。第一道锚杆在卵石层中成孔，摩阻力大，实验证明预应力与抗拔力均能达到设计要求。第二道锚杆成孔于卵石层与强风化泥质砂

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岩交界面处，因界面起伏大，预应力锚杆在卵石层与砂岩层中的锚固段长度变化大，加之受地下水影响，在砂岩孔中出现流砂堵孔现象，使成杆质量差，在北侧锚杆达不到应力锁定要求。第二道锚杆抗拔力普遍达不到设计要求，预应力损失严重。补救措施：在临近第二道锚杆位置补打一排锚杆，增加抗拔力。同时调整锚杆标高及角度，同时改进锚杆成孔和注浆工艺，在泥质胶结的砂岩层采用带筋高压喷注浆工艺。经甘肃建研岩土工程有限公司检验，改进施工工艺后锚杆抗拔力满足设计要求。在泥质砂岩层中施工的第三道锚杆抗拔力基本满足设计要求。 ４.４基坑围护方案补强措施

本工程主楼开挖深度最大为25.3ｍ，主楼深坑为坑中坑，临近交通银行大楼和兰州医药大楼，为确保周边建筑的安全和正常使用，在－11.5ｍ标高增设一道钢筋混凝土支撑，以确保围护体系的稳定、控制围护结构内力和变形。

后续预应力锚杆施工可根据本工程经验，采用高压旋喷注浆工艺施工。

由于强风化基岩层具有较强的富水性，为降低基坑内、外消水头压力差、保持坑内干燥和坑外涌土，基坑内周边再增补降水深井，深井间距３０ｍ。井深应穿过富水层以下２ｍ。并在坑内强风化粉砂岩富水层设置水平井点，以消除降水盲区。

５、结论

兰州市主城区位于黄河河谷阶地区，在基坑施工中岩土层力学性质变化大，易出现降水难度大、基坑围护涌水、涌沙、涌土问题，预应力锚杆应力损失严重等问题，使基坑施工时间延长，工程进度延缓，增大了工程投入，因而制约地下空间开发深度及广度。以兰州红楼时代广场作为典型案例，对这些问题进行了初步总结，介绍了有益的施工经验，希望同类工程可以借鉴。

致谢：本文参考并引用了兰州市建筑质量监督管理站在网上发布的部分成果，在此本人表示感谢。

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