摘要
建立工程建设层统一的工程地质结构，分析工程建设面临的不良地质问题，有利于减少工程建设的成本和周期，对城镇规划建设和安全运营具有重要意义。本文通过系统研究北京东部平原区1∶5万环境地质调查资料，划分了工程建设层的工程地质结构并探讨其存在的不良土体分布规律，结合研究区内存在的环境地质问题，提出了科学合理的规划建设建议。研究结果表明：50 m以浅工程建设层主要为全新世— 晚更新地层，可划分8个工程地质层组，第③层的灰色粉质黏土层、第⑤层的“硬黏土”层、第⑥、⑧层的灰色粉质黏土层是反映研究区气候变化特征的重要标志层，第②、③工程地质层组是软土、盐渍土、液化砂土、腐蚀性土等不良土体的赋存层位。工程建设层内还存在活动断裂、地面沉降、地裂缝等环境地质问题，工程建设过程中应考虑避开环境地质问题集中分布地区，不宜规划建设大规模集中居住区和国家重大基础设施。
Abstract
Establishing a comprehensive engineering geological structure for the construction layer and analyzing the encountered geotechnical challenges are essential for cost and time reduction in engineering projects, as well as crucial for urban planning, construction, and safe operation. The engineering geological structure of the construction layer in the east plain area of Beijing is classified and analyzed based on a systematic study of 1∶50,000 environmental geological survey data. Furthermore, this paper examines the distribution pattern of unfavorable soil within the construction layer.The findings indicate that the shallow construction layer, with a thickness of 50 meters, primarily consists of Holocene-late update strata. This layer can be further classified into eight engineering geological strata. Notably, the third layer is characterized by gray silty clay, the fifth layer is known as "hard clay", and the eighth layer also exhibits gray silty clay. These distinct layers serve as significant indicators reflecting climate change patterns in the study area. The second and third engineering geological strata are the occurrence strata of soft soil, saline soil, liquefied sand soil, corrosive soil and other bad soil. The construction layer is also affected by active faults, ground subsidence, ground cracks, and other environmental geological issues. It is crucial to avoid areas with concentrated distribution of these problems during the construction process. Therefore, it is not advisable to plan and construct large-scale concentrated residential areas and major national infrastructure projects.
0 引言
北京东部平原区（北京通州、大兴、顺义、平谷区、天津市武清及宝坻区、廊坊市北三县及固安、永清县）作为非首都功能疏解的承载地，对推动京津冀协同发展发挥着重要作用，今后与之紧密配套的基础工程建设会加快推进，但复杂的工程地质结构和突发性、隐蔽性的不良地质问题会不同程度地限制重大工程规划与建设（蒋炜和张果，2023；杨丽芝等，2023）。同时，受不同行政区工程地质调查资料交流不畅影响，北京东部平原区工程建设层尚未建立统一的工程地质结构，不良地质问题尚未形成区域上的统一认识，影响工程建设的成本和周期，不利于非首都功能承载地的规划建设和安全运营。
工程地质层结构的划分是地质模型概化和岩土体质量评价的基础和首要环节（李晓昭等， 2004），不仅可以找出区域工程钻孔中土层的对应关系，使区域地层资料对比分析成为可能，也有助于抓住优势持力层和不良工程地质问题（苟富刚等，2018），并且对工程建设、地下空间开发利用具有指导性作用（韩博等，2020；李浩民等，2024）。随着北京东部平原区城镇的不断发展建设，海量的工程勘察数据不断积累，不同地质勘察部门对同一区域的工程地质层结构划分不尽相同（唐鑫等， 2024），降低了工程地质资料的可利用性，不利于资料的交流和信息化，钻孔数据无法使用而失去意义 （阎浩等，2020）。因此，建立北京东部平原区工程建设层统一的土体工程地质层组是十分必要的。
不良地质问题严重影响城镇工程规划建设和运营安全（张弘怀和郑铣鑫，2013；钱丹生，2014；郭海朋等，2021）。北京东部平原区工程建设层中地面沉降、地裂缝、砂土液化、软土等诸多不良地质问题大多发生在不同的地层中。如唐山地震时，多处产生地震液化、震陷和地裂缝等（刘恢先，1985），液化层主要集中在10 m以浅地层内（王维铭等， 2010）。渤海湾北岸晚第四纪形成3次海侵地层 （Stanley et al.，1996），尤其是全新世河流和海洋相互作用，形成广泛的淤泥质潟湖相地层，也是软土的所在地层。目前，北京东部平原的不良地质问题特征和分布规律还未形成统一的认识，地质问题的发生层位还不精准。因此，在划分工程地质层组结果的基础上，准确判别区域尺度不良地质问题的发生层位，可避免发生地下管线损毁、工程结构物破坏、建筑物失稳等危害，有效支撑城镇工程建设规划和安全运营。
为了实现北京东部平原区有序疏解非首都功能、城镇规划选址建设，提高跨不同地域地质资料的交流和信息化水平，以北京市及周边地区工程建设钻孔的勘察深度和《北京市地下空间规划设计技术指南》中次深层地下空间（地表以下深度自-30～-50 m的空间资源）层位划分为依据，本文研究以环境地质调查650个50 m标准钻孔岩心资料为基础，阐述北京东部平原晚更新世以来地层的沉积规律，建立50 m以浅地层的时序关系，划分土体工程地质层组，探讨工程建设层不良土体分布规律，在此基础上，结合研究区内存在的主要环境地质问题，提出北京东部平原区科学合理规划建设建议。
1 研究区地质概况
北京东部平原包括北京通州、大兴、顺义、平谷区、天津市武清及宝坻区、廊坊北3县及固安、永清县，地理坐标东经：116°13'44″~117°49'26″，北纬： 39°14'06″~40°18'14″，总面积约 9800 km2，地势平缓，地形坡度较小，自西北向东南倾斜，地面坡降 0.2‰~0.3‰，西北部地面标高一般为20~15 m，东南部地面标高1~4 m。地貌属华北平原的堆积平原区，地貌类型相对简单，除人工地貌外，主要为洪积冲积平原和海积冲积平原。第四系多以冲积、湖积为主，发育沉积旋回，形成厚度较大的松散覆盖层。
在地质历史发展过程中，研究区发生多次构造变动和多阶段多旋回地质构造演化，形成了多期褶皱构造、断陷盆地和断裂构造。从中元古代到晚古生代，经历了稳定盖层形成时期，中、新生代的断块活动形成了现今的地质构造格架，西北部形成京西隆起、大兴隆起和北京断陷的主体构架（焦青和邱泽华，2006；谭成轩等，2014），东南部平原区以宝坻—蓟运河断裂为界，北跨燕山台褶带的南西边缘，主构造线大致呈东西向，延伸方向呈北北东向，南部为冀中坳陷，北部为蓟县中坳褶和蓟唐裂谷。规模较大的主干断裂控制着各级构造单元的边界和发展，不同程度地影响着凸起、凹陷的分布（图1）。
图1研究区地质概况图
a—区域构造图；b—DEM图；c—区域地貌图
2 工程地质结构划分
2.1 划分方法
土体工程地质结构划分主要考虑3个方面的内容，①地层时代：工程地质结构划分应在第四纪地层年代研究基础上进行，不宜跨越第四纪时代界线。②沉积环境：土体的岩性（GB 50007-2011）、力学性质等宏观变化规律与第四纪沉积环境、古地理、古气候变化等密切相关（吴燕开等，2004；刘志彬等，2014），不同成因类型的土体，即使部分物理指标相近，工程地质性质也可能相差悬殊。③土体的物理力学性质：时代、成因类型、岩性等相同的土体，其物理力学指标和工程地质特性在空间上也可能存在差异（李晓昭等，2004）。
参照上述划分依据，首先根据地层的沉积时代，以相当深海氧同位素5阶段（MSI5）开始的0.128 Ma为晚更新世开始的时间，以大体相当深海氧同位素1阶段（MSI1）开始的11.3 ka（黄猛等，2021）为全新世开始的时间，将50 m深度范围内沉积地层划分为全新世（Qh）、晚更新世（QP3），结合区域第四纪地质资料和沉积气候旋回分析确定工程地质层组主层及编号顺序，最后将同一主层内岩性相同、工程地质性质相似的地层列为同一个亚层，存在差异的地层划为不同亚层，沉积序列特征则确定同一主层内不同亚层间的上下关系。每一个工程地质层组与其上覆和下伏层的工程地质性质明显不同，对于土体进行工程地质层序划分，需要分析土体第四纪沉积演化过程。
2.2 第四纪沉积演化过程
2.2.1 晚更新世以来的沉积环境
宝坻断裂—工部断裂以北—香河县蒋辛屯以北地区晚更新世底板埋深40~55 m，其他大部分地区底板埋深约45~80 m，厚度约35~50 m。根据气候旋回和土体地层特征可划分为4个岩性段，沉积相以水下三角洲、河漫湖沼、曲流河床、分支河道为主。晚更新世早期以曲流河相沉积为主，岩性以棕灰色细砂、灰色粉砂-灰黄色粉土-棕灰色粉质黏土、绿灰色粉土与粉砂互层为主（张晓飞等，2021）。晚更新世晚期研究区河漫湖沼、泛滥平原、分支河道、水下三角洲等沉积相呈交替分布。岩性以灰色粉细砂、棕灰色粉质黏土、灰黄色粉质黏土为主。
除北部山前地区，大部分地区全新世底板埋深 7~18 m。全新世早期沉积相主要为泛滥平原、曲流河河床、河漫滩、河漫湖泊、河漫沼泽。全新世中期大部分地区为曲流河沉积，新安镇北—城关镇南— 武清区崔黄口一线以南为湖沼与滨海相沉积。全新世晚期岩相及地理特征与现代一致，主要由永定河和潮白河控制（蔡向民等，2009），同时北西向的河流逐渐进积，形成由青龙湾河、泃河、潮白河、蓟运河控制的河道带沉积，地貌类型以冲积平原、河间洼地为主。沉积物为粉土、粉质黏土夹薄层粉砂。
2.2.2 特殊标志层
Qh 与Qp3地层划分的依据和标志。末次盛冰期，北半球高纬度地区多为冰盖覆盖，气候冷干，中国沿海地区全新世海相层下伏地层广泛发育钙质结核和钙质淀积的硬黏土。研究区末次盛冰期同样受到全球气候的影响形成了硬黏土，将含钙质的硬黏土作为标志层来确定末次盛冰期。末次盛冰期之后全球气候转暖，海平面上升至新仙女木冷期，气候又变为冷干，普遍发育一套含钙质淀积或钙质结核的粉土或粉质黏土，该层钙质淀积层对应新仙女木冷期，据此，将其上覆地层确定为全新世地层 （图2）
图2Qh与Qp3界线标志层
Qp3 与Qp2地层划分的依据和标志。晚更新世的气候主要特征为冰期和间冰期的交替旋回，划分 MIS2、MIS3、MIS4、MIS5共4个阶段，其中，MIS5阶段按气候旋回可细分为MIS5a、MIS5b、MIS5c、 MIS5d、MIS5e共5个阶段。在间冰期时，研究区受到全球海平面变化的影响，MIS3阶段、MIS5c和 MIS5e 为海平面上升阶段，存在海相层（陈永胜， 2012）。在冰期时，大部分地区多形成钙质淀积或钙质胶结层。MIS2下部对应盛冰期硬黏土，MIS4、 MIS5b、MIS5d均发育应钙质淀积或结核层，由此推断，MIS5e下伏地层对应的第5层钙质淀积或结核层是Qp3与Qp2地层的界线（图3）。
2.3 工程地质层结构划分结果
北京东部平原区工程建设层地层时代自上而下分别第四系全新世（Qh）、晚更新世（Qp3），沉积韵律自西向东由永定河、潮白河控制，地层在空间分布上表现出一定的差异性，岩性以粉质黏土、粉土和粉细砂为主。考虑地层时代、沉积环境、土体物理力学性质，将研究区内50 m以浅工程建设层土体地层结构划分为8个工程地质层组，34个工程地质亚层（表1）。第四系沉积相主要为泛滥平原、分支河道、河漫湖和水下三角洲相，东、西方向受潮白河、永定河冲积作用产生同期异相，从剖面中（图4） 可以看出，地层自上而下依次为全新世—晚更新世，结构简单清楚，其中，第③层灰色的粉质黏土层 （全新世）、第⑤层的“硬黏土”层（末次盛冰期）、第 ⑥、⑧层的灰色粉质黏土层（含淡水螺片与螺壳）是反映本地区气候变化特征的重要标志，也是本地区的标志性地层。
图3Qp3与Qp2地层界线标志层
图4永定河—潮白河冲洪积平原工程地质剖面图
3 讨论
3.1 工程建设层内不良土体分析
3.1.1 软土
研究区软土层主要赋存在第③-4工程地质亚层，呈小面积分布在宝坻区南部大口屯镇、郝各庄镇以及尔王庄乡等地区（图5），属全新世中期潮坪相沉积，外观为灰色，岩性以淤泥质粉质黏土和流塑状黏土为主，顶板埋深在4.5～7.0 m内，平均埋深约5 m，厚度4～10 m，天然含水量35.5%～60.9%，天然孔隙比1.03～1.74，液性指数1.05～1.20，压缩模量1.85～3.84 MPa。同一时期沉积的河漫湖相地层在外观和岩性上几乎与软土层的特征（JGJ 94-2008）基本一致，但其含水率、孔隙比、液性指数、塑限物理力学性质指标存在明显差异，软土的天然孔隙比、液性指数普遍比河漫湖相的黏性土高（图6）。
3.1.2 液化砂土
本文根据《建筑抗震设计规范（2016年版）》 （GB 50011-2010）进行液化土层的判别，研究区地震烈度为7度，地震峰值加速度0.10～0.15 g。在饱和砂土进行初步判别后，需采用标准贯入试验法判别地面以下20 m范围内土的液化情况。液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式（1）计算，当饱和土标贯锤击数（未经杆长修正）小于或等于液化判别标贯锤击数临界值时判为液化土，最后计算液化指数（IIE）划分砂土液化等级（表2）。
(1)
式（1）中：Ncr —液化判别标准贯入锤击数临界值；N0 —液化判别标准贯入锤击数基准值按下表采用；ds —饱和砂土标准贯入点深度（m）；dw —地下水位深度（m），采用年平均水位，或近期最高水位；ρc — 黏粒含量百分率，当小于3时均采用3；β—调整系数。
图5软土分布范围
图6潮坪沉积与河漫湖沉积主要力学性质指标关系散点图
表1工程地质层组划分结果
注：土体物理力学性质和标贯击数为平均值。
表2液化等级
研究区20 m以浅地层划分为中等易液化、轻微易液化、不易液化3个等级，饱和易液化土层主要赋存于第②-2、③-2、③-3工程地质亚层，属古河道洼淀、滨湖、潮坪、水下三角洲沉积。中等易液化区以第③-2工程地质亚层的粉土为主，分布在通州区中部、三河市西北部和宝坻区南部等地区。轻微易液化区为第②-2、③-2、③-3工程地质亚层的粉土和粉细砂，分布在沿潮白河、泃河、鲍邱河及北运河沿岸、凉水河南岸、通州区中部、廊坊市南部、香河县—武清区中部、宝坻区南部等地区。其他大部分区域属于不易液化区（图7）。
图7砂土液化分布图
3.1.3 腐蚀性土
土壤中的侵蚀性CO2、Cl-、SO4 2-、HCO3-、Mg2+、pH 等在一定浓度或pH值下会对与之接触的混凝土、混凝土中的钢筋、钢结构等产生腐蚀性。参照《岩土工程勘查规范（GB 50021-2001）》（2009年版） （GB 50021-2001）相关评价标准，以地下水位以上的土壤水溶性盐测试结果为依据，评价研究区的土壤腐蚀性，结果表明：大部分地区土壤腐蚀性属于微腐蚀—弱腐蚀。中等腐蚀区主要分布在宝坻城区东、南部及尔王庄水库—潮白新河西部；强腐蚀区主要分布在宝坻区东南小部分区域（图8）。土腐蚀性的强弱主要与地层的沉积环境相关，宝坻区东南部的腐蚀性土属于潮坪相沉积（第③-4工程地质亚层）的淤泥质粉质黏土，黏粒和有机质含量高，受细颗粒对易溶离子的交换吸附作用，腐蚀性离子易在此处富集，这是宝坻区南部形成土壤腐蚀性高的地质原因。
3.1.4 盐渍化土
本研究通过野外土样采集和室内测试分析获取土壤盐分的数据，研究区土壤pH值平均值为8.3，总体呈弱碱性，土壤含盐量总体较低，平均值为 406.8 mg/100 g。阳离子以Na+为主，阴离子以HCO3-为主，其次为SO4 2-。为了更好的揭示盐分在土壤中的存在形态，对各离子的相关性进行分析（图9），土壤全盐量与SO4 2-、Cl−、Na+、Ca2+、Mg2+等显著正相关，这说明全盐量会随这些离子含量的增加明显升高。 Cl−与Na+、Mg2+呈显著正相关，SO4 2-与Na+、Mg2+、Ca2+ 等也明显正相关，这说明土壤中盐分会以NaCl、 MgCl2、Na2SO4、MgSO4 等形态存在。
图8腐蚀性土分区图
图9土壤水溶性盐相关性热图
根据土壤水溶性盐分析结果，研究区土壤划分为非盐渍化、轻度盐渍化、中度盐渍化3类。绝大部分地区的土壤为非盐渍化土，轻度盐渍化土分布在武清城区北部及东南部、宝坻区东北部及南部地区；中度盐渍化土分布在宝坻区东部和南部零星地区（图10）。中度盐渍化土和轻度盐渍化土主要分布在河流两侧的洼地或是浅湖中，地貌上对应于洼地、扇间洼地、河间洼地等，地层上对应第②-1或第 ③-1工程地质亚层。地貌和地层岩性对盐分的形成、运移和富集具有控制作用，影响着盐渍化形成的范围和程度。
3.2 影响工程建设的主要环境地质问题
3.2.1 全新世活动断裂
北京东部平原区全新世以来活动断裂主要有黄庄—高丽营断裂（张磊等，2014）、顺义断裂、孙河—南口断裂西北段（张磊等，2017；白凌燕等， 2018）、南苑—通县断裂（赵忠海，2009）、夏垫断裂 （白耀楠等，2019）、宝坻断裂及蓟运河断裂（图11），断裂覆盖层厚度大于60 m。当未来地震发生时，场地地震烈度可能会有所增加，对城镇地基有一定影响。
图10盐渍化土分区图
图11活动断裂分布图
3.2.2 地面沉降
地面沉降在近几年的快速发展，与地层特征和地下水的超量开采引发的地下水位变化有着密不可分的关系（刘晨等，2024）。研究区内地面沉降发育程度强的区域主要分布在北京通州区、廊坊市区、天津武清区等周边地区（图12）。根据典型地段 （张家湾监测站）地面沉降监测数据，2008—2015 年，各监测层位沉降持续增加，地面沉降主要贡献层为埋深257 m以下地层，工程建设层49 m以浅地层贡献较小。
3.2.3 地裂缝
研究区内各种程度的地裂缝都有发生，常与地面沉降、活动断裂相伴生，主要分布在顺义城区东部潮白河沿岸、通州区东北部、平谷区中北部、宝坻区北部和西部等地（图13），发育较为明显和典型的地裂缝主要有顺义地裂缝（马震等，2017）、宋庄地裂缝、刘宋镇荆庄村地裂缝，其他地裂缝多发生在 1976年唐山地震时期。地裂缝分布在地貌上以冲积平原区的故河道和扇上或扇间洼地为主，洪积平原、冲湖海积平原区，几乎鲜有发生。
4 工程建设规划建议
全新世活动断裂交汇、地面沉降和地裂缝发育、工程地质条件较差的地区，易产生重力性地表破裂和砂土液化，会导致地下管线损毁、工程结构物破坏、邻近建筑物失稳等危害。准确识别不良土体，研究环境地质问题分布规律，可避免工程建设中发生重大安全隐患（谢海澜等，2019；李稳和宫少军，2023；白耀楠等，2024），二者对城镇工程规划建设和安全运营具有重要意义。因此，考虑北京东部平原区是非首都功能疏解重要的承载地，未来数年，紧密配套的基础工程建设会加快推进，本文针对影响研究区工程建设规划的环境地质问题和不良土体，提出几点科学合理规划建设建议（图14）。
（1）北京东部平原区全新世以来活动断裂主要有黄庄—高丽营断裂、顺义断裂、孙河—南口断裂、南苑—通县断裂、夏垫断裂、宝坻断裂和蓟运河断裂，原则上不应在这些断裂分布区域布局重大工程建设，若线性工程开发利用无法规避此区域，采取措施缓解水平和垂直方向位移对工程安全性影响。
（2）通州区中东部规划建设时应特别主要活动断裂交汇、地裂缝发育、砂土液化、地面沉降发育强等多种问题集中分布，且地质安全隐患多，不宜规划建设大规模集中居住区和国家重大基础设施。
图13地裂缝分布图
图14工程建设规划建议图
（3）通州区北部、东南部与顺义区东部地裂缝发育相对集中，工程建设过程中应尽量避开。对无法避让的规划建筑，要充分考虑地裂缝的可能影响，加强地基整体性，加强建筑物上部结构刚性和强度，并且应及时开展地裂缝现状专项调查，查清已有地裂缝（包括已填埋）和新发现地裂缝的分布和发展规律，做好地裂缝监测工作。
（4）宝坻地区西南部与尔王庄水库南部发育软土，地基承载力低。若在软土区进行基坑开挖、地下空间利用等工程，除对基坑进行特别支护外，还需注意因土体扰动发生地基变形、流泥等情况。
（5）通州区南部、三河市西北和宝坻区南部存在中等砂土液化区，在汛期高水头压力作用下，易产生散浸、管涌等渗透变形；而砂土层易产生 “流沙”及砂土震动液化。因此，在地下工程施工中应注意这些粉土层和砂土层的分布以及处理。
5 结论
（1）综合考虑地层时代、沉积环境和土体的物理力学性质，北京东部平原区50 m以浅工程建设层自上而下可划分8个标准工程地质层，第③层的灰色粉质黏土、第⑤层的“硬黏土”、第⑥、⑧层的灰色粉质黏土是划分工程地质层组的重要标志。其中，第③工程地质层组存在软土、液化砂土、腐蚀性土等不良土体，工程地质条件较差，不易作为工程建设地基持力层。
（2）影响北京东部平原区工程建设的主要环境地质问题为全新世活动断裂、地面沉降、地裂缝。其中，全新世活动断裂有7条；地面沉降发育程度强的区域主要分布在北京通州区、廊坊市区、天津武清等周边地区；地裂缝发育相对集中区主要位于通州区北部、东南部与顺义区东部。
（3）应特别注意活动断裂交汇、地裂缝发育、砂土液化、地面沉降严重等多种环境地质问题集中分布的地区，这些地区不宜规划建设大规模集中居住区和国家重大基础设施。