唐勇

（1.福建省建筑科學(xué)研究院，福建 福州350025；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室，福建 福州350025）

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，土地資源和既有規(guī)劃的限制，擁堵成為城鎮(zhèn)化的主要問題之一.土地資源的立體開發(fā)利用即地下空間開發(fā)，是解決擁堵問題的一個行之有效的方法.然而，地下空間資源有限，其開發(fā)利用除了與公共需求相關(guān)，更重要的是地質(zhì)環(huán)境，地質(zhì)環(huán)境決定了其開發(fā)利用的范圍與合理形式.因此，開展地下空間開發(fā)利用的適宜性評價十分必要.國外關(guān)于地下空間開發(fā)利用的研究起步較早，主要集中在地下空間開發(fā)與地質(zhì)環(huán)境的關(guān)系上.Ronka等［1］研究了地下空間開發(fā)的有利地質(zhì)環(huán)境；Cano－Hurtado等［2］研究了城市公共地下空間的可持續(xù)開發(fā)策略；Umnov等［3］研究了地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境評估方法.目前，天津［4］、北京［5］、南寧［6］、南京、上海等很多城市已經(jīng)對地下空間的開發(fā)利用進(jìn)行了適宜性評價.閩江口地區(qū)地下空間開發(fā)利用主要集中在福州主城區(qū)，而在長樂、閩侯、馬尾等地區(qū)相對較少.經(jīng)統(tǒng)計，福州市中心城區(qū)現(xiàn)狀地下空間建設(shè)總量約1 200萬m2.福州市中心城區(qū)現(xiàn)狀地下空間建設(shè)有著總量大、功能較單一、分布密、地下空間相互獨立等［7］特征.本文針對閩江口地區(qū)特殊的地質(zhì)環(huán)境條件特點，建立與之相適應(yīng)的評價模型，并對閩江口地區(qū)的地下空間開發(fā)適宜性進(jìn)行了研究和評價.

1 閩江口地區(qū)地質(zhì)環(huán)境

1.1 工程地質(zhì)條件

閩江口地區(qū)枕鷲峰－戴云山脈，東瀕東海，閩江自西北向東南流經(jīng)中部.地勢西高東低，呈層狀下降，該地區(qū)以山地丘陵為主，平原面積較小，山區(qū)中多鑲嵌小盆地.閩江口地區(qū)位于歐亞大陸板塊的東南緣，在大地構(gòu)造單元上分屬于閩東火山斷坳帶和平潭－東山構(gòu)造帶，斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，但無活動性斷裂.

閩江口地區(qū)地層巖性，可分為巖類和土類兩大類.巖類主要包括堅硬塊狀侵入巖類、堅硬塊狀火山巖類和半堅硬塊狀變質(zhì)巖類.土類包括礫質(zhì)土類、砂性土類、粘性土類和特殊性土類.

閩江口地區(qū)較典型的工程地質(zhì)剖面圖，如圖1所示.圖1中：h為高程；1為堅硬侵入巖組；2為堅硬火山巖巖組；3為堅硬半堅硬火山巖巖組；4為殘積土巖組；5為礫質(zhì)土巖體；6為砂性土巖組；7為粘性土巖組；8為淤泥質(zhì)土巖組；9為人工填土巖組；10為淤泥；11為淤泥質(zhì)粘土；12為淤泥質(zhì)砂；13為粘土；14為亞粘土；15為輕亞粘土；16為含礫亞粘土；17為細(xì)砂；18為中砂；19為泥質(zhì)砂；20為泥質(zhì)砂礫卵石；21為火山巖；22為侵入巖；23為全風(fēng)化侵入巖；24為風(fēng)化層與新鮮巖石界面；25為逆斷層；26為正斷層.由圖1可知：地層起伏大和地形分布空間差異大是閩江口地區(qū)地質(zhì)條件的主要特征.

圖1 典型工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Typical geological section

1.2 水文地質(zhì)條件

場區(qū)總體上呈現(xiàn)從盆地四周向盆地中心匯聚的向心狀水系特征，匯水中心偏向盆地南側(cè).區(qū)內(nèi)地下水除上部潛水外，尚有承壓水存在，主要發(fā)育于龍海組沖洪積層，厚度為20～30m，以泥質(zhì)砂礫卵石層為主.此外，一些斷層破碎帶和裂隙中也存在承壓水，但是一般埋藏較深.

1.3 主要工程地質(zhì)問題

1.3.1 花崗巖殘積土 閩江口地區(qū)大范圍分布著花崗巖殘積土.花崗巖殘積土是花崗巖經(jīng)物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化后殘留在原地的碎屑物.其主要工程地質(zhì)特征包括中偏低壓縮性、軟化性、易擾動性和崩解性.其中，軟化性、易擾動性和崩解性是較突出的工程地質(zhì)問題［8］.

1.3.2 軟土 閩江口地區(qū)軟土成因類型屬溺谷相、海相沉積.軟土壓縮模量低、抗剪強(qiáng)度較低、流變性、低滲透性等.低壓縮模量的土體在外荷作用下會產(chǎn)生較大的變形（較大的沉降或不均勻沉降）.抗剪強(qiáng)度較低容易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn).流變性會導(dǎo)致較大的工后沉降，且持續(xù)時間較長，往往會長達(dá)十余年.

1.3.3 砂礫石層 閩江口地區(qū)因河流地質(zhì)作用而廣泛分布著砂、礫石層和卵石層，是重要的含水層.地下水會造成某些特殊土的強(qiáng)度降低.由于福州主城區(qū)被閩江和烏龍江穿過，特殊的水文地理環(huán)境導(dǎo)致兩江周邊地區(qū)含水層往往較厚，且水量大，給工程降水和止水提出了新要求.此外，抗浮施工的難度與費用也相應(yīng)地提高.

2 評價模型

2.1 評價模型與方法

采用模糊層次分析法，通過多級指標(biāo)體系對整個閩江口地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件進(jìn)行多層次評價；由專家比較同一級指標(biāo)在適宜性評價的重要性，從而確定標(biāo)度矩陣；求解標(biāo)度矩陣的特征值和特征向量，并對特征向量進(jìn)行歸一化，得到各個指標(biāo)的權(quán)重.該方法將人為主觀性降到最低，因此，應(yīng)用廣泛［9－11］.

2.2 指標(biāo)體系與評價標(biāo)準(zhǔn)

具有代表性和層次性的指標(biāo)體系是合理評價結(jié)果的關(guān)鍵.在詳細(xì)分析既有勘察資料的基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計學(xué)方法歸類，把指標(biāo)體系分為地質(zhì)條件類、地下空間開發(fā)對周邊環(huán)境的造成的影響類、經(jīng)濟(jì)效益類3大類.其中，地質(zhì)條件類（即工程地質(zhì)條件）包括地形地貌、巖土體特征、水文地質(zhì)條件和場地條件.需要指出的是，對于巖土體而言，其主要評價標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，但由于抗剪強(qiáng)度指標(biāo)不便于量化比較，參照同行做法，采用承載力.在此基礎(chǔ)之上，結(jié)合專家意見，確定了有代表性的地質(zhì)條件指標(biāo)和工程條件指標(biāo)，如表1所示.

評判集可采用4～6個等級，文中采用4級（適宜，較適宜，較不適宜，不適宜），評價范圍為0～－10 m，－10～－30m.因此，需要綜合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、地方規(guī)程和專家意見制定兩套評價標(biāo)準(zhǔn)，對這兩個深度范圍分別進(jìn)行評價.因篇幅限制，文中僅介紹0～－10m 深度范圍的評價，評價標(biāo)準(zhǔn)如表2所示.

評價標(biāo)準(zhǔn)由3種方法確定：第一，規(guī)范里有明確規(guī)定的（如地下水腐蝕性參照GB 50021－2001《巖土工程勘察規(guī)范》（2009年版））；第二，需結(jié)合地方經(jīng)驗的（如巖土體組合、地形地貌，這種有地方特點的指標(biāo)）；第三，借助專家意見（如工程造價等）.

表1 指標(biāo)體系表Tab.1 Index system table

表2 評價標(biāo)準(zhǔn)表Tab.2 Evaluation standard table

2.3 隸屬函數(shù)與權(quán)重的確定

根據(jù)各個指標(biāo)體系對地下空間開發(fā)適宜性的影響規(guī)律確定隸屬.確定隸屬函數(shù)的常用方法有Del－phi法、概率統(tǒng)計法、三分法、相對比較法、對比平均法等［12］.文中采用的隸屬函數(shù)模型主要為以下3種.

2.3.1 統(tǒng)計模型 針對難以定量計算的指標(biāo)，如地表建筑，采用統(tǒng)計模型.對于地表建筑，可分別統(tǒng)計各類建筑所占面積的百分比，以此作為該指標(biāo)的隸屬度.需要指出的是，專家打分結(jié)果也采用統(tǒng)計模型計算其隸屬度.其表達(dá)式為

式（1）中：Vi為隸屬度；Si為評判等級i所對應(yīng)的統(tǒng)計結(jié)果.

文中地物類型指標(biāo)是采用統(tǒng)計模型，以各等級地物類型的面積百分比作為評價向量.

2.3.2 0－1模型 對于難以量化和統(tǒng)計的指標(biāo)，采用0－1模型，如地層組合.這類指標(biāo)有嚴(yán)格的判斷標(biāo)準(zhǔn)，符合某級標(biāo)準(zhǔn)，則該級的隸屬度為1，其余均為0.其中，巖土體組合、孤石、地下水腐蝕性等指標(biāo)采用0－1模型.

2.3.3 梯形或半梯形模型 對于可量化模型，如巖土體承載力、地面沉降等，采用梯形或半梯形模型隸屬度計算（指標(biāo)越小越適宜情況，對于越大越適宜的指標(biāo)則相反），即

式（2）～（5）中：V1，V2，V3，V4均表示隸屬度；u1，u2，u3，u4為評價標(biāo)準(zhǔn)；xi為變量取值.地面坡度、土體承載力等可量化指標(biāo)采用梯形或半梯形模型.

合理的權(quán)重是安全評價模型的關(guān)鍵，常用的有專家經(jīng)驗法、調(diào)查統(tǒng)計法以及層次分析法.其中，專家分析法和調(diào)查統(tǒng)計法易受人為主觀因素影響；層次分析法因受人為主觀因素影響相對較小而被廣泛采用.層次分析法通過將各評價因素兩兩比較判斷每一因素的相對重要性，在層次結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行合成，以得到?jīng)Q策因素相對于目標(biāo)的重要性總順序，從而為決策提供判定依據(jù)的方法.層次分析法標(biāo)度矩陣的確定方法參見文獻(xiàn)［6］.經(jīng)過比較得出各級指標(biāo)的標(biāo)度矩陣S，即

工程造價指標(biāo)的各二級指標(biāo)按同等重要考慮.由此，確定的權(quán)重分別為

3 評價步驟與結(jié)果

3.1 模型驗證

為了驗證該模型的有效性，選取了福州八一七路南街地下空間作為評價對象.南街地下空間改造工程位于福州市鼓樓區(qū)八一七路南門兜－東街口地鐵區(qū)間段，南起南門兜地鐵站，北至東街口地鐵站.因篇幅有限，其基本地質(zhì)資料參見《福州市八一七路南街地下空間改造工程巖土工程勘察報告》.

經(jīng)模型計算得到該地區(qū)的評判向量為（0.26，0.30，0.28，0.16），該區(qū)域在0～－10m 深度范圍內(nèi)是較適宜進(jìn)行地下空間開發(fā)的.由于地鐵沿線的地下空間開發(fā)均經(jīng)過全方位評估，評價結(jié)果與相關(guān)部門的評價結(jié)果基本一致，故該模型為有效的.

3.2 評價過程與結(jié)果

根據(jù)勘探鉆孔布置間距，合理確定網(wǎng)格劃分，確保每個網(wǎng)格至少包含一個勘探鉆孔［13］，最終確定網(wǎng)格大小為2km×2km，共計440個網(wǎng)格.在此基礎(chǔ)之上，按照評價標(biāo)準(zhǔn)對每個網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與評價.并將評價結(jié)果作為1個字段，錄入GIS系統(tǒng)并繪制云圖.為了更直觀地反應(yīng)結(jié)果，分別對工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和適宜性的評價結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計.工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件的適宜性評價結(jié)果，如圖2所示.0～－10m 范圍的地下空間開發(fā)適宜性評價結(jié)果，如圖3所示.

圖2 工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件的適宜性評價結(jié)果 Fig.2 Suitability evaluation result of engineering geological conditions and hydrogeology conditions

圖3 地下空間開發(fā)適宜性評價 Fig.3 Suitability evaluation result of underground space development

由圖2，3中可知：1）適宜范圍相對較廣，福州主城區(qū)大部分地區(qū)是適宜的，包括鼓樓區(qū)、晉安區(qū)、臺江區(qū)、倉山區(qū)，除個別地方地表水較豐富，或者存在古跡等不適宜外，都為適宜或較適宜；2）主城區(qū)以外適宜開發(fā)地下空間的區(qū)域也相對集中，大學(xué)城大部區(qū)域、甘蔗鎮(zhèn)一帶、南嶼鎮(zhèn)、尚干鎮(zhèn)等，除此以外，長樂市及沿海也有大片區(qū)域適宜進(jìn)行地下空間開發(fā)；3）不適宜地區(qū)主要集中在福州盆地周邊，閩江沿線，及長樂市的部分區(qū)域.這部分地區(qū)要么地勢起伏較大，要么存在生態(tài)保護(hù)區(qū)，要么地表水發(fā)育，要么工程地質(zhì)條件較差.

利用GIS軟件對適宜作為地下空間的區(qū)域進(jìn)行了統(tǒng)計，閩江口地區(qū)0～－10m 深度范圍內(nèi)可進(jìn)行地下空間開發(fā)的總面積為566km2（總面積為1 587km2）.由此可見，目前閩江口地區(qū)地下空間的開發(fā)利用率并不高，基本集中在主城區(qū).

4 結(jié)束語

在分析大量地質(zhì)資料的基礎(chǔ)之上，通過統(tǒng)計學(xué)的方法提取部分有效參數(shù)，利用模糊層次分析法，對福州盆地內(nèi)地下空間開發(fā)適宜性進(jìn)行評價.從評價結(jié)果的分布規(guī)律可以看出：在0～－10m 深度范圍內(nèi)，福州盆地內(nèi)大部分地區(qū)是適宜進(jìn)行地下空間開發(fā)的，尤其是中心城區(qū)，除個別高層建筑比較密集、地下空間開發(fā)利用率已經(jīng)較高的地區(qū)，如鼓樓區(qū)；不適宜的地區(qū)主要是靠近山地、河流的地區(qū).經(jīng)統(tǒng)計，相對適宜進(jìn)行地下空間開發(fā)的地區(qū)面積為566km2.需要指出的是，文中評價的結(jié)果是相對的，僅僅是從地質(zhì)環(huán)境和技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)所得到的結(jié)論.從純技術(shù)的角度講，是沒有不可逾越的障礙的，只是代價更大，風(fēng)險更大.

［1］RONKA K，RITOLA J，RAUHALA K.Underground space in land－use planning［J］.Tunnelling Underground Space Technol，1998，13（1）：39－49.

［2］CANO－HURTADO J J，CANTO－PERELLO J.Sustainable development of urban underground space for utilities［J］.Tunnelling Underground Space Technol，1995，14（3）：335－340.

［3］UMNOV V A，RUDYAK M.S，KALININ A R.Methodical approaches to cost evaluation of underground space［J］.Gornyi Zhurnal，2003（4／5）：23－26.

［4］齊波，張一飛.天津市中心城區(qū)地下空間資源開發(fā)利用適宜性評價探討［J］.城市地質(zhì)，2010，5（2）：25－29.

［5］王法，張亞芹，王軍輝，等.北京市中心城基坑工程地質(zhì)條件適宜性評價方法研究［J］.巖土工程學(xué)報，2012，34（增刊1）：739－743.

［6］歐孝奪，楊榮才，周東，等.AHP 法在南寧市地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評價中的應(yīng)用［J］.桂林工學(xué)院學(xué)報，2009，29（2）：474－480.

［7］廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，福州市規(guī)劃設(shè)計研究院.福州市中心城區(qū)地下空間利用專項規(guī)劃［M］.福州：福州市城鄉(xiāng)規(guī)劃局，2013：10－15.

［8］簡文彬，李潤.福州軌道交通建設(shè)中的巖土工程問題［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2010，18（5）：748－752.

［9］王燕青，張秀燕.基于模糊層次分析法的民用機(jī)場安全風(fēng)險管理［J］.中古安全科學(xué)學(xué)報，2008，18（6）：116－120.

［10］浦傳金，蘇華友，肖正學(xué)，等.模糊層次分析法在地基處理方案優(yōu)選中的應(yīng)用［J］.西南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，20（1）：15－19.

［11］田林鋼，靳聰聰，巴超.改進(jìn)的模糊層次分析法在海堤工程安全評價中的應(yīng)用［J］.武漢大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2013，46（3）：317－321.

［12］肖盛燮，王平義，呂恩琳.模糊數(shù)學(xué)在土木與水利工程中的應(yīng)用［M］.北京：人民交通出版社，2004：22－24.

［13］周國華，鄭志強(qiáng)，柳文廣，等.閩江口地區(qū)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查［R］.福州：福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，2014.