林才秀

(福建省第四地質(zhì)大隊，寧德，352100)

城市地下空間資源的開發(fā)利用，已成為世界城市發(fā)展趨勢關(guān)注問題，并以此作為衡量城市現(xiàn)代化的重要標(biāo)志[1]。寧德市人口密度及城市容量適中，但由于原城市地面基礎(chǔ)設(shè)施用地的相對不足或布局欠合理，目前寧德主城區(qū)已出現(xiàn)道路資源飽和，交通系統(tǒng)局部出現(xiàn)擁堵，人居環(huán)境品質(zhì)逐漸下降等問題。開展地下空間開發(fā)利用適宜性評價，對合理規(guī)劃、利用城市地下空間資源，挖掘地下空間資源擴(kuò)充及完善基礎(chǔ)性城市功能，同時對已經(jīng)開發(fā)的地下空間利用形式，從后續(xù)規(guī)劃上進(jìn)行合理約束及規(guī)范，對促進(jìn)城市進(jìn)行自我更新提升、逐步邁向可持續(xù)發(fā)展模式意義重大。

地下空間開發(fā)利用的適宜性評價是指地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價中，選擇影響地下空間開發(fā)利用的地形(地貌)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)和周邊建筑及既有地下構(gòu)筑物等條件，展開分析研究，綜合判斷地下空間開發(fā)利用的地質(zhì)環(huán)境條件和施工與防護(hù)等工程施工的難易程度，圈定地下空間開發(fā)利用適宜性分區(qū)的空間分布，為地下空間開發(fā)利用布局規(guī)劃提供地質(zhì)科學(xué)依據(jù)。筆者在“寧德城市地質(zhì)調(diào)查”項目研究成果基礎(chǔ)上，基于寧德城市地質(zhì)數(shù)據(jù)分析評價與三維可視化系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行各專業(yè)數(shù)據(jù)的分析和綜合評價，在二維、三維分析功能的支持下，根據(jù)不同專業(yè)的應(yīng)用需求，采取適當(dāng)分析因子、合理的評價模型，可建立各專業(yè)的應(yīng)用功能[2]；可以更合理判斷出影響地下空間開發(fā)利用主要因素，其對這些影響因素的定性分析更為可靠、真實。

1 評價模型體系構(gòu)建

以平原區(qū)為例，地下空間開發(fā)深度為0～-15 m，施工工藝面狀以明挖為主，線狀以盾構(gòu)施工為主?；诔鞘兴牡刭|(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)條件下多要素的綜合評價，選擇地形(地貌)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等方面評價因素，依據(jù)一定的評判原則，劃分為評價總目標(biāo)層、一級指標(biāo)、二級指標(biāo)、三級指標(biāo)，并逐層逐級賦權(quán)重指標(biāo)，建立評價模型體系(表1)。

表1 地下空間開發(fā)利用適宜性評價指標(biāo)體系

2 評價方法與工具

城市地下空間資源開發(fā)利用適宜性評價內(nèi)涵是一種對屬性、準(zhǔn)則具有模糊特征數(shù)據(jù)集的綜合評判。研究選擇基于MapGis K9定制開發(fā)的“福建省城市地質(zhì)服務(wù)系統(tǒng)”和“模糊綜合評判方法”數(shù)學(xué)評價模型。

2.1 模糊綜合評判法

模糊綜合評判法是在模糊的環(huán)境中,考慮到影響事物的多種因素,基于某種目的對該事物做出的綜合判斷和決策,是一種以模糊數(shù)學(xué)推理為主的定性與定量相結(jié)合、精確與非精確相統(tǒng)一的分析評判方法。該方法通過建立合適的綜合評價數(shù)學(xué)模型將多個評價指標(biāo)綜合成為一個整體的綜合評價指標(biāo)作為綜合評價的依據(jù)，從而得到相應(yīng)的評價結(jié)果[3]?；谠u價單元(即格網(wǎng))獲取各指標(biāo)評分和權(quán)重量化得分。并采用多目標(biāo)線性加權(quán)函數(shù)法進(jìn)行評價，其數(shù)學(xué)模型公式：

式中：Zj—評價某地下空間單元適宜性綜合指判值；P—評價因子數(shù)；Wi—某因子權(quán)重值；aij—某單元評價因子取值；Zj得分越大，表示地下空間適宜性越好。

綜上所述，在對眾多的評價因子進(jìn)行綜合時，對各個變量具有權(quán)衡輕重作用的數(shù)值稱為權(quán)值(也稱為權(quán)重)。其反映不同評價因子間重要性程度的差異[4]。

2.2 評價工具

基于MapGis K9定制開發(fā)的“福建省城市地質(zhì)信息服務(wù)系統(tǒng)”，主要為城市地質(zhì)數(shù)據(jù)管理與維護(hù)子系統(tǒng)、城市地質(zhì)數(shù)據(jù)分析評價子系統(tǒng)、城市地質(zhì)數(shù)據(jù)三維建模子系統(tǒng)和城市地質(zhì)數(shù)據(jù)三維展示子系統(tǒng)等4個功能模塊。借助該系統(tǒng)的功能開展以下幾個方面應(yīng)用工作。

2.2.1 數(shù)據(jù)建庫

運(yùn)用“城市地質(zhì)數(shù)據(jù)管理與維護(hù)子系統(tǒng)”的數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)檢查、鉆孔標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)建庫等功能。將工程地質(zhì)、水文地質(zhì)鉆孔相關(guān)數(shù)據(jù)全部錄入建庫；然后，進(jìn)行統(tǒng)一鉆孔數(shù)據(jù)空間投影地理坐標(biāo)系、統(tǒng)一工程地質(zhì)巖(層)組和鉆孔數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化等一系列操作，確保一手資料的真實性。

2.2.2 統(tǒng)計分析制圖

運(yùn)用“城市地質(zhì)數(shù)據(jù)分析評價子系統(tǒng)”的二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組織統(tǒng)計、地質(zhì)數(shù)據(jù)出圖等功能，對標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)按評價指標(biāo)依次分類提取、統(tǒng)計，編制相應(yīng)的單要素點位數(shù)據(jù)圖。采用多元回歸分析是研究多個變量之間關(guān)系的回歸分析方法，按因變量和自變量的數(shù)量對應(yīng)關(guān)系可劃分為一個因變量對多個自變量的回歸分析及多個因變量對多個自變量的回歸分析[5]。按回歸模型類型可劃分為線性回歸分析和非線性回歸分析[6]。

2.2.3 評價指標(biāo)量化

評價指標(biāo)采集是將賦有屬性值的單要素點位數(shù)據(jù)圖，運(yùn)用系統(tǒng)中的地質(zhì)成圖功能分析，將其轉(zhuǎn)換生成賦有單要素指標(biāo)屬性值的指標(biāo)評價圖，如主城區(qū)地下水腐蝕性分析分區(qū)評價及基礎(chǔ)埋深分區(qū)評價，根據(jù)各個指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分。地下空間開發(fā)利用適宜性評價指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表2 寧德主城區(qū)地下空間適宜性評價指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)

2.2.4 評價計算

借用系統(tǒng)中具有可擴(kuò)展的模式入手，提供可定義、可擴(kuò)展的多專業(yè)評價模型定義的評價模塊功能，選擇相應(yīng)的評價模型和評價方法后，導(dǎo)入已準(zhǔn)備好的評價指標(biāo)圖，作為評價指標(biāo)因子。依次輸入各個評價指標(biāo)因子的權(quán)重值和評價等級劃分區(qū)間值。系統(tǒng)能夠自動生成如評價分區(qū)圖等一類的評價結(jié)果。

3 評價指標(biāo)

3.1 地形(地貌)條件

評價區(qū)總體以西部地勢較高，東部沿海地勢低，形成三面環(huán)山的濱海山地型城市。海岸線漫長曲折、港灣眾多。依據(jù)地貌成因類型、標(biāo)高與切割深度，可將區(qū)內(nèi)地貌劃分為丘陵地貌、沖洪積平原、海積平原等3個地貌區(qū)。

3.2 工程地質(zhì)條件

(1)土體抗剪強(qiáng)度是由滑動面上土的黏聚力和內(nèi)摩擦角2部分組成，二者大小反映土的抗剪強(qiáng)度。在地下空間開發(fā)過程中，黏聚力和內(nèi)摩擦角通常破壞圍巖初始平衡狀態(tài)，使圍巖應(yīng)力重新改變，形成新的應(yīng)力狀態(tài)，直接影響圍巖的穩(wěn)定性。易引起地面沉降問題，地面沉降反過來同時又對地下空間的正常使用造成影響。

(2)土體壓縮性是指土在壓力作用下土的體積減小。在地下空間開發(fā)過程中，由于透水性大的飽和無黏性土，其壓縮過程在短時間內(nèi)結(jié)束。黏性土的透水性低，飽和黏性土中的水分排出需要時間較前者長的多，壓縮性是隨著時間增加而增長的過程。因此在地下空間開發(fā)過程中，由于地面建筑地基各點的土質(zhì)不同和荷載差異，地基沉降過程也不同，長期影響地下工程域內(nèi)的地面變形。

(3)巖土體組合是指依據(jù)某區(qū)域內(nèi)工程地質(zhì)巖(層)組分布數(shù)量，劃分為單層、雙層和多層等組合，單層地下空間開發(fā)的難度相對低，雙層和多層考慮到隧道圍巖等級(圖1)和土層豎向分布不均勻性(圖2)(圖1中的剖面A-A')，增加地下空間開發(fā)施工的難度與邊坡失穩(wěn)的不確定性。

圖1 寧德主城區(qū)0～-15 m圍巖等級分區(qū)分布圖Fig.1 Distribution map of 0～-15m surrounding rock cassification in the main urban zone of Ningde city 1—圍巖類別Ⅱ；2—圍巖類別Ⅲ；3—圍巖類別Ⅳ；4—圍巖類別Ⅴ；5—圍巖類別Ⅵ；6—水文地質(zhì)鉆孔；7—工程地質(zhì)鉆孔；8—剖面線

圖2 A-A′線工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Engineering geological profile map of line A-A′1—填土；2—淤泥；3—黏土；4—粉砂；5—含卵石粉質(zhì)黏土；6—卵石；7—粗砂；8—殘積黏性土；9—全風(fēng)化花崗巖；10—強(qiáng)風(fēng)化花崗巖；11—中風(fēng)化花崗巖；12—弱風(fēng)化花崗巖

(4)軟土厚度：軟土是指天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的細(xì)粒土，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等。其通常會導(dǎo)致地基產(chǎn)生失穩(wěn)和不均勻變形，對構(gòu)筑物的地基要求高。一般來說，軟土層越厚，對地下空間的開發(fā)越不利。

對于不同的城市，軟土厚度的量化標(biāo)準(zhǔn)與土質(zhì)均勻性類似，其對城市地下空間開發(fā)的影響程度不會因城市的不同而不同[7]。

3.3 水文地質(zhì)條件

(1)含水層厚度：地下水含水層越厚，富水性等級越高。寧德主城區(qū)內(nèi)主要松散巖類含水層巖性主要為砂礫卵石(圖3)(圖1中的剖面B-B')，其水量隨著厚度增大而增加，在基坑開挖和隧道施工中，常因施工中切割含水層，或者地下水的水位受到施工或地表水、河水補(bǔ)給以及因潮汐水位漲跌影響到地下水水位擺動，造成地下水流失而引起基坑或隧道涌水、變形或路面沉陷等災(zāi)害事故。

圖3 B-B′線水文地質(zhì)剖面圖Fig.3 Hydrogeology profile map of Line B-B′1—填土；2—長樂組淤泥；3—龍海組砂礫卵石；4—粉質(zhì)黏土、殘積黏性土；5—侵入巖類

(2)地下水位埋深：地下水位埋藏淺、水量豐富且與地表水有較強(qiáng)的水力聯(lián)系，該城市大部分地表建筑物地基和地下建筑物都分布第四紀(jì)松散層中，水位埋深一般小于1.5 m。沿溪流地段，含水砂礫層被溪流切割，地下水與地表水有直接水力聯(lián)系，水量豐富，對淺層地下工程排水帶來一定困難，因而松散巖類孔隙水對淺層地下空間開發(fā)的影響甚大。

(3)含水層滲透系數(shù)：由于含水層透水性不同，在基坑開挖和隧道施工中，常因施工切割含水層，透水性高的土層易發(fā)生基坑或隧道涌水，造成基坑失穩(wěn)，增加施工難度。

3.4 環(huán)境地質(zhì)條件

(1)地質(zhì)災(zāi)害是指不良地質(zhì)現(xiàn)象，如滑坡、崩塌、泥石流等。評價區(qū)內(nèi)堆積平原區(qū)面積約69.30 km2，占總評價面積32.23%，屬于地質(zhì)災(zāi)害不易發(fā)區(qū)，對地下空間開發(fā)影響較??；然而，在丘陵地區(qū)或山麓一帶地下空間開發(fā)，容易造成邊坡失穩(wěn)而引發(fā)的崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

(2)基礎(chǔ)埋深是指城市建筑地基基礎(chǔ)類型和埋藏深度，一般基礎(chǔ)埋藏深度越深，地下空間開發(fā)難度越大，包括已開發(fā)利用的地下空間范圍，一般無改造計劃的可視為地下空間資源不可利用；反之，地下空間開發(fā)較有利。

(3)周邊環(huán)境是指城市建設(shè)現(xiàn)狀。在重點文物保護(hù)區(qū)、景觀保護(hù)區(qū)、重點建筑群區(qū)等范圍內(nèi)，無改造計劃的可視為地下空間資源不可利用。

綜上所述，由于各個評價指標(biāo)對地下空間開發(fā)過程中的影響程度是一個定性和定量、模糊與精確判斷過程，參考其影響程度奉獻(xiàn)值從低至高，依次對指標(biāo)評分取值從0～9分，取值越大對地下空間開發(fā)越有利，反之，則對地下空間開發(fā)越不利。

4 權(quán)重分析及評價等級

(1)以計算適宜性評價指標(biāo)體系的一級指標(biāo)權(quán)重值為例。根據(jù)“層次分析定權(quán)法”的判斷矩陣標(biāo)度及其含義(表3)，經(jīng)專家調(diào)查評判，構(gòu)建“專家—層次分析定權(quán)法”的綜合判斷矩陣(表4)，層次分析平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值(表5)對所得的綜合判斷矩陣按層次排序法求權(quán)值，先假設(shè)有一同階正則向量A，使得存在XA=λmaxA，解此特征方程所得的向量A經(jīng)正規(guī)化后即為各評價因子的權(quán)值，由于客觀事物的復(fù)雜及對事物認(rèn)識的片面性，構(gòu)造的判斷矩陣不一定是一致性矩陣(也不強(qiáng)求是一致性矩陣)，但當(dāng)偏離一致性過大時，會導(dǎo)致一些問題的產(chǎn)生。因此得到λmax后，還需進(jìn)行一致性和隨機(jī)性檢驗。檢驗公式：

CI=(λmax-n)/(n-1)

CR=CI/RI

式中：CI為隨機(jī)一致性指標(biāo)；λmax為最大特征根；n為矩陣階數(shù)；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，CR為隨機(jī)一致性比率，當(dāng)CR<0.10 時，判斷矩陣才具有滿意的一致性，所獲取值才比較合理。

表3 層次分析定權(quán)法的判斷矩陣標(biāo)度及其含義

表4 專家-層次分析定權(quán)法的綜合判斷矩陣

表5 層次分析平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值

采用方根法解特征方程：XA=λmaxA。

求得權(quán)重W{0.06，0.52，0.28，0.14 }，λmax=4.14，CI=0.05，CR=0.05，通過一致性校驗。

綜上所述，在遞階層次結(jié)構(gòu)下，根據(jù)所規(guī)定的相對標(biāo)度，依靠決策的判斷，分別構(gòu)建二級指標(biāo)和三級指標(biāo)的綜合判斷矩陣，采用“層次分析定權(quán)法”最終得出各項評價指標(biāo)權(quán)重。

圖4 寧德主城區(qū)0～-15 m淺層地下空間開發(fā)利用適宜性評價分區(qū)圖Fig.4 Partition map of suitability evaluation for exploitation and utilization of 0--15m shallow underground space

(2)對各個評價指標(biāo)評價分值進(jìn)行區(qū)屬性賦值，利用 MapGis K9的評價模型功能，輸入已確定的各個指標(biāo)權(quán)重值，根據(jù)地下空間資源開發(fā)利用適宜性評價模型計算綜合評判值，然后依據(jù)評價單元指標(biāo)綜合評判值編制綜合評價等級分區(qū)圖。根據(jù)評價模型計算結(jié)果，選擇模糊子集計算公式，厘定評價等級分區(qū)閾值：0～5.0為適宜性差，5.1～7.0適宜性較差，7.1～8.5適宜性較好，8.5～10適宜性好。

5 評價成果

寧德主城區(qū)地下空間評價區(qū)總面積約215 km2，0～-15 m淺層次地下空間適宜性評價成果圖(圖4)

福建省第四地質(zhì)大隊，寧德主城區(qū)地下空間開發(fā)利用適宜性評價報告，2017。

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Ⅰ區(qū)：適宜性好，主要分布在鏡臺山、寨頂、雷東巖等地的丘陵臺地地貌，以及城南鎮(zhèn)一帶山前沖洪積平原地貌等地區(qū)，面積約為39.25 km2，占總面積的19.17%。圍巖等級為Ⅱ～Ⅲ類，地下水具微腐蝕性，對明挖施工常用的邊坡支護(hù)方法有自然放坡、噴錨、樁錨等。

Ⅱ區(qū)：適宜性較好，主要分布在七都、六都以及漳灣和金涵鄉(xiāng)等的沖洪積平原和山前海積平原地段，以及貴岐—車?yán)餅骋粠鷫▍^(qū)內(nèi)，面積約61.75 km2，占總面積30.16%。第四系土層厚度一般為10.0 m，局部為10～15.0 m；圍巖等級Ⅳ～Ⅵ類，以碎石土和老的黏土為主，富水性中等-貧乏，地下水具微-中等腐蝕性。對于明挖基坑，根據(jù)周邊地區(qū)建筑施工的經(jīng)驗，邊坡支護(hù)方法采用土釘墻、水泥土擋墻、排樁式擋墻等，或其結(jié)合噴混凝土支護(hù)等；地下水排放主要采用集水明排法，或結(jié)合井點降水法，防止側(cè)壁坍塌、出現(xiàn)管涌現(xiàn)象。

Ⅲ區(qū)：適宜性較差，主要分布在鳥嶼、官滬、橫嶼等區(qū)域，面積約24.50 km2，占總面積11.97%。在海積平原及圍墾地區(qū)，圍巖等級為Ⅵ類，以淤泥和淤泥質(zhì)土為主，軟土層厚度為5～10.0 m，局部可達(dá)15.0 m；富水性貧乏，地下水具強(qiáng)腐蝕性，工程地質(zhì)條件較差；對于明挖的施工，根據(jù)地區(qū)建筑施工經(jīng)驗，邊坡支護(hù)多采用鋼板樁加內(nèi)支撐支護(hù)，或采用結(jié)合放坡噴混凝土支護(hù)等措施，地下水采用集水明排法，要注意軟土塌陷、滲漏、流泥、流砂等工程問題。

Ⅳ區(qū)：適宜性差，分布在三嶼、七都溪入?？诤降馈⑽髭樘?、東湖塘、下凡—大門山—貴岐一帶地表水域、深基礎(chǔ)建筑群區(qū)以及濱海地區(qū)，面積約79.25 km2，總面積38.71%。該區(qū)域工程地質(zhì)條件差，在建筑群區(qū)，大部分高層建筑物基礎(chǔ)埋深大于15 m，地下空間已無法再建；在濱海淤泥地段，圍巖等級為Ⅵ類，以淤泥和淤泥質(zhì)土為主，軟土厚度大于15.0 m，局部達(dá)25.0 m，容易發(fā)生地表坍塌、施工機(jī)械陷落等事故，水質(zhì)具強(qiáng)腐蝕性，基巖埋深較深，穩(wěn)定性差，工程造價昂貴。

6 結(jié)論

借助城市地質(zhì)數(shù)據(jù)庫信息高度匯集、耦合優(yōu)勢，運(yùn)用多要素模糊綜合評判模型，構(gòu)建評價指標(biāo)體系，獲得寧德主城區(qū)地下空間資源開發(fā)利用的適宜性綜合評價結(jié)論。

(1)地下空間適宜性評價要充分收集工程地質(zhì)勘察、水文地質(zhì)勘察、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查以及城市規(guī)劃等資料，對各個專業(yè)資料統(tǒng)一地球空間坐標(biāo)投影、工程地質(zhì)巖(層)組、水文地質(zhì)巖(層)組標(biāo)準(zhǔn)劃分方案，最終建立城市地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，展開數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理能提高評估的準(zhǔn)確性。

(2)地下空間資源開發(fā)利用適宜性評價指標(biāo)選擇有地形(地貌)條件、區(qū)域地殼穩(wěn)定性因素、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)，以及城市建設(shè)現(xiàn)狀等因素，鑒于地域地層的差異，在選取各個因素對適宜性的影響程度時，多考慮當(dāng)?shù)氐墓こ探ㄔO(shè)經(jīng)驗，選擇影響建設(shè)施工地質(zhì)因素。

(3)地下空間開發(fā)采用MapGis K9定制開發(fā)的福建省城市地質(zhì)信息服務(wù)系統(tǒng)通用平臺的分析評價模塊，方便城市地質(zhì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換二維圖件的表達(dá)，提高地下空間適宜性評價成果可視化的效率。

本文承蒙張書煌教授級高級工程師的悉心指導(dǎo)、審閱，并提出寶貴修改意見，在此表示衷心感謝。