湯華英

（上海市巖土地質(zhì)研究院有限公司，上海 200072）

長(zhǎng)期以來(lái)，上海在城市開發(fā)建設(shè)過(guò)程中，積累起大量的巖土工程勘察資料。依據(jù)“上海市地質(zhì)資料管理辦法”[1]，上海對(duì)這些地質(zhì)資料的實(shí)現(xiàn)了有效管理并已全部數(shù)字化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2018 年底，數(shù)字化地質(zhì)資料有30344 份，包括近70 萬(wàn)個(gè)地質(zhì)鉆孔[2]。

建設(shè)項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與施工全過(guò)程需要應(yīng)用大量地質(zhì)資料，建立符合實(shí)際的地質(zhì)評(píng)價(jià)模型，可在項(xiàng)目建設(shè)全過(guò)程中起基礎(chǔ)性和支撐性作用。近年來(lái)對(duì)地質(zhì)資料的開發(fā)利用，相關(guān)單位進(jìn)行了有益的嘗試，并取得了許多成功經(jīng)驗(yàn)[3-8]。但在大多數(shù)情況下，對(duì)利用地質(zhì)資料建立的地質(zhì)模型缺乏可靠性評(píng)估，使地質(zhì)模型在工程項(xiàng)目實(shí)踐中的應(yīng)用受到限制。

地質(zhì)模型的可靠性直接影響建設(shè)項(xiàng)目的安全、經(jīng)濟(jì)和正常使用，對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行可靠性評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果確立地質(zhì)模型應(yīng)用范圍，可有效降低工程建設(shè)項(xiàng)目使用地質(zhì)資料面臨的地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)。本文將試圖分析影響地質(zhì)模型可靠性的各種因素，提出一種軟土地區(qū)工程地質(zhì)模型可靠性評(píng)價(jià)方法，并以上海地區(qū)某項(xiàng)目為例，驗(yàn)證其應(yīng)用結(jié)果。

1 可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)定

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

工程地質(zhì)模型是依據(jù)地質(zhì)資料，從已有勘探點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)地質(zhì)假設(shè)及數(shù)學(xué)方法，進(jìn)行差值或外推，得到特定位置的地質(zhì)特征信息。由于地質(zhì)情況的復(fù)雜性、不可見性，使得據(jù)此建立的地質(zhì)模型都具有內(nèi)在的不確定性。評(píng)價(jià)地質(zhì)模型的可靠性應(yīng)該要從影響地質(zhì)模型的因素進(jìn)行分析，可以從建立地質(zhì)模型的資料和步驟上來(lái)分析影響模型可靠性的因素。根據(jù)上海地區(qū)建模經(jīng)驗(yàn)，地質(zhì)模型可靠性主要由如圖1 所示因素決定。

圖1 影響工程地質(zhì)模型可靠性的主要因素Fig.1 Main factors affecting the reliability of engineering geological model

項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，不同階段對(duì)地質(zhì)模型可靠性要求不同，如初勘階段對(duì)模型可靠性要求相對(duì)較低，施工勘察階段對(duì)模型可靠性要求最高。模型可靠性評(píng)估是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，隨著項(xiàng)目的進(jìn)展，能夠獲取的更多地質(zhì)資料及數(shù)據(jù)，可以不斷完善地質(zhì)模型細(xì)節(jié)，模型可靠性和可用性也不斷增加。

本文通過(guò)大量資料分析，對(duì)影響地質(zhì)模型可靠性的各個(gè)因素進(jìn)行指標(biāo)設(shè)定及等級(jí)劃分。本文主要選取資料可靠性、數(shù)據(jù)可靠性及地質(zhì)條件復(fù)雜程度等進(jìn)行分級(jí)評(píng)分；對(duì)于建模能力，與地質(zhì)資料應(yīng)用的人員經(jīng)驗(yàn)、建模工具等因素密切相關(guān)，這些因素主觀影響大，評(píng)分穩(wěn)定性低，本文以不變的評(píng)分和權(quán)重參與統(tǒng)計(jì)。對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜程度、工程重要性等因素，參照現(xiàn)有規(guī)范結(jié)合專家意見給出評(píng)分；對(duì)勘探點(diǎn)數(shù)據(jù)可靠性評(píng)估，在研究區(qū)域選取500 多個(gè)鉆孔，進(jìn)行多次反復(fù)試算評(píng)估，然后參照專家意見，給出最終評(píng)分；對(duì)于資料來(lái)源等，則采用專家調(diào)查法，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)判斷、評(píng)估。

1.2 地質(zhì)資料可靠性評(píng)估

項(xiàng)目在可行性或規(guī)劃階段構(gòu)建地質(zhì)模型，一般不會(huì)部署勘察工作，需要利用以往地質(zhì)資料，在利用已有地質(zhì)資料時(shí),根據(jù)工程重要性、資料來(lái)源及形成時(shí)間等來(lái)判定資料的可靠性、可用性。項(xiàng)目按工程重要性及資料形成時(shí)間進(jìn)行分類，據(jù)此可以得到地質(zhì)資料評(píng)分表（表1）。其中工程重要性分級(jí)參照上海市工程建設(shè)規(guī)范《巖土工程勘察規(guī)范（DGJ 08-37-2012）》[9]（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”）確定。

表1 地質(zhì)資料可靠性評(píng)估分值表Table 1 Assessment of geological data quality of a site

1.3 勘探點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠性評(píng)估

對(duì)于城市建設(shè)項(xiàng)目,利用的地質(zhì)數(shù)據(jù)主要是地質(zhì)鉆孔相關(guān)測(cè)試、原位測(cè)試試驗(yàn)等數(shù)據(jù)。根據(jù)鉆孔（原位測(cè)試）的基本情況，采用半定量的評(píng)定方法，對(duì)鉆孔（原位測(cè)試）質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，鉆孔（原位測(cè)試）各屬性評(píng)分如表2 所示。勘探點(diǎn)可靠性根據(jù)該勘探點(diǎn)屬性得分之和進(jìn)行分級(jí)?？紤]到上海地區(qū)的勘察應(yīng)用實(shí)際情況，取土孔和靜探試驗(yàn)是上海地區(qū)使用最多的勘探類型，因此表2 中只列出了取土孔和靜力觸探試驗(yàn)點(diǎn)的屬性。其他類型鉆孔和原位測(cè)試試驗(yàn)的屬性可參照表2 給出，可使該方法能適應(yīng)其他地區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù)可靠性評(píng)估。

表2 勘探點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估分值表Table 2 Assessment of boreholes quality of a site

1.4 勘探點(diǎn)數(shù)據(jù)可靠性綜合評(píng)估

勘探點(diǎn)數(shù)據(jù)可靠性綜合評(píng)估包括勘探點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)點(diǎn)分布狀況的評(píng)估。評(píng)價(jià)場(chǎng)地某點(diǎn)地質(zhì)數(shù)據(jù)可靠性，采取如下方法：

首先計(jì)算場(chǎng)地附近每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可靠性得分，考慮目標(biāo)區(qū)域與數(shù)據(jù)點(diǎn)距離，根據(jù)表3，得到目標(biāo)區(qū)域地質(zhì)數(shù)據(jù)可靠性綜合得分。

表3 勘探點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量綜合評(píng)估分值表Table 3 Comprehensive assessment of boreholes quality of a site

1.5 地質(zhì)條件復(fù)雜性評(píng)估

地質(zhì)條件復(fù)雜性是指目標(biāo)區(qū)域巖性變化等方面有關(guān)的復(fù)雜性，參照“規(guī)范”條文4.2.2，選取影響建模可靠性的地質(zhì)條件如下：（1）場(chǎng)地地層分布不穩(wěn)定，持力層層面起伏大或跨越不同工程地質(zhì)單元；（2）液化等級(jí)為中等及以上的場(chǎng)地；（3）存在需要專門處理的不良地質(zhì)條件或地質(zhì)災(zāi)害；（4）存在對(duì)工程建設(shè)有影響的（微）承壓水。具體評(píng)估如表4。

表4 地質(zhì)條件復(fù)雜性評(píng)估分值表Table 4 Assessment of geological complexity of a site

目標(biāo)區(qū)域的地質(zhì)條件復(fù)雜性可參照“規(guī)范”附圖B《上海市區(qū)淺層粉性土、砂土分布圖》、附圖C《上海市區(qū)第⑤2層粉性土、砂土層分布圖》、附圖D《上海市區(qū)第⑥層暗綠色硬土層分布圖》、附圖E《上海市區(qū)第⑦層粉性土、砂土層分布圖》等綜合確定。

2 可靠性評(píng)價(jià)方法

利用層次分析法建立軟土地區(qū)工程地質(zhì)模型的可靠性評(píng)估模型，以影響模型可靠性的資料可靠性、勘探點(diǎn)數(shù)據(jù)可靠性、地質(zhì)條件復(fù)雜性、建模能力等四個(gè)指標(biāo)為準(zhǔn)則層一級(jí)因子，其中資料可靠性又包含兩個(gè)子因子，建立層次結(jié)構(gòu)模型。利用層次分析1-9 標(biāo)度法，同層因子間兩兩比較其重要性，逐項(xiàng)就各層中的因子對(duì)上一層目標(biāo)的相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判別矩陣。再計(jì)算最大特征根、對(duì)應(yīng)的特征向量、各層次的單排序以及進(jìn)行判斷矩陣一致性檢驗(yàn)。其計(jì)算結(jié)果見表5、表6。

在權(quán)重值確定后，根據(jù)各因子分值和權(quán)值，計(jì)算目標(biāo)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)模型可靠性評(píng)估分值：

表5 準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層判別矩陣Table 5 Primary factors discriminant matrix

表6 資料可靠性因子判別矩陣Table 6 Data source factors discriminant matrix

式中M 表示區(qū)域內(nèi)某點(diǎn)的地質(zhì)模型可靠性評(píng)估指標(biāo)及分?jǐn)?shù)，L1-L4分別為上述影響地質(zhì)模型可靠性的各因子分值，W1-W4則為其對(duì)應(yīng)權(quán)重。最后，根據(jù)區(qū)域內(nèi)各計(jì)算點(diǎn)的M值，計(jì)算平均值，從而可以對(duì)目標(biāo)區(qū)域地質(zhì)模型可靠性做出評(píng)估（表7）。

表7 地質(zhì)模型可靠性評(píng)估表Table 7 Implication of Geological model reliability score

3 應(yīng)用案例

選擇某擬建場(chǎng)地及周邊為研究區(qū)域，查詢“上海地質(zhì)資料信息共享平臺(tái)”[10]，共獲取22 份巖土工程勘察地質(zhì)資料及500 多個(gè)地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)。地質(zhì)鉆孔分布如圖2 所示。

圖2 研究區(qū)域內(nèi)地質(zhì)勘探點(diǎn)分布圖Fig.2 Example of borehole plotted on portion of the site

上述22 份資料中，按項(xiàng)目工程重要性分類，6 個(gè)項(xiàng)目屬于重要工程，7 個(gè)項(xiàng)目屬于一般工程，其余為次要工程；按報(bào)告形成時(shí)間分，14 個(gè)項(xiàng)目距今8 年內(nèi)，6 個(gè)項(xiàng)目距今8～18 年，2 個(gè)項(xiàng)目距今18～26 年。

研究區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜性判定，則參照“規(guī)范”附圖資料及經(jīng)驗(yàn)綜合判定為“一般”。

將研究區(qū)域按5 米間距，展成方格網(wǎng)，利用GIS 空間分析功能，將各因子等級(jí)分區(qū)圖按因子的權(quán)重進(jìn)行疊加，得到疊加后的可靠性評(píng)估指數(shù)，按照表7 中的分段要求分為6 段，分別賦予6 種不同顏色，得到研究區(qū)域地質(zhì)模型可靠性評(píng)估圖（圖3）。

圖3 研究區(qū)域內(nèi)地質(zhì)模型可靠性評(píng)估圖Fig.3 Geological model Reliability for the site

依據(jù)研究區(qū)域內(nèi)500 多個(gè)地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一分層處理并據(jù)此建立三維地質(zhì)模型，剖切立體剖面圖（圖4），可以直觀三維空間地層分布狀況。

圖4 研究區(qū)域內(nèi)三維立體地質(zhì)剖面圖Fig.4 Example of cross section presenting geological model reliability for the site

從上圖可以看到，在模型較為可靠區(qū)域，地層起伏變化細(xì)節(jié)展現(xiàn)非常清晰，根據(jù)該區(qū)域網(wǎng)格域地質(zhì)模型可靠性綜合評(píng)分為0.75 分，等級(jí)為“可靠”。

4 結(jié)論

本文從尋找地質(zhì)模型可靠性特征方面入手，結(jié)合專家—層次分析法展現(xiàn)了地質(zhì)模型可靠性的影響因素，并將影響因素與工程應(yīng)用結(jié)合起來(lái)。本文提出用以確定地質(zhì)模型可靠性的半定量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，既通過(guò)上層指標(biāo)概括了影響可靠性的所有因素，又通過(guò)基層指標(biāo)將工程地質(zhì)模型實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景直接關(guān)聯(lián)起來(lái)，并可以完整地評(píng)價(jià)地質(zhì)模型的可靠性。

專家—層次分析法應(yīng)用于地質(zhì)模型可靠性的評(píng)估，操作簡(jiǎn)單，結(jié)果可靠，依據(jù)該方法可建立屬性向量和其權(quán)重向量的數(shù)據(jù)庫(kù)和評(píng)估系統(tǒng)，若能推廣應(yīng)用，可為開展進(jìn)一步的地質(zhì)工作提供依據(jù)，從而達(dá)到節(jié)省工程投資的目的。

地質(zhì)模型應(yīng)用的不斷深入，對(duì)地質(zhì)模型可靠性評(píng)估將會(huì)提出更高要求。隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和對(duì)工作認(rèn)識(shí)程度的加深，模型可靠性指標(biāo)體系將會(huì)是不斷完善的過(guò)程，模型評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇和判定依據(jù)也將得到進(jìn)一步完善。