莊卓涵

(廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510080)

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口數(shù)量激增、城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，帶來了一系列城市問題，如建筑用地緊張、生存空間擁擠、交通擁堵等，嚴(yán)重影響了人們的居住生活，也制約了現(xiàn)代城市的可持續(xù)發(fā)展。而地下空間的開發(fā)利用是擴(kuò)大城市空間容量、提高城市空間利用率的有效途徑，有效合理的開發(fā)，也是城市實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要保證[1]。

地質(zhì)條件是地下空間資源存在的物質(zhì)環(huán)境，在地下空間資源規(guī)劃和開發(fā)建設(shè)中需以地質(zhì)環(huán)境條件和地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)為依據(jù)，合理開發(fā)建設(shè)[2-3]。通過對(duì)已有資料的分析整理，查明新會(huì)區(qū)地下空間利用現(xiàn)狀：開發(fā)利用程度較低，以淺層開發(fā)為主，已開發(fā)利用的地下空間主要為淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，整體利用率不足10%，未來主要開發(fā)層位仍在淺層至次深層。

本文在綜合分析區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件等信息的基礎(chǔ)上，建立了地下空間地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，對(duì)區(qū)內(nèi)淺層(0～15 m)、次淺層(15～30 m)及次深層(30～50 m)的地下空間開展地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)，給出地質(zhì)條件要素對(duì)地下空間資源開發(fā)利用的適宜性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從而更好地指導(dǎo)地下空間的開發(fā)利用，減少和避免地質(zhì)環(huán)境問題的出現(xiàn)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省中南部，珠江三角洲西南端，西江、潭江下游，東與中山、東南與珠海市斗門及高欄港經(jīng)濟(jì)區(qū)毗鄰，南瀕南海，西與臺(tái)山、開平，北與鶴山、蓬江及江海相連，是粵港澳大灣區(qū)重要節(jié)點(diǎn)城市和綜合交通樞紐。

研究區(qū)位于北回歸線以南，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，全年四季分明，氣候溫和，熱量充足，雨量充沛。年均氣溫為21.8℃，最高氣溫38.3℃，最低氣溫0.1℃，歷年平均日溫差6.9℃。多年平均降雨量為2 203.64 mm，主要集中在4-9月。

2 地質(zhì)要素分析

地質(zhì)條件諸要素的分析則是地下空間資源條件分析和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，目的在于為評(píng)估模型指標(biāo)體系的地質(zhì)條件要素提供影響機(jī)理、標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)[4]。

研究區(qū)內(nèi)斷裂較為發(fā)育，地層巖性較復(fù)雜，第四系覆蓋層厚度變化大，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，賦存多層地下水，另外，軟土、液化砂土等不良地質(zhì)作用發(fā)育，對(duì)地下空間開發(fā)影響較大。因此本文主要從地形地貌、構(gòu)造地質(zhì)、巖土體條件、水文地質(zhì)和不良地質(zhì)條件等地質(zhì)要素進(jìn)行分析[5]。

2.1 地形地貌特征

研究區(qū)地勢自西北向東南傾斜，地形變化特點(diǎn)為北部地區(qū)北高南低，西南部地區(qū)為西南高、東北低。北部為圭峰山、南西部為古兜山、南東側(cè)為牛牯嶺，中部及東側(cè)為潭江與西江沖積平原，地貌類型以山地丘陵與平原為主。

不同地貌類型對(duì)地下空間的影響主要體現(xiàn)在地下空間的開發(fā)布局、開挖方式以及地下與地上的聯(lián)通方式。如在地面坡度較小的平原-丘陵地區(qū)，可采用明挖開發(fā)，施工較為簡單，且地下與地上采用垂直交通方式聯(lián)系，整體地下空間開發(fā)適宜性較好；而在坡度較大的山坡、山谷地區(qū)，地下空間開發(fā)施工難度較大，相對(duì)而言，適宜性較差[4]。

2.2 構(gòu)造地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要有八條基底斷裂，以“六橫兩縱”的方式展布。這些斷裂控制著區(qū)內(nèi)的地形地貌和第四紀(jì)沉積作用，在NEE和NNW向斷裂交切部位局部發(fā)育有熱泉和地震。在斷裂的影響下，地下空間開發(fā)利用過程中容易面臨基坑、硐室的失穩(wěn)、涌水等地質(zhì)環(huán)境問題。

按照斷裂的規(guī)模、活動(dòng)性和出露情況，可劃分為一級(jí)斷裂和二級(jí)斷裂。一級(jí)斷裂規(guī)模大，延伸長，影響范圍大，經(jīng)常造成巖體破碎，地下水豐富。如新會(huì)-市橋斷裂(F1)、五桂山北斷裂(F8)、五桂山南斷裂(F14)、崖門斷裂(F20)和西江斷裂(F32)；二級(jí)斷裂規(guī)模次之，如司前-杜阮斷裂(F5)、丁字水-南朗斷裂(F11)、羅坑-會(huì)城斷裂(F22)等，多為一級(jí)斷裂的分支斷裂。

2.3 巖土體條件

區(qū)內(nèi)巖石類型復(fù)雜，侵入巖、沉積巖和變質(zhì)巖均有發(fā)育。南部和北部廣泛分布有花崗巖，南部均為燕山期花崗巖，北部主要為早燕山期晚三疊世花崗巖，局部見加里東期晚奧陶世片麻狀花崗巖。中部的第四系松散沉積層大面積分布，包括晚更新世禮樂組，全新世桂洲組、山間河流沖積層和現(xiàn)代人工填土。前第四紀(jì)地層出露面積較小，包括寒武紀(jì)牛角河組、高灘組，晚泥盆世春灣組，早白堊世百足山組和古新世莘莊村組。區(qū)內(nèi)土體按照工程地質(zhì)特點(diǎn)可劃分為粘性土、粉土、砂土、卵礫類圖、特殊性土(殘破積土、人工填土、淤泥類土)。

不同巖土體類型的工程性質(zhì)差異性決定了對(duì)其地下空間開發(fā)利用的難易程度，主要工程指標(biāo)參數(shù)有土體的壓縮模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角，巖體強(qiáng)度、軟化系數(shù)及完整程度。

2.4 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水的賦存形式、含水介質(zhì)條件，將區(qū)地下水劃分為松散巖類孔隙水、紅層碎屑巖裂隙孔隙水、一般碎屑巖裂隙水和巖漿巖裂隙水共四類。其中松散巖類孔隙水主要有桂洲組(Qhg)杏壇段含水巖組及禮樂組(Qpl)石排段含水巖組，上部含水巖組富水性為貧乏～中等，下部含水巖組富水性為中等～豐富；紅層碎屑巖裂隙孔隙水主要為覆蓋型，其富水性為貧乏～極貧乏；一般碎屑巖裂隙水以裸露型和覆蓋型為主，富水性以貧乏—極貧乏為主，局部地段富水性豐富或中等；巖漿巖裂隙水以裸露型和覆蓋型為主，富水性貧乏～豐富，以覆蓋型富水性中等為主。

地下水的賦存條件、富水性和腐蝕性等對(duì)地下空間的開發(fā)的影響主要表現(xiàn)在突水、涌水以及對(duì)地下建筑物的腐蝕性問題等。

2.5 不良地質(zhì)條件

2.5.1 軟土地面沉降

自第四紀(jì)晚更新世中期以來，珠江三角洲斷陷區(qū)進(jìn)入了沉積階段，其間經(jīng)歷了多次海進(jìn)和海退的沉積旋回，沉積過程中產(chǎn)生了厚度不等的淤泥、淤泥質(zhì)土及淤泥質(zhì)砂土。根據(jù)軟土成因時(shí)代及沉積特征可分為三層：

(1)第一層軟土(全新統(tǒng)Qh上層軟土)

由桂州組燈籠沙段淤泥層組成，分布廣泛，層厚一般在5～15 m，局部大于25 m，埋深多為0.5～5 m。該層為全新世晚期海陸交互相沉積物，主要為淤泥淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)砂土，多呈松散狀。

(2)第二層軟土(全新統(tǒng)Qh下層軟土)

由桂州組橫欄段淤泥層組成，分布較第一層軟土窄，沉積厚度普遍較薄、以小于5 m厚度為常見，局部地帶可達(dá)10 m，埋深多為6.9～18.9 m。該層為全新世三角洲沉積，主要巖性為淤泥及淤泥質(zhì)土，局部夾淤泥質(zhì)砂土。

(3)第三層軟土(上更新統(tǒng)Qp上層軟土)

主要由禮樂組三角層、西南鎮(zhèn)段淤泥層組成，僅在潭江沿岸、西江沿岸的局部地帶零星分布，厚度一般小于5 m，局部地帶大于10 m，埋深多為12.3～23.5 m。該層為更新世海陸交互相沉積物，巖性以流塑狀態(tài)的淤泥、淤泥質(zhì)土為主，局部為松散狀的淤泥質(zhì)砂土。

軟土地面沉降對(duì)地下空間開發(fā)的影響主要包括：引起地下建筑物不均勻沉降及變形，管道的損壞變形；施工過程出現(xiàn)標(biāo)高變異和混亂，分段的對(duì)接錯(cuò)位等問題。

2.5.2 砂土液化問題

區(qū)內(nèi)易液化的砂土主要為全新世松散、稍密狀態(tài)的飽和粉砂、細(xì)砂、淤泥質(zhì)砂、中砂、粗砂和稍密粉土，在強(qiáng)震動(dòng)力作用下容易產(chǎn)生砂土液化、地基失效，液化等級(jí)以輕微液化為主，在大鰲鎮(zhèn)等地為嚴(yán)重液化。

砂土液化問題對(duì)地下空間開發(fā)的影響主要表現(xiàn)在：引發(fā)地面開裂、地基不均勻沉降和噴水冒砂等問題，導(dǎo)致地下建(構(gòu))筑物變形、地基失效和上部結(jié)構(gòu)破壞等。

3 適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)

目前，有關(guān)地下空間地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)方法有多種，如層次分析法(AHP)[6-8]、模糊綜合評(píng)判法[9-10]、灰色評(píng)估法[11]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法和數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法等。本次通過對(duì)地下空間開發(fā)利用的地質(zhì)環(huán)境條件的識(shí)別與分析，采用了層次分析法與多目標(biāo)線性加權(quán)函數(shù)法相結(jié)合的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 構(gòu)建指標(biāo)體系

結(jié)合研究區(qū)的具體情況，目標(biāo)層為地下空間地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，劃分為適宜性優(yōu)區(qū)、適宜性良區(qū)、適宜性中等區(qū)、適宜性較差區(qū)、適宜性差區(qū)等5類。

經(jīng)過慎重比選和反復(fù)推敲，以地形地貌條件、構(gòu)造地質(zhì)條件、巖土體條件、水文地質(zhì)條件、不良地質(zhì)條件為準(zhǔn)則層，選取8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：地形地貌類型、斷裂構(gòu)造緩沖距離、巖土體可開挖與支護(hù)性(分淺層、次淺層和次深層)、地下水賦存狀態(tài)、地下水腐蝕性、地表水域緩沖距離、軟土厚度、砂土液化等級(jí)等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)因子(圖1)。各指標(biāo)的影響程度分級(jí)量值及特征見表1。

其中巖土體的可開挖與支護(hù)性，參考廣州市城市地質(zhì)調(diào)查的經(jīng)驗(yàn)，綜合巖土體的質(zhì)量等級(jí)(包括巖體強(qiáng)度、軟化系數(shù)、完整程度以及土體的壓縮模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角)以及可開挖性的分類結(jié)果作為劃分依據(jù)，根據(jù)項(xiàng)目收集的2100多個(gè)有效鉆孔，將區(qū)內(nèi)地層進(jìn)行聚類匯總，以編碼的第8類巖土層為地下空間資源開發(fā)的相對(duì)最好土層，并以滿分1分計(jì)，以第11類土層為最差土層，并以0分計(jì)，其余土層分值介于0.1至1分之間，按相對(duì)難易程度分別賦值(見表2)。對(duì)鉆孔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得分，并按厚度加權(quán)匯總及歸一化，得到各鉆孔綜合得分?jǐn)?shù)據(jù)庫[12]。

圖1 地下空間地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系框圖

表1 指標(biāo)分級(jí)量值及特征

表2 巖土層分類表

3.2 確定指標(biāo)權(quán)重

運(yùn)用層次分析法求評(píng)價(jià)模型中指標(biāo)權(quán)重的步驟如下：

(1)首先形成階梯層次結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

(2)采用1～9標(biāo)度法，將同一層次的因素與上一層中某個(gè)因素兩兩比較，標(biāo)度其重要性，構(gòu)造出準(zhǔn)則層B對(duì)目標(biāo)層A、一級(jí)指標(biāo)層Xi對(duì)準(zhǔn)則層B、二級(jí)指標(biāo)層Xi,j對(duì)一級(jí)指標(biāo)層Xi的判斷矩陣。

(3)層次單排序，計(jì)算出同一層次各因素相對(duì)于上一層某個(gè)因素相對(duì)重要性的排序權(quán)重，經(jīng)過一致性檢驗(yàn)后，獲取各層次單排序權(quán)重。

(4)指標(biāo)權(quán)重總排序。根據(jù)上章的AHP理論依據(jù)，計(jì)算得到處于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系二級(jí)指標(biāo)層的各指標(biāo)因素相對(duì)于目標(biāo)層的相對(duì)重要性權(quán)重(見表3)，即層次總排序，為評(píng)價(jià)模型的進(jìn)一步運(yùn)算做準(zhǔn)備。

表3 新會(huì)區(qū)地下空間地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)總權(quán)重分配

3.3 建立數(shù)學(xué)模型

根據(jù)層次分析法的原理，評(píng)估模型研究的重點(diǎn)在于界定地下空間適宜性評(píng)估客體目標(biāo)所蘊(yùn)藏的綜合評(píng)估體系、分評(píng)估體系的構(gòu)成要素，以及表達(dá)要素之間及要素與目標(biāo)之間的準(zhǔn)確關(guān)系。常用的評(píng)估模型包括：德爾菲法、層次分析法(AHP)、模糊綜合法、多目標(biāo)線性加權(quán)函數(shù)法等。

為了取得給適宜性有效排序的評(píng)估目標(biāo)，需要選擇較為簡潔、清晰且易于理解和數(shù)據(jù)處理的評(píng)估模型，采用了層次分析法的指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，并采用多目標(biāo)線性加權(quán)函數(shù)加權(quán)求和的模型，對(duì)適宜性進(jìn)行評(píng)估計(jì)算[4]。

根據(jù)層次分析法(AHP)構(gòu)建多目標(biāo)加權(quán)函數(shù)指數(shù)和模型的基本計(jì)算公式為：

(1)

式中：S為目標(biāo)總得分；Ai為第i各單項(xiàng)指標(biāo)的量化參數(shù)；Bi為第i個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重；Cj為第j個(gè)主題的權(quán)重。

3.4 模型應(yīng)用及評(píng)價(jià)結(jié)果

基于mapgis平臺(tái)的空間分析，分別對(duì)淺層、次淺層、次深層的8個(gè)因子圖進(jìn)行空間相交疊加運(yùn)算，并對(duì)空間屬性進(jìn)行加權(quán)函數(shù)指數(shù)和計(jì)算，統(tǒng)計(jì)分析，最后聚類歸并，即可得到地下空間地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果(見表4)。

表4 新會(huì)區(qū)各深度層次地下空間地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)統(tǒng)計(jì)表

該評(píng)價(jià)結(jié)果可相對(duì)表征研究區(qū)內(nèi)地下空間開發(fā)利用的地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)，評(píng)價(jià)結(jié)果表明：

(1)總體上看，次淺層、次深層地下空間的地質(zhì)環(huán)境適宜性整體較好，其中次淺層適宜性優(yōu)良區(qū)占比56.71%，次深層適宜性優(yōu)良區(qū)占比79.61%；

(2)制約淺層地下空間開發(fā)利用的主要影響因素為地表水及軟土問題等；而次淺層和次深層巖土體條件較好，制約其地下空間開發(fā)利用的主要影響因素為含水砂層富水性及斷裂構(gòu)造等問題；

(3)適宜性差區(qū)域主要分布于潭江、西江水道附近，該區(qū)域軟土厚度較大，存在富水性較豐富的含水砂層，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，不利于地下空間開發(fā)利用。

圖2 淺層(0～15m)地下空間地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)圖

圖3 次淺層(15～30m)地下空間地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)圖

圖4 次深層(30～50m)地下空間地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)圖

4 結(jié)語

(1)本文在綜合分析地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，從地形地貌、構(gòu)造地質(zhì)、巖土體、水文地質(zhì)、不良地質(zhì)等五方面，構(gòu)建了由地形地貌類型等8個(gè)指標(biāo)組成的地下空間地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)估指標(biāo)體系，利用層次分析法(AHP)構(gòu)建多目標(biāo)加權(quán)函數(shù)指數(shù)和模型進(jìn)行分區(qū)評(píng)價(jià)，劃分為適宜性優(yōu)區(qū)、良區(qū)、中等區(qū)、較差區(qū)、差區(qū)；

(2)從評(píng)價(jià)結(jié)果分析，制約淺層地下空間開發(fā)利用的主要影響因素為地表水及軟土問題等；次淺層和次深層巖土體條件較好，制約其地下空間開發(fā)利用的主要影響因素為含水砂層富水性及斷裂構(gòu)造等問題；而整體適宜性差區(qū)域主要分布于潭江、西江水道附近，該區(qū)域軟土厚度較大，存在富水性較豐富的含水砂層，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，不利于地下空間開發(fā)利用。

(3)結(jié)合區(qū)內(nèi)已有地下空間建設(shè)分布，地下車庫及樁基等地下空間開發(fā)層位多為地質(zhì)環(huán)境適宜性優(yōu)～中等區(qū)域，證明本次適宜性評(píng)價(jià)具備一定的參考價(jià)值。