地下空间资源开发利用地质环境适宜性评价

1、    地下空间资源开发利用地质环境适宜性评价    何阳 熊雄 徐定芳 刘一鸣 庞铁摘 要：常德市为省域次中心城市及湘西北中心城市、综合交通枢纽和生态宜居城市，随着城市社会经济的快速发展，城市逐步进行地下空间资源的开发利用。运用层次分析法和变权评价方法，针对研究区60 m以浅的地下空间资源开发利用进行适宜性分析评价，按照010 m，1030 m，3060 m等3个层次进行评价，得出研究区地下空间资源开发利用适宜性评价结果，按照适宜性等级划分为一级、二级、三级、四级4个等级，其中010 m大部分为一级适宜性评价区和二级适宜区，1030 m和3060 m一

2、般为三级适宜性区和四级适宜区，并提出针对性的开发利用建议，以期为常德市地下空间资源开发利用提供科学依据。关键词：常德市;地下空间资源开发利用;变权评价;适宜性评价abstract： changde is a provincial sub-center and a regional center in northwestern hunan province; its also an integrated transportation hub and an ecologically livable city. with the rapid growth of its urban society a

3、nd economy， the development and utilization of the underground space resources are gradually implemented. in this paper， analytic hierarchy process and variable weight evaluation methods are used to evaluate the suitability of the underground space resources below 60 m in the study area; suitability

4、 evaluation is carried out at the layers of 0 10， 10 30， 30 60 m; and evaluation results are divided into four grades from the first to the fourth. most of the 0 10 m is first and second grade suitability areas， 10 30 m and 30 60 m are generally third and fourth suitability areas. finally， targeted

5、development and utilization suggestions are put forth to provide a scientific basis for the development and utilization of underground space resources in changde city.keywords： changde city; development and utilization of underground space resources; variable weight evaluation; suitability evaluatio

6、n针对地下空间资源以及規划建设中地质环境的影响，很多学者进行了大量的适宜性评价研究。通过调查对地下空间资源开发利用现状设施的分类（sterling et al.，1982），对地质条件进行调查、综合分析，采用层次分析法建立了城市地下空间开发利用适宜性评价模型（r?nk? et al.，1998）和地下空间资源评价模型（祝文君，1992），为城市地下空间的规划及管理提供服务（rienzo et al.，2009）。为使地下空间适宜性评价结果更能反映实际情况，学者采用变权理论建立了郑州市地下空间地质环境适宜性评价模型，对郑州市地下空间开发利用进行了适宜性分区，并提出了开发利用建议（张晶晶，2016

7、）。常德市地下空间开发利用始于人防工程建设，开发利用程度较低，主要分布于建成区，为地下交通、地下市政设施、仓库等空间设施。区内尚未对地下空间开发利用现状进行梳理，也未进行地下空间开发利用适宜性评价，本文主要是针对60 m以浅的地下空间进行研究分析，为城市规划提供依据，以实现地下空间资源开发的科学性、合理性和可靠性。1 地质条件（1）地形地貌研究区位于洞庭湖平原西部，地形上表现为北部高，中部南部低的特征。北部海拔为100563 m;中部海拔2840 m;南部海拔50100 m。（2）地层岩性区内地层以第四系为主，广泛分布于沅江及其支流两侧，第四系面积约占研究区的87%，第四系厚度一般为3560

8、m，最深厚达110 m;其次为古近系白垩系泥岩、泥质粉砂岩，寒武系泥灰岩、泥质灰岩，南华系、震旦系、板溪群以及冷家溪群粉砂质板岩、板岩。（3）地质构造区内断裂构造主要形成于印支期、燕山期和古近纪，主要为北东向，其中太阳山断裂为活动断裂，为主要孕震、导震构造。区内历史上发生4级以上地震7次，最大震级为1631年6.8级。（4）水文地质条件区内地下水类型主要为松散岩类孔隙水、红层孔隙裂隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水和基岩裂隙水。其中高阶地孔隙水一般为潜水，水位埋深一般为2555 m，单井涌水量140474.66 m3/d，富水性等级为贫乏中等;低阶地孔隙水一般为承压水，水位埋深一般为0.86.5 m，

9、单井涌水量588.644579.43 m3/d，富水性等级为中等丰富;红层孔隙裂隙水富水性等级为贫乏中等;裂隙溶洞水类型为覆盖型和埋藏型，水位埋深为5.535 m，单井涌水量为1154.392341.44 m3/d，水质优良，富水性等级为中等丰富;基岩裂隙水富水性等级为贫乏中等（图1）。（5）工程地质条件区内岩体可分为4个建造类型，即：陆相碎屑岩建造、海相碎屑岩建造、碳酸岩建造、浅变质岩建造。又可细分为 7 个工程地质岩性综合体;区内第四纪地层总体划分为抬升区和凹陷区2种类型，据土体形成条件、内部连结特征可分成一般天然土和特殊土两大类，一般天然土以粒度成分或塑性指数划分为黏性土、粉土、砂类土、

10、卵砾土等类型;特殊土类在区内主要为填土、软土及膨胀土。根据其土的性质组合特征划分为均一、双层、复式结构3种类型（图2）。2 地下空间资源开发利用现状研究区地下空间资源开发利用现状主要为：地下交通工程、地下市政工程、地下综合管廊及建筑地下室和建筑物基础（王兰化，2015），其主要开发利用类别及规模见表1。3 地下空间资源开发利用主要影响因素地下空间资源开发利用受多种因素的制约，例如地面及地下已有建筑物对地下空间的相互影响以及地质环境条件和不良地质作用的影响等。地下空间开发也应考虑其施工后因地质环境条件改变可能会存在的安全问题，地下空间开发利用导致的安全问题可分为人为因素和自然因素，人为因素主要包

11、括管线破坏、基坑坍塌等。自然因素包括地形地貌、工程及水文地质条件、不良地质问题、地质灾害等。本文从地形地貌、地质构造、岩土体类型、水文地质条件、不良地质作用、生态敏感性条件和地下空间现状条件等7大地质环境因素来探讨地下空间资源开发利用的适宜性。（1）地形地貌区内地貌类型主要为冲积冲湖积平原、低山丘陵，主要影响010 m范围的地下空间开发利用，主要影响地下空间的开发形式及整体布局。（2）地质构造区内地质构造较发育，其中断层对地下空间开发利用的影响较大，尤其是区内的太阳山断裂为活动断裂，受断裂的影响，基坑和硐室的围岩稳定性一般较差，在地下水较丰富地段易发生涌水突水等现象，进而会引起周边地面不均匀沉

12、降等问题。（3）岩土体类型岩土体的物理力学性质的差异是影响地下空间开发利用的直接原因，其中岩体的强度、风化程度及软化情况是影响地下空间开发利用的主要原因;而土体的对地下空间开发利用的影响主要体现在其承载力、结构特征和特殊土的性质。（4）水文地质条件区内地下水富水性较好，地下空间开发的过程中易出现涌水和突水等问题，给工程排水带来较大困难，且可能影响后期使用运行（王永立，2008）。（5）不良地质作用区内不良地质主要为砂土液化、软土、地震及管涌。研究区第四系厚度最深达90 m左右，卵石层厚度较大，导致含水层厚度较大，且与沅江等地表水具有连通性，地下水丰富，给工程排水带来极大困难;研究区抗震设防烈度

13、为度，设计基本地震加速度为0.15 g，沅江两岸全新统（qh）地层中大面积分布有饱和砂土，在地震的作用下，易形成砂土液化，会导致地面变形、冒水喷砂等现象，引起地基承载力降低甚至丧失;另外大堤管涌具有突发性，成群成段性，对其安全构成很大的威胁，甚至会造成大堤塌溃而形成洪灾等次生灾害，给地下空间开发造成极大困难。（6）生态敏感性条件地下空间开发利用除了受地质载体与环境条件的影响和制约外，还相应对地质载体及周边环境产生一定的影响，有时甚至具有一定的破坏作用。从地下空间开发利用的环境影响以及对自然环境的保护需求方面，需要对环境及生态敏感性要素进行分析，以充分實现地下空间的保护性开发利用。（7）地下空间

14、现状条件地下空间现状对地下空间的再开发利用也会产生重大影响，本次研究亦将地下空间现状作为地下空间开发的制约因素。现状地下空间已建成区是地下空间的不可再利用区;而建筑物荷载传递到地基，并扩散衰减于周边更深、更远的岩土体中，为了保证上部和侧面建筑的安全与地基稳定，在地下空间开挖建筑物或在现有建筑物侧面开挖时，必须根据基础的变形敏感性而保证一定的横向及竖向保护距离。4 地下空间资源开发利用地质环境适宜性评价根据区内收集的地下空间资源开发利用现状资料综合分析，研究区地下交通、建筑地下室等利用深度主要为010 m，建筑物桩基利用深度主要为030 m，个别超高层建筑桩基到50 m;因此，综合城市地下空间开

15、发利用现状情况和以后城市的发展需求，本次研究分为浅层010 m、中层1030 m、深层3060 m 3个层次。根据研究区地质环境条件，按丘陵区和湖积平原区分别建立地质环境影响指标体系，采用层次分析法确定各指标因素的常权权重。与常权评价相比，变权评价模型能有效克服指标内部差异性带来的不良影响，使评价分区更加符合实际情况;且变权评价的评价值离散性更好，有利于进行等级划分。因此，在层次分析法确定常权权重的基础上，运用变权评价模型对常德城市地下空间开发利用地质环境进行适宜性评价，从而获得一个定量的综合评判结果。4.1 评价体系的建立（1）确定目标层目标层（r）为研究区地下空间开发利用适宜性的结果，根据

16、精度和实用性，将适宜性划分为4类，即一级适应区（）、二级适宜性区（）、三级适宜性区（）、四级适宜区（）4类（徐定芳，2019）。（2）指标因子的选取与分级根据研究区基础地质、工程地质、水文地质、环境地质及城市规划相关资料，对研究区地质环境基本特征进行了全面分析研究，确定研究区地下空间开发利用适宜性主要取决于地形地貌、地质构造、岩土体类型及组合、水文地质条件、不良地质作用、生态敏感性条件和地下空间现状条件共7个方面。地形地貌选取了地形坡度作为评价因子;地质构造选取了断裂密度和地震及断裂活动性作为评价因子;工程地质条件主要为土体类型、岩体强度;水文地质方面选取了地下水埋深、含水层富水性、地下水的腐

17、蚀性3个评价因子;区内不良地质现象主要为管涌、软土、砂土液化;生态敏感性条件主要有地表水保护、生态绿地保护、地下水保护、地质遗迹及文物保护4个评价因子;地下空间现状条件主要为现状及影响范围，共16个评价因子。（3）评价指标体系的构建对以上地下空间开发利用有影响的16个因子作为适宜性评价指标，综合研究区各层次丘陵区和湖积平原区不同的地质环境条件，分别建立了研究区不同深度的丘陵区和湖积平原区地下空间开发利用适宜性综合评价指标体系和分级标准，如图3至图8。（4）因子层次分析及确立常权权重经对地下空间利用地质环境适宜性总目标层r与准则层中7项研究内容之间相比较后，将准则层两两对比，组建判断矩阵，通过“

18、yaahp”软件计算，得到以下丘陵区和湖积平原区不同层次的常权权重。丘陵区010 m层次总排序权重值为：（0.1315，0.1315，0.0816，0.0407，0.0407，0.1065，0.1065，0.0880，0.0220，0.0265，0.0265，0.0265，0.0265，0.1030，0.0420），平原区010 m层次总排序权重值为：（0.1430，0.1430，0.0850，0.0425，0.0425，0.1110，0.1110，0.0880，0.0220，0.0265，0.0265，0.0265，0.0265，0.1060），丘陵区1030 m层次总排序权重值为：（0.2

19、14，0.072，0.0850，0.0425，0.0425，0.1110，0.1110，0.0880，0.0220，0.021，0.085，0.106），湖积平原区1030 m层次总排序权重值为：（0.144，0.144，0.084，0.042，0.042，0.112，0.112，0.085，0.021，0.030，0.060，0.124），丘陵区3060 m层次总排序权重值为：（0.313，0.035，0.095，0.048，0.048，0.024，0.224，0.099，0.025，0.089），湖积平原区3060 m层次总排序权重值为：（0.303，0.082，0.041，0.041，0

20、.193，0.039，0.091，0.023，0.091，0.096）。4.2 地质环境适宜性分区评价（1）评价方法在运用层次分析法得到常权重的基础上，采取惩罚-激励型变权模型对常权进行重新分配，建立变权评价模型，对研究区地下空间资源开发利用适宜性进行评价。（2）评价模型敏感因子-综合指数-变权评价模型是指评价过程中首先将指标体系中选取的因子分为敏感因子及一般因子，采用变权重的定权方法，即指标权重随着指标值的变化而变化，敏感因子-综合指数-变权模型：式中：r（x）变权适宜性评价值， b（x）变权向量， xj第j 项指标的变权权重，b常权向量， s（x）状态变权向量，sj（x）第j 项指标的状态

21、变权向量，bj第j 项指标的常权权重。敏感因子-综合指数-变权评价评价流程见图9。本次研究將建成通车的沅江过江隧道、高速公路、铁路、湿地公园、沅江、柳叶湖等地表水体、城市总体规划中太阳山活动断裂限建区、机场及古迹等特殊建筑、管涌高易发区作为敏感因子，将敏感因子分布区的适宜性级别直接划为适宜性差区。（3）变权权重的计算因为变权向量b（x）为常权向量b与状态变权向量s（x）归一化乘积，因此需要先确定状态变权向量s（x）。变权权重计算的过程中，由于数据计算量很大且涉及矩阵的运算，因此需要利用matlab软件编程来实现。通过变权评价的实现代码，分别计算丘陵区和湖积平原区浅层（010 m）、中层（103

22、0 m）、深层（3060 m）变权权重b（x）。（4）综合评价采用变权模型（公式1），分别计算丘陵区和湖积平原区浅层（010 m）、中层（1030 m）、深层（3060 m）各个评价单元适宜性评价值ri（x）。分别计算丘陵区和湖积平原区浅层（010 m）、中层（1030 m）、深层（3060 m）各个评价单元适宜性评价值ri（x）。根据对每个评价单元的综合评价结果可知，常德市规划区地下空间资源开发利用适宜性的综合得分区间在1.07.813之间，按照适宜性等级划分，结合实际情况，将综合得分2的单元划分为一级适宜区;综合得分24的划分为二级适宜区;综合得分45的划分为三级适宜区;综合得分>5

23、的划分为四级适宜区（表2）。（5）评价结果在一般因子变权评价结果基础上叠加敏感因子分布区，直接将敏感因子分布区作为地下空间资源开发适宜性差区处理，综合得到010 m、1030 m、3060 m丘陵区和湖积平原区地下空间资源开发利用适宜性变权综合评价图。最终将研究区丘陵区和湖积平原区各层次的评价结果分层次整合为整个研究区的评价结果。各层次地下空间资源适宜性分区分布范围、存在的主要问题及防治措施建议等评价结果见表3至表5，图10至图12。5 结论（1）010 m大部分为一级适宜性评价区和二级适宜区，1030 m和3060 m平原区受不良地质作用和地下水影响，一般为三级适宜性区和四级适宜区，在地下空

24、间开发利用过程中应注意规范性施工，加强监测，防止基坑坍塌、地面沉降及塌陷等灾害的发生。（2）通过现状调查和适宜性评价成果，建议在城市高密度建设区控制010 m和1030 m地下空间资源的再开发利用。（3）对城市规划区内的湿地公园、绿地保护区、地表水保护区、地下水保护区、基本农田建设区，应在保护城市资源的基础上尽量控制010 m地下空间资源的开发利用;可在1030 m和3060 m范围适度开发地下停车场、地铁等。（4）对新城区、高新经济开发区的地下空间资源适宜性好、较好、较差区内，结合城市规划，经工程措施处理，可扩大010 m的地下空间资源的开发利用，主要开发形式为地下商场、地下停车场、地下通道等;适