地下空間工程地質適宜性灰色評估

彭苗枝,包海玲,劉道彬,于利剛

(1.桂林理工大學土木工程系, 廣西桂林市 541004;2.安徽省地質調查院, 安徽合肥 230001)

地下空間工程地質適宜性灰色評估

彭苗枝1,包海玲2,劉道彬2,于利剛1

(1.桂林理工大學土木工程系, 廣西桂林市 541004;2.安徽省地質調查院, 安徽合肥 230001)

地下空間開發利用的工程地質條件適宜性評價是一個受多種因素影響的復雜的系統工程問題,對于這樣一個部分信息確知、部分信息不確知的多因子共同作用的綜合評價問題,由于統計數據十分有限,且數據灰度比較大,用基于MAPGIS的灰色評估法進行評價比較適宜。以合肥市濱湖新區淺層地下空間為例,在對淺層地下巖土體工程地質性質和發育分布特征分析的基礎上,運用灰色評估法,對影響地下空間開發利用最基本的因素——工程地質條件進行了4因子評價。并以此為依據,借助MAPGIS軟件,對評價結果進行分區,科學反映和度量了地下空間開發利用工程地質條件的優劣,為濱湖新區地下空間綜合利用規劃提供了基礎數據和科學依據。

地下空間;工程地質條件;灰色評估

地下空間是一種寶貴的資源,是城市空間資源的重要組成部分。近年來,隨著國民經濟的高速發展,我國城市地下空間的利用有了很大的發展。

城市地下空間以巖土體為介質和環境,與以空氣為介質的地面空間存在根本差別,因此,城市工程地質條件直接控制地下空間開發的難易程度。

城市地下空間開發利用的工程地質條件適宜性評價是一個綜合性的巖土工程問題,其中既有確定性的指標因素,如巖土體的地基承載力,又包含非確定性的指標因素,如膨脹土的影響等。由于它包含的影響因素很多,而且信息不甚確切,不甚完全,屬于灰色系統問題,評價難度較大,因而,如何更加科學、準確地評價地下空間開發區域的工程地質適宜程度是一個十分有意義的課題。本文針對這一灰色問題,以濱湖新區淺層地下空間為例,運用灰色評估法,綜合考慮各確定性和非確定性因素,從而得到一個定量的綜合評估值,用以評價區域地下空間開發的工程地質適宜程度。

1 地下空間工程地質條件灰色評估步驟

由于城市巖土體條件在橫向和豎向空間的差異性很大,在評價時,根據地下空間與地表的距離關系,以及地下空間開發利用性質和功能,可以對地下空間資源豎向分層進行評價。首先獲取評價區域范圍的各類原始資料,對所有與地下空間資源評價指標相關的圖形、文字和統計數據等資料,按類型、對象范圍進行整理,統一計量單位;對一些綜合性指標進行綜合標準化處理;然后對相關的專題要素按照國家標準屬性類型或數據分級進行地理編碼,建立GIS圖形數據庫和屬性數據庫;最后劃分評價單元,確定評價指標體系標準,選取評價因子進行評價。

1.1 評價因子的選擇

地下空間受各種自然條件的影響。自然條件不同的區域其地下空間資源情況是不同的。工程地質適宜性評價要素是指對地下空間開發利用有顯著效應的影響因素,不同空間域其影響因素各不相同。影響和制約地下空間開發利用的因素很多,最主要的就是地下巖土體的物理力學性質、巖性特征及地下空間開發施工中的難易程度。根據影響巖土體工程特性的因素,對不同空間域分別選擇不同的單要素作為工作區的工程地質評價因子,如巖性組合、軟土厚度等評價因子。地下空間工程地質條件評價的客觀性在于正確認識其影響因子,選取適當的評價標準。為了能夠充分反映地下空間工程地質條件的實際情況,將工作區每個空間域用MAPGIS軟件網格剖分,然后再由專家對剖分后的每個格網按一定的標準進行打分。

1.2 評價因子權重的確立

在選定了地下空間資源工程地質條件評價因子以后,想要知道哪些因子的影響大、影響程度等問題,就必須考慮評價因子的權重問題。由于地下空間工程地質條件的復雜性,用精確的數學模型確定評價因子的權重難度較大。如果對整個MAPGIS系統分析不夠透徹,過分相信數學定權模型,會使權值不盡合理。因此可以建立評價指標體系,運用層次分析法確定每個因子的權重;也可以根據每個評價因子對地下空間開發影響程度的大小,同時依據資料的詳盡性、實用性,采用專家打分的方法對研究區不同空間域地下空間開發利用工程地質評價要素給出合理的權值。

1.3 灰色評估數學表達式

在對評價因子及其權重分析的基礎上,每個單元格的評估值按式(1)進行計算:

式中:I——綜合評估值;

αi——第i因素權重;

Wi——第i因素的評分。

1.4 工程地質適宜性灰色綜合評估

根據(1)式計算得到評價區域的評估值,在MAPGIS軟件中對每個網格進行插值從而得到每個空間域的工程地質條件評價結果分區圖。

2 灰色評估的實例分析

下面以合肥市濱湖新區淺層地下空間工程地質條件適宜性評價為例,介紹該方法的具體應用。

濱湖新區淺層地下空間主要處在第四紀松散堆積層或風化層中。整體來說地下空間工程地質條件都較好,但河谷平原地區工程地質條件復雜,軟土、松散砂土等不僅給地下工程建設帶來許多難題,且容易產生災難性的環境巖土工程問題,如邊坡失穩、突涌、地面塌陷和不均勻沉降等。根據該地區巖土地質特征,結合近年來各類工程事故突發原因和防治經驗,可確定影響合肥市濱湖新區淺層地下空間開發利用的主要工程地質因素是第四系一般土體的工程性質、特殊巖土體的性質及其發育分布特征。

2.1 評價因子的選擇及評分標準的確立

根據該區工程地質特性,所選擇的因子及分級標準見表1。

表1 淺層地下空間開發利用工程地質條件分級標準

在該區淺層地下空間的評價因子的分值按等級由優到差分別為4,3,2,1分。

2.2 評價因子權重的確立

此次評價依據資料的詳盡性、實用性,采用專家打分的方法確定各評價因子的權重(見表2)。

表2 評價要素權值分配

2.3 淺層地下空間開發利用工程地質條件評價

按(1)式進行評價,得出每個單元格的綜合評估值。該空間域可得評估值為1～1.5,1.5～2.5,2.5～3.5,3.5～4,其資源質量等級分別評定為:差、中等、良好、優。

2.4 淺層地下空間開發利用工程地質適宜性分區

根據上述評價方法,在網格中進行插值,從而得到地下空間工程地質條件評價結果(見圖1)。

圖1 評價結果A—工程地質條件優區 B—工程地質條件良區C—工程地質條件中等區 D—工程地質條件差區

A區:分布范圍較廣,約占工作區面積的2/3左右,主要分布于濱湖新區的西北部,南部地區在劉河鄉與清萍鄉東部靠近巢湖一帶;以粘性土為主,無軟土分布,只是在局部地區有中等膨脹潛勢的膨脹土分布,圍巖整體穩固。地下工程施工技術難度簡單,基坑可采用一般的明挖法施工,在局部膨脹土地區注意保持含水量大致不變就不會遭受由膨脹引起的破壞,在地面建筑稀疏地區,可采用自然放坡明挖法,施工成本相對較低。

B區:分布范圍小,以條帶狀形式分散分布于濱湖新區北部中部的一些地區;以粘性土為主,局部夾粉土或粉砂;砂(粉)土埋藏厚度小于1.0m,圍巖整體較穩固;地下工程施工技術難度較簡單,基坑可采用一般的明挖法施工,但在有少量粉(砂)土分布的地區需采取相應的排水措施。

C區:分布范圍較小,面積約40km2。沿南肥河從北向南呈長條狀分布,在西南角靠近巢湖一帶呈片狀分布,以砂(粉)土為主,局部夾少量粘性土;有軟土分布,軟土厚度均不超過3m,工程地質條件相比而言復雜,圍巖整體穩固性一般;地下工程施工可采用明挖法施工,但為防止軟土帶來的工程地質災害,需采取一定的技術手段進行軟土地基處理。

D區:分布范圍很小,面積約20km2。主要分布于濱湖新區東部橋頭集鎮的西程、橋頭集村一帶,主要為淤泥質粉質粘土,軟土厚度大于5m,工程地質條件復雜,圍巖整體穩固性差;對軟土厚度較大土層需采取專門的處理措施,在強風化巖體地區,為防止坍塌等地質災害,需采用專門特殊的地下施工技術。

3 結 論

地下空間資源質量評估是一項對于城市地下空間資源規劃、開發、投資、效益回報分析等諸方面十分重要的工作。工程地質條件作為影響地下空間資源開發利用最基本的因素,對地下空間資源的優劣起關鍵性的決定作用,因此對其進行分析評估非常必要。基于MAPGIS的灰色評估克服了資源質量等級人為劃分的缺陷,本文以合肥市濱湖新區淺層地下空間資源的工程地質條件評價為例,初次實現了用模糊方法對影響地下空間資源質量的某一單一要素進行評估,從而能更準確的評價地下空間資源質量。

[1]陳立道,朱雪巖.城市地下空間規劃理論與實踐[M].上海:同濟大學出社,1997.

[2]馬忠政,侯學淵.關于軟土地區盾構研制開發模式的探討[J].地下空間與工學報,1999,19(1):80～83.

[3]陳志龍.城市地下空間規劃[M].南京:東南大學出版社,2005.

[4]關寶樹,鐘新樵.地下空間利用[M].成都:西南交通大學出版社,1989.

[5]李偉宏.影響城市地下空間開發利用的主要因素[J].地下空間,1998,(12):118～124.

[6]陳啟東.地下空間的開發和利用[J].地下空間,1993,(1):4～21.

[7]于潤濤,皮聲援.地下建筑設計[M].北京:地震出版社,1993.

[8]楊綸標,高英儀.模糊數學原理及應用[M].廣州:華南理工大學出版社,2001.

2009-10-13)

彭苗枝(1984-),女,安徽安慶人,碩士研究生,主要從事水文地質與工程地質研究,Email:kanyim@163.com。