閩江口地區地下空間開發利用適宜性評價

唐勇

（1.福建省建筑科學研究院，福建 福州350025；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福建 福州350025）

隨著城鎮化進程的加快，土地資源和既有規劃的限制，擁堵成為城鎮化的主要問題之一.土地資源的立體開發利用即地下空間開發，是解決擁堵問題的一個行之有效的方法.然而，地下空間資源有限，其開發利用除了與公共需求相關，更重要的是地質環境，地質環境決定了其開發利用的范圍與合理形式.因此，開展地下空間開發利用的適宜性評價十分必要.國外關于地下空間開發利用的研究起步較早，主要集中在地下空間開發與地質環境的關系上.Ronka等［1］研究了地下空間開發的有利地質環境；Cano－Hurtado等［2］研究了城市公共地下空間的可持續開發策略；Umnov等［3］研究了地下空間開發的地質環境評估方法.目前，天津［4］、北京［5］、南寧［6］、南京、上海等很多城市已經對地下空間的開發利用進行了適宜性評價.閩江口地區地下空間開發利用主要集中在福州主城區，而在長樂、閩侯、馬尾等地區相對較少.經統計，福州市中心城區現狀地下空間建設總量約1 200萬m2.福州市中心城區現狀地下空間建設有著總量大、功能較單一、分布密、地下空間相互獨立等［7］特征.本文針對閩江口地區特殊的地質環境條件特點，建立與之相適應的評價模型，并對閩江口地區的地下空間開發適宜性進行了研究和評價.

1 閩江口地區地質環境

1.1 工程地質條件

閩江口地區枕鷲峰－戴云山脈，東瀕東海，閩江自西北向東南流經中部.地勢西高東低，呈層狀下降，該地區以山地丘陵為主，平原面積較小，山區中多鑲嵌小盆地.閩江口地區位于歐亞大陸板塊的東南緣，在大地構造單元上分屬于閩東火山斷坳帶和平潭－東山構造帶，斷裂構造十分發育，但無活動性斷裂.

閩江口地區地層巖性，可分為巖類和土類兩大類.巖類主要包括堅硬塊狀侵入巖類、堅硬塊狀火山巖類和半堅硬塊狀變質巖類.土類包括礫質土類、砂性土類、粘性土類和特殊性土類.

閩江口地區較典型的工程地質剖面圖，如圖1所示.圖1中：h為高程；1為堅硬侵入巖組；2為堅硬火山巖巖組；3為堅硬半堅硬火山巖巖組；4為殘積土巖組；5為礫質土巖體；6為砂性土巖組；7為粘性土巖組；8為淤泥質土巖組；9為人工填土巖組；10為淤泥；11為淤泥質粘土；12為淤泥質砂；13為粘土；14為亞粘土；15為輕亞粘土；16為含礫亞粘土；17為細砂；18為中砂；19為泥質砂；20為泥質砂礫卵石；21為火山巖；22為侵入巖；23為全風化侵入巖；24為風化層與新鮮巖石界面；25為逆斷層；26為正斷層.由圖1可知：地層起伏大和地形分布空間差異大是閩江口地區地質條件的主要特征.

圖1 典型工程地質剖面圖Fig.1 Typical geological section

1.2 水文地質條件

場區總體上呈現從盆地四周向盆地中心匯聚的向心狀水系特征，匯水中心偏向盆地南側.區內地下水除上部潛水外，尚有承壓水存在，主要發育于龍海組沖洪積層，厚度為20～30m，以泥質砂礫卵石層為主.此外，一些斷層破碎帶和裂隙中也存在承壓水，但是一般埋藏較深.

1.3 主要工程地質問題

1.3.1 花崗巖殘積土 閩江口地區大范圍分布著花崗巖殘積土.花崗巖殘積土是花崗巖經物理風化和化學風化后殘留在原地的碎屑物.其主要工程地質特征包括中偏低壓縮性、軟化性、易擾動性和崩解性.其中，軟化性、易擾動性和崩解性是較突出的工程地質問題［8］.

1.3.2 軟土 閩江口地區軟土成因類型屬溺谷相、海相沉積.軟土壓縮模量低、抗剪強度較低、流變性、低滲透性等.低壓縮模量的土體在外荷作用下會產生較大的變形（較大的沉降或不均勻沉降）.抗剪強度較低容易導致邊坡失穩.流變性會導致較大的工后沉降，且持續時間較長，往往會長達十余年.

1.3.3 砂礫石層 閩江口地區因河流地質作用而廣泛分布著砂、礫石層和卵石層，是重要的含水層.地下水會造成某些特殊土的強度降低.由于福州主城區被閩江和烏龍江穿過，特殊的水文地理環境導致兩江周邊地區含水層往往較厚，且水量大，給工程降水和止水提出了新要求.此外，抗浮施工的難度與費用也相應地提高.

2 評價模型

2.1 評價模型與方法

采用模糊層次分析法，通過多級指標體系對整個閩江口地區的地質環境條件進行多層次評價；由專家比較同一級指標在適宜性評價的重要性，從而確定標度矩陣；求解標度矩陣的特征值和特征向量，并對特征向量進行歸一化，得到各個指標的權重.該方法將人為主觀性降到最低，因此，應用廣泛［9－11］.

2.2 指標體系與評價標準

具有代表性和層次性的指標體系是合理評價結果的關鍵.在詳細分析既有勘察資料的基礎上，利用統計學方法歸類，把指標體系分為地質條件類、地下空間開發對周邊環境的造成的影響類、經濟效益類3大類.其中，地質條件類（即工程地質條件）包括地形地貌、巖土體特征、水文地質條件和場地條件.需要指出的是，對于巖土體而言，其主要評價標準應是抗剪強度指標，但由于抗剪強度指標不便于量化比較，參照同行做法，采用承載力.在此基礎之上，結合專家意見，確定了有代表性的地質條件指標和工程條件指標，如表1所示.

評判集可采用4～6個等級，文中采用4級（適宜，較適宜，較不適宜，不適宜），評價范圍為0～－10 m，－10～－30m.因此，需要綜合標準規范、地方規程和專家意見制定兩套評價標準，對這兩個深度范圍分別進行評價.因篇幅限制，文中僅介紹0～－10m 深度范圍的評價，評價標準如表2所示.

評價標準由3種方法確定：第一，規范里有明確規定的（如地下水腐蝕性參照GB 50021－2001《巖土工程勘察規范》（2009年版））；第二，需結合地方經驗的（如巖土體組合、地形地貌，這種有地方特點的指標）；第三，借助專家意見（如工程造價等）.

表1 指標體系表Tab.1 Index system table

表2 評價標準表Tab.2 Evaluation standard table

2.3 隸屬函數與權重的確定

根據各個指標體系對地下空間開發適宜性的影響規律確定隸屬.確定隸屬函數的常用方法有Del－phi法、概率統計法、三分法、相對比較法、對比平均法等［12］.文中采用的隸屬函數模型主要為以下3種.

2.3.1 統計模型 針對難以定量計算的指標，如地表建筑，采用統計模型.對于地表建筑，可分別統計各類建筑所占面積的百分比，以此作為該指標的隸屬度.需要指出的是，專家打分結果也采用統計模型計算其隸屬度.其表達式為

式（1）中：Vi為隸屬度；Si為評判等級i所對應的統計結果.

文中地物類型指標是采用統計模型，以各等級地物類型的面積百分比作為評價向量.

2.3.2 0－1模型 對于難以量化和統計的指標，采用0－1模型，如地層組合.這類指標有嚴格的判斷標準，符合某級標準，則該級的隸屬度為1，其余均為0.其中，巖土體組合、孤石、地下水腐蝕性等指標采用0－1模型.

2.3.3 梯形或半梯形模型 對于可量化模型，如巖土體承載力、地面沉降等，采用梯形或半梯形模型隸屬度計算（指標越小越適宜情況，對于越大越適宜的指標則相反），即

式（2）～（5）中：V1，V2，V3，V4均表示隸屬度；u1，u2，u3，u4為評價標準；xi為變量取值.地面坡度、土體承載力等可量化指標采用梯形或半梯形模型.

合理的權重是安全評價模型的關鍵，常用的有專家經驗法、調查統計法以及層次分析法.其中，專家分析法和調查統計法易受人為主觀因素影響；層次分析法因受人為主觀因素影響相對較小而被廣泛采用.層次分析法通過將各評價因素兩兩比較判斷每一因素的相對重要性，在層次結構內進行合成，以得到決策因素相對于目標的重要性總順序，從而為決策提供判定依據的方法.層次分析法標度矩陣的確定方法參見文獻［6］.經過比較得出各級指標的標度矩陣S，即

工程造價指標的各二級指標按同等重要考慮.由此，確定的權重分別為

3 評價步驟與結果

3.1 模型驗證

為了驗證該模型的有效性，選取了福州八一七路南街地下空間作為評價對象.南街地下空間改造工程位于福州市鼓樓區八一七路南門兜－東街口地鐵區間段，南起南門兜地鐵站，北至東街口地鐵站.因篇幅有限，其基本地質資料參見《福州市八一七路南街地下空間改造工程巖土工程勘察報告》.

經模型計算得到該地區的評判向量為（0.26，0.30，0.28，0.16），該區域在0～－10m 深度范圍內是較適宜進行地下空間開發的.由于地鐵沿線的地下空間開發均經過全方位評估，評價結果與相關部門的評價結果基本一致，故該模型為有效的.

3.2 評價過程與結果

根據勘探鉆孔布置間距，合理確定網格劃分，確保每個網格至少包含一個勘探鉆孔［13］，最終確定網格大小為2km×2km，共計440個網格.在此基礎之上，按照評價標準對每個網格進行數據收集與評價.并將評價結果作為1個字段，錄入GIS系統并繪制云圖.為了更直觀地反應結果，分別對工程地質條件、水文地質條件和適宜性的評價結果進行了統計.工程地質條件與水文地質條件的適宜性評價結果，如圖2所示.0～－10m 范圍的地下空間開發適宜性評價結果，如圖3所示.

圖2 工程地質條件與水文地質條件的適宜性評價結果 Fig.2 Suitability evaluation result of engineering geological conditions and hydrogeology conditions

圖3 地下空間開發適宜性評價 Fig.3 Suitability evaluation result of underground space development

由圖2，3中可知：1）適宜范圍相對較廣，福州主城區大部分地區是適宜的，包括鼓樓區、晉安區、臺江區、倉山區，除個別地方地表水較豐富，或者存在古跡等不適宜外，都為適宜或較適宜；2）主城區以外適宜開發地下空間的區域也相對集中，大學城大部區域、甘蔗鎮一帶、南嶼鎮、尚干鎮等，除此以外，長樂市及沿海也有大片區域適宜進行地下空間開發；3）不適宜地區主要集中在福州盆地周邊，閩江沿線，及長樂市的部分區域.這部分地區要么地勢起伏較大，要么存在生態保護區，要么地表水發育，要么工程地質條件較差.

利用GIS軟件對適宜作為地下空間的區域進行了統計，閩江口地區0～－10m 深度范圍內可進行地下空間開發的總面積為566km2（總面積為1 587km2）.由此可見，目前閩江口地區地下空間的開發利用率并不高，基本集中在主城區.

4 結束語

在分析大量地質資料的基礎之上，通過統計學的方法提取部分有效參數，利用模糊層次分析法，對福州盆地內地下空間開發適宜性進行評價.從評價結果的分布規律可以看出：在0～－10m 深度范圍內，福州盆地內大部分地區是適宜進行地下空間開發的，尤其是中心城區，除個別高層建筑比較密集、地下空間開發利用率已經較高的地區，如鼓樓區；不適宜的地區主要是靠近山地、河流的地區.經統計，相對適宜進行地下空間開發的地區面積為566km2.需要指出的是，文中評價的結果是相對的，僅僅是從地質環境和技術經濟的角度出發所得到的結論.從純技術的角度講，是沒有不可逾越的障礙的，只是代價更大，風險更大.

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