巖溶地區地下空間開發適宜性評價
——以桂林市規劃中心城區為例

江思義,吳 福，王啟耀,劉慶超,李海良,潘曉麗

(1.廣西壯族自治區地質環境監測總站,廣西 桂林 541004;2.長安大學 建筑工程學院,西安 710061;3.廣西壯族自治區桂林水文工程地質勘察院,廣西 桂林 541002)

0 引 言

隨著城市地下空間開發利用的不斷發展, 巖溶地區的勘察與施工技術也日益進步, 使巖溶地區的地下空間開發利用成為可能[1]。廣州地鐵九號線作為“全國第一條在巖溶區動土的地鐵線路”, 如今已經成功運營, 隨后廣州又繼續開發了5條穿越巖溶區的地鐵線路; 長沙、 武漢、 南寧、 貴陽等城市的地鐵線路也穿越了巖溶區域[2-5]。 六盤水市處于典型的巖溶地區， 在其被列為“全國首批地下綜合管廊建設試點城市”后， 各方積極推進， 為巖溶區的管廊施工建設積累了寶貴經驗[6]。

鑒于巖溶地區地下空間的開發成本高、難度大,針對巖溶地區地下空間開發利用的影響因素、現狀與對策的研究較少,且對巖溶地區地下空間的適宜性評價尚無系統的研究和總結。目前從地質角度對非巖溶區地下空間開發利用進行評價研究的成果很多：胡學祥等[7]根據地質條件,利用ArcGIS軟件對寧波市地下空間開發適宜性進行了評價;彭建等[8]基于ArcGIS軟件并利用層次分析法提出了適用于某地級市的地下空間開發利用適宜性評價方法;張璐等[9]針對工程地質問題利用地理信息系統對某城市地下空間開發利用適宜性進行了評價;劉運來等[10]基于地質環境要素并利用MapGIS對武漢市主城區的地下空間利用適宜性進行了研究;歐孝奪等[11]利用層次分析法對南寧市地下空間開發適宜性進行研究。針對不同的城市,選取合適的評價因子,再利用恰當的評價方法成為地下空間評價研究的關鍵。

本文在前人研究成果的基礎上,結合巖溶地區地質環境條件,將專家打分法和層次分析法相結合,提出了一種基于MapGIS結合地質環境要素對巖溶地區地下空間開發適宜性評價的方法。評價以桂林市的地質環境為基礎,專家打分法和層次分析法相結合為理論依據,通過MapGIS軟件對評價結果實現可視化,為巖溶地區地下空間的規劃和開發利用提供技術支撐。

1 評價方法研究

城市地下空間的評價方法有很多[12], 目前應用比較成熟的有模糊數學法[13]、 灰色評估法[14]、 層次分析法(AHP)[8,11]和專家打分法[9], 以及將其中兩種及以上的方法相互結合或改進后再使用[10]。

對以上方法進行對比和總結發現,層次分析法有以下優點: ① 適用于離散模型, 尤其適用于無結構特性的系統評價以及多目標、 多準則、 多時期的系統評價; ② 步驟簡單明確, 容易被決策者了解和掌握。 結合專家打分法直觀、 簡便的特點, 專家-層次分析定權法在地質環境評價中已得到應用[15]。 基于MapGIS平臺利用專家-層次分析定權法從地質環境條件的角度對城市地下空間開發適宜性進行評價, 該方法簡便實用,有利于環境地質調查成果的轉化。

本文結合研究區地質環境條件, 將專家打分法和層次分析法相結合, 利用MapGIS的制圖與空間分析功能, 提出了一種基于MapGIS利用地質環境要素對巖溶地區地下空間開發適宜性評價的方法。 具體步驟如下:

(1)根據研究區地質環境條件, 參考前人的經驗, 篩選出評價因子, 再通過專家打分法最終確定研究區地下空間開發利用的地質環境適宜性分區評價因子。

(2)利用地質調查成果, 通過MapGIS按各因子的影響程度大小對研究區進行分區, 按影響程度大小最多分4類區, 最少分2類區, 并按因子的影響程度利用邊界值法進行評分, 根據評分結果對各區進行參數賦屬性。

(3)運用層次分析法確定各評價因子的權重數。

(4)根據研究區的實際情況, 參考前人的經驗,制定地質環境適宜性分區因子及影響程度分級表, 利用MapGIS軟件的屬性管理系統, 開發出因子的適宜性指數計算程序, 通過程序評價計算出各單元網格的適宜性指數(FQI)值。 每個分區適宜性指數計算采用適宜性因子判別分值與對應的影響因子權重值的乘積來表示，即

式中:FQI—適宜性指數;R(i) —各影響因子的權重值;G(i) —對應影響因子的判別分值。FQI越大,表示該區的地下空間開發利用的地質環境適宜性越差;反之,則該單元的地下空間開發利用的地質環境適宜性越好。

(5)通過MapGIS軟件自動生成FQI等值線圖, 根據各評價單元實際情況對等值線進行修正, 從而得到研究區適宜性分區圖, 并作出適宜性評價。

2 研究區適宜性評價

2.1 研究區概況

研究區包含桂林市主城區、臨桂新區,總面積為880 km2,其中巖溶區面積為603.35 km2。桂林作為國際旅游名城,提高土地資源的集約化利用水平,加快解決城市交通擁堵、城市內澇、減少管線事故等問題,有地下空間開發的需求和規劃。通過開展城市土地地下空間開發利用調查,解決建設中遇到的地質環境容量問題,為桂林城市規劃和基礎設施建設及管理提供技術支撐。

城市地下空間開發深度的選擇和確定直接影響到地下空間開發利用的成本和效益,涉及到適用對象和適用范圍。根據本區目前地下空間的開發利用現狀并結合其他城市的地下空間開發利用規劃,桂林市城市地下空間在豎向上擬分為3層:Ⅰ級空間域(深度0～30 m),為近期民用建筑與地下服務設施及淺層地鐵主要利用空間域；Ⅱ級空間域(深度30～50 m),為中期深層地鐵及大型地下設施利用空間域；Ⅲ級空間域(50～100 m),為21世紀遠期重點開發利用空間域。本文以桂林市Ⅰ級空間域(深度0～30 m)為例進行詳細說明。

研究區主要為巖溶地貌,同時分布有膨脹性泥巖、軟土及淤泥質土。河流階地及碳酸鹽巖區地下水水量豐富,水位埋深較淺，地下河、塌陷、斷裂等,這些地質環境特點是制約其地下空間開發利用的重要因素。

首先進行了環境地質調查,獲得了研究區1∶5萬工程地質圖、 1∶5萬水文地質圖、 1∶5萬遙感解譯圖、構造綱要圖、地下水位埋深等值線圖、地下水入滲系數分布圖、巖溶地面塌陷易發程度分區圖、巖溶發育程度分區圖、地下河對城市建設影響現狀評價圖、第四系土體結構及土體厚度等值線圖、特殊土分布圖、研究區內鉆孔及水文地質監測孔的分布及相關數據，以及研究區巖土體的原位試驗和室內土工試驗結果等。

2.2 評價因子的選取

根據研究區的實際情況, 結合其他城市地下空間開發利用經驗、 前人研究資料, 采用專家打分法, 選擇的巖溶地區地下空間開發利用評價因子包括: 地形地貌B1(地貌類型C1)、 水文地質條件B2(地下水富水性C2、 地下水位最小埋深C3、 地下河對地下空間開發的影響C4)、 工程地質條件B3(土體厚度C5、 土體地基適宜性C6、 巖體結構C7)、 不良地質條件B4(巖溶塌陷易發程度C8、 巖溶發育程度C9、 斷裂構造C10、 特殊性土發育程度C11)、 人類工程活動B5(人類工程活動強度C12)。 巖溶地區地下空間開發適宜性評價指標體系如圖1所示。

為了達到地下空間開發利用的地質環境適宜性評價目的,結合地質調查成果,又收集了研究區相關圖件及數據資料，從施工難易程度和對環境地質的影響角度,分別對各評價因子的資料進行分析處理,得出各因子的分區計算圖,下面對各個評價因子進行詳細敘述。

2.2.1 地貌類型C1地貌類型直接決定了淺層地下空間開發時的難度大小。根據地貌圖,研究區地貌類型共13類,結合各地地下工程施工反饋的資料,將溶丘平原、壟崗臺地、緩坡丘陵定為Ⅰ類區；Ⅰ級階地、Ⅱ級階地、山前坡洪積裙定為Ⅱ類區；溶嶺谷地、孤峰平原、峰林平原、丘陵定為Ⅲ類區；低山陡坡、峰叢洼地、峰林谷地定為Ⅳ類區,最終得出研究區內地貌因子對地下空間的影響分區圖。

2.2.2 地下水富水性C2在地下空間開發過程中, 地下水對實際工程有重大的影響。 富水性作為衡量地下水開采時含水層出水能力的指標, 富水性等級能較好地反映出地下水對工程實際的影響。 研究區內富水性根據綜合水文地質圖中單井涌水量進行劃分。 其中, 富水性豐富區域為Ⅳ類區、中等區域為Ⅲ類區、微弱區域為Ⅱ類區、 富水性弱的區域為Ⅰ類區。 結合研究區水文地質圖，最終得出研究區內富水性對地下空間的影響分區圖。

2.2.3 地下水位最小埋深(豐水期)C3開發區域的地下水位埋深將影響到施工的手段和進度,施工過程中是否采取抽水降低地下水位埋深的方法,也將直接影響到周圍的地質環境。研究區除山體外,孤峰平原、 峰林平原、 漓江階地等地形平坦區豐水期地下水位多小于5 m,溶余堆積區雖在施工時部分鉆孔未遇地下水或少數孔地下水位較深(達5～10 m),但主要是由于上覆第四系紅黏土不含水,下伏巖溶水不均勻,巖溶水一般具微承壓性,一旦揭露該層水,地下水位往往稍有上升,總體上穩定水位在3～5 m為主。在碎屑巖區山體地段地下水位一般大于10 m,以10～15 m為主;在灰巖山體段地下水位大于15 m。

在地下水水位埋深等值線圖的基礎上,地下水位埋深>30 m區域為Ⅰ類區、20～30 m為Ⅱ類區、10～20 m為Ⅲ類區、<10 m區域為Ⅳ類區,繪制出地下水位埋深對地下空間的影響分區圖。

2.2.4 地下河對地下空間開發的影響C4地下河對城市淺層地下空間開發建設的環境影響主要表現為地下河對周圍環境產生的負效應,負效應越強,越不利于地下空間資源開發利用, 適宜性越差。 根據桂林市地下河對城市建設的影響評價圖, 按地下河影響范圍內地質環境條件及城市規劃特征,將研究區地下河對城市建設的影響為4個級別:地下河對地質環境無影響的區域,包括碎屑巖區域、地下河流域所在地下水單元以外區域為Ⅰ類區;地下河對地層環境影響弱區為Ⅱ類區;中等區為Ⅲ類區;影響強烈區為Ⅳ類區,依此得到地下河對地下空間的影響分區圖。

圖1 巖溶地區地下空間開發適宜性評價指標體系Fig.1 Index system for evaluating the suitability of development of underground space in karst area

2.2.5 土體厚度C5從地下空間開發利用的施工難易度考慮,土體厚度是影響地下空間建設的重要因素,在不考慮其他因素情況下,土體越厚越有利于地下空間建設,反之則為不利。

研究區第四系主要分布于河流階地、堯山洪積扇、孤峰平原、峰林平原及巖溶谷地中,漓江階地厚度10～56 m,堯山西側坡洪積層厚8～30 m,最厚達40 m,巖溶平原、巖溶谷地中厚度一般3～8 m,局部大于10 m,區內土體厚度變化較大。在第四系土層等厚圖的基礎上,以土體厚度>30 m區域為Ⅰ類區、10～30 m區域為Ⅱ類區、5～10 m區域為Ⅲ類區、<5 m區域為Ⅳ類區,繪制出土體厚度對地下空間的影響分區圖。

2.2.6 土體地基適宜性C6土體地基適宜性對地下空間開發利用適宜性的影響程度主要表現為建筑地基的適宜性越好, 地下巖土體更穩定, 也更適宜地下空間開發利用。 根據建筑地基適宜性分區圖,將建筑地基適宜性好區定為Ⅰ類區、 較好區定為Ⅱ類區、 一般區定為Ⅲ類區、 差區定為Ⅳ類區, 得到土體地基適宜性對地下空間的影響分區圖。

2.2.7 巖體結構C7工程地質巖組類型對施工有較為直接的影響,不同巖性組合其巖體結構、巖石強度對施工的難易程度有很大的影響。

據工程地質資料,廟嶺以西屬低山丘陵、緩坡丘陵區，出露地層為鹿寨組(C1lz)、 五指山組(D3w), 以薄層泥巖、 頁巖為主,間夾少量粉砂巖或硅質巖、 泥質灰巖, 總體上以軟巖、 極軟巖為主夾較硬巖； 0～10 m段總體上巖層為強風化狀、散體狀結構, 呈破碎、 較破碎狀。 古近系、 白堊系、 三疊系均為零星分布,其泥質粉砂巖、泥巖強風化厚度在15～30 m(0～10 m為散體狀),該區域定為Ⅳ類區; 信都組(D2x)以泥質粉砂巖、 砂巖為主， 夾少量頁巖, 0～10 m段呈強-中風化狀, 均為碎裂狀結構, 該區域定為Ⅲ類區; 船埠頭組(C1c)、 堯云嶺組(C1y)、 東崗嶺組(D2d)泥質灰巖夾頁巖、 泥巖以較硬巖為主, 淺層巖體裂隙發育但總體較完整, 呈中層夾薄層狀, 層狀構造, 該區域定為Ⅱ類區; 泥盆系灰巖、 白云質灰巖, 淺層巖體裂隙局部發育, 總體較完整, 為整體塊狀結構, 該區域定為Ⅰ類區。 得到巖體結構對地下空間的影響分區圖。

2.2.8 巖溶塌陷易發程度C8巖溶地面塌陷對地下空間建設影響較大,可能使已有地下空間滲漏地下水、建筑損壞失穩等,使擬建和在建的地下空間場地不穩定,甚至破壞隔水層,導致地下水涌出,增加施工難度,塌陷對場地、地基可能造成的危害不容忽視。

研究區內發生過巖溶地面塌陷403處,并且主要發生在中心城區工程集中區域,根據研究區巖溶地面塌陷易發程度分區圖,將非易發區定為Ⅰ類區、低易發區定為Ⅱ類區、中易發區定為Ⅲ類區、高易發區定為Ⅳ類區,從而得到巖溶塌陷易發程度對地下空間的影響分區圖。

2.2.9 巖溶發育程度C9地下巖溶發育對地下工程建設影響較大,巖溶發育區巖面起伏大、淺層溶洞發育易造成巖溶地基不均勻沉降,增加工程難度,且強巖溶區往往地下水位較淺、水量豐富,巖面可能存在土洞或巖溶地面塌陷發育,均可能影響地下工程的邊壁和地基的穩定,不利于地下空間開發利用。裸露型巖溶區溶洞發育,主要影響人防洞室、隧洞等地下工程穩定性。覆蓋型巖溶區下伏特征主要為溶溝槽、溶洞、地下河、溶潭等。

研究區可溶巖分布區約603.35 km2,約占研究區總面積的68%,巖溶發育程度分為弱、中等、強烈3個級別。根據研究區巖溶發育程度分區圖,將非巖溶區定為Ⅰ類、巖溶弱發育區定為Ⅱ類、中等發育區定為Ⅲ類、強發育區定為Ⅳ類,得到巖溶發育程度對地下空間的影響分區圖。

2.2.10 斷裂構造C10斷裂對工程開挖的影響表現為兩方面:一方面，由于斷裂的地面錯動直接損害跨越該斷層即將修建的建(構)筑物，有些斷裂錯動時附近有伴生的地面變形,容易引起工程開挖過程中塌方,在斷裂附近的地下工程將會增加設計及施工難度及經費;另一方面，伴有地震發生的活斷層,強烈的地震對較大范圍內工程開挖的損害。

研究區構造格局復雜,北部北東向構造斷裂較發育,南部區段南北向、北西向斷裂構造較發育,有靈川大斷裂、蘆笛巖斷裂、堯山斷裂等區域性構造分布,一般區域性構造破碎帶寬50～200 m,次一級的斷裂影響帶在10～50 m。綜合考慮斷裂影響,現按斷裂分布密度、影響帶交叉范圍等,劃分出不發育區或較發育兩個區：斷裂不發育區定為Ⅰ類區,斷裂較發育區定為Ⅳ類區,得到地質構造對地下空間的影響分區圖。

2.2.11 特殊性土發育程度C11特殊土發育程度對地下空間開發利用適宜性的影響程度主要表現為特殊性土發育的地區影響地下空間邊壁穩定，以及使地基不均勻沉降,特殊土越發育,地下空間開發利用施工難度、成本越大。

研究區對地下空間有影響的特殊性土主要包括軟土、淤泥質土、膨脹性土,研究區局部峰林谷地及巖溶平原區地表或基巖面分布有0.5～3.0 m軟黏土或地表淤泥質土,局部溶槽中軟黏土厚度達9.0 m,膨脹性土主要指具有膨脹性的紅黏土、黏土,厚度一般小于8 m。根據研究區的特殊土分布圖,將特殊性土不發育區定為Ⅰ類、較發育區定為Ⅲ類、發育區定為Ⅳ類,得到特殊土對地下空間的影響分區圖。

2.2.12 人類工程活動強度C12人類工程活動主要包括現有地面建筑、地下建筑，抽取地下水對地下水流場的改變，爆破振動、鉆孔施工注水灌漿對地下巖土體的影響等。綜合上述可能影響的人類活動,將研究區人類活動程度強烈區定為Ⅱ類、中等區為Ⅲ類、程度弱區為Ⅳ類,得到人類工程活動對地下空間的影響分區圖。

2.3 評價因素權重計算和分級賦值

2.3.1 基于層次分析法的巖溶地區地下空間開發利用分區評價層次結構模型 以巖溶地區淺層(≤30 m)地下空間開發利用分區為目標層(A層), 地形地貌(B1)、 水文地質條件(B2)、 工程地質條件(B3)、 不良地質作用(B4)、 社會經濟條件(B5)這5個一級指標為準則層(B層), 地下水富水性、 土層厚度、 斷裂構造、 巖溶發育程度等12個二級影響因素為方案層(C層)。 一級因子依次記為B1～B5, 二級因子依次記為C1～C12, 建立層次結構模型(圖1)。

淺層地下空間建設規劃以建設地下人防(兼停車)、 地下商業、 地下交通、 倉儲、 地下污水處理等環境設施為主, 主要采用明挖方式建設。 據工程主要特點考慮:地貌類型、 地下水富水性、 地下水最小水位埋深、地下河對地下空間建設的影響、 土體厚度、 土體地基適宜性、 巖體結構、 巖溶塌陷易發程度、 巖溶發育程度、 斷裂構造、 特殊土發育程度、 人類工程活動強度等12個影響因素。

2.3.2 構建判別矩陣及層次總排序 通過對城市地下空間開發利用影響因素的分析,利用層次分析1～9標度法(表1)表示因素之間的影響強弱,逐項就各層中的因子對上一層目標的相對重要性進行兩兩比較,構造判別矩陣；同時，參考專家意見,確定其相對重要性并賦以相應的分值,構造判斷矩陣；再計算最大特征根、對應的特征向量，各層次的單排序以及進行判斷矩陣一致性檢驗,其計算結果見表2～5。

2.3.3 巖溶地區地下空間開發利用的地質環境適宜性評價因素分級賦值 分區指標量化分級是在適宜性分級基礎上,通過對研究區各因子影響因素、因子數據統計分析,確定因子強和弱兩個極限值,按照各評價因子對研究區影響程度,以閾限或遞減規律取值來實現量化分級,各因子的量化分級詳見表6。

表1 判斷矩陣的標度及含義

表2 分區因子判別矩陣A-B

注:CR=0.008 9<0.1, 滿足一致性檢驗, 故上述特征向量Wi可作為權向量。

表3 分區因子判別矩陣B2-C

注:CR=0.000 0<0.1,滿足一致性檢驗,故上述特征向量Wi可作為權向量。

表4 分區因子判別矩陣B3-C

注:CR=0.000 0<0.1,滿足一致性檢驗,故上述特征向量Wi可作為權向量。

表5 分區因子判別矩陣B4-C

注:CR=0.000 0<0.1,滿足一致性檢驗,故上述特征向量Wi可作為權向量。

2.3.4 MapGIS加權疊加及量化分析 因研究區面積較大,網格單元多,利用數據量很大。為此,MapGIS軟件的屬性管理系統,開發出因子的適宜性指數計算程序,編制了“研究區地下空間開發利用地質環境適宜性分區評價程序”用于評價計算。該程序包含適宜性分區評價軟件包,可滿足地下空間開發利用地質環境適宜性分區模糊綜合評價的要求。

各單元網格FQI值求出后, 運用MapGIS軟件自動生成FQI等值線圖, 根據各評價單元實際情況對等值線進行必要的修正, 最后根據FQI等值線圖對研究區適宜性進行分區, 分區標準為: 7.00≤FQI為地下空間開發利用地質環境適宜區; 4.50≤FQI<7.00為基本適宜區; 2.00≤FQI<4.50為適宜性較差區;FQI<2.00為適宜性差區。桂林市淺層地下空間開發適宜性評價圖見圖2， 通過分析該圖對研究區作出地下空間開發適宜性評價, 最終得出桂林市淺層(≤30 m)地下空間開發利用地質環境適宜性分區， 見表7。

表6 研究區淺層地下空間開發利用的地質環境適宜性分區因子及影響程度分級表

圖2 桂林市淺層地下空間開發適宜性評價圖Fig.2 Evaluation suitability of underground development for shallow-layer of GuilinE—古近系； K2—上白堊統； C1—下石炭統； D3—上泥盆統； D2—中泥盆統

依據預測分區指標計算, 將研究區淺層地下空間資源開發利用適宜性劃分為適宜性好區(Ⅰ)、 適宜性較好區(Ⅱ)、 適宜性較差區(Ⅲ)、 適宜性差區(Ⅳ)4種類型, 計算研究區的面積為880.00 km2, 其中適宜性好區(Ⅰ)的面積為34.43 km2、 適宜性較好(Ⅱ)區的面積為412.34 km2、 適宜性較差區(Ⅲ)的面積為397.71 km2、 適宜性差區(Ⅳ)的面積為35.52 km2。

3 結 論

以桂林市規劃中心城區的地質環境綜合調查成果資料作為依據,采用專家打分法分析了影響桂林市城市地下空間開發利用適宜性的地質環境因素,影響巖溶地區地下空間開發利用的地質環境12個因素分別為:地貌類型、地下水富水性、地下水位埋深、地下河對地下空間開發的影響程度、土體厚度、土體地基適宜性、巖體結構、巖溶塌陷易發程度、巖溶發育程度、斷裂構造、特殊性土發育程度、人類工程活動強度。不同的研究區根據其具體的調查情況為依據,通過層次分析法建立對應的評價指標體系和評價數學模型,利用MapGIS的空間分析功能對城市地下空間開發利用適宜性進行評價研究,其結果相對直觀、科學、準確。該評價結果僅基于桂林市地質環境條件,為了讓分析結果更科學合理,在詳細規劃階段,還應考慮地下埋藏管線及相對保密的地下因素造成的影響,以及相鄰建(構)筑物其避讓寬度等。