軟土地區工程地質模型可靠性評估與應用
——以上海為例

湯華英

（上海市巖土地質研究院有限公司，上海 200072）

長期以來，上海在城市開發建設過程中，積累起大量的巖土工程勘察資料。依據“上海市地質資料管理辦法”[1]，上海對這些地質資料的實現了有效管理并已全部數字化。據統計，截至2018 年底，數字化地質資料有30344 份，包括近70 萬個地質鉆孔[2]。

建設項目的規劃、設計與施工全過程需要應用大量地質資料，建立符合實際的地質評價模型，可在項目建設全過程中起基礎性和支撐性作用。近年來對地質資料的開發利用，相關單位進行了有益的嘗試，并取得了許多成功經驗[3-8]。但在大多數情況下，對利用地質資料建立的地質模型缺乏可靠性評估，使地質模型在工程項目實踐中的應用受到限制。

地質模型的可靠性直接影響建設項目的安全、經濟和正常使用，對地質模型進行可靠性評估，并根據評估結果確立地質模型應用范圍，可有效降低工程建設項目使用地質資料面臨的地質安全風險。本文將試圖分析影響地質模型可靠性的各種因素，提出一種軟土地區工程地質模型可靠性評價方法，并以上海地區某項目為例，驗證其應用結果。

1 可靠性評價指標評定

1.1 評價指標選取

工程地質模型是依據地質資料，從已有勘探點的數據，通過地質假設及數學方法，進行差值或外推，得到特定位置的地質特征信息。由于地質情況的復雜性、不可見性，使得據此建立的地質模型都具有內在的不確定性。評價地質模型的可靠性應該要從影響地質模型的因素進行分析，可以從建立地質模型的資料和步驟上來分析影響模型可靠性的因素。根據上海地區建模經驗，地質模型可靠性主要由如圖1 所示因素決定。

圖1 影響工程地質模型可靠性的主要因素Fig.1 Main factors affecting the reliability of engineering geological model

項目建設過程中，不同階段對地質模型可靠性要求不同，如初勘階段對模型可靠性要求相對較低，施工勘察階段對模型可靠性要求最高。模型可靠性評估是一個動態過程，隨著項目的進展，能夠獲取的更多地質資料及數據，可以不斷完善地質模型細節，模型可靠性和可用性也不斷增加。

本文通過大量資料分析，對影響地質模型可靠性的各個因素進行指標設定及等級劃分。本文主要選取資料可靠性、數據可靠性及地質條件復雜程度等進行分級評分；對于建模能力，與地質資料應用的人員經驗、建模工具等因素密切相關，這些因素主觀影響大，評分穩定性低，本文以不變的評分和權重參與統計。對于地質條件復雜程度、工程重要性等因素，參照現有規范結合專家意見給出評分；對勘探點數據可靠性評估，在研究區域選取500 多個鉆孔，進行多次反復試算評估，然后參照專家意見，給出最終評分；對于資料來源等，則采用專家調查法，根據專家經驗判斷、評估。

1.2 地質資料可靠性評估

項目在可行性或規劃階段構建地質模型，一般不會部署勘察工作，需要利用以往地質資料，在利用已有地質資料時,根據工程重要性、資料來源及形成時間等來判定資料的可靠性、可用性。項目按工程重要性及資料形成時間進行分類，據此可以得到地質資料評分表（表1）。其中工程重要性分級參照上海市工程建設規范《巖土工程勘察規范（DGJ 08-37-2012）》[9]（以下簡稱“規范”）確定。

表1 地質資料可靠性評估分值表Table 1 Assessment of geological data quality of a site

1.3 勘探點數據質量可靠性評估

對于城市建設項目,利用的地質數據主要是地質鉆孔相關測試、原位測試試驗等數據。根據鉆孔（原位測試）的基本情況，采用半定量的評定方法，對鉆孔（原位測試）質量進行評估，鉆孔（原位測試）各屬性評分如表2 所示?？碧近c可靠性根據該勘探點屬性得分之和進行分級?？紤]到上海地區的勘察應用實際情況，取土孔和靜探試驗是上海地區使用最多的勘探類型，因此表2 中只列出了取土孔和靜力觸探試驗點的屬性。其他類型鉆孔和原位測試試驗的屬性可參照表2 給出，可使該方法能適應其他地區地質數據可靠性評估。

表2 勘探點數據質量評估分值表Table 2 Assessment of boreholes quality of a site

1.4 勘探點數據可靠性綜合評估

勘探點數據可靠性綜合評估包括勘探點數據質量和數據點分布狀況的評估。評價場地某點地質數據可靠性，采取如下方法：

首先計算場地附近每個數據點可靠性得分，考慮目標區域與數據點距離，根據表3，得到目標區域地質數據可靠性綜合得分。

表3 勘探點數據質量綜合評估分值表Table 3 Comprehensive assessment of boreholes quality of a site

1.5 地質條件復雜性評估

地質條件復雜性是指目標區域巖性變化等方面有關的復雜性，參照“規范”條文4.2.2，選取影響建模可靠性的地質條件如下：（1）場地地層分布不穩定，持力層層面起伏大或跨越不同工程地質單元；（2）液化等級為中等及以上的場地；（3）存在需要專門處理的不良地質條件或地質災害；（4）存在對工程建設有影響的（微）承壓水。具體評估如表4。

表4 地質條件復雜性評估分值表Table 4 Assessment of geological complexity of a site

目標區域的地質條件復雜性可參照“規范”附圖B《上海市區淺層粉性土、砂土分布圖》、附圖C《上海市區第⑤2層粉性土、砂土層分布圖》、附圖D《上海市區第⑥層暗綠色硬土層分布圖》、附圖E《上海市區第⑦層粉性土、砂土層分布圖》等綜合確定。

2 可靠性評價方法

利用層次分析法建立軟土地區工程地質模型的可靠性評估模型，以影響模型可靠性的資料可靠性、勘探點數據可靠性、地質條件復雜性、建模能力等四個指標為準則層一級因子，其中資料可靠性又包含兩個子因子，建立層次結構模型。利用層次分析1-9 標度法，同層因子間兩兩比較其重要性，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。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5、表6。

在權重值確定后，根據各因子分值和權值，計算目標區域內地質模型可靠性評估分值：

表5 準則層對目標層判別矩陣Table 5 Primary factors discriminant matrix

表6 資料可靠性因子判別矩陣Table 6 Data source factors discriminant matrix

式中M 表示區域內某點的地質模型可靠性評估指標及分數，L1-L4分別為上述影響地質模型可靠性的各因子分值，W1-W4則為其對應權重。最后，根據區域內各計算點的M值，計算平均值，從而可以對目標區域地質模型可靠性做出評估（表7）。

表7 地質模型可靠性評估表Table 7 Implication of Geological model reliability score

3 應用案例

選擇某擬建場地及周邊為研究區域，查詢“上海地質資料信息共享平臺”[10]，共獲取22 份巖土工程勘察地質資料及500 多個地質鉆孔數據。地質鉆孔分布如圖2 所示。

圖2 研究區域內地質勘探點分布圖Fig.2 Example of borehole plotted on portion of the site

上述22 份資料中，按項目工程重要性分類，6 個項目屬于重要工程，7 個項目屬于一般工程，其余為次要工程；按報告形成時間分，14 個項目距今8 年內，6 個項目距今8～18 年，2 個項目距今18～26 年。

研究區域內地質條件復雜性判定，則參照“規范”附圖資料及經驗綜合判定為“一般”。

將研究區域按5 米間距，展成方格網，利用GIS 空間分析功能，將各因子等級分區圖按因子的權重進行疊加，得到疊加后的可靠性評估指數，按照表7 中的分段要求分為6 段，分別賦予6 種不同顏色，得到研究區域地質模型可靠性評估圖（圖3）。

圖3 研究區域內地質模型可靠性評估圖Fig.3 Geological model Reliability for the site

依據研究區域內500 多個地質鉆孔數據按標準進行統一分層處理并據此建立三維地質模型，剖切立體剖面圖（圖4），可以直觀三維空間地層分布狀況。

圖4 研究區域內三維立體地質剖面圖Fig.4 Example of cross section presenting geological model reliability for the site

從上圖可以看到，在模型較為可靠區域，地層起伏變化細節展現非常清晰，根據該區域網格域地質模型可靠性綜合評分為0.75 分，等級為“可靠”。

4 結論

本文從尋找地質模型可靠性特征方面入手，結合專家—層次分析法展現了地質模型可靠性的影響因素，并將影響因素與工程應用結合起來。本文提出用以確定地質模型可靠性的半定量評價指標體系，既通過上層指標概括了影響可靠性的所有因素，又通過基層指標將工程地質模型實際應用場景直接關聯起來，并可以完整地評價地質模型的可靠性。

專家—層次分析法應用于地質模型可靠性的評估，操作簡單，結果可靠，依據該方法可建立屬性向量和其權重向量的數據庫和評估系統，若能推廣應用，可為開展進一步的地質工作提供依據，從而達到節省工程投資的目的。

地質模型應用的不斷深入，對地質模型可靠性評估將會提出更高要求。隨著新技術的不斷涌現和對工作認識程度的加深，模型可靠性指標體系將會是不斷完善的過程，模型評價指標的選擇和判定依據也將得到進一步完善。