地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究

王松泉，李 友

(1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，廣東 佛山 528200；2.棗莊礦業(yè)集團(tuán)田陳煤礦制修中心，山東 棗莊 277100)

1 引言

隨著綜合國(guó)力的不斷提高，我國(guó)的城市現(xiàn)代化的進(jìn)程呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。與此同時(shí)，城市發(fā)展進(jìn)程中所面臨的諸如生態(tài)失衡、交通擁堵、人地矛盾等一系列問題日益加劇。地下空間資源作為一種新型的國(guó)土空間資源，有著廣闊的應(yīng)用前景。向“地下進(jìn)軍”已成為我國(guó)現(xiàn)代化發(fā)展的強(qiáng)烈需求和必然趨勢(shì)[1～3]。地質(zhì)環(huán)境是城市空間開發(fā)的一種載體，作為基本條件強(qiáng)烈制約著地下空間大規(guī)模的開發(fā)利用。系統(tǒng)地開展地質(zhì)環(huán)境對(duì)地下空間開發(fā)的影響分析，能夠有效地規(guī)避在城市地下空間開發(fā)利用過程中出現(xiàn)的不可控風(fēng)險(xiǎn)及后果。因此，在大規(guī)模開發(fā)地下空間前，開展城市地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，對(duì)更加科學(xué)、合理地開發(fā)和利用地下空間資源，保障城市安全具有重要作用[4～7]。

近年來，佛山市社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，為了進(jìn)一步推進(jìn)城市發(fā)展的可持續(xù)性，在全市范圍內(nèi)進(jìn)行必要的地下空間開發(fā)利用顯得尤為迫切。地質(zhì)環(huán)境作為地下空間開發(fā)的空間載體，對(duì)其進(jìn)行有效評(píng)價(jià)已成為科學(xué)有效利用地下空間的核心要點(diǎn)，而在評(píng)價(jià)過程中基礎(chǔ)且重要的關(guān)鍵工作內(nèi)容就是對(duì)影響佛山市地下空間開發(fā)利用的指標(biāo)因素進(jìn)行準(zhǔn)確的分析、確定和評(píng)價(jià)。

本文通過對(duì)影響佛山市地下空間開發(fā)關(guān)鍵性地質(zhì)環(huán)境問題進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，基于AHP(層次分析方法)構(gòu)建了具有多層次結(jié)構(gòu)特征的地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并進(jìn)行了多層次指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算、一致性檢驗(yàn)和分析，為佛山市及其他城市地下空間評(píng)價(jià)提供相關(guān)實(shí)例參考。

2 佛山市地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是受地下多種指標(biāo)因素綜合疊加影響導(dǎo)致的結(jié)果，該項(xiàng)評(píng)價(jià)需采用一定的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系來參與完成[8～10]。因此，構(gòu)建科學(xué)、合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不僅是地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容，也是整個(gè)評(píng)價(jià)過程的關(guān)鍵和核心問題，一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣能夠顯著的影響評(píng)價(jià)結(jié)果的真實(shí)性、合理性及準(zhǔn)確性。

本文從研究區(qū)關(guān)鍵地質(zhì)環(huán)境問題著手，經(jīng)系統(tǒng)地分析、梳理、比較和篩選，遵循分級(jí)、分序、抓主放次的原則，將影響佛山市地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的指標(biāo)因素歸為地形條件、巖土體特征條件、水文地質(zhì)條件和環(huán)境地質(zhì)條件等四大類。并以城市地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量為目標(biāo)層(A)，選取關(guān)鍵地質(zhì)環(huán)境條件為主題層(B)，將各地質(zhì)環(huán)境條件(主題層)中的多個(gè)相應(yīng)指標(biāo)因素作為指標(biāo)層(D)，構(gòu)建了佛山市地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的層次結(jié)構(gòu)模型(圖1)。

圖1 佛山市城市地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)

此外，不同的地區(qū)可根據(jù)其地質(zhì)背景條件，尤其是存在的環(huán)境地質(zhì)條件可以進(jìn)行適當(dāng)拓展，形成具有地區(qū)特色的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，更有針對(duì)性地評(píng)價(jià)地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量。

2.1 地形條件

地形條件是指城市地面起伏程度和形狀，其衡量標(biāo)準(zhǔn)是地表高程、坡度。在地下工程建設(shè)中，所處地面海拔高度如果低于周圍地塊時(shí)，其地表排水能力降低，防汛防洪難度增大。地下空間入口及開放部位容易被倒灌，工作區(qū)降水量較大，因此影響尤為明顯。

2.1.1 地面高程

當(dāng)?shù)叵驴臻g規(guī)劃用地的地面海拔高度較低時(shí)，其地表排水能力降低、防汛抗洪難度增大，地下空間入口和開放部位容易倒灌，在雨洪危險(xiǎn)較大的城市尤為明顯。

2.1.2 地面坡度

在地下工程開展建設(shè)過程中，如果地面坡度較小，場(chǎng)地排水困難；地面坡度較大，建筑物和交通道路的布置受限，施工難度增大。如果在坡度較大區(qū)域進(jìn)行大規(guī)模的深開挖工程，則需在周圍做一定的防護(hù)坡來防止塌方現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2.2 巖土體特征條件

巖土體作為一種承載地下空間的介質(zhì)，其形成過程和具體堆積情況均具有一定的差別,進(jìn)而導(dǎo)致物質(zhì)的組成及表現(xiàn)的工程特征也具有較大差異, 因此其對(duì)地下建筑物的變形和承載特征也不一樣。

2.2.1 地基承載力

地基承載力作為衡量單位面積上地基土層隨著載荷增加所表現(xiàn)的承載潛力的重要參數(shù)。當(dāng)載荷增加時(shí)，甚至超過地基土層的最大承載能力時(shí)，地基就會(huì)產(chǎn)生變形，導(dǎo)致其穩(wěn)定性下降。因此，地基土承載能力越強(qiáng)，地下開挖施工所需的支護(hù)措施就越簡(jiǎn)單，地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越強(qiáng)，工程開挖成本越低。

2.2.2 壓縮模量

壓縮模量為對(duì)地基變形和建筑物沉降計(jì)算的一個(gè)主要參數(shù)，是評(píng)價(jià)土的壓縮性和衡量地基變形的一個(gè)重要條件。在地下工程中，可以根據(jù)計(jì)算側(cè)限條件下的固結(jié)試驗(yàn)獲取相關(guān)的參數(shù)。一般而言，土體的壓縮模量越大，其抗變形的能力就越強(qiáng)。

2.2.3 土體抗剪強(qiáng)度

土體抗剪強(qiáng)度作為衡量土體抵抗剪切破壞的能力的重要參數(shù)，其對(duì)基坑工程的支護(hù)方式選擇、地下空間巖土體穩(wěn)定等問題產(chǎn)生直接影響。

2.2.4 巖石抗壓強(qiáng)度

巖石是組成巖體的最小單位，它的強(qiáng)度可根據(jù)單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分類。當(dāng)巖石抗壓強(qiáng)度較高、承載力較大、變形模量較小時(shí)，對(duì)工程建設(shè)及穩(wěn)定性有較大的改善。

2.3 水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件是指與地下水的性質(zhì)、分布、狀態(tài)等相關(guān)的水文地質(zhì)環(huán)境信息的集合。該條件對(duì)城市地下空間利用的影響大多數(shù)屬于負(fù)面影響，它的出現(xiàn)通常會(huì)增加地下空間開發(fā)的難度和成本。按水體賦存類型，該條件主要包括地表水系影響和地下水影響兩部分。

2.3.1 地表水域影響

地表水域?qū)Φ叵驴臻g開發(fā)(尤其在淺層空間)的影響較大，例如：在地下工程開展過程中，由于施工區(qū)域緊鄰上部地表水體，容易致使如排水困難等相關(guān)施工問題的發(fā)生，這會(huì)直接造成施工建設(shè)的成本及難度，因此在地表水域周邊進(jìn)行地下空間開發(fā)時(shí)應(yīng)設(shè)定一定間隔的緩沖距離。

2.3.2 潛水埋深

潛水含水層對(duì)地下空間開發(fā)的影響主要有兩種表現(xiàn)形式：一是對(duì)地下建筑物的結(jié)構(gòu)具有一定的托浮作用，尤其是在抗浮措施處理不當(dāng)?shù)臈l件下容易破壞地下結(jié)構(gòu)；二是增加了工程建設(shè)中產(chǎn)生滲流潛蝕突涌和管涌的可能性，或進(jìn)一步造成周邊環(huán)境改變導(dǎo)致出現(xiàn)較大危險(xiǎn)的安全事故。通常，潛水含水層埋深越深對(duì)地下空間開發(fā)越有利。

2.3.3 承壓水埋深

承壓水突涌、流砂等地下施工問題常常發(fā)生在緊鄰承壓含水層上部的地層中，這些問題的發(fā)生將會(huì)對(duì)地下工程建設(shè)或施工造成巨大的損失。因此，在進(jìn)行地下工程建設(shè)或施工時(shí)應(yīng)當(dāng)充分了解區(qū)內(nèi)關(guān)鍵承壓水層頂板的埋深情況，通常含水層頂板埋深越大，地下空間開發(fā)利用的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量就越高。

2.3.4 地下水腐蝕性

2.4 環(huán)境地質(zhì)條件

2.4.1 軟土層厚度

作為一種對(duì)地下空間開發(fā)產(chǎn)生較大影響的特殊土體，在軟土尤其是較厚軟土地區(qū)進(jìn)行地下空間工程建設(shè)，容易導(dǎo)致區(qū)內(nèi)地基基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻變形、失穩(wěn)等問題，甚至?xí)?duì)后期使用維護(hù)產(chǎn)生額外的工程成本。因此，在進(jìn)行地下空間工程建設(shè)時(shí)應(yīng)對(duì)區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)和土層特性充分了解。

2.4.2 不良地質(zhì)作用

在地下施工或工程建設(shè)過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些具有一定不良性質(zhì)的自然地質(zhì)作用，其中包括滑坡、崩塌、泥石流等。就城市地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量而言，只注重工程本身的堅(jiān)固性是不夠的，必要時(shí)應(yīng)對(duì)其保持一定的安全距離，將其不良影響作用降到最低。

2.4.3 隱伏斷裂構(gòu)造

在隱伏斷裂構(gòu)造附近，一旦發(fā)生地震災(zāi)害，不僅對(duì)地上建筑，對(duì)地下空間內(nèi)的構(gòu)筑物同樣會(huì)產(chǎn)生巨大的破壞作用，并且越靠近震源中心一定范圍內(nèi)的地下空間的設(shè)施，其受影響的程度越大。因此，在進(jìn)行地下空間開發(fā)利用時(shí)應(yīng)對(duì)隱伏斷裂進(jìn)行一定的緩沖距離。

2.4.4 砂土液化

在地下空間工程建設(shè)中，砂土液化是指地下構(gòu)筑物在地震力的作用下飽和砂土的抗液化穩(wěn)定的能力。對(duì)于無(wú)砂土液化發(fā)生的區(qū)域，其開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量最好。而砂土液化嚴(yán)重區(qū)則需要進(jìn)行專門的地基處理，以防止由地震力引起的地基土層液化并進(jìn)而誘發(fā)地基失穩(wěn)等工程事故的發(fā)生。

3 基于層次分析法的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重的計(jì)算

目前，對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行權(quán)重計(jì)算的方法有很多，主要包括如層次分析法(AHP)、標(biāo)準(zhǔn)差率法(CPA)、CRITIC法、熵權(quán)法(EWM)等。在這些權(quán)重計(jì)算方法中，由于具有工作時(shí)間短、精確性高、計(jì)算量小等諸多特點(diǎn)，層次分析法(AHP)已在地質(zhì)、管理、工程以及經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域得到較為廣泛的運(yùn)用。

層次分析法，英文簡(jiǎn)稱AHP，是指將一個(gè)具有多目標(biāo)的復(fù)雜決策問題看作一個(gè)系統(tǒng)問題，將其分解為多個(gè)目標(biāo)準(zhǔn)則，并將這些目標(biāo)準(zhǔn)則進(jìn)一步細(xì)分為包含多個(gè)指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)模型，以定量化計(jì)算定性指標(biāo)的方式得以計(jì)算出結(jié)構(gòu)模型的層次單排序和總排序的權(quán)重，并將權(quán)重計(jì)算結(jié)果作為多指標(biāo)優(yōu)化或系統(tǒng)決策的方法。其主要包括5個(gè)計(jì)算步驟：建立評(píng)價(jià)系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)、構(gòu)建具有成對(duì)比較內(nèi)涵的判斷矩陣、完成指標(biāo)的層次單排序及其一致性檢驗(yàn)、完成指標(biāo)的層次總排序及其一致性檢驗(yàn)、最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步分析、決策。

為使因子權(quán)重結(jié)果更加科學(xué)、合理，本文邀請(qǐng)多名長(zhǎng)期在佛山市當(dāng)?shù)貜氖聨r土工程、工程勘察、地下工程設(shè)計(jì)等相關(guān)行業(yè)的專家，采用專家打分的形式以1～9標(biāo)度法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)建立指標(biāo)重要性程度的判斷矩陣，得到基于專家經(jīng)驗(yàn)的綜合判斷矩陣。依據(jù)以上AHP計(jì)算步驟，進(jìn)一步分別計(jì)算得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的多層次結(jié)構(gòu)模型的單層次以及總層次的一致性比率CR值，結(jié)果顯示其CR值均小于0.1，滿足判斷矩陣一致性的檢驗(yàn)條件。計(jì)算得到的評(píng)價(jià)因子綜合權(quán)重如表1所示，其值的大小可表明該評(píng)價(jià)因子對(duì)地下空間工程建設(shè)影響的強(qiáng)弱。在已建立的佛山市地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量多層次評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，B4(環(huán)境地質(zhì)條件)對(duì)開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量影響最大，其中又以C13(隱伏斷裂構(gòu)造)影響最為顯著，這一結(jié)果符合多個(gè)專家的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，也證明了專家打分法與AHP方法的有效性。

表1 佛山市地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量多層次評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

4 結(jié)論

(1)本文通過對(duì)影響佛山市地下空間開發(fā)關(guān)鍵地質(zhì)環(huán)境因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，構(gòu)建了巖土體特征條件、水文地質(zhì)條件等4個(gè)主題層以及軟土層厚度、承壓水埋深等14個(gè)指標(biāo)層的佛山市地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量多層次結(jié)構(gòu)模型。該體系結(jié)構(gòu)的建立可為后續(xù)佛山市以及國(guó)內(nèi)其他城市進(jìn)行地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)提供指標(biāo)體系參考。

(2)本文采用AHP層次分析方法和專家打分法，計(jì)算得出佛山市地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，并根據(jù)權(quán)重排序最終得出，區(qū)內(nèi)環(huán)境地質(zhì)條件對(duì)佛山市地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量影響最大，其中又以隱伏斷裂構(gòu)造影響最為顯著。