鄭州航空港區地下空間開發地質適宜性評價

郭麗麗，黃 凱，趙海嬌，王 昕

（河南省地勘局第五地質勘查院，河南鄭州450001）

關健詞：鄭州航空港區；地下空間開發；地質適宜性評價

鄭州航空港經濟綜合實驗區是2013年3月8日國務院批復的目前全國唯一一個國家級航空港經濟實驗區[1]，也是河南省三大國家戰略的重要組成部分。我國很多大城市，如北京、深圳、廈門、青島等都陸續編制了地下空間開發利用規劃，并以軌道交通開發建設為契機開展了大規模的地下空間開發建設[2-6]。鄭州航空港區是個新建城區，其地下空間的開發利用能提升鄭州發展的質量。對城市新建城區地下空間開發地質適宜性進行評價，可為城市新建城區地下空間的規劃編制和開發提供依據。

1 研究區概況

1.1 地理位置

研究區為航空港區2014～2040總體規劃區范圍，南至炎黃大道，北至雙湖大道，西至京港澳高速公路，東至廣惠街（新線位），面積為415km2。

1.2 地層特征

研究區屬華北地層區，研究區大地構造單元隸屬于中朝準地臺，二級分區為華北臺坳的中南部，三級分區為通許隆起。區內出露地層為第四系。

新生代以來，區內自下而上沉積了新近系、第四系，其沉積厚度800m左右。根據區域資料和鉆孔揭示，新近系（N）僅見于鉆孔中，隱伏于第四系之下。區內新近系厚度為755m左右。為河流—湖泊相沉積。研究區內被第四紀全新統及中更新統覆蓋。區內下更新統缺失，中更新統直接坐落在新近系之上，為不整合接觸。鉆孔揭示工作區內第四紀地層厚度33～71m。

1.3 工程地質特征

根據城市地質、地貌、構造、水文地質、工程性質等，將研究區工程地質劃分為黃河沖積平原和山前沖洪積平原2個區，根據土體結構及工程性質的差異，進一步劃分工程地質亞區。

山前沖洪積平原工程地質區（Ⅰ）：主要分布在京廣鐵路以西地區，該區垂向50m深度范圍內為以粉土、粉質粘土為主的多層結構。

黃河沖積平原工程地質區（Ⅱ）：主要分布在研究區京廣鐵路以東的廣大地區，區內地勢西高東低，按其土體結構類型及工程性質劃分為黃河古河道工程地質亞區及泛流平原工程地質亞區。前者主要分布在隴海鐵路以南、京廣鐵路以東，鄭庵鎮—刁家鄉一線以西的區域。地勢西高東低，中部高南北兩側低，地面標高160～85m，地表多有沙丘分布；后者分布于工作區北東，為黃河花園口等決口洪水流出鄭州的地帶，沉積顆粒較東西兩側粗。垂向上為多層結構，無軟土和液化土分布。該亞區巖性主要以土層和砂層互層為主。

1.4 構造特征

鄭州地區處于華北地震區華北平原地震帶的南部，西鄰汾渭地震帶，東鄰郯廬地震帶。鄭州市在歷史上和現今地震強度小，且頻度低。從地震地質背景分析認為，研究區及附近不具備發生強地震的地質構造條件。1990年國家地震局的中國地震烈度區劃圖將本區劃為Ⅶ度烈度區。

研究區內主要發育北西向及北東向斷裂，北東向斷裂發育晚于北西向斷裂。北西向斷裂主要有：盧醫廟斷裂、張莊街斷裂、郭店斷裂、隗鎮斷裂；北東向斷裂主要有：孟莊斷裂、崗李斷裂。這些斷裂，均為前第四紀斷裂。

2 地下空間開發深度層次劃分

根據城市發展規劃和地下空間的用途，可將城市地下空間分為淺層地下空間（0～10m）、中層地下空間（10～30m）和深層地下空間（30～50m）。各層的主要用途如下：

淺層地下空間主要用于城市道路下穿立交、地下人行通道、地下停車場、地下商場、倉庫、建筑工程地下室和城市人防工程等；中層地下空間主要用于城市地下商業街、城市地鐵交通及城市地下綜合管廊等；深層地下空間主要用于城市地下骨干設施如交通隧道、地下能源儲存設施、地下水壩等。

3 評價方法

城市地下空間適宜性評價是在分析研究城市工程地質條件的基礎上，對其進行定性或半定量化評價。由于工程地質條件的復雜性，無法就城市工程地質評價采用統一的方法進行定量計算研究。根據鄭州航空港區的實際情況，本次評價方法主要采用層次分析法（全稱Analytic Hierarchy Process，簡寫為AHP）。

3.1 影響因素選取

城市新區地下空間開發利用主要由其所處的地質環境條件控制。首先地形地貌條件對城市地下空間開發利用的影響較小，不同地形坡度對工程造價有明顯影響。淺層地下空間接近地表，受地形條件制約作用最大。在地形切割強烈、相對高差較大地區，淺層地下空間開發難度明顯增大，場地平整、基坑開挖、邊坡防護等工程措施也相對復雜。在中層和深層地下空間開發時，由于主題工程埋深增大，地形條件對地下空間開發利用的影響明顯減弱。

其次水文地質條件方面，在地下空間開發利用過程中，地下水對工程起多方面的影響作用。建設層內含水層富水性、地下水對混凝土結構的腐蝕性和土體均一性等其他因素都不同程度地對工程建設存在影響；再次工程地質條件方面，工程地質條件對地下工程建設施工的影響主要表現在建設深度內巖土體工程地質性質對施工難易程度及工程安全的影響。主要包括土質均勻度、特殊類土分布、松散砂性土厚度等；最后場地穩定性方面主要考慮的是工程所處區域的動力地質作用和環境地質條件，其劃分的目的是評價擬建場地是否存在能導致場地滑移、大的變形和破壞等嚴重情況的地質條件，為城市總體規劃、大型項目的選址等提供參考。

因此，本次評價主要選取地形地貌條件、水文地質條件、工程地質條件、場地穩定性4大類作為一級評價因子，每一級評價因子下又選取若干項二級評價因子。

3.2 評價方法

層次分析法進行城市地下空間開發利用適宜性評價，首先確定目標層（A層）為地下空間開發利用地質適宜性評價結果；制約因素（B層）由地形地貌條件（B1）、水文地質條件（B2）、工程地質條件（B3）和場地穩定性條件（B4）組成，每個制約條件又包括若干制約子因素（C層），如水文地質條件（B2）包括地下水位埋深（C21）、含水層富水性（C22）和地下水腐蝕性（C23），工程地質條件（B3）包括液化砂土厚度（C31）、軟土層厚度（C32）和土質均一性（C33）。

地下空間開發利用適宜性評價目標層A與制約因素B之間層次關系可知，將一般性制約因素B1、B2、B3和B4兩兩進行比較，可知B對A層影響重要程度為工程地質條件（B3）＞水文地質條件（B2）＞地形地貌條件（B1）＞場地穩定性條件（B4），得出A-B之間判斷矩陣，對判斷矩陣進行一致性檢驗通過后，進行歸一化處理求取各制約因子對其目標層權重；若一致性檢驗不能通過，則需重新構造判斷矩陣。

求出各影響因子對目標層權重后，根據評價單元地質條件，根據專家打分賦以對應初始權值（表1～表4），初始權值與權重乘積求和即得出評價單元地下空間開發利用綜合得分，最后根據其綜合得分大小，判斷其開發利用適宜性。

表1 地形條件初始權值表

表4 場地穩定性分級標準及初始權值一覽表

表2 水文地質條件各因子分級標準及初始權值一覽表

表3 工程地質條件各因子分級標準及初始權值一覽表

計算出評價單元綜合權值后，對各單元地下空間開發利用地質適宜性進行評價，評價分級標準見表5。

表5 綜合權值與地下空間開發地質適宜性對應表

4 評價結果分析

根據各分子的量化分級標準，利用MapGis對各因子分區賦值，結合各自權重進行疊加，對淺層、中層以及深層地下空間進行綜合評判，將研究區內地下空間開發利用適宜性劃分為適宜區、較適宜性區和適宜性較差區3個等級。

綜合分析，航空港區各層地下空間開發利用適宜區和較適宜區面積達到研究區總面積一半以上，整體情況較好。各層適宜性較差區的分布區域及主要影響因素見表6。

表6 各層適宜性較差區的分布區域及主要影響因素一覽表

5 結論

（1）鄭州航空港區是個新建城區，其地下空間的開發利用能提升鄭州發展的質量。對城市新建城區地下空間開發地質適宜性進行評價，可為城市新建城區地下空間的規劃編制和開發提供依據。

（2）本次評價主要選取地形地貌條件、水文地質條件、工程地質條件、場地穩定性4大類作為一級評價因子，每一級評價因子下又選取若干項二級評價因子。比如水文地質條件包括地下水位埋深、含水層富水性和地下水腐蝕性，工程地質條件包括液化砂土厚度、軟土層厚度和土質均一性。

（3）航空港區淺層地下空間（0～10m）開發利用適宜性較差區原因主要為土體均一性較差，且存在液化砂土和軟弱土，土體強度較低；地下水位埋藏淺，開發層內含水層厚度大且滲透性較好；中層地下空間（10～30m）開發利用適宜性較差區原因主要為該地段液化砂土層和軟弱土的厚度大于5m，土體承載力較低；地下含水層厚度大且富水性好，工程降水難度較大；深層地下空間（30～50m）開發利用適宜性較差區原因主要為該地由承載力較低的弱含水粉土組成，存在厚度3～7m的鈣質膠結砂層，掘進難度較大。