基于三維單元模型的地下空間地質適宜性評價

吳 少 元

(福建省廈門地質工程勘察院，福建 廈門 361008)

0 引 言

地下空間是重要的新型國土資源，具有不可再生性和不可逆性，一旦開發，很難循環利用。同時城市地下空間的開發利用既要受到地質環境質量制約[1]，又會造成一系列的環境地質、工程地質和水文地質問題[2]。因此，地質適宜性評價是城市地下空間開發利用的重要環節。過去數年，多數評價工作均是將地下空間劃分為多個層位，并按照不同層位進行“切片式”評價，其評價過程是將眾多地質信息“壓縮”成平面二維，評價過程損失了大量的三維信息[3]，影響了評價結果的可用性和精細度[4-5]。

近年來，隨著計算機三維可視化、三維地質建模等技術的發展，三維地質模型越來越多地應用到城市地下空間開發地質適宜性評價的相關研究中，但大多數研究僅局限于對三維地質模型進行立體展示，并未實際應用于地下空間開發利用的評價過程中[6]；另有少部分研究通過三維地質模型獲取二維評價信息，雖然為傳統的二維綜合評價提供了更為可靠的數據支撐[7]，但數據在降維過程中已產生較大損失，并未能完全發揮三維地質模型的重要作用。當前，眾多研究已越發意識到三維地質模型對于精細表達地質結構的重要意義。在這種背景下，已有部分研究開始針對三維地質模型進行三維空間分析，挖掘其內涵的三維地質特征，并應用于地下空間開發地質適宜性三維評價[8-9]。實例研究表明，三維評價方法能夠顯著提高評價結果在深度方向的分辨率，獲取信息更為豐富和實用的三維評價結果[8-9]。

在上述研究中，三維單元屬性模型扮演了十分重要的作用，是開展地下空間開發地質適宜性三維評價的數據基礎，但目前對于三維單元屬性模型構建和應用方面的研究和討論還不深入。因此，本文以廈門市馬鑾灣新城南岸片區為實例，開展了基于多要素三維單元屬性模型的地下空間地質適宜性三維評價方法研究，以期獲取更加精細的評價結果，更好地服務于該區城市建設和可持續發展。

1 地質背景與數據基礎

圖1 研究區位置及遙感影像

馬鑾灣新城南岸片區整體地勢為南高北低，由南側和西側區域往東北側馬鑾灣水域傾斜下降[10]。區域內上部覆蓋第四系松散堆積層，基巖為侏羅系凝灰巖類和燕山早期侵入花崗巖，區域工程地質層組按時代從新到老依次劃分為第四系全新統長樂組、第四系上更新統龍海組、侏羅系上統南園組等；按廈門市標準工程地質層組可劃分為6個工程地質層和13個亞層，如表1所列。

表1 馬鑾灣新城南岸片區工程地質層組

研究區內含有大量軟土和殘積土，軟土具流變性易造成地基不均勻沉降，殘積土遇水易崩解，且區域內存在大面積填海區，填土厚度較大且物理力學性質差，易造成基坑失穩。上述地質問題均會影響研究區地下空間的開發和利用。

根據《廈門城市地質調查》(2013年)研究成果，研究區內未見有區域性活動斷裂分布，也未見有第四紀斷層分布，研究區地質條件總體基本穩定，區域地質構造在本區的體現主要為隱伏基巖中的高傾角裂隙帶，因此本次研究暫不考慮斷裂帶因子的影響。

本研究所采用的數據主要為區域DEM、2 210個鉆孔數據和相關的土工試驗參數等。在分別對上述鉆孔數據和土工試驗數據進行整理編錄和標準化后，進行地質鉆孔數據庫錄入，為三維地質模型建立了詳實的數據基礎。

2 研究方法

研究所采用的方法主要包括三維地質建模、三維評價模型構建、三維空間分析、三維綜合評價等環節，相關計算在合肥工業大學研發的“城市地下空間開發地質環境質量三維評價系統”[9]中進行。其中，三維單元屬性模型是地質數據和評價信息的主要載體，也是三維空間分析和綜合評價的數據基礎，其貫穿于整個三維評價過程，發揮著支持核心的作用。三維單元屬性模型具有多要素的特點，其包含的數據信息既能夠來源于三維地質層組結構模型和二維地質數據的三維離散單元化表示，也可以來自于土工試驗參數的三維空間插值結果；進一步開展三維空間分析及綜合評價的結果最后也將融入三維單元屬性模型，以服務于進一步的研究和綜合利用，如圖2所示。

圖2 三維單元屬性模型構建流程

2.1 三維單元屬性模型構建

研究采用規則三維結構網格作為三維單元屬性模型的數據結構，并以正六面體單元模型進行圖形化表達。該方法可以方便地對屬性模型進行壓縮存儲，同時具有數據結構簡單、索引明晰、適合多源數據整合與高速查詢分析等優點。

三維單元屬性模型承載的數據方面，三維地質層組結構模型、屬性模型基于項目組與武漢智圖云起科技有限公司共同研發的Smart3dmap軟件內建的三維隱式建模方法構建[11-13]，建模過程融合了本區2 210個鉆孔的標準化分層等數據。在三維地質建模后，對結果進行三維離散單元化處理。在對馬鑾灣南岸片區開展的相關評價和研究工作中，三維單元屬性模型共包含有254萬個網格單元，單元尺寸定義為10 m×9 m×2 m。構建結果如圖3所示。

高校每年都要對學校的實驗教學儀器設備進行評估。學校要成立相關的評估小組，制定評估體系，每年年底評估小組要對所有儀器設備的使用情況等進行考核，通過考核評估，發現問題并解決問題，促進實驗教學的發展。

圖3 馬鑾灣南岸片區三維工程地質層組結構模型

三維巖土體土工試驗參數通過三維空間插值方法進行計算，插值結果輸入三維單元屬性模型。需要注意的是，插值過程中需要以三維單元屬性模型中的三維地質層組屬性作為空間約束，以保證插值結果的可靠性。其中，巖土體三維黏聚力參數模型如圖4所示。

圖4 馬鑾灣新城南岸片區巖土體黏聚力參數三維模型

2.2 地下空間開發地質適宜性三維評價

地下空間開發地質適宜性三維評價首先要對該區三維評價模型進行構建，并利用層次分析法[14]進行確權；依托三維評價模型，研究基于三維單元屬性模型，運用三維空間統計分析、三維距離場分析等多種三維空間分析方法[8-9，15]對三維評價數據進行分析提取，相關三維評價因子與空間分析方法的對應關系如表2所列；最后，基于三維評價數據集，采用多級指數疊加方法開展三維地質適宜性指數計算和綜合評價等工作[8-9，15]。

2.2.1三維評價模型

基于內涵多要素信息的三維單元屬性模型，可以針對不同需求選擇不同的評價因子建立相應的三維評價模型，例如地下空間資源量和經濟價值、地下空間的安全性、地下空間開發地質適宜性、地下空間工程建造成本等。其中，城市地下空間開發地質適宜性評價是對地下空間開發所涉及的地質環境質量進行的多因素、多層次綜合性研究工作。其評價結果可為區域規劃、建筑選址、地鐵選線等工作提供地質環境方面的支持和幫助。

本次研究基于三維單元屬性模型，以馬鑾灣南岸片區為實例，開展城市地下空間開發地質適宜性三維評價研究工作。在綜合分析馬鑾灣南岸片區地質環境條件的基礎上，結合地下工程已有研究和建設經驗[16-17]，研究依托于該區已有的數據情況，選擇地形地貌、巖土體工程性質、水文地質、地質結構和特殊土條件[9，18]5個方面的12個評價因子用于構建三維評價模型。各評價因子被分級定義為適宜、較適宜、一般適宜、較不適宜4個級別。分級標準參考相關規范，如GB50021-2009《巖土工程勘察規范》、GB50007-2011《建筑地基基礎設計規范》、JTS133-1-2010《港口巖土工程勘察規范》等，評價因子及分級標準如表2所列。

表2 城市地下空間開發地質適宜性三維評價因子及分級標準

2.2.2三維評價因子確權

三維評價因子的確權工作基于層次分析法開展。研究工作首先組織多位在實例研究區具有豐富地下工程實踐經驗的專家，根據該區地質條件和以往工程經驗，對表2所列的多項三維評價因子進行兩兩對比和打分；之后對打分結果進行平均并構建判斷矩陣，最后基于判斷矩陣計算單個評價因子的權重并建立權重矩陣，結果如表3～9所示。

表3 A-B判斷矩陣及一致性檢驗

表4 B1-C判斷矩陣及一致性檢驗

表5 B2-C判斷矩陣及一致性檢驗

表6 B3-C判斷矩陣及一致性檢驗

表7 B4-C判斷矩陣及一致性檢驗

表8 B5-C判斷矩陣及一致性檢驗

表9 三維評價因子權重

權重矩陣的一致性檢驗系數CR=0.017<0.1，說明滿足一致性條件，可用于進一步的綜合評價研究。從表3中可以看出，壓縮模量、殘積土影響范圍、下伏軟土層厚度對馬鑾灣南岸片區地下空間地質適宜性的影響最大，其次是黏聚力、內摩擦角、承壓水影響范圍，而地下水腐蝕性、地質層組復雜度、高程和坡度的影響最小。

2.3 綜合評價模型

地下空間三維評價的綜合評價模型有多種，例如模糊綜合評價、可變模糊集、多級指數疊加法等等。研究選取基于層次分析法的多級指數疊加法對馬鑾灣南岸片區地下空間開發地質適宜性進行評價，多級指數疊加方法簡單直接，能夠直觀反映各評價因子的影響程度。其公式如下：

(1)

式中：ωij，μij分別為第i個主題層中第j個評價因子的權重和值；ωi為第i個主題層的權重。

根據上文中三維評價因子的分級標準分別將適宜、較適宜、一般適宜、較不適宜所對應的分級區間值賦值為1，2，3，4，在此基礎上利用多級指數疊加法進行綜合評價。

3 結果與討論

基于三維單元屬性模型和三維空間分析方法構建的三維評價數據集如圖5所示。與傳統的二維評價數據相比，基于三維空間分析方法獲取的三維評價數據能更好地描述地層之間的屬性差異性和三維地質適宜性的變化規律[9]；運用三維空間分析方法，可以更好地提取關鍵的評價因子，更為充分地利用多維多源地質數據。

圖5 馬鑾灣新城南岸片區地下空間開發地質適宜性三維評價數據集

基于上述方法計算得到的馬鑾灣新城南岸片區地下空間開發地質適宜性三維評價結果如圖6所示，相關評價結果也被整合加入三維單元屬性模型。基于三維單元屬性模型，可以獲取地下空間任意位置、任意深度的地質適宜性評價結果。其淺、中、深三部分評價結果的相關統計信息也可基于三維單元屬性模型計算獲得(見表10)。

表10 地下空間開發地質適宜性評價結果統計量

圖6 三維地下空間開發地質適宜性評價結果

由三維綜合評價結果可見，馬鑾灣新城南岸片區地下空間開發地質適宜性總體較好，評價等級以適宜區和較適宜區為主，整體適宜區占比最大，較不適宜區占比最小。由淺層到深層，適宜區占比越來越大，適宜性最好的是在-30 m以下的深層。較不適宜區僅分布在淺層軟土分布、填土層較厚的區域以及中層距含水層較近的空間區域。

從淺層的評價結果可以看出，研究區淺層空間地質一般適宜區及較不適宜區占比較大，主要是受巖土物理性質、填土層和軟土層的共同影響。由于研究區存在大面積的圍填海區域，區域內填土層的厚度集中在4～7 m，局部最深達到15.8 m，較厚的填土層厚度顯著影響了研究區淺層地下空間開發地質適宜性。此外，淺層空間中軟土在A區廣泛分布，A區地質結構和特殊土條件較差，但主要影響-5 m以上的地下空間；D區地質適宜性較差的原因主要由于壓縮模量值較低，且地質層組復雜度較高所致，地下空間開發時地質均一性較差，受力不均勻，可能給工程帶來較大設計和運營風險；由于研究區為沿海區域，且地下水位較高，進行明挖法施工時采取的降水等措施可能大幅提高施工費用。在坡度較大的E區若采用明挖法進行施工，難度大，且極易發生地表水倒灌等事故。相對而言，B區地質適宜性較好，通過查詢三維單元屬性模型可知，地質適宜性較好的原因是由于該區具有較好的巖土體的物理力學參數，巖土體強度較高，穩定性較好，因此利于地下工程開發。

較之淺層，上述A、B、D、E四個區域在中層的地質適宜性相對更為不利。中層地質適宜性較差的深度主要集中在-10～-20 m之間，-20 m以下空間地質條件顯著趨好。通過查詢三維單元屬性模型可知，地質適宜性較差的原因主要是由于水文地質條件較差所致。該研究區含水層埋深主要分布在-10～-20 m之間，該深度范圍距含水層較近，嚴重影響了地質適宜性綜合評價結果。由于研究區中層地下水較為發育，在該層位采用明挖法進行地下工程施工可能會出現管涌和突涌，因此施工時需格外關注地下工程的基底穩定。此外，在該層位中存在大面積軟弱地層和上軟下硬的復合地層，在此區域采用盾構法進行施工時，需格外注意由于盾構掘進姿態不佳引起的地表塌陷等地質災害問題。

研究區基巖埋深較淺，深層區域廣泛發育基巖。由于深層的巖土體工程性質條件較好，且基巖面埋深變化較小，因此研究區深層空間呈現整體適宜性較好的特點(A、B區域地質適宜性相對其他區域較差的原因主要是由于其上覆的工程地質層組復雜度較高所致)。雖然研究區深層空間整體的地質適宜性較好，但較之淺層，深層空間開發成本和工程難度會明顯提升，因此在開展規劃和建設時需要進一步開展綜合分析。

本文研究僅是從地質環境方面對地下空間開發的地質適宜性進行綜合評價，暫未結合地下工程施工方式進行更為深入的研究。在后續的研究中，可針對不同施工方式建立相應的三維評價模型，充分融合地質環境條件、工程施工方式與費用，為地下空間的開發利用提供更為經濟安全的開發利用方案。例如，采用明挖法進行施工時，需重點考慮施工深度、地下水埋深以及鄰近建筑物的安全等因素；采用盾構法進行施工時，需要考慮盾構機的覆土深度，覆土類型以及上軟下硬的復合地層的影響等。

4 結 論

(1)多要素三維單元屬性模型能夠充分發揮多維多源地質數據和三維地質模型的功能和作用，是地下空間開發地質適宜性三維評價的良好載體和數據基礎。實例研究顯示，基于三維單元屬性模型的地下空間開發地質適宜性三維評價方法能夠很好地應用于廈門市馬鑾灣新城南岸片區的三維評價工作，利用評價結果可以獲得任意深度或空間位置的地質適宜性指標，顯著增強了深度方向的可視性和分辨率，信息更為豐富，結果更為實用。

(2)馬鑾灣新城南岸片區整體地下空間開發地質適宜性總體較好，全區以適宜區和較適宜區為主，適宜區占比最大。隨著深度的增加，地質適宜性越來越好，但同時伴隨著開發成本和工程難度明顯提升。在本區針對深層地下空間開展規劃和建設時，需要進一步開展綜合分析，確定更為經濟和安全的開發利用方案。

(3)未來研究可通過融合更為多元的數據信息、構建更有針對性的三維評價模型，不斷豐富地下三維單元屬性模型的內涵，從而使評價結果更加豐富和準確、更加接近真實地質和施工情況，更好地服務于地下空間的規劃和建設工作。