基于AHP法的魯中某高鐵巖溶塌陷易發性評價

于翠翠 劉蘭玉 李傳生 陳興海

摘要： 魯中地區隱伏巖溶廣泛分布，多年來巖溶塌陷災害頻發，給區內高速鐵路的勘察、施工與運營管理帶來了較多困難。本文以泰安東地區某擬建高速鐵路為研究對象，在對線路穿越段地質構造、水文地質條件、巖溶塌陷發育現狀總結分析的基礎上，選取了8項巖溶塌陷影響因子作為評價指標，并運用AHP法計算了各評價指標的權重，構建了有針對性的評價指標體系，結合GIS空間分析方法進行了巖溶塌陷易發性評價。結果表明：研究區易發性高區面積約11.0km2，占比37.6%，易發性中等區面積約9.6km2，占比32.9%，易發性低區面積約7.8km2，占比26.8%，需在高速鐵路建設過程中有針對性地采取進一步的防治工程措施。本研究成果可為高鐵線路方案的確定及工程處理提供地質依據，也可為同類覆蓋型巖溶區高速鐵路工程的規劃建設與防災減災管理提供參考。

關鍵詞： 巖溶塌陷；易發性評價；AHP法；高速鐵路勘察

中圖分類號： P641.69；P694；X43 ????文獻標識碼： A ???doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.02.006

引文格式： 于翠翠，劉蘭玉，李傳生，等.基于AHP法的魯中某高鐵巖溶塌陷易發性評價［J］.山東國土資源，2023，39（2）：42 49.YU Cuicui， LIU Lanyu， LI Chuansheng， et al. Karst Collapse Risks Evaluation of a High speed Railway in Central Shandong Based on AHP Method［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（2）：42 49.

0 引言

巖溶塌陷作為隱伏巖溶區一種常見的地質災害，往往能對區域工程設施造成破壞［1 2］。魯中地區是山東省隱伏巖溶分布最為廣泛的地區，隨著近年來經濟社會的迅速發展，該區域人類工程活動對地質環境的影響日益強烈，巖溶塌陷地質災害頻發，嚴重制約著經濟社會的可持續發展［3 4］。以高速鐵路建設為例，其對巖溶場地的適應性差，巖溶發育的不均一性決定了工程勘察難于徹底查清潛在的巖溶塌陷隱患［5］。因此，開展巖溶塌陷易發性評價對鐵路建設的防災減災具有重要意義。

易發性評價是對巖溶塌陷形成的地質背景進行評價［6］。近年來，眾多學者采用AHP法（層次分析法）、模糊數學法、GIS技術處理等多種方法，在巖溶塌陷易發性評價方面積累了不少成功的經驗。陳菊 艷［7］、江思義［8 9］、李海良［10］、吳遠斌［11］等以GIS與層次分析法相結合的方法，對貴州、廣西、湖南等多地巖溶發育區進行了巖溶塌陷易發性評價研究；在線性工程相關研究方面，則有戴建玲等［12］從點、線、面3個層次提出了線性工程巖溶塌陷危險性評價的方法和指標；曾斌等［13］運用層次分析法對杭長高速巖溶塌陷災害進行易發性評價。在研究區所處的泰安地區，也開展了大量的巖溶地質、地質災害相關研究。如吳亞楠等［14］基于綜合指數法建立了泰萊盆地巖溶塌陷風險性評價體系；汝亮、李曉波、蘇寶成等對泰安地區巖溶塌陷特征、地質環境承載力、地質災害發育情況等進行了較為詳細的評價研究［15 17］。

本文以魯中泰安東地區某擬建高速鐵路為研究對象，依托鐵路巖溶塌陷專項地質調查成果①，從巖溶發育程度、覆蓋層特征、地下水動力條件、巖溶塌陷歷史4個方面出發，選擇基巖巖性、地質構造、土 層結構、土層厚度、水位變幅、地下水位與基巖面 ?關系、地下水開采強度、與已知塌陷距離等8個因素作為評價因子，采用AHP法和GIS技術，對鐵路沿線地區巖溶塌陷易發性進行了評價，以期為線路方案的最終確定及防治措施提供科學參考。

1 研究區概況

1.1 地質構造

研究區位于山東省中部泰安市境內。區內自老至新發育有太古代、古生代、中生代至新生代地層，地表廣泛分布有第四系沖洪積粉質黏土、細砂、中粗砂等，局部夾礫石層，厚度0.5～23m不等。下伏碳酸鹽巖地層主要有寒武紀長清群白云巖、白云質灰巖、頁巖，九龍群灰巖、白云質灰巖，奧陶紀馬家溝群灰巖、白云巖等，屬覆蓋型巖溶分布區，地下巖溶發育形態以溶孔、溶隙為主，局部發育溶洞。巖溶發育好，連通性好。研究區內斷裂構造較發育，NNW向的岱道庵斷裂對區內巖溶的空間分布、厚度、埋藏、發育等起著重要的控制作用（圖1）。

1.2 水文地質特征

研究區第四系沖洪積層較發育，構成了松散巖類孔隙含水巖組，含水層厚度不穩定，一般1～8m，富水性弱，單井涌水量一般小于500m3/d。巖溶水含水巖組主要由寒武 奧陶紀灰巖、白云巖、白云質灰巖等構成，大部分地區直接埋藏于第四系之下，局部裸露。裂隙巖溶較發育，含水層厚度約70～80m，富水性強，補給來源豐富，單井涌水量一般1000～5000m3/d。

本區巖溶水主要接受大氣降水直接補給、孔隙水補給、牟汶河水補給、農灌回滲補給以及上游巖溶水側滲補給等［18 19］。研究區巖溶地下水的開發利用方式主要為舊縣水源地集中開采，其次為農村分散式生活供水及農業灌溉用水，現狀水源地集中開采量約2萬m3/d，分散供水井最大時開采量約2萬m3/d。巖溶水的大量開采已形成了地下水降落漏斗［20 21］，2019年舊縣水源地開采形成降落漏斗面積約9.10km2，擬建鐵路約3.3km位于該漏斗范圍內；除受地層及巖性控制外，巖溶水徑流方向還主要受舊縣水源地開采影響［22］，擬建鐵路西側地區巖溶地下水總體由西北向東南徑流，擬建鐵路東側地區巖溶地下水總體由東北向西南徑流。

1.3 巖溶塌陷發育情況

研究區所處的泰安市是山東省巖溶塌陷地質災害較為嚴重的城市之一，自20世紀60年代開始發生巖溶塌陷地質災害［23 24］。巖溶塌陷發生的區域主要集中于城區中南部地下水開采強度大的地區。包括以泰安站南部鐵路三角區為中心的城區水源地塌陷區，以舊縣水源地及東、西羊婁為中心的舊縣 羊婁塌陷區。

擬建鐵路工程段自舊縣 羊婁塌陷區南北向穿過。該塌陷區的巖溶塌陷是隨著舊縣水源地的大規模開發而出現的，區內巖溶塌陷的發育經歷了始發期（1983年）A—盛發期（1988—1994年）—持續發展期（1995—2001年）—高發期（2002—2005年）—低發期（2006年至今）5個階段。該塌陷區南北長約7km，東西寬3～6km，面積約24km2（圖2）。

根據歷史塌陷資料，結合《鐵路安全管理條例》中關于鐵路線路安全保護區范圍劃定的有關要求，本次統計了本線路工程段兩側20m、200m、500m及1000m范圍內歷史巖溶塌陷點數量（表1）。

2 巖溶塌陷易發性評價指標體系

2.1 評價方法及評價范圍

巖溶塌陷易發性評價采用AHP法（層次分析法），將評價模型分為目標層、條件層、因子層3個層次，通過相同層次內因素之間的對比，逐層比較多種因子之間的重要性，最后確定其總體影響特征。

綜合考慮巖溶塌陷產生的先決條件以及擬建鐵路工程性質，本次研究將評價范圍定為隱伏巖溶區鐵路工程兩側外擴2km，非巖溶區、裸露型巖溶區及古近系厚度大于30m的覆蓋型巖溶區不作為評價范圍，實際評價面積為29.2km2（圖1）。

2.2 評價指標體系

巖溶塌陷易發性評價體系是一個多層次、多因素的復雜體系，影響和控制巖溶塌陷的因素很多，合理選擇對評價目的起主導作用、比較穩定、可量化表示的參評因子是評價工作的關鍵。

巖溶塌陷從孕育、發展、再到最終發生，主要受下伏碳酸鹽巖巖溶發育程度、地質構造條件、覆蓋層特征、地下水動力條件等因素的影響和制約，已形成的巖溶塌陷則是受上述各因素綜合影響的結果。因此，本次巖溶塌陷易發性評價綜合考慮以下影響因子。

（1）巖溶發育程度：包括基巖巖性（K1）和地質構造（K2，與斷裂距離）。

（2）覆蓋層特征：包括土層結構（Q1）和土層厚度（Q2）。

（3）地下水動力條件，包括水位變幅（W1）、水位與基巖面關系（W2）和開采模數（W3，地下水開采強度）。

（4）塌陷歷史條件，即與已知塌陷點距離（D1）。

2.3 評價模型

巖溶塌陷易發性評價模型采用一元多項式，綜合考慮各影響因素的重要性，運用層次分析法確立各指標的權重，并按照各指標對塌陷的影響進行等級劃分，利用MapGIS空間分析工具將各評價因子的指標權重進行疊加，評價模型如下：

P=∑ n i=1 XiCi

式中： P—易發性評價綜合指數；Xi、Ci —分別為易發性因子取值及權重。

3 ?巖溶塌陷影響因素分析及評價指標量化

根據評價因子對巖溶塌陷易發性的影響程度，以數值1、4、7分別進行賦值，賦值越大代表對影響程度越大。

3.1 巖溶發育程度

可溶巖類巖溶發育是巖溶塌陷形成的前提條件，而巖溶發育程度則與地層巖性及構造發育程度密切相關。

（1）基巖巖性

巖石性質、結構及化學成分的不同導致巖溶發育程度的差異，巖性是控制巖溶發育的基本條件。質純、厚層且均勻分布的灰巖地層巖溶發育較強，白云巖巖溶發育次之，碳酸鹽巖與碎屑巖互層的地層及泥質碳酸鹽巖類巖溶發育較弱。據資料分析，研究區內巖溶塌陷與地層巖性密切相關。馬家溝群、三山子組及炒米店組灰巖、白云質灰巖、泥質灰巖，線巖溶率高，塌陷發生數量多。綜上，本次對各下伏基巖地層按其巖溶發育程度進行了劃分，并對其賦值（表2，圖3）。

（2）地質構造

巖溶發育程度除與地層巖性密切相關外，還受地質構造的控制。在巖性相同情況下，斷裂及其影響帶成為地下水的良好賦存空間和運移通道，地下水與巖石密切接觸，溶蝕作用更強；而非構造發育帶，相應的巖溶發育程度比構造帶的發育要弱。距離斷層越近，巖體越破碎，巖溶越發育，對巖溶塌陷的影響程度越大。根據區內斷層對巖溶塌陷影響程度，對斷層進行緩沖區分析，將斷層緩沖區分為0～100m、100～300m、＞300m共3個區，并分別賦值（圖4，表2）。

3.2 覆蓋層特征

（1）土層結構

覆蓋層的巖性結構對巖溶塌陷的產生有較大影響，覆蓋層土體結構一般由黏性土、砂及礫石等組成。資料統計顯示，研究區塌陷主要發生在二元結構區（上部黏性土，下部砂性土），其次為多元結構區（黏性土與砂性土互層），一元結構區（粉質黏土為主）最不易塌陷［14］。根據區域地質資料以及鐵路勘察資料，將研究區內土層結構分為二元結構、一元結構及多元結構，并對其賦值（表2）。

（2）土層厚度

在相同的水文地質條件下，上覆土層厚度小，有利于地下水的潛蝕和掏空作用，使土洞擴展到地表的進程縮短，使塌陷易于發生。但覆蓋層厚度大時，其自重力也大，致塌力也相應的增大，土層破壞失穩形成土洞的可能性也會增大［25］。據資料統計，研究區約4%的塌陷點覆蓋層厚度小于5m，約26%的塌陷點覆蓋層厚度5～10m，約68%的塌陷點覆蓋層厚度10～25m，約2%的塌陷點覆蓋層厚度大于25m區。因此，本次將土層厚度按10～25m、5～10m，＞25m或＜5m 3個分區進行賦值（表2）。

3.3 地下水動力條件

（1）地下水位變幅

短時間、大幅度的水位下降，會使覆蓋層受到的浮托力快速消失，覆蓋層自重增大；水位下降還會增大孔隙水與巖溶水的水頭差，使其補給巖溶水的強度增加，潛蝕作用增強，進而使致塌力增大。巖溶地下水位的升降還會引起巖溶空腔及土洞內的氣壓產生變化，導致塌陷發生。綜合分析研究區塌陷歷史與地下水位變幅關系，將地下水位變幅劃分為3個類型，并進行賦值（表2）。

（2）巖溶地下水位與基巖面的關系

巖溶地下水位在基巖面附近波動的情況下，土體最易塌陷。據統計，研究區所在的舊縣 羊婁塌陷區在巖溶塌陷的始發期地下水位在基巖面以上0～+2m，盛發期巖溶地下水位在基巖面附近 10m～+2m波動，持續發展期巖溶地下水位在基巖面附近 11m～+4m波動，高發期巖溶地下水位在基巖面附近 10m～+10m波動，低發期巖溶地下水位在基巖面以上0～+10m。結合其他研究成果［14］，本次將巖溶地下水位與基巖面關系劃分為3個等級，并進行賦值（表2）。

（3）巖溶地下水開采模數

研究區大部分已發的巖溶塌陷為舊縣水源地集中供水而引發，高強度巖溶地下水開采活動是導致巖溶塌陷的主要原因之一。據統計，研究區所在的舊縣 羊婁塌陷區，在巖溶塌陷盛發期、持續發展期及高發期，水源地集中開采量均達到4萬m3/d以上，2006年水源地限采之后，開采量平均2.4萬m3/d，巖溶塌陷發生頻率明顯降低。本次將巖溶地下水開采模數分為3個類型，并進行賦值（表2）。

3.4 巖溶塌陷歷史

巖溶塌陷歷史反映了該地區塌陷發育強度及活躍程度。與已知塌陷距離越近，表明影響塌陷的其他因素指標分值越高，在同等條件下發生巖溶塌陷的可能性越大。綜合分析研究區塌陷歷史資料，本次將與已知塌陷點距離分為3個等級，并分別賦值（圖5，表2）。

1—距已知塌陷點<100m；2—距已知塌陷點100～300m；3—距 ?已知塌陷點>300m ??圖5 與已知塌陷點距離分區

4 巖溶塌陷易發性評價

4.1 評價指標權重

通過構建判斷矩陣來確定各評價指標的權重，采用“1～9”比率標度法確定。通過對各評價指標相對重要性的比較，最終計算得出各指標權重（表3—表8）， CR 值均滿足一致性檢驗（＜0.1）。

4.2 易發性評價結果

應用MapGIS的空間分析模塊，對研究區進行巖溶塌陷易發性評價。按照AHP法將建立的各單指標影響分區圖進行疊加計算，得到研究區巖溶塌陷易發性評價結果。評價分值越高，巖溶塌陷的易發性越高，評價標準表9。

根據綜合評價得分，將評價區劃分為巖溶塌陷易發性高區、易發性中等區和易發性低區（圖6）。易發性高區面積為10.98km2，占比37.6%。擬建鐵路里程樁號CK60+400～CK61+810段、CK62+280～CK62+950段、CK63+500～CK64+850段位于易發性高區內；易發性中等區面積為9.60km2，占比32.9%。擬建鐵路里程樁號CK61+810～CK62+280段、CK62+950～CK63+500段、CK64+850～CK65+740段位于易發生中等區內；易發性低區面積為7.82km2，占比26.8%。擬建鐵路里程樁號CK65+640～CK67+450段位于該區內。通過對已發巖溶塌陷數量的統計，可檢驗巖溶塌陷易發性評價結果的準確性［11］。易發性高區、易發性中等區、易發性低區內發生的巖溶塌陷數量占比分別為74%、22%、4%，絕大多數塌陷發生在易發性高區和易發性中等區。同時，由勘察及監測資料可知，易發性高區巖溶強發育，斷裂較密集，區域控水構造岱道庵斷裂位于本區內，第四系覆蓋層厚度一般10～25m，土層多為二元結構，地下水變幅中等，地下水位變幅較大且多在基巖面附近波動；易發性中等區多為巖溶中等發育，構造多為次級斷裂，第四系覆蓋層厚度一般小于10m或大于25m，土層多為二元結構，地下水變幅小—中等；易發性低區多為巖溶弱 中等發育，本區大部分地區與斷裂距離大于300m，第四系覆蓋層厚度一般小于5m，土層多為一元結構，地下水變幅小—中等。

5 結論及建議

（1）將擬建高鐵沿線巖溶塌陷易發分區分為高、中、低3種類型，其中：易發性高區面積為10.98km2，占比37.6%。擬建鐵路里程樁號CK60+400～CK61+810段、CK62+280～CK62+950段、CK63+500～CK64+850段位于易發性高區內；易發性中等區面積為9.60km2，占比32.9%。擬建鐵路里程樁號CK61+810～CK62+280段、CK62+950～CK63+500段、CK64+850～CK65+740段位于易發生中等區內；易發性低區面積為7.82km2，占比26.8%。擬建鐵路里程樁號CK65+640～CK67+450段位于易發性低區內。

（2）本文應用AHP法與GIS空間分析，從巖溶發育程度、覆蓋層特征、地下水動力條件及歷史條件4個方面對研究區進行了巖溶塌陷易發性評價工作，為擬建高鐵線路方案的確定及工程處理措施提供了地質依據。

（3）線路工程大部分位于巖溶塌陷風險性高區，因路基結構抵抗沉降變形的能力弱，故不建議路基通過，建議設計采用橋梁樁基形式；建議鐵路建設前期開展巖溶地下水安全開采的防控研究，提出巖溶地下水限采或禁采措施。

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Karst Collapse Risks Evaluation of a High speed ??Railway in Central Shandong Based on AHP Method

YU Cuicui1， ?LIU Lanyu1， ?LI Chuansheng1，CHEN Xinghai2

（1.Shandong Geological Surveying and Mapping Institute， Shandong Ji'nan 250002， China; 2. China Railway Eryuan Engineering Group Limited Corporation， Sichuan Chengdu ?610031， China）

Abstract： ??Hidden karst is widely distributed in central Shandong province， and karst collapse disasters have occurred frequently for many years. It has brought more difficulties to the survey， construction and operation management of high speed railway in the region. Based on the summary and analysis of geological structure， hydrogeological conditions and karst collapse development status of the crossing section of the line， taking a proposed high speed railway in eastern Tai'an area as the research object， selecting eight karst collapse impact factors as evaluation indicators， the weight of each evaluation indicator has been calculated by using AHP method， a targeted evaluation indicator system has been constructd， and the vulnerability of karst collapse has been evaluated by using GIS spatial analysis method. It is showed that the area of high vulnerability area is about 11.0km2， accounting for 37.6%， the area of medium vulnerability area is about 9.6km2， accounting for 32.9%， and the area of low vulnerability area is about 7.8km2， accounting for 26.8%. It is necessary to take further prevention and control measures in the process of high speed railway construction. It can provide geological basis for the determination of high speed railway line scheme and engineering treatment， as well as references for the planning， construction and disaster prevention and mitigation management of high speed railway projects in similar covered karst areas.

Key words： ?Karst collapse; susceptibility assessment; Analytic Hierarchy Process method; high speed railway survey