銀川城市地下空間開發的地質安全風險分析

趙銀鑫,宋 琨,吉衛波,公 亮,虎博文,張曉東,田碩豐

1)寧夏回族自治區基礎地質調查院,寧夏銀川 750021;2)防災減災湖北省重點實驗室(三峽大學),湖北宜昌 443002

城市地下空間是重要的資源,開發地下空間資源成為保證城市可持續發展的重要手段(Golany et al.,1996; 錢七虎,1998; 王成善等,2019; 李曉昭等,2019)。地質環境是地下空間開發利用的載體,地質環境條件的不確定性、非均質性等制約地下空間的開發,影響地下工程的施工與運行。如在法國巴黎、墨西哥等城市的地鐵建設中均出現嚴重的地下水問題(Birkle et al.,1998; González-Morán et al.,1999)。為保證地下空間的可持續發展,地質環境條件的安全評價成為亟需解決的先導問題。

隨著城市地下空間的開發進程,國內外學者研究了城市地下空間開發與地質環境的關系。主要針對各個城市的工程地質環境特征,總結了城市地下空間開發可能面臨的一系列工程地質問題,并分析了其對地下空間開發的影響(王初生等,2005; 張茂省等,2019; 蘇培東等,2020)。城市地下空間建設的適宜性評價多采用層次分析法(AHP)、專家問卷調查法、模糊層次分析法(FAHP)、結構方程模型(SEM)、模糊層次分析方法-逼近理想解排序法(FAHP-TOPSIS)等方法(吳文博等,2013; Wang et al.,2013; Hou et al.,2016; Lu et al.,2016; Peng et al.,2018)。雖然不同方法各有優劣,但是分類指標、權重等確定的合理性是關鍵。結合各城市的地質環境特征,除考慮基本的地質環境條件、巖土體特征指標外,針對可能出現的工程地質問題,引入砂土液化、地面沉降、滲透破壞等指標到地質安全評價體系中(張曉彤,2016; 蔣杰等,2021; Xi et al.,2022);董英等(2020)從地下空間自身穩定性、引發臨近工程穩定性和后建地面工程對地下工程穩定性的影響評價等三個方面進行地質安全評價。

針對當前城市地下空間開發存在的地質支撐不足的問題,結合銀川城市區地下空間資源調查,從地震、砂土液化、富水砂卵石層、地基承載力和地表載荷等地質風險分析方面,進行銀川市地下空間開發的地質安全風險分析與評價,為該區域城市地下空間的開發建設提供地質參考。

1 銀川市地質背景

銀川市位于銀川平原中部,地處黃河中上游。地勢總體西高東低,開闊平坦,由山前洪積傾斜平原、沖洪積平原和沖湖積平原組成。沖湖積平原是銀川平原地勢最低的地貌單元,海拔1 100 m左右。構造上屬于新生代斷陷的銀川盆地中部,盆地周邊及內部活動斷裂主要以NNE向為主,穿過城市的大型斷裂主要有4條,分別為賀蘭山東麓斷裂、蘆花臺隱伏斷裂、銀川隱伏斷裂和黃河斷裂(圖1)。

圖1 銀川市地層及地質構造分布圖Fig.1 Geological and structural map of Yinchuan urban area

銀川市地層主要為第四系和新近系(圖1)。新近系巖性以褐紅色、黃褐色、桔黃色砂質泥巖、泥質砂巖、泥巖為主,埋深8～40 m,第四系廣泛分布,成因類型多樣,巖性主要為砂卵石、細砂、粉砂、粗砂、黏土等,沉積厚度逾千米。

2 地下空間開發的地質風險分析

地下空間的開發受到多種地質環境因素的制約,結合銀川市的地質環境條件,可能影響銀川城市地下空間開發的主要地質環境要素為地震、砂土液化、富水砂卵石層、地層承載力和地表載荷等。

2.1 地震地質風險

根據銀川市的地質情況,地震地質風險分析主要考慮活動斷裂和場地地震效應的影響。

(1)活動斷裂

銀川市存在4條活動斷裂(圖1),第四紀以來,該區域活動強度較大,活動斷裂發育,在進行地質風險分析時必須考慮斷裂影響。主要借鑒《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001(2016局部修改))中對活動性斷裂的主斷裂帶合理避讓的原則進行地質風險評價。

(2)場地地震效應

大量震害表明,場地工程地質、水文地質情況、地形地貌對建筑結構的震害有很大的影響,不同場地類別的地震效應不一樣。以土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度為評定指標,進行場地類別的劃分,得到如圖2所示的場地類型分布圖。

圖2 研究區場地類型分布圖Fig.2 Distribution map of soil types

銀川市主要存在II類和III類場地。根據場地類別的不同,可按照表1的調整系數對場地峰值加速度和基本地震動加速度反應譜特征周期進行調整。

表1 場地地震動峰值加速度和加速度反應譜特征周期調整表Table 1 Adjustment table of peak ground acceleration(PGA) and characteristic period of reaction spectrum

經調整后的研究區第四系土層II類和III類場地的地震動參數如下:

II類場地: 峰值加速度0.20g,反應譜特征周期0.40 s;

III類場地: 峰值加速度0.20g,反應譜特征周期0.55 s。

(3)地震的地質風險分析

考慮到地震對地下空間建設造成不同程度的影響,參照已有的研究成果(張曉彤,2016; 蔣杰等,2021; Xi et al.,2022)和相關規范(河南省地質礦產勘查開發局,2021)，將其風險等級劃分如表2所示。

表2 地震風險等級劃分表Table 2 Classification of earthquake risk

根據地震風險等級劃分標準,按風險就高不就低的原則,確定了研究區的地震風險等級分布如圖3所示,其中在風險等級劃分時考慮到活動斷裂的影響,按斷裂帶附近300 m的影響范圍為強風險考慮。

圖3 地震的地質風險分布圖Fig.3 Distribution of geological risk of earthquakes

從圖3可以看出,研究區的地震風險主要為中風險(III)區,西部和東部的邊界區域存在部分弱風險(II)區,在活動斷裂附近主要分布強風險(IV)區。由于銀川市的抗震設防烈度高、并且存在較多第四紀活動性斷裂,因此,相應的地震風險等級高。

2.2 砂土液化地質風險

根據銀川市城市地質調查的砂土原位測試數據進行液化指數的計算和液化程度的判定,研究區的液化情況如圖4所示。

圖4 砂土液化程度分布與地質風險等級圖Fig.4 Distribution map of sand liquefaction levels and geological risk

從圖4可以看出,研究區東北部、黃河沿岸通貴鄉的液化程度最嚴重,其他多數區域為無液化和輕微液化區。

銀川地區屬于8度設防烈度區,考慮到地下工程的重要性和損壞修復難度,將液化性的風險等級按表3進行劃分,風險等級分布結果如圖4所示。

表3 液化風險等級劃分表Table 3 Classification of liquefaction risk

從圖4可以看出,研究區東部的黃河沿線一帶存在強風險(IV)區和中風險(III)區,其余區域主要為弱風險(II)和微風險(I)區,中部局部存在中風險(III)區。

2.3 富水砂卵石層地質風險

銀川平原中堆積了巨厚的第四系松散堆積物,為地下水賦存創造了有利的空間。根據地層揭露情況,研究區存在細砂、粉砂、粗砂、砂卵石等含水巖組。為綜和評價含水層的富水性,采用統徑統降的涌水量(單井涌水量)進行評價。按照富水性分級方法,確定研究區的潛水富水性分布如圖5所示。

圖5 含水層富水性及地質風險分布圖Fig.5 Distribution map of aquifer intensity and geological risk

極強富水性區域主要分布在鎮北堡、高家閘林場一線以西至賀蘭山邊地區。含水層厚度大于100 m,富水性多大于3 000 m3/d。巖性為一套較厚的洪積相物質組成,巖性由塊石、卵石、砂礫石和細砂夾礫石等,并與沖洪積平原多層結構含水組呈犬牙交錯狀接觸。

強富水性區域主要分布在銀川市中部及南部的大部分地區,分布于沖洪積和河湖積平原地區,富水性多在1 000～3 000 m3/d。含水層巖性一般為細砂,西部含礫明顯增多。局部有中粗砂、粉砂,富水砂卵石層在城市地下工程施工中經常遇到,由于砂卵石層膠結程度差,洞室穩定性差,容易引起過大變形或塌方事件。加上水的作用,其物理力學性質變的更加復雜,開挖常誘發涌砂、涌水等災害。

將砂卵石層富水性的風險等級按表4進行劃分,相應的風險等級分布如圖5。

表4 富水性風險等級劃分表Table 4 Risk grades classification of rich aquifer

強風險(IV)區域主要分布在鎮北堡、高家閘林場一線以西至賀蘭山邊地區,銀川市中部及南部的大部分地區為中風險(III)區,銀川市北部等少部分區域為微風險(I)區。

2.4 地層承載力的地質風險

根據銀川城市地質調查成果,分別確定每層土體的地基承載力特征值,然后按照加權平均的方法分別計算淺層(0—15 m)和次淺層(15—30 m)土體的承載力特征值,其結果如圖6所示。

圖6 地基承載力與地質風險分布圖Fig.6 Distribution map of bearing capacity and geological risk

從圖6可以看出,研究區東部的淺層(0—15 m深度)承載力特征值比西部的小,西部的承載力特征值均大于250 kPa; 中部和東南部局部存在承載力特征值在150～200 kPa,局部小范圍的承載力特征值小于150 kPa。次淺層(15—30 m深度)的承載力特征值均大于250 kPa,并且多數區域的承載力特征值大于300 kPa。

綜合考慮國內外的相關經驗和規范要求,將承載力風險按表5進行等級劃分,相應的風險等級分布如圖6所示。

表5 承載力風險等級劃分表Table 5 Risk grades classification of bearing capacity

從圖6可以看出,研究區東部的淺層(0—15 m深度)承載力風險等級比西部的大,西部的承載力風險主要為微風險(I); 中部和東南部的承載力風險等級為弱風險(II),局部存在中風險(III)和強風險(IV)的區域。次淺層(15—30 m深度)的承載力風險均為微風險(I)。

2.5 地表載荷的地質風險

地表建筑物的類型會影響到地下工程的建設,如在高層建筑或公園下方進行地下工程建設(如軌道交通),其地質風險存在明顯差異。按“相近相似、便于統計”的原則,將城市的地表建筑物類型進行分類統計,獲得如圖7a所示的分布圖。

圖7 地表建筑物類型和地質風險分布圖Fig.7 Distribution map of building types and geological risk

考慮到不同地表建筑物會對其下方的工程建設造成不同程度的影響(地表水體對地下工程的影響風險大,將地表水體的風險也劃分為強風險),因此,風險等級劃分如表6,結果分布如圖7b。

表6 不同類型建筑物的風險等級劃分表Table 6 Risk grades classification of building types

從圖中可以看出,研究區的地表載荷風險等級主要為微風險(I)區,在銀川市中心等區域存在弱風險(II)區、中風險(III)區和強風險(IV)區。

3 地下空間開發的地質安全綜合風險分析

在單因素影響下的城市地下空間開發地質分析的基礎上,通過多要素的空間耦合模型,進行銀川市地下空間開發過程中的地質風險綜合評價。

3.1 評價指標與評價等級確定

根據銀川市地質情況的綜合分析,確定影響城市地下空間開發的主要地質因素為地震、液化土層、富水砂卵石、土體承載力和地表載荷等五類。各類因素的評價因子等級劃分見上節。

3.2 評價指標權重的確定

目前權重的確定方法有很多(吳文博等,2013;Wang et al.,2013; Hou et al.,2016; Lu et al.,2016;Peng et al.,2018),本次選取層次分析法(AHP)進行賦權。

權重的確定是AHP解決問題的核心,針對AHP的標度方法不能準確地表達出指標間的重要性對比問題,采用以AHP為基礎的乘積標度法,根據乘積標度法確定權重。通過因素之間的兩兩比較獲得因素之間的相對重要性,然后根據給定的數字標度,將相對重要性的語言描述轉化為數字描述,從而獲得相應的判斷矩陣。

乘積標度法賦權的步驟是:

(1)基于乘積標度法對指標重要性進行排序。在指標重要性比較時,不先劃分過多的等級,而只設置兩個等級,即指標A與指標B的重要性“相同”或“稍微大”,然后以此作為基礎進行遞進乘積分析。根據對地下空間工程的危害程度,將指標按重要性排序: 地震＞砂土液化＞承載力＞富水砂卵石＞地表載荷。

(2)根據指標重要性排序,進而確定指標的標度值。指標A與指標B的重要性“相同”時則標度值為A: B=1: 1,若指標A的重要性比指標B的重要性“稍微大”則標度值為A: B=1.121: 1,以此類推。

指標標度值為:

地震: 砂土液化: 承載力: 富水砂卵石: 地表荷載=2.496: 1.580: 1.257: 1.121: 1。

權重為:

地震: 砂土液化: 承載力: 富水砂卵石: 地表荷載=0.335: 0.212: 0.169: 0.150: 0.134。

3.3 評價過程與結果

利用ArcGIS和Surfer軟件提取各評價因素圖層,依據研究區內單因素評價分析結果,按照每個因素的不同類別及對城市地下空間開發的影響程度將各評價因素分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個風險等級,并對四個風險等級進行賦值,進而得到各因素的風險性圖層。

采用基于層次分析法的乘積標度法對評價因素重要性進行賦權,然后在ArcGIS中對各評價因子的柵格圖層進行加權總和,得到綜合分析的風險性圖層。按表7所示的城市地下空間開發的地質風險等級表,對綜合分析風險性圖層進行等級劃分,得到如圖8所示的地質風險綜合分析結果圖。

表7 地下空間開發地質風險等級表Table 7 Geological risk grades classification of underground space development

圖8 地下空間開發地質風險綜合分析圖Fig.8 Comprehensive geological risk distribution map of underground space development

從圖8可以看出,強風險區(IV區)面積最小,占總面積的4.10%,主要分布在研究區東部的兩條活動斷裂影響區,主要包括賀蘭縣的縣城、立崗鎮、金貴鎮局部等區域。

中風險區(III區)面積占總面積的19.69%,主要分布在研究區中部的賀蘭縣的大部分區域,包括立崗鎮、金貴鎮等,興慶區靠近賀蘭縣的局部,永寧縣的望遠鎮、勝利鄉、楊和鎮和南部的李俊鎮,金鳳區的東北部,以及西夏區的東部等區域。

弱風險區(II區)相對范圍最大,面積占總面積的41.07%,主要分布在賀蘭縣的洪廣鎮、常信鄉、習崗鎮等,興慶區的大新鎮,金鳳區的豐登鎮等,永寧縣的大部分區域,西夏區的東部等區域。

低風險區(I區)面積相對較大,占總面積的35.13%,主要分布在研究區的西部和東部,即西夏區和永寧縣的西部、南部靠近賀蘭山的區域,以及興慶區靠近東部山區的區域。

4 結論

(1)銀川市存在可能影響地下空間開發安全的主要地質環境要素為地震、砂土液化、富水砂卵石層、地基承載力和地表載荷等。

(2)通過對銀川市的地震(活動斷裂和場地地震效應)、砂土液化、富水砂卵石層、地基承載力和地表載荷的單要素地質風險分析,地震強風險區主要分布在活動斷裂沿線; 砂土液化強風險區分布在東部黃河沿線; 富水砂卵石層的強風險區分布在賀蘭山山前區域; 東南部存在少量的淺層承載力中風險區; 中心城區存在少量地表載荷強風險區。

(3)銀川市的地質風險綜合分析表明,強風險區面積最小,占總面積的4.10%,中風險區面積占19.69%,弱風險區相對范圍最大,面積占41.07%,低風險區占35.13%。

Acknowledgements:

This study was supported by the Government of Ningxia Hui Autonomous Region (No.NDCF-[2021]-2),and National Natural Science Foundation of China(No.42077239).