閩江口地區(qū)地下空間開發(fā)利用適宜性評價

唐勇

（1.福建省建筑科學研究院，福建 福州350025；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福建 福州350025）

隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，土地資源和既有規(guī)劃的限制，擁堵成為城鎮(zhèn)化的主要問題之一.土地資源的立體開發(fā)利用即地下空間開發(fā)，是解決擁堵問題的一個行之有效的方法.然而，地下空間資源有限，其開發(fā)利用除了與公共需求相關，更重要的是地質(zhì)環(huán)境，地質(zhì)環(huán)境決定了其開發(fā)利用的范圍與合理形式.因此，開展地下空間開發(fā)利用的適宜性評價十分必要.國外關于地下空間開發(fā)利用的研究起步較早，主要集中在地下空間開發(fā)與地質(zhì)環(huán)境的關系上.Ronka等［1］研究了地下空間開發(fā)的有利地質(zhì)環(huán)境；Cano－Hurtado等［2］研究了城市公共地下空間的可持續(xù)開發(fā)策略；Umnov等［3］研究了地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境評估方法.目前，天津［4］、北京［5］、南寧［6］、南京、上海等很多城市已經(jīng)對地下空間的開發(fā)利用進行了適宜性評價.閩江口地區(qū)地下空間開發(fā)利用主要集中在福州主城區(qū)，而在長樂、閩侯、馬尾等地區(qū)相對較少.經(jīng)統(tǒng)計，福州市中心城區(qū)現(xiàn)狀地下空間建設總量約1 200萬m2.福州市中心城區(qū)現(xiàn)狀地下空間建設有著總量大、功能較單一、分布密、地下空間相互獨立等［7］特征.本文針對閩江口地區(qū)特殊的地質(zhì)環(huán)境條件特點，建立與之相適應的評價模型，并對閩江口地區(qū)的地下空間開發(fā)適宜性進行了研究和評價.

1 閩江口地區(qū)地質(zhì)環(huán)境

1.1 工程地質(zhì)條件

閩江口地區(qū)枕鷲峰－戴云山脈，東瀕東海，閩江自西北向東南流經(jīng)中部.地勢西高東低，呈層狀下降，該地區(qū)以山地丘陵為主，平原面積較小，山區(qū)中多鑲嵌小盆地.閩江口地區(qū)位于歐亞大陸板塊的東南緣，在大地構(gòu)造單元上分屬于閩東火山斷坳帶和平潭－東山構(gòu)造帶，斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，但無活動性斷裂.

閩江口地區(qū)地層巖性，可分為巖類和土類兩大類.巖類主要包括堅硬塊狀侵入巖類、堅硬塊狀火山巖類和半堅硬塊狀變質(zhì)巖類.土類包括礫質(zhì)土類、砂性土類、粘性土類和特殊性土類.

閩江口地區(qū)較典型的工程地質(zhì)剖面圖，如圖1所示.圖1中：h為高程；1為堅硬侵入巖組；2為堅硬火山巖巖組；3為堅硬半堅硬火山巖巖組；4為殘積土巖組；5為礫質(zhì)土巖體；6為砂性土巖組；7為粘性土巖組；8為淤泥質(zhì)土巖組；9為人工填土巖組；10為淤泥；11為淤泥質(zhì)粘土；12為淤泥質(zhì)砂；13為粘土；14為亞粘土；15為輕亞粘土；16為含礫亞粘土；17為細砂；18為中砂；19為泥質(zhì)砂；20為泥質(zhì)砂礫卵石；21為火山巖；22為侵入巖；23為全風化侵入巖；24為風化層與新鮮巖石界面；25為逆斷層；26為正斷層.由圖1可知：地層起伏大和地形分布空間差異大是閩江口地區(qū)地質(zhì)條件的主要特征.

圖1 典型工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Typical geological section

1.2 水文地質(zhì)條件

場區(qū)總體上呈現(xiàn)從盆地四周向盆地中心匯聚的向心狀水系特征，匯水中心偏向盆地南側(cè).區(qū)內(nèi)地下水除上部潛水外，尚有承壓水存在，主要發(fā)育于龍海組沖洪積層，厚度為20～30m，以泥質(zhì)砂礫卵石層為主.此外，一些斷層破碎帶和裂隙中也存在承壓水，但是一般埋藏較深.

1.3 主要工程地質(zhì)問題

1.3.1 花崗巖殘積土 閩江口地區(qū)大范圍分布著花崗巖殘積土.花崗巖殘積土是花崗巖經(jīng)物理風化和化學風化后殘留在原地的碎屑物.其主要工程地質(zhì)特征包括中偏低壓縮性、軟化性、易擾動性和崩解性.其中，軟化性、易擾動性和崩解性是較突出的工程地質(zhì)問題［8］.

1.3.2 軟土 閩江口地區(qū)軟土成因類型屬溺谷相、海相沉積.軟土壓縮模量低、抗剪強度較低、流變性、低滲透性等.低壓縮模量的土體在外荷作用下會產(chǎn)生較大的變形（較大的沉降或不均勻沉降）.抗剪強度較低容易導致邊坡失穩(wěn).流變性會導致較大的工后沉降，且持續(xù)時間較長，往往會長達十余年.

1.3.3 砂礫石層 閩江口地區(qū)因河流地質(zhì)作用而廣泛分布著砂、礫石層和卵石層，是重要的含水層.地下水會造成某些特殊土的強度降低.由于福州主城區(qū)被閩江和烏龍江穿過，特殊的水文地理環(huán)境導致兩江周邊地區(qū)含水層往往較厚，且水量大，給工程降水和止水提出了新要求.此外，抗浮施工的難度與費用也相應地提高.

2 評價模型

2.1 評價模型與方法

采用模糊層次分析法，通過多級指標體系對整個閩江口地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件進行多層次評價；由專家比較同一級指標在適宜性評價的重要性，從而確定標度矩陣；求解標度矩陣的特征值和特征向量，并對特征向量進行歸一化，得到各個指標的權(quán)重.該方法將人為主觀性降到最低，因此，應用廣泛［9－11］.

2.2 指標體系與評價標準

具有代表性和層次性的指標體系是合理評價結(jié)果的關鍵.在詳細分析既有勘察資料的基礎上，利用統(tǒng)計學方法歸類，把指標體系分為地質(zhì)條件類、地下空間開發(fā)對周邊環(huán)境的造成的影響類、經(jīng)濟效益類3大類.其中，地質(zhì)條件類（即工程地質(zhì)條件）包括地形地貌、巖土體特征、水文地質(zhì)條件和場地條件.需要指出的是，對于巖土體而言，其主要評價標準應是抗剪強度指標，但由于抗剪強度指標不便于量化比較，參照同行做法，采用承載力.在此基礎之上，結(jié)合專家意見，確定了有代表性的地質(zhì)條件指標和工程條件指標，如表1所示.

評判集可采用4～6個等級，文中采用4級（適宜，較適宜，較不適宜，不適宜），評價范圍為0～－10 m，－10～－30m.因此，需要綜合標準規(guī)范、地方規(guī)程和專家意見制定兩套評價標準，對這兩個深度范圍分別進行評價.因篇幅限制，文中僅介紹0～－10m 深度范圍的評價，評價標準如表2所示.

評價標準由3種方法確定：第一，規(guī)范里有明確規(guī)定的（如地下水腐蝕性參照GB 50021－2001《巖土工程勘察規(guī)范》（2009年版））；第二，需結(jié)合地方經(jīng)驗的（如巖土體組合、地形地貌，這種有地方特點的指標）；第三，借助專家意見（如工程造價等）.

表1 指標體系表Tab.1 Index system table

表2 評價標準表Tab.2 Evaluation standard table

2.3 隸屬函數(shù)與權(quán)重的確定

根據(jù)各個指標體系對地下空間開發(fā)適宜性的影響規(guī)律確定隸屬.確定隸屬函數(shù)的常用方法有Del－phi法、概率統(tǒng)計法、三分法、相對比較法、對比平均法等［12］.文中采用的隸屬函數(shù)模型主要為以下3種.

2.3.1 統(tǒng)計模型 針對難以定量計算的指標，如地表建筑，采用統(tǒng)計模型.對于地表建筑，可分別統(tǒng)計各類建筑所占面積的百分比，以此作為該指標的隸屬度.需要指出的是，專家打分結(jié)果也采用統(tǒng)計模型計算其隸屬度.其表達式為

式（1）中：Vi為隸屬度；Si為評判等級i所對應的統(tǒng)計結(jié)果.

文中地物類型指標是采用統(tǒng)計模型，以各等級地物類型的面積百分比作為評價向量.

2.3.2 0－1模型 對于難以量化和統(tǒng)計的指標，采用0－1模型，如地層組合.這類指標有嚴格的判斷標準，符合某級標準，則該級的隸屬度為1，其余均為0.其中，巖土體組合、孤石、地下水腐蝕性等指標采用0－1模型.

2.3.3 梯形或半梯形模型 對于可量化模型，如巖土體承載力、地面沉降等，采用梯形或半梯形模型隸屬度計算（指標越小越適宜情況，對于越大越適宜的指標則相反），即

式（2）～（5）中：V1，V2，V3，V4均表示隸屬度；u1，u2，u3，u4為評價標準；xi為變量取值.地面坡度、土體承載力等可量化指標采用梯形或半梯形模型.

合理的權(quán)重是安全評價模型的關鍵，常用的有專家經(jīng)驗法、調(diào)查統(tǒng)計法以及層次分析法.其中，專家分析法和調(diào)查統(tǒng)計法易受人為主觀因素影響；層次分析法因受人為主觀因素影響相對較小而被廣泛采用.層次分析法通過將各評價因素兩兩比較判斷每一因素的相對重要性，在層次結(jié)構(gòu)內(nèi)進行合成，以得到?jīng)Q策因素相對于目標的重要性總順序，從而為決策提供判定依據(jù)的方法.層次分析法標度矩陣的確定方法參見文獻［6］.經(jīng)過比較得出各級指標的標度矩陣S，即

工程造價指標的各二級指標按同等重要考慮.由此，確定的權(quán)重分別為

3 評價步驟與結(jié)果

3.1 模型驗證

為了驗證該模型的有效性，選取了福州八一七路南街地下空間作為評價對象.南街地下空間改造工程位于福州市鼓樓區(qū)八一七路南門兜－東街口地鐵區(qū)間段，南起南門兜地鐵站，北至東街口地鐵站.因篇幅有限，其基本地質(zhì)資料參見《福州市八一七路南街地下空間改造工程巖土工程勘察報告》.

經(jīng)模型計算得到該地區(qū)的評判向量為（0.26，0.30，0.28，0.16），該區(qū)域在0～－10m 深度范圍內(nèi)是較適宜進行地下空間開發(fā)的.由于地鐵沿線的地下空間開發(fā)均經(jīng)過全方位評估，評價結(jié)果與相關部門的評價結(jié)果基本一致，故該模型為有效的.

3.2 評價過程與結(jié)果

根據(jù)勘探鉆孔布置間距，合理確定網(wǎng)格劃分，確保每個網(wǎng)格至少包含一個勘探鉆孔［13］，最終確定網(wǎng)格大小為2km×2km，共計440個網(wǎng)格.在此基礎之上，按照評價標準對每個網(wǎng)格進行數(shù)據(jù)收集與評價.并將評價結(jié)果作為1個字段，錄入GIS系統(tǒng)并繪制云圖.為了更直觀地反應結(jié)果，分別對工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和適宜性的評價結(jié)果進行了統(tǒng)計.工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件的適宜性評價結(jié)果，如圖2所示.0～－10m 范圍的地下空間開發(fā)適宜性評價結(jié)果，如圖3所示.

圖2 工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件的適宜性評價結(jié)果 Fig.2 Suitability evaluation result of engineering geological conditions and hydrogeology conditions

圖3 地下空間開發(fā)適宜性評價 Fig.3 Suitability evaluation result of underground space development

由圖2，3中可知：1）適宜范圍相對較廣，福州主城區(qū)大部分地區(qū)是適宜的，包括鼓樓區(qū)、晉安區(qū)、臺江區(qū)、倉山區(qū)，除個別地方地表水較豐富，或者存在古跡等不適宜外，都為適宜或較適宜；2）主城區(qū)以外適宜開發(fā)地下空間的區(qū)域也相對集中，大學城大部區(qū)域、甘蔗鎮(zhèn)一帶、南嶼鎮(zhèn)、尚干鎮(zhèn)等，除此以外，長樂市及沿海也有大片區(qū)域適宜進行地下空間開發(fā)；3）不適宜地區(qū)主要集中在福州盆地周邊，閩江沿線，及長樂市的部分區(qū)域.這部分地區(qū)要么地勢起伏較大，要么存在生態(tài)保護區(qū)，要么地表水發(fā)育，要么工程地質(zhì)條件較差.

利用GIS軟件對適宜作為地下空間的區(qū)域進行了統(tǒng)計，閩江口地區(qū)0～－10m 深度范圍內(nèi)可進行地下空間開發(fā)的總面積為566km2（總面積為1 587km2）.由此可見，目前閩江口地區(qū)地下空間的開發(fā)利用率并不高，基本集中在主城區(qū).

4 結(jié)束語

在分析大量地質(zhì)資料的基礎之上，通過統(tǒng)計學的方法提取部分有效參數(shù)，利用模糊層次分析法，對福州盆地內(nèi)地下空間開發(fā)適宜性進行評價.從評價結(jié)果的分布規(guī)律可以看出：在0～－10m 深度范圍內(nèi)，福州盆地內(nèi)大部分地區(qū)是適宜進行地下空間開發(fā)的，尤其是中心城區(qū)，除個別高層建筑比較密集、地下空間開發(fā)利用率已經(jīng)較高的地區(qū)，如鼓樓區(qū)；不適宜的地區(qū)主要是靠近山地、河流的地區(qū).經(jīng)統(tǒng)計，相對適宜進行地下空間開發(fā)的地區(qū)面積為566km2.需要指出的是，文中評價的結(jié)果是相對的，僅僅是從地質(zhì)環(huán)境和技術經(jīng)濟的角度出發(fā)所得到的結(jié)論.從純技術的角度講，是沒有不可逾越的障礙的，只是代價更大，風險更大.

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