基于層次分析法的過江隧道工程場地適宜性研究
——以長江中游簰洲灣—武穴段為例

梁 川, 李慧娟, 陳 剛, 李彧磊, 任 玥

(1.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)實驗測試中心,湖北 武漢 430034)

基于層次分析法的過江隧道工程場地適宜性研究
——以長江中游簰洲灣—武穴段為例

梁 川1, 李慧娟1, 陳 剛1, 李彧磊1, 任 玥2

(1.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)實驗測試中心,湖北 武漢 430034)

為了探索長江經(jīng)濟帶重大工程建設(shè)場地適宜性,從地質(zhì)環(huán)境角度出發(fā),系統(tǒng)分析長江中游簰洲灣—武穴段沿岸段地質(zhì)環(huán)境條件及環(huán)境地質(zhì)問題,闡述應(yīng)用層次分析方法(AHP)進行過江隧道工程場地適宜性評價的原理和步驟,建立一套適用于長江中游過江隧道工程場地適宜性評價的模型,提出工程場地評價層次結(jié)構(gòu)的建立、評價因子等級劃分、基本分值的確定以及應(yīng)用綜合得分進行適宜性分級的具體方法。

過江隧道;地質(zhì)工程適宜性;層次分析;長江中游;GIS

地質(zhì)環(huán)境是城市建設(shè)的基本條件,長江沿岸地質(zhì)環(huán)境適宜性研究是沿岸城市建設(shè)功能區(qū)劃和城市規(guī)劃的基本依據(jù)之一。通過對沿江地區(qū)地質(zhì)環(huán)境的深入研究,合理布局沿江開發(fā)產(chǎn)業(yè)基地,從地質(zhì)學(xué)角度優(yōu)選過江通道場地,為沿江開發(fā)提供科學(xué)依據(jù),對于沿江開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展有著十分重要的意義。

在地質(zhì)工作自身的發(fā)展和國家相關(guān)需求不斷變化的形勢下,如何在國土規(guī)劃中科學(xué)合理地構(gòu)建國土規(guī)劃中的工程場地適宜性研究方法體系已成為當今地質(zhì)環(huán)境工作研究的新課題。

為了更好地服務(wù)長江中游沿岸城市發(fā)展和國土規(guī)劃,探索重大工程建設(shè)場地適宜性,從地質(zhì)環(huán)境角度出發(fā),闡述過江隧道工程場地適宜性研究的基本思路和方法,并在長江中游簰洲灣—武穴段沿岸段開展實踐研究。

1 地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 地理位置

本次研究區(qū)地理坐標范圍:113°51′～115°41′,緯度:29°10′～30°42′。研究的范圍包括長江中游簰洲灣—武穴沿岸段,南北兩岸外推1.5 km的陸域。其中左岸自烏魚洲—李英郭家鋪,長約330 km;右岸西自永興洲東—黃沙,全長285 km。

1.2 環(huán)境地質(zhì)條件

1.2.1 地形地貌

長江中游簰洲灣—武穴沿岸段地處江漢平原東部,地貌形態(tài)為堆積平原,地勢為東高西低、南高北低。沿江地區(qū)依據(jù)地貌成因類型分為東南部崗地丘陵區(qū)和西部長江河谷平原區(qū)兩個大區(qū)。除東南部少部分低山丘陵外,絕大部分為高河漫灘,地勢平坦開闊,沿線分布有長江大堤,堤頂高程 26～35 m,堤外一般為寬約100～500 m的灘地,高程 15～26 m,堤外近大堤 50 m地段為護堤防護林[1]。

1.2.2 地層巖性

長江中游簰洲灣—武穴沿岸段河床及兩岸主要為第四系松散沉積物覆蓋,底部基巖由白堊—第三系和上泥盆統(tǒng)五通組、志留系中統(tǒng)構(gòu)成,巖性主要為砂巖、砂礫巖、石英砂巖、泥巖,部分河段分布有碳酸鹽巖、巖漿巖和砂巖,局部零星出露。

1.2.3 水文地質(zhì)特征

研究區(qū)地下水主要為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水和少量零星分布的基巖裂隙水。區(qū)內(nèi)地下水主要賦存于巖石中裂隙、溶隙及松散層的孔隙中,水文地質(zhì)條件復(fù)雜,含水介質(zhì)類型多,水量貧富懸殊。

1.2.4 工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖石類型、巖性組合及結(jié)構(gòu)特征,可將長江中游簰洲灣—武穴沿岸段巖體劃分為碳酸鹽巖工程地質(zhì)巖類、碎屑巖工程地質(zhì)巖類、變質(zhì)巖工程地質(zhì)巖類、巖漿巖工程地質(zhì)巖類、粘性土工程地質(zhì)巖組、砂性土工程地質(zhì)巖組。

1.3 主要環(huán)境地質(zhì)問題

研究區(qū)主要的工程地質(zhì)問題包括岸坡崩塌、滲透管涌、巖溶地面塌陷、軟土震陷等不良地質(zhì)作用。研究區(qū)地表沉積物一般具二元結(jié)構(gòu)。表層為粉質(zhì)粘土、粉土,透水性微弱,滲透系數(shù)一般為1×10-6～1×10-5cm/s;底層為砂、砂礫石層,滲透系數(shù)一般為1×10-3～1×10-2cm/s,兩層滲透系數(shù)差異較大[2-3]。當?shù)乇硭坏陀诘叵滤粫r,地下水滲透壓力對堤身穩(wěn)定起剪切破壞作用,易引起河岸的滑坡、塌岸。

長江肖家洲—潘家灣段和居字號段是省內(nèi)長江崩岸著名險段。汛期長江武漢段堤防管涌險情時有發(fā)生,主要在鸚鵡洲及天興洲堤防段。在長江岸坡的一級階地中,青菱鄉(xiāng)毛坦港、白沙洲大道、江夏區(qū)金水辦事處等地曾發(fā)生巖溶地面塌陷。軟土分布區(qū)主要分布在長江沿岸沖湖積、湖積低平原區(qū)一級階地、漫灘及河心洲,地形平坦,微向階地后緣傾斜,地面標高19～31 m[4]。

1.4 河床演變特點

長江中下游河道流經(jīng)廣闊的沖積平原,由于地質(zhì)構(gòu)成的影響,簰洲灣—武漢河道走向為西南—東北走向,武漢—武穴河道走向為西北—東南走向,河道寬窄相間,有的呈藕節(jié)狀,有的似鵝頭型。

研究區(qū)河段由簰洲灣、武漢、葉家洲、團風(fēng)、黃洲、戴家洲、黃石、武穴諸河段組成。兩岸節(jié)點眾多,通過其約束和調(diào)整水流,對下游一定范圍的河勢具有控制作用。不穩(wěn)定的分汊河段,主流容易擺動,灘槽時有變化,主支汊易位呈周期性變化,還存在洲灘兼并或切灘、江心洲并岸等演變特點[5-6]。

河勢較穩(wěn)定的彎道凹岸一般為天然良港(如陽邏港、鄂州港、黃石港等)。分汊河道中順直汊道(如武漢河段)主汊岸線相對較穩(wěn)定,彎曲汊道(如戴家洲河段)次之,而鵝頭型汊道(如團風(fēng)河段)則不穩(wěn)。

2 適宜性評價體系研究

工程場地適宜性研究的難點是影響因素多源復(fù)雜、各指標的相關(guān)性與重疊性,而現(xiàn)有的研究手段與深度還不足以全面弄清各地質(zhì)要素間的錯綜復(fù)雜的關(guān)系。為了解決評價要素的不同屬性、不同度量標準、不同定性與定量標準等的統(tǒng)一化和規(guī)范化問題,遵循綜合分析與主導(dǎo)因素相結(jié)合和可持續(xù)利用的原則,采用層次分析法(AHP)的思路構(gòu)建模型,來研究岸段過江隧道的場地適宜性。

2.1 評價單元劃分

過江隧道適宜性研究的評價單元劃分以地貌形態(tài)+巖土體類型為標志。依據(jù)地貌成因類型分為東南部崗地丘陵區(qū)、西部長江河谷平原區(qū)兩個大區(qū);以巖土體類型和工程地質(zhì)條件為依據(jù),采用GIS軟件進行評價單元劃分,將長江沿江外推1.5 km的陸地劃分為64個評價單元。

2.2 評價因子選擇

鑒于本次過江隧道工程場地適宜性評價主要以盾構(gòu)法為評價對象,依據(jù)隧道對場地條件的要求及施工難易程度、經(jīng)濟性,選擇江槽下切深度、圍巖工程地質(zhì)特性、隧道軸線與軟弱面走向與的夾角,次要因子為江面寬度、水下地形、明挖段工程地質(zhì)特征、場地地震基本烈度7個敏感響應(yīng)因子作為評價因子。

2.3 評價體系建立

在沿江重大工程布局過程中,要堅持安全性和經(jīng)濟性相結(jié)合的原則,優(yōu)先考慮安全性。根據(jù)因素屬性和影響程度,構(gòu)建過江隧道場地適宜性評價體系(圖1)。

圖1 過江隧道場地適宜性評價體系Fig.1 Suitability evaluation system of site crossing river tunnel

2.4 評價指標權(quán)重

運用層次分析法(AHP),將各評價指標定量成對比矩陣輸入計算機,由式(1)計算,得到各指標在過江隧道場地適宜性評價體系中的Vi矩陣和權(quán)重如表1所示。

(1)

式中:W表示評價指標權(quán)重;Vij表示評價指標i對j對于上一層決策的重要性比值。

表1 過江隧道適宜性評價指標矩陣與權(quán)重分配Table 1 Index matrix and weight distribution of crossingriver tunnel suitability evaluation

按式(2)進行一致性檢驗。CR:0.05753<0.1,說明總體一致性符合要求,所建立的判斷矩陣合理。

(2)

式中:CI表示一致性指標;RI表示相應(yīng)的平均隨機一致性指標;CR表示一致性比例。

2.5 評價指標量化與數(shù)據(jù)采集

從定性的地質(zhì)分析轉(zhuǎn)向定量的數(shù)學(xué)模型計算,可依據(jù)隧道對場地地質(zhì)條件的優(yōu)劣及施工難宜程度與經(jīng)濟性,將過江隧道適宜性評價因子數(shù)量化。水下地形地勢平坦、河床起伏小、江面寬度小、江槽下切深度越小越適宜過江隧道布局與施工。從場地工程地質(zhì)條件來看,圍巖為巖相穩(wěn)定或沉積連續(xù)的粘性土,明挖段為基巖、中—硬土,地勢平坦、開闊的岸段穩(wěn)定性良好,更有利于隧道施工。隧道選址還應(yīng)避開斷裂破碎帶及不同斷裂交會地段,防止發(fā)生大規(guī)模涌突水災(zāi)害。故確定長江中游簰洲灣—武穴沿岸段過江隧道適宜性評價因素與單因子指標量化標準見表2。

表2 過江隧道適宜性評價因素與單因子指標量化標準Table 2 Evaluation index quantification of crossing river tunnel suitability evaluation

根據(jù)研究區(qū)已有勘探資料與數(shù)字化水下地形圖建立數(shù)據(jù)庫,用GIS的圖形處理和空間分析功能采集不同評價單元的地質(zhì)空間數(shù)據(jù)和水文類因子。江槽下切深度、江面寬度、水下地形指標從數(shù)字化水下地形圖上獲取。場地地震基本烈度數(shù)據(jù)從《湖北省地震烈度區(qū)劃圖》上采集,隧道與軟弱面走向的夾角、圍巖工程地質(zhì)特性、明挖段工程地質(zhì)特征依據(jù)沿江鉆孔資料、巖土體物理力學(xué)參數(shù)(巖體承載力、土體的承載力、土體壓縮系數(shù)),結(jié)合工程地質(zhì)分區(qū)圖、環(huán)境地質(zhì)圖、基巖地質(zhì)分區(qū)圖綜合判別和計算[7-8]。

3 評價結(jié)果與分析

對研究區(qū)過江隧道適宜性評價結(jié)果與岸段工程地質(zhì)條件進行對比分析,結(jié)果見表4和表5。

表3 長江中游沿岸簰洲灣—武穴沿岸段隧道適宜性分區(qū)統(tǒng)計表Table 3 Suitability zoning statistics of the middle reaches of the Yangtze River from Paizhouwan to Wuxue

表4 長江中游沿岸簰洲灣—武穴沿岸段過江隧道場地適宜性結(jié)果分析表Table 4 Site suitability analysis of river crossing tunnel of the middle reaches of the Yangtze River from Paizhouwan to Wuxue

圖2 長江中游沿岸簰洲灣—武穴沿岸段過江隧道適宜性評價分區(qū)圖Fig.2 Suitability zoning map of the middle reaches of the Yangtze River from Paizhouwan to Wuxue

過江隧道場地適宜性評價等級簰洲灣—武漢長江隧道武漢長江隧道—鄂黃長江大橋鄂黃長江大橋—武穴長度/km所占比例/%長度/km所占比例/%長度/km所占比例/%一級4047.061514.283528.00二級3035.294542.867560.00三級1517.654542.861512.00

研究結(jié)果表明,一級岸段中漢南區(qū)—李家灣—金口亭—軍山水廠取水頭、陽邏架空電纜—陽邏長江公路大橋、中石化黃州碼頭—六福灣—望天湖、蘄州鎮(zhèn)—石排港:無斷裂、江槽下切深度13～15 m,圍巖條件好、江面寬度小,適宜建隧。茅山港—九松閘—肖家灣—管家圍、盤塘—壟龍灣:主要評價指標一至二級,建隧條件較好。舉河—團風(fēng)縣:無斷裂、江槽下切深度<20 m,江面寬度小,適宜建隧。邵家灣—江漢路、沙洲—灘蓋:圍巖條件好、江面寬度小。

部分岸段,如楊家當—蘭溪鎮(zhèn)、黃岡公鐵兩用長江大橋—王家寨—沙洲存在問題為河床起伏>15 m,為軟土、液化砂土、膨脹土分布區(qū),經(jīng)過,綜合評價結(jié)果為三級岸段,雖不是最理想的區(qū)段,但這些岸段交通位置較好,可通過相應(yīng)工程措施來克服不利條件,進行建設(shè)。

應(yīng)用該模型對長江中游沿岸簰洲灣—武穴沿岸段過江隧道適宜性進行研究,并對研究結(jié)果與實際開發(fā)利用現(xiàn)狀對比,評價結(jié)果準確,可有效支撐國土規(guī)劃。

4 結(jié)論與建議

通過地質(zhì)環(huán)境條件分析,闡明了威脅長江中游簰洲灣—武穴段沿岸段的環(huán)境地質(zhì)問題。提出了過江隧道場地的適宜性評價模型,以長江中游簰洲灣—武穴段為例,應(yīng)用層次分析方法(AHP)對研究區(qū)過江隧道工程場地適宜性進行了系統(tǒng)研究。最終確定各岸段開發(fā)利用適宜性等級,并對研究區(qū)過江隧道一級岸段特征進行分析。

研究結(jié)果表明,過江隧道一級場地主要分布于漢南區(qū)、陽邏、六福灣、蘄州鎮(zhèn)、石排港等地,這些場地均具有場地?zé)o斷裂構(gòu)造、江槽下切深度較小,圍巖條件穩(wěn)定性好、江面寬度小等特征,適宜建隧。

建議下一步針對適宜性評價結(jié)果中一級岸段,運用風(fēng)險決策分析方法,論證過江隧道最適宜位置。

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Study on Site Suitability of Cross River Tunnel Project byAnalytic Hierarchy Process

LIANG Chuan1, LI Huijuan1, CHEN Gang1, LI Yulei1, REN Yue2

(1.HubeiGeologicalEnvironmentStation,Wuhan,Hubei430034; 2.HubeiProvinceGeologicalExperimentalTestingCenter,Wuhan,Hubei430034)

The geological environment point of view is selected to explore the site suitability of major construction projects in the Yangtze River economic zone.The geological environmental conditions and environmental geological problems of the coast from Paizhouwan to Wuxue of the Yangtze River middle reaches are analyzed systematically.The principle and steps of evaluation of the river tunnel engineering site suitability based on the application of analytic hierarchy process(AHP)are presented.The establishment of evaluation hierarchy,evaluation factors,basic scores and the suitability classification are instructed in detail.

river-crossing tunnel; geological engineering suitability; analytic hierarchy process; middle reaches of Yangtze River; GIS

P64; U459

A

1671-1211(2017)06-0758-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.06.017

2017-08-21;改回日期2017-10-11

長江中游沿岸簰洲灣—武穴沿岸段地質(zhì)環(huán)境工程建設(shè)適宜性評價專題;長江中游武漢—黃石沿岸段1∶5萬蘄州幅環(huán)境地質(zhì)調(diào)查。

梁川(1990-),女,助理工程師,碩士,環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè),從事水工環(huán)地質(zhì)相關(guān)研究工作。E-mail:liangchuan90@126.com

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20171026.0845.030.html數(shù)字出版日期2017-10-26 08:45

李雯)