地下空間開發地質環境質量評價指標體系研究

王松泉，李 友

(1.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，廣東 佛山 528200；2.棗莊礦業集團田陳煤礦制修中心，山東 棗莊 277100)

1 引言

隨著綜合國力的不斷提高，我國的城市現代化的進程呈現不斷增長的趨勢。與此同時，城市發展進程中所面臨的諸如生態失衡、交通擁堵、人地矛盾等一系列問題日益加劇。地下空間資源作為一種新型的國土空間資源，有著廣闊的應用前景。向“地下進軍”已成為我國現代化發展的強烈需求和必然趨勢[1～3]。地質環境是城市空間開發的一種載體，作為基本條件強烈制約著地下空間大規模的開發利用。系統地開展地質環境對地下空間開發的影響分析，能夠有效地規避在城市地下空間開發利用過程中出現的不可控風險及后果。因此，在大規模開發地下空間前，開展城市地下空間開發利用地質環境質量評價，對更加科學、合理地開發和利用地下空間資源，保障城市安全具有重要作用[4～7]。

近年來，佛山市社會經濟快速發展，為了進一步推進城市發展的可持續性，在全市范圍內進行必要的地下空間開發利用顯得尤為迫切。地質環境作為地下空間開發的空間載體，對其進行有效評價已成為科學有效利用地下空間的核心要點，而在評價過程中基礎且重要的關鍵工作內容就是對影響佛山市地下空間開發利用的指標因素進行準確的分析、確定和評價。

本文通過對影響佛山市地下空間開發關鍵性地質環境問題進行系統分析的基礎上，基于AHP(層次分析方法)構建了具有多層次結構特征的地下空間開發地質環境質量評價指標體系，并進行了多層次指標權重的計算、一致性檢驗和分析，為佛山市及其他城市地下空間評價提供相關實例參考。

2 佛山市地下空間開發地質環境質量評價指標體系構建

地下空間開發地質環境質量評價是受地下多種指標因素綜合疊加影響導致的結果，該項評價需采用一定的評價指標體系來參與完成[8～10]。因此，構建科學、合理的評價指標體系不僅是地下空間開發地質環境評價的重要內容，也是整個評價過程的關鍵和核心問題，一個評價指標的優劣能夠顯著的影響評價結果的真實性、合理性及準確性。

本文從研究區關鍵地質環境問題著手，經系統地分析、梳理、比較和篩選，遵循分級、分序、抓主放次的原則，將影響佛山市地下空間開發地質環境質量的指標因素歸為地形條件、巖土體特征條件、水文地質條件和環境地質條件等四大類。并以城市地下空間開發地質環境質量為目標層(A)，選取關鍵地質環境條件為主題層(B)，將各地質環境條件(主題層)中的多個相應指標因素作為指標層(D)，構建了佛山市地下空間開發地質環境質量評價的層次結構模型(圖1)。

圖1 佛山市城市地下空間開發地質環境質量評價指標體系層次結構

此外，不同的地區可根據其地質背景條件，尤其是存在的環境地質條件可以進行適當拓展，形成具有地區特色的評價指標體系，更有針對性地評價地下空間開發地質環境質量。

2.1 地形條件

地形條件是指城市地面起伏程度和形狀，其衡量標準是地表高程、坡度。在地下工程建設中，所處地面海拔高度如果低于周圍地塊時，其地表排水能力降低，防汛防洪難度增大。地下空間入口及開放部位容易被倒灌，工作區降水量較大，因此影響尤為明顯。

2.1.1 地面高程

當地下空間規劃用地的地面海拔高度較低時，其地表排水能力降低、防汛抗洪難度增大，地下空間入口和開放部位容易倒灌，在雨洪危險較大的城市尤為明顯。

2.1.2 地面坡度

在地下工程開展建設過程中，如果地面坡度較小，場地排水困難；地面坡度較大，建筑物和交通道路的布置受限，施工難度增大。如果在坡度較大區域進行大規模的深開挖工程，則需在周圍做一定的防護坡來防止塌方現象的產生。

2.2 巖土體特征條件

巖土體作為一種承載地下空間的介質，其形成過程和具體堆積情況均具有一定的差別,進而導致物質的組成及表現的工程特征也具有較大差異, 因此其對地下建筑物的變形和承載特征也不一樣。

2.2.1 地基承載力

地基承載力作為衡量單位面積上地基土層隨著載荷增加所表現的承載潛力的重要參數。當載荷增加時，甚至超過地基土層的最大承載能力時，地基就會產生變形，導致其穩定性下降。因此，地基土承載能力越強，地下開挖施工所需的支護措施就越簡單，地下結構穩定性越強，工程開挖成本越低。

2.2.2 壓縮模量

壓縮模量為對地基變形和建筑物沉降計算的一個主要參數，是評價土的壓縮性和衡量地基變形的一個重要條件。在地下工程中，可以根據計算側限條件下的固結試驗獲取相關的參數。一般而言，土體的壓縮模量越大，其抗變形的能力就越強。

2.2.3 土體抗剪強度

土體抗剪強度作為衡量土體抵抗剪切破壞的能力的重要參數，其對基坑工程的支護方式選擇、地下空間巖土體穩定等問題產生直接影響。

2.2.4 巖石抗壓強度

巖石是組成巖體的最小單位，它的強度可根據單軸飽和極限抗壓強度進行分類。當巖石抗壓強度較高、承載力較大、變形模量較小時，對工程建設及穩定性有較大的改善。

2.3 水文地質條件

水文地質條件是指與地下水的性質、分布、狀態等相關的水文地質環境信息的集合。該條件對城市地下空間利用的影響大多數屬于負面影響，它的出現通常會增加地下空間開發的難度和成本。按水體賦存類型，該條件主要包括地表水系影響和地下水影響兩部分。

2.3.1 地表水域影響

地表水域對地下空間開發(尤其在淺層空間)的影響較大，例如：在地下工程開展過程中，由于施工區域緊鄰上部地表水體，容易致使如排水困難等相關施工問題的發生，這會直接造成施工建設的成本及難度，因此在地表水域周邊進行地下空間開發時應設定一定間隔的緩沖距離。

2.3.2 潛水埋深

潛水含水層對地下空間開發的影響主要有兩種表現形式：一是對地下建筑物的結構具有一定的托浮作用，尤其是在抗浮措施處理不當的條件下容易破壞地下結構；二是增加了工程建設中產生滲流潛蝕突涌和管涌的可能性，或進一步造成周邊環境改變導致出現較大危險的安全事故。通常，潛水含水層埋深越深對地下空間開發越有利。

2.3.3 承壓水埋深

承壓水突涌、流砂等地下施工問題常常發生在緊鄰承壓含水層上部的地層中，這些問題的發生將會對地下工程建設或施工造成巨大的損失。因此，在進行地下工程建設或施工時應當充分了解區內關鍵承壓水層頂板的埋深情況，通常含水層頂板埋深越大，地下空間開發利用的地質環境質量就越高。

2.3.4 地下水腐蝕性

2.4 環境地質條件

2.4.1 軟土層厚度

作為一種對地下空間開發產生較大影響的特殊土體，在軟土尤其是較厚軟土地區進行地下空間工程建設，容易導致區內地基基礎產生不均勻變形、失穩等問題，甚至會對后期使用維護產生額外的工程成本。因此，在進行地下空間工程建設時應對區內地層結構和土層特性充分了解。

2.4.2 不良地質作用

在地下施工或工程建設過程中，有時會出現一些具有一定不良性質的自然地質作用，其中包括滑坡、崩塌、泥石流等。就城市地下空間開發的地質環境質量而言，只注重工程本身的堅固性是不夠的，必要時應對其保持一定的安全距離，將其不良影響作用降到最低。

2.4.3 隱伏斷裂構造

在隱伏斷裂構造附近，一旦發生地震災害，不僅對地上建筑，對地下空間內的構筑物同樣會產生巨大的破壞作用，并且越靠近震源中心一定范圍內的地下空間的設施，其受影響的程度越大。因此，在進行地下空間開發利用時應對隱伏斷裂進行一定的緩沖距離。

2.4.4 砂土液化

在地下空間工程建設中，砂土液化是指地下構筑物在地震力的作用下飽和砂土的抗液化穩定的能力。對于無砂土液化發生的區域，其開發地質環境質量最好。而砂土液化嚴重區則需要進行專門的地基處理，以防止由地震力引起的地基土層液化并進而誘發地基失穩等工程事故的發生。

3 基于層次分析法的評價指標體系權重的計算

目前，對評價因子進行權重計算的方法有很多，主要包括如層次分析法(AHP)、標準差率法(CPA)、CRITIC法、熵權法(EWM)等。在這些權重計算方法中，由于具有工作時間短、精確性高、計算量小等諸多特點，層次分析法(AHP)已在地質、管理、工程以及經濟等領域得到較為廣泛的運用。

層次分析法，英文簡稱AHP，是指將一個具有多目標的復雜決策問題看作一個系統問題，將其分解為多個目標準則，并將這些目標準則進一步細分為包含多個指標的層次結構模型，以定量化計算定性指標的方式得以計算出結構模型的層次單排序和總排序的權重，并將權重計算結果作為多指標優化或系統決策的方法。其主要包括5個計算步驟：建立評價系統的遞階層次結構、構建具有成對比較內涵的判斷矩陣、完成指標的層次單排序及其一致性檢驗、完成指標的層次總排序及其一致性檢驗、最后根據計算結果進一步分析、決策。

為使因子權重結果更加科學、合理，本文邀請多名長期在佛山市當地從事巖土工程、工程勘察、地下工程設計等相關行業的專家，采用專家打分的形式以1～9標度法對評價指標建立指標重要性程度的判斷矩陣，得到基于專家經驗的綜合判斷矩陣。依據以上AHP計算步驟，進一步分別計算得到評價指標的多層次結構模型的單層次以及總層次的一致性比率CR值，結果顯示其CR值均小于0.1，滿足判斷矩陣一致性的檢驗條件。計算得到的評價因子綜合權重如表1所示，其值的大小可表明該評價因子對地下空間工程建設影響的強弱。在已建立的佛山市地下空間開發地質環境質量多層次評價指標體系中，B4(環境地質條件)對開發地質環境質量影響最大，其中又以C13(隱伏斷裂構造)影響最為顯著，這一結果符合多個專家的實際經驗，也證明了專家打分法與AHP方法的有效性。

表1 佛山市地下空間開發地質環境質量多層次評價指標權重計算

4 結論

(1)本文通過對影響佛山市地下空間開發關鍵地質環境因素進行系統分析，構建了巖土體特征條件、水文地質條件等4個主題層以及軟土層厚度、承壓水埋深等14個指標層的佛山市地下空間開發地質環境質量多層次結構模型。該體系結構的建立可為后續佛山市以及國內其他城市進行地下空間開發地質環境質量評價提供指標體系參考。

(2)本文采用AHP層次分析方法和專家打分法，計算得出佛山市地下空間開發地質環境質量評價指標權重，并根據權重排序最終得出，區內環境地質條件對佛山市地下空間開發的地質環境質量影響最大，其中又以隱伏斷裂構造影響最為顯著。