基于层次分析法的过江隧道工程场地适宜性研究——以长江中游簰洲湾—武穴段为例

梁 川, 李慧娟, 陈 刚, 李彧磊, 任 玥

(1.湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034; 2.湖北省地质实验测试中心,湖北 武汉 430034)

基于层次分析法的过江隧道工程场地适宜性研究
——以长江中游簰洲湾—武穴段为例

梁 川1, 李慧娟1, 陈 刚1, 李彧磊1, 任 玥2

(1.湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034; 2.湖北省地质实验测试中心,湖北 武汉 430034)

为了探索长江经济带重大工程建设场地适宜性,从地质环境角度出发,系统分析长江中游簰洲湾—武穴段沿岸段地质环境条件及环境地质问题,阐述应用层次分析方法(AHP)进行过江隧道工程场地适宜性评价的原理和步骤,建立一套适用于长江中游过江隧道工程场地适宜性评价的模型,提出工程场地评价层次结构的建立、评价因子等级划分、基本分值的确定以及应用综合得分进行适宜性分级的具体方法。

过江隧道;地质工程适宜性;层次分析;长江中游;GIS

地质环境是城市建设的基本条件,长江沿岸地质环境适宜性研究是沿岸城市建设功能区划和城市规划的基本依据之一。通过对沿江地区地质环境的深入研究,合理布局沿江开发产业基地,从地质学角度优选过江通道场地,为沿江开发提供科学依据,对于沿江开发的可持续发展有着十分重要的意义。

在地质工作自身的发展和国家相关需求不断变化的形势下,如何在国土规划中科学合理地构建国土规划中的工程场地适宜性研究方法体系已成为当今地质环境工作研究的新课题。

为了更好地服务长江中游沿岸城市发展和国土规划,探索重大工程建设场地适宜性,从地质环境角度出发,阐述过江隧道工程场地适宜性研究的基本思路和方法,并在长江中游簰洲湾—武穴段沿岸段开展实践研究。

1 地质环境概况

1.1 地理位置

本次研究区地理坐标范围:113°51′～115°41′,纬度:29°10′～30°42′。研究的范围包括长江中游簰洲湾—武穴沿岸段,南北两岸外推1.5 km的陆域。其中左岸自乌鱼洲—李英郭家铺,长约330 km;右岸西自永兴洲东—黄沙,全长285 km。

1.2 环境地质条件

1.2.1 地形地貌

长江中游簰洲湾—武穴沿岸段地处江汉平原东部,地貌形态为堆积平原,地势为东高西低、南高北低。沿江地区依据地貌成因类型分为东南部岗地丘陵区和西部长江河谷平原区两个大区。除东南部少部分低山丘陵外,绝大部分为高河漫滩,地势平坦开阔,沿线分布有长江大堤,堤顶高程 26～35 m,堤外一般为宽约100～500 m的滩地,高程 15～26 m,堤外近大堤 50 m地段为护堤防护林[1]。

1.2.2 地层岩性

长江中游簰洲湾—武穴沿岸段河床及两岸主要为第四系松散沉积物覆盖,底部基岩由白垩—第三系和上泥盆统五通组、志留系中统构成,岩性主要为砂岩、砂砾岩、石英砂岩、泥岩,部分河段分布有碳酸盐岩、岩浆岩和砂岩,局部零星出露。

1.2.3 水文地质特征

研究区地下水主要为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水和少量零星分布的基岩裂隙水。区内地下水主要赋存于岩石中裂隙、溶隙及松散层的孔隙中,水文地质条件复杂,含水介质类型多,水量贫富悬殊。

1.2.4 工程地质条件

根据岩石类型、岩性组合及结构特征,可将长江中游簰洲湾—武穴沿岸段岩体划分为碳酸盐岩工程地质岩类、碎屑岩工程地质岩类、变质岩工程地质岩类、岩浆岩工程地质岩类、粘性土工程地质岩组、砂性土工程地质岩组。

1.3 主要环境地质问题

研究区主要的工程地质问题包括岸坡崩塌、渗透管涌、岩溶地面塌陷、软土震陷等不良地质作用。研究区地表沉积物一般具二元结构。表层为粉质粘土、粉土,透水性微弱,渗透系数一般为1×10-6～1×10-5cm/s;底层为砂、砂砾石层,渗透系数一般为1×10-3～1×10-2cm/s,两层渗透系数差异较大[2-3]。当地表水位低于地下水位时,地下水渗透压力对堤身稳定起剪切破坏作用,易引起河岸的滑坡、塌岸。

长江肖家洲—潘家湾段和居字号段是省内长江崩岸著名险段。汛期长江武汉段堤防管涌险情时有发生,主要在鹦鹉洲及天兴洲堤防段。在长江岸坡的一级阶地中,青菱乡毛坦港、白沙洲大道、江夏区金水办事处等地曾发生岩溶地面塌陷。软土分布区主要分布在长江沿岸冲湖积、湖积低平原区一级阶地、漫滩及河心洲,地形平坦,微向阶地后缘倾斜,地面标高19～31 m[4]。

1.4 河床演变特点

长江中下游河道流经广阔的冲积平原,由于地质构成的影响,簰洲湾—武汉河道走向为西南—东北走向,武汉—武穴河道走向为西北—东南走向,河道宽窄相间,有的呈藕节状,有的似鹅头型。

研究区河段由簰洲湾、武汉、叶家洲、团风、黄洲、戴家洲、黄石、武穴诸河段组成。两岸节点众多,通过其约束和调整水流,对下游一定范围的河势具有控制作用。不稳定的分汊河段,主流容易摆动,滩槽时有变化,主支汊易位呈周期性变化,还存在洲滩兼并或切滩、江心洲并岸等演变特点[5-6]。

河势较稳定的弯道凹岸一般为天然良港(如阳逻港、鄂州港、黄石港等)。分汊河道中顺直汊道(如武汉河段)主汊岸线相对较稳定,弯曲汊道(如戴家洲河段)次之,而鹅头型汊道(如团风河段)则不稳。

2 适宜性评价体系研究

工程场地适宜性研究的难点是影响因素多源复杂、各指标的相关性与重叠性,而现有的研究手段与深度还不足以全面弄清各地质要素间的错综复杂的关系。为了解决评价要素的不同属性、不同度量标准、不同定性与定量标准等的统一化和规范化问题,遵循综合分析与主导因素相结合和可持续利用的原则,采用层次分析法(AHP)的思路构建模型,来研究岸段过江隧道的场地适宜性。

2.1 评价单元划分

过江隧道适宜性研究的评价单元划分以地貌形态+岩土体类型为标志。依据地貌成因类型分为东南部岗地丘陵区、西部长江河谷平原区两个大区;以岩土体类型和工程地质条件为依据,采用GIS软件进行评价单元划分,将长江沿江外推1.5 km的陆地划分为64个评价单元。

2.2 评价因子选择

鉴于本次过江隧道工程场地适宜性评价主要以盾构法为评价对象,依据隧道对场地条件的要求及施工难易程度、经济性,选择江槽下切深度、围岩工程地质特性、隧道轴线与软弱面走向与的夹角,次要因子为江面宽度、水下地形、明挖段工程地质特征、场地地震基本烈度7个敏感响应因子作为评价因子。

2.3 评价体系建立

在沿江重大工程布局过程中,要坚持安全性和经济性相结合的原则,优先考虑安全性。根据因素属性和影响程度,构建过江隧道场地适宜性评价体系(图1)。

图1 过江隧道场地适宜性评价体系Fig.1 Suitability evaluation system of site crossing river tunnel

2.4 评价指标权重

运用层次分析法(AHP),将各评价指标定量成对比矩阵输入计算机,由式(1)计算,得到各指标在过江隧道场地适宜性评价体系中的Vi矩阵和权重如表1所示。

(1)

式中:W表示评价指标权重;Vij表示评价指标i对j对于上一层决策的重要性比值。

表1 过江隧道适宜性评价指标矩阵与权重分配Table 1 Index matrix and weight distribution of crossingriver tunnel suitability evaluation

按式(2)进行一致性检验。CR:0.05753<0.1,说明总体一致性符合要求,所建立的判断矩阵合理。

(2)

式中:CI表示一致性指标;RI表示相应的平均随机一致性指标;CR表示一致性比例。

2.5 评价指标量化与数据采集

从定性的地质分析转向定量的数学模型计算,可依据隧道对场地地质条件的优劣及施工难宜程度与经济性,将过江隧道适宜性评价因子数量化。水下地形地势平坦、河床起伏小、江面宽度小、江槽下切深度越小越适宜过江隧道布局与施工。从场地工程地质条件来看,围岩为岩相稳定或沉积连续的粘性土,明挖段为基岩、中—硬土,地势平坦、开阔的岸段稳定性良好,更有利于隧道施工。隧道选址还应避开断裂破碎带及不同断裂交会地段,防止发生大规模涌突水灾害。故确定长江中游簰洲湾—武穴沿岸段过江隧道适宜性评价因素与单因子指标量化标准见表2。

表2 过江隧道适宜性评价因素与单因子指标量化标准Table 2 Evaluation index quantification of crossing river tunnel suitability evaluation

根据研究区已有勘探资料与数字化水下地形图建立数据库,用GIS的图形处理和空间分析功能采集不同评价单元的地质空间数据和水文类因子。江槽下切深度、江面宽度、水下地形指标从数字化水下地形图上获取。场地地震基本烈度数据从《湖北省地震烈度区划图》上采集,隧道与软弱面走向的夹角、围岩工程地质特性、明挖段工程地质特征依据沿江钻孔资料、岩土体物理力学参数(岩体承载力、土体的承载力、土体压缩系数),结合工程地质分区图、环境地质图、基岩地质分区图综合判别和计算[7-8]。

3 评价结果与分析

对研究区过江隧道适宜性评价结果与岸段工程地质条件进行对比分析,结果见表4和表5。

表3 长江中游沿岸簰洲湾—武穴沿岸段隧道适宜性分区统计表Table 3 Suitability zoning statistics of the middle reaches of the Yangtze River from Paizhouwan to Wuxue

表4 长江中游沿岸簰洲湾—武穴沿岸段过江隧道场地适宜性结果分析表Table 4 Site suitability analysis of river crossing tunnel of the middle reaches of the Yangtze River from Paizhouwan to Wuxue

图2 长江中游沿岸簰洲湾—武穴沿岸段过江隧道适宜性评价分区图Fig.2 Suitability zoning map of the middle reaches of the Yangtze River from Paizhouwan to Wuxue

过江隧道场地适宜性评价等级簰洲湾—武汉长江隧道武汉长江隧道—鄂黄长江大桥鄂黄长江大桥—武穴长度/km所占比例/%长度/km所占比例/%长度/km所占比例/%一级4047.061514.283528.00二级3035.294542.867560.00三级1517.654542.861512.00

研究结果表明,一级岸段中汉南区—李家湾—金口亭—军山水厂取水头、阳逻架空电缆—阳逻长江公路大桥、中石化黄州码头—六福湾—望天湖、蕲州镇—石排港:无断裂、江槽下切深度13～15 m,围岩条件好、江面宽度小,适宜建隧。茅山港—九松闸—肖家湾—管家围、盘塘—垄龙湾:主要评价指标一至二级,建隧条件较好。举河—团风县:无断裂、江槽下切深度<20 m,江面宽度小,适宜建隧。邵家湾—江汉路、沙洲—滩盖:围岩条件好、江面宽度小。

部分岸段,如杨家当—兰溪镇、黄冈公铁两用长江大桥—王家寨—沙洲存在问题为河床起伏>15 m,为软土、液化砂土、膨胀土分布区,经过,综合评价结果为三级岸段,虽不是最理想的区段,但这些岸段交通位置较好,可通过相应工程措施来克服不利条件,进行建设。

应用该模型对长江中游沿岸簰洲湾—武穴沿岸段过江隧道适宜性进行研究,并对研究结果与实际开发利用现状对比,评价结果准确,可有效支撑国土规划。

4 结论与建议

通过地质环境条件分析,阐明了威胁长江中游簰洲湾—武穴段沿岸段的环境地质问题。提出了过江隧道场地的适宜性评价模型,以长江中游簰洲湾—武穴段为例,应用层次分析方法(AHP)对研究区过江隧道工程场地适宜性进行了系统研究。最终确定各岸段开发利用适宜性等级,并对研究区过江隧道一级岸段特征进行分析。

研究结果表明,过江隧道一级场地主要分布于汉南区、阳逻、六福湾、蕲州镇、石排港等地,这些场地均具有场地无断裂构造、江槽下切深度较小,围岩条件稳定性好、江面宽度小等特征,适宜建隧。

建议下一步针对适宜性评价结果中一级岸段,运用风险决策分析方法,论证过江隧道最适宜位置。

[1] 宁国民,贾淑霞,黄守贵,等.武汉城市圈地质环境评价报告[R].武汉:湖北省地质局,2006.

[2] 刘广润,殷鸿福,陈国金,等.长江中游主要水患区环境地质调查评价报告[R].武汉:湖北省地质调查院,2003.

[3] 陈国金,赵德君,孙锡年.长江中游荆江及江汉平原水患区环境地质调查评价报告[R].武汉:湖北省地质调查院,2003.

[4] 肖明清,李小和,陈世刚.武汉长江公路隧道工程中的主要岩土工程问题[J].土工基础,2006(增刊):36-40.

[5] 施少华,林承坤,杨桂山.长江中下游河道岸线的整治与开发利用[J].地理科学,2002,22(6):700-704.

[6] 王传胜,王开章.长江中下游岸线资源的特征及开发利用[J].地理学报,2002,57(6):693-700.

[7] 杨泉宁,刘建东,张发明.模糊层次分析法在岸线地质环境工程适宜性评价中的应用[C]//地球科学与社会可持续发展——2005年华东六省一市地学科技论坛.武汉:中国地质大学出版社,2005.

[8] 宁国民,陈国金,徐绍宇,等.武汉城市地下空间资源工程地质研究[J].水文地质工程地质,2006(6):29-35.

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

长江中游沿岸簰洲湾—武穴沿岸段地质环境工程建设适宜性评价专题;长江中游武汉—黄石沿岸段1∶5万蕲州幅环境地质调查。

梁川(1990-),女,助理工程师,硕士,环境科学与工程专业,从事水工环地质相关研究工作。E-mail:liangchuan90@126.com

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20171026.0845.030.html数字出版日期2017-10-26 08:45

李雯)