基于GIS的地下工程选址技术与应用

2019-04-09杨彤姜琦刚王康于德浩王李杨清雷

世界地质 2019年1期

杨彤，姜琦刚，王康,，于德浩，王李，杨清雷

1.吉林大学地球科学学院，长春130061；2. 严寒冻土工程设计站，沈阳110162；3. 吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026

0 引言

地下工程是指建筑在地面以下及山体内部的各种建(构)筑物，本次研究对象主要为建筑在山体中的物资仓库和洞室等。这种地下工程主要深埋于地下，在山体中通过盾构、爆破等方式开挖所得，由于其四周被岩石包围，对于工程地质条件要求比较苛刻。

国外应用地质背景信息开展工程选址应用可追溯到二战时期甚至更早，如G. A. Kiersch等人提到早在第二次世界大战中英国军事地质部门就开始根据收集的地质地形数据为西欧的军事行动提供空中着陆点和机场的选择、地下防护设施的位置和建造等问题提供配置方案[1]。历史上的马奇诺、齐格菲和曼纳林等防线，都是选取在适宜的地质条件地段[2,3]。

在中国开展工程选址方面研究较多，主要侧重于选址适宜性的评价研究，如翁东风等人[4]分析了高技术条件下工程设施选址的特点，研究建立了工程建设项目选址多目标决策模型。刘超等人[5]利用加权欧几里得距离法对各选址方案进行排序，实现预置基地的优化选址。柳锋等人[6]介绍了某工程选址决策支持系统开发的思路和方法。柴启辉等人[7]着重就建洞山体的基本工程地质条件、地下工程总体位置和洞口、洞轴线的选择要求，分别进行了分析和讨论。

这些大多为地面工程设施选址方面的研究，而且主要基于地面勘测数据分析评价。通过常规地面勘察测量实现地下工程选址的方法工作量大、成本高，尤其大范围内初勘中难以保证选址的时效性[8]。由于卫星遥感技术不受时间地域限制，其在地质调查应用等方面起到巨大的作用[9,10]，于德浩、李天华和高春林等人将卫星遥感的技术手段应用到应急道路选址、机场地址以及核电厂规划选址等工程选址方面，取得了较好的应用效果[11--14]。为此，利用卫星遥感的技术优势，研究卫星遥感地质调查在地下工程选址所需地质、地形及其环境指标要素的获取、量化分析及其在地下工程选址中的应用问题，不受时间地域、地形限制，有效提升地下工程选址的时效性，节约前期勘察成本，为有目的性的详细勘察提供基础地质资料。

1 选址技术研究

地下工程深入地层之中，岩石性质、地质构造等地质条件对地下工程的定位、设计、施工以及使用，均有直接影响，而这些指标可以直接或者间接利用卫星遥感技术获取，根据地下工程选址技术要求，地下工程选址主要满足工程稳定性、安全性并具备较好的通行能力和抗破坏能力等4项工程技术指标，为此利用统计数学、模糊数学、运筹学和规划学等理论与方法，结合工程实践建立从遥感提取指标到地下工程选址条件分析间的数学映射关系，构建地下工程选址评价模型(图1)[15]。

图1 基于GIS的地下工程选址模型Fig.1 GIS-based site selection model of underground engineering

1.1 地下工程稳定性评价

地下工程稳定性主要考虑区域稳定性与地基稳定性，主要涉及地质构造、围岩稳定性与工程地质条件[16]，故影响地下工程稳定性3个因素分别为：①地质构造对地下工程稳定性的影响；②工程地质类型对地下工程稳定性的影响；③岩体基本质量对地下工程稳定性的影响。按上述3个因素分别构建地下工程稳定性数学模型：

1.1.1 地质构造对地下工程稳定性影响评价

岩层的整体性、节理发育程度、有无断层等对地下工程的稳定性有很大影响。例如：岩体节理发育地段，由于岩体破碎，在施工中很容易发生安全性事故，并且，节理发育到一定程度，由于岩层之间有裂缝，对于工程的支护、防水都造成很多困难。这种地段不适宜于建筑永久性建筑。断层对地下工程的影响也很大，在断层位置，由于岩体的运动，地下工程会出现错位现象，在这个地段一是根本无法防水，二是支护也很困难。地质构造对地下工程稳定性影响可用岩石完整性来表示。

岩体完整程度难以直接通过遥感技术手段确定，可以间接根据地质构造发育情况以缓冲区分析法按表1确定，其中节理按一般断裂处理。

表1岩体完整程度与地质构造缓冲区半径定量指标

Table1Quantitativeindexofrockmassintegrityandgeotectonicbufferradius

岩体完整程度地质构造缓冲区半径/m岩石圏断裂区域性断裂一般断裂褶皱(轴部)完整性指数Kv极破碎50010050300≤Kv≤0.15破碎1 500500100500.155 000>1 500>400>1500.75

注：缓冲区半径为包含关系.

根据表1对地质构造进行多重缓冲分析，即可得到岩石完整性指数，进而评价地质构造对地下工程稳定性影响。

1.1.2 岩体基本质量等级对地下工程稳定性影响评价

根据岩体基本质量指标BQ，将岩体基本质量对地下工程稳定性划分为5级，岩体基本质量等级对地下工程稳定性影响程度赋值如表2所示。

表2岩体基本质量对地下工程稳定性的影响

Table2Influenceofrockmassbasicqualityonstabilityofundergroundengineering

岩体基本质量指标BQ地下工程稳定性影响程度赋值>550稳定1.0550^451基本稳定0.75^1.0450^351稳定性一般0.5^0.75350^251稳定性差0.25^0.50≤250不稳定<0.25

根据表2建立岩体基本质量对地下工程稳定性的模糊隶属度函数：

(1)

1.1.3 工程岩土对地下工程稳定性影响评价

工程地质类型主要分为松土、普通土、硬土、软岩、次坚岩、坚岩和特殊岩土7大类。根据工程实践和统计数据，确定不同工程地质类型对地下工程稳定性的影响评价(表3)。

表3工程地质类型对地下工程稳定性影响

Table3Influenceofengineeringgeologyclassificationonstabilityofundergroundengineering

地质类型稳定性评价Tg软土<0.30普通土0.35^0.55硬土0.55^0.65软岩0.65^0.75次坚石0.75^0.85坚岩>0.85

其中：0～1表示0最差，1最好，冻土地段可以按照软石和次坚石

来考虑。

1.1.4 风化程度对地下工程稳定性影响评价

风化程度对地下工程稳定性影响评价见表4。

表4风化程度对地下工程稳定性影响

Table4Influenceofweatheringdegreeonstabilityofundergroundengineering

分类风化程度风化程度参数指标波速比Kv风化系数Kf稳定性评价指标x3Ⅰ未风化0.9^1.00.9^1.01.0Ⅱ微风化0.8^0.90.8^0.90.8Ⅲ中等风化0.6^0.80.4^0.80.5Ⅳ强风化0.4^0.6<0.40.3Ⅴ全风化0.2^0.4-0.1Ⅵ残积土<0.2-0

1.2 地下工程安全性评价

地下工程安全性评价主要考虑不良地质、自然环境等对地下工程的影响[17,18]，其安全性评价因素主要有：①不良地质对地下工程安全性影响；②其他自然环境对地下工程安全性影响；③植被郁闭度对地下工程安全性影响。

1.2.1 不良地质对地下工程安全性影响评价

在山坡或山脚下建设地下工程需特别注意山体崩塌、滑坡和泥石流对地下工程安全的威胁[19]。因此，在选择地下工程位置时，必须考虑到不良地质条件对地下工程安全性的影响。

由于地下工程选址的工程技术指标要求中明确提出要避开不良地质条件，因此，将不良地质灾害作为工程技术指标的约束条件，安全性评价中将不良地质灾害影响区设置为0。

1.2.2 其他自然环境对地下工程安全性影响评价

其他自然环境对地下工程安全性的影响用Q(x)表示。

数学描述如下：

Q(x)=σ1P(x)+σ2G(x)+σ3Z(x)

(2)

式中：σ为加权系数；P(x)为坡度对地下工程安全性的影响；G(x)为高差对地下工程安全性的影响；Z(x)为植被覆盖率对地下工程安全性的影响。

(1)坡度影响数学模型

坡度<5°时，风险最小，坡度为90°时，风险为最大。

(3)

式中：x为坡度(°)。

(2)高差影响数学模型

高差越大对地下工程安全性影响越大[20]，据此建立高差对地下工程安全性影响的模糊隶属度函数：

(4)

式中：x为相对起伏度(m)。

(3)植被影响数学模型

植被覆盖度对地下工程安全性影响模糊隶属度函数为：

(5)

式中：x为植被覆盖度(%)。

1.3 地下工程抗破坏能力评价

1.3.1 岩石坚固性抗破坏能力影响评价

母岩的硬度将会直接影响到介质的侵彻系数，从而对影响到介质的抗侵彻能力[21]。根据工程地质分类标准可将岩石硬度等级从高到低划分为从T1～Ⅸ一共17个等级，不同硬度的岩石对应不同的坚固系数。坚固性系数又称普式系数，反映的是岩石在几种变形方式(单轴压缩、拉伸、剪切)的组合作用下抵抗破坏的能力，针对岩体的抗破坏能力开展了钻探取芯、单轴压缩实验、岩石劈裂试验、三轴压缩试验和抗爆试验等地面试验与数值分析。

经上述大量试验确定了岩体抗破坏能力，建立岩石坚固性与破坏能力的模糊隶属度函数：

(6)

岩石的坚固性系数及岩体抗破坏能力取值见表5。

表5 岩石的坚固性系数及其取值Table 5 Rock solid coefficient and its evaluation value

1.3.2 土地覆被条件对地下工程安全性的影响评价

植被能起到遮蔽作用。树木密度越大，遮蔽性越好，安全性越高。植被种类主要分为森林、灌丛、草地及农作物。量化取值如表6所示。

表6植被种类对地下工程安全性影响

Table6Influenceofvegetationclassificationonsafetyofundergroundengineering

植被种类无植被草地农作物灌丛森林取值00.20.40.60.8

1.4 地下工程通行条件评价

1.4.1 坡度对通行条件的影响评价

坡度对通行条件的影响主要表现在车辆通行性的影响，坡度越大车辆行驶越困难，坡度越缓通行性越好[22]，依此建立坡度对通行条件影响的对应关系：

表7 坡度对通行条件的影响Table 7 Influence of slope on traffic conditions

1.4.2 道路分布密度对通行条件影响评价

道路分布越集中通行条件越便捷，设工作区(或指定的研究地域)的总面积为S，该范围内道路所占面积为ζ，则道路分布密度Q为：

(7)

为进一步刻画其疏密程度，可按比值的不同区分为：密集、较密、一般和稀疏4级(表8)。

表8 道路分布密度及其取值Table 8 Road distribution density and its evaluation value

道路分布密度判断值定为0～1，1为最好，0为最差。在地下工程周边道路分布密度越高，通行条件越好，越有利于工程施工与后期使用。依据上表建立道路分布密度对通行条件评价的模糊隶属度函数：

(8)

式中：x为道路分布密度(0

1.4.3 等级公路距离对通行性影响评价

地下工程对便于通行有较高的工程技术要求，考虑到研究区复杂的地理环境以及恶劣的自然环境，临时建设道路比较困难，因此，该研究中仅考虑沿道路通行情况，未考虑临时建造道路的情况。通过已获取的公路等级专题因子，利用缓冲分析的方法，建立等级公路距离与通行条件的数学映射关系，开展遥感信息到后方物资供给数学原型的构建，可实现通行条件从定性评价到定量分析的转换。等级公路距离与通行条件的数学映射关系参见表9。

表9等级公路距离对通行条件影响

Table9Influenceofdistancefromstandardhighwayontrafficconditions

通行条件赋值一级公路二级公路三级公路四级公路等外公路优0.8^1.0<200<150<100<50<20良0.6^0.8200^300150^225100^15050^7520^30可0.4^0.6300^400225^300150^20075^10030^40差0.2^0.4400^500300^400200^250100^12540^50极差0^0.2>500>400>250>125>50

1.4.4 水域分布密度对通行性影响评价

湖泊、水库和池塘等面状水体是导致工程施工迟缓的直接因素。设选取所测区域的所有水域总面积为s(m2)，所测区域总面积为M(已知或是确定的m2)。

则水域分布密度为：

(9)

为进一步刻画其疏密程度，可按比值的不同区分为：密集、较密集、一般和稀疏4级(表10)。

表10水域分布密度对通行条件影响

Table10Influenceofwaterdistributiondensityontrafficconditions

分级密集较密一般稀疏密度>0.50.3^0.50.1^0.3<0.1对通行能力影响评价0^0.20.2^0.50.5^0.80.8^1.0

水域分布密度越高，对通行的影响越大。据此建立水域分布密度对通行条件的模糊隶属度函数：

(10)

式中：x为水域分布密度(0

2 地下工程选址技术

利用加权叠加的方式，通过上述方法建立的数学映射关系模型，利用多因素交叉耦合选址理论[23]通过公式(11)评价地下工程选址的适宜性。

(11)

利用地下工程选址的适宜性指数ε，通过阈值法确定相应阈值。

3 工程实例

研究区位于青藏高原西部某地区，由于复杂的地理情况，依靠常规的地面调查方法很难全面、准确地掌握该区地质地理情况，对地下工程选址造成一定难度，卫星遥感技术不受地域限制，可以从宏观上了解该区地质地貌情况，为地下工程选址创造了可能。

通过资料收集及卫星遥感影像分析，工作区地层以石炭系—二叠系为主，岩性以砾岩、泥岩、粉砂岩、砂板岩、石英岩、石英片岩、玄武岩和火山岩为主，区内有少量花岗岩出露，第四系主要为河床、河漫滩、一级阶地的砂、砂砾、卵石及亚砂土等沉积，主要沿水系及湖泊分布。区内断裂带受某大型断裂带影响，断裂较发育，断裂走向多为NNE向、NW向断裂。该区地貌为高原山区，多为崇山峻岭，由于气候干旱，流水作用弱，高原面保存完整，总的地势是南北高、中间低。区内多为冰雪覆盖，加之复杂地形情况，植被稀疏，少量植被主要分布于河谷阶地地带。区内地理环境较为复杂，交通条件一般，仅能依靠现有道路，临时修建道路比较困难。

利用本文前述章节基于遥感信息的地下工程选址技术对研究区进行了初步选址应用，由于特殊的地理环境以及气候原因，植被稀少，主要为积雪覆盖，根据初步应用情况及专家建议及时修改了相关模型参数，在本次地下工程选址评价中删除了土地覆被和植被覆盖度2项指标。

本次研究以国产ZY--3 02C遥感数据为主要数据源，经遥感解译、专题信息提取等方式获取研究区地质地理相关要素指标，以ArcGIS为信息分析平台，采用专家打分法完成评价指标权重的确定，利用栅格叠加计算的方式开展遥感指标的量化分析以及地下工程选址适宜性评价工作，最终获取的地下工程遥感选址指数图(图2)。

经过不同阈值测试分析，并结合工程实践，最终选取适宜性指数ε≥0.85的区域作为地下工程选址条件区(图3)。

4 结果分析与验证

利用基于遥感信息的地下工程选址指数图加以工程技术指标约束编制了地下工程选址条件图，最终提取出图斑14个(不含碎斑)，从整体分布情况及三维展示分析来看，这些选址条件区大多避开河谷阶地等地势平坦区，工程地质类型以坚岩、次坚岩石为主，均避开了地质构造及不良地质影响区，附近交通条件便利，初步满足选址技术要求。为验证选址结果的准确性，开展了实地验证，本次验证点位9个，其中7处较为适宜建筑地下工程；1处因地势较陡交通不便，需铺设道路以便后方可适宜建筑地下工程；1处受地下水影响不便选址施工。