泰安市地下空间开发地质环境适宜性评价

赵新村

(山东省第五地质矿产勘查院，山东 泰安 271000)

0 引言

泰安市坐落于五岳之首的泰山南麓，北靠泉城济南，南临孔子故里曲阜，处于“山水圣人”旅游线的核心部位，区域位置条件优越。近年来，伴随着城市现代化的飞速发展，泰安市城区建筑空间拥挤、交通阻塞等“城市综合症”日显突出；城市基础设施落后于城市的扩展和城市人口的增加，也使城市环境问题不断增多，严重阻碍了泰安市城市现代化发展的进程[1-3]。在城市化进程不断加快的今天，城市地下空间开发利用己经成为提高城市容量、缓解城市交通、改善城市环境的重要手段[4-5]。而随着地下空间开发力度和深度的不断加大，地下空间开发遭遇的地质环境问题也越来越复杂[6]。为保证地下空间开发的有序性，需对地下空间规划进行探索与研究，评价泰安城市地下空间开发地质环境适宜性，为城市地下空间开发和建设提供地质依据。

1 影响地下空间开发的地质环境因素

影响地下空间开发的地质环境因素众多，因此需要根据所研究区域的地质条件，综合分析选取对地下空间开发具有重要影响的因素[7-9]。泰安市位于泰山南麓，北倚泰山，南傍大汶河、徂徕山，处于泰莱断陷盆地的西端，总体地势西、北部高，东、南部低。区内地貌类型主要包括丘陵、平原，按成因分为剥蚀、溶蚀—剥蚀等。针对影响地下空间开发的地质环境要素，结合泰安市的地质环境特征，从工程地质、水文地质、环境地质问题和不良地质作用3个方面共选取了8个对地下空间开发影响较大的因素作为评价因子。

1.1 工程地质条件

(1)岩土体特征与地下空间开发的关系。当地下空间开发遇基岩时，基岩强度越高，变形模量越小时，地基承载力越大，也更有利于工程建设的稳定性；但强度过高，也会使岩石的挖掘难度增大，使工程开挖费用显著增加；另外，当下伏基岩为灰岩时，岩溶发育程度也会直接影响地下空间开发[10-11]。

土体的工程性质与其粒径组成、矿物成分、含水量等有关，如卵石层工程地质条件较稳定，是良好的地基持力层，但在卵石土地区进行地下空间开发的成本较其他地段要高，若采用基坑开挖方式，需对卵石层进行工程支护，而卵石层又是地下水的主要赋存岩层，因此工程降水措施又成为其设计施工的重要内容；黏性土一般承载力偏低，但黏性土又是工程建设良好的隔水地层(图1)。

(2)断裂构造与地下空间开发的关系[12]。一方面，断裂活动和错动影响建构筑物安全，特别是对地下线性工程的稳定性产生直接破坏；另外，断裂破碎带裂隙密集，岩体强度低，是良好的地下水富集带，发育软弱夹层，对地下工程施工构成严重安全隐患。

1—黏性土单层结构区；2—黏性土+砂性土+黏性土多层结构区；3—卵砾石、漂石+黏性土双层结构区、基岩裸露区；4—断裂；5—水系图1 研究区工程地质结构分区图

1.2 水文地质条件

(1)富水性与地下空间开发的关系。富水性反映了地层的储水能力，当地下水富水性强时，会增加施工期间地下水控制难度。当地下水为承压水时，富水性好，补给充分，承压水头高，可能会出现突涌和管涌，影响地下工程基底、围护结构和周边环境，突发危险性的安全事故(图2)。

(2)地下水位与地下空间开发的关系。在地下水位以下进行地下空间开发，要考虑施工阶段地下水的控制，采取适宜的降水(止水)措施；另外，建于水位以下的建构筑物，要受到垂直于表面的静水压力所产生的浮力作用。当地下结构体的底板所受的地下水浮力大于结构荷载时，地下室将会浮起[1]。

(4)地表水与地下空间开发的关系。地表水与地下空间开发的相互关系主要体现在地表水系或水体对地下工程的安全性构成威胁。地表水系(体)若处于地下工程之上，无疑会对地下建筑构成一定的威胁，因此地下工程不仅要做好防地下水措施，还必须要做好防地表水措施，特别是全地下建筑，如果防水结构处理不好，地表水一旦溃入，那将是不可想象的悲剧。

1—1000～2000m3/d；2—500～1000m3/d；3—<500m3/d；4—断裂；5—水系图2 研究区富水性分区图

1.3 环境地质问题和不良地质作用

(1)岩溶塌陷与地下空间开发的关系。岩溶塌陷的发生，不仅对人身安全造成较大威胁，还对地下建筑以及地下水水环境等产生较严重的危害(图3)。

①破坏地下建筑。岩溶塌陷是由于岩溶发育区地下水水位在灰岩顶板频繁波动，使土层形成土(空)洞，在地下水的潜蚀吸附作用下，上面土体突然塌落造成的。岩溶塌陷具有较强的突发性，一旦发生，将使附于其上的建筑物基础倾斜、下沉，甚至断裂，对整个建筑产生剧烈的破坏作用，在财力和人力上都会遭受巨大损失。

②沟通地表地下水系，污染地下水。污染地下水也是岩溶塌陷带来的一系列危害之一。由于近年来工业的发展，污水排放加剧，使得泰安市很多河流被污染。这些污染河流中一旦发生岩溶塌陷，塌陷揭穿了灰岩含水层顶板，沟通了地表水系与地下水系，使得地表水通过塌坑大量涌入岩溶含水层，加之岩溶裂隙、溶洞的连通性好，污水会在岩溶含水层中迅速扩散，污染岩溶地下水。

(2)膨胀土与地下空间开发的关系。膨胀土是在地质作用下形成的一种主要由亲水性强的黏土矿物组成的多裂隙并具有显著膨胀性的地质体。其吸水膨胀、失水收缩并且反复变形的性质，以及土体中杂乱分布的裂隙，对路基、轻型建筑、机场、岸坡及堤坝等都有严重的破坏作用。

1—岩溶塌陷低易发区；2—岩溶塌陷中易发区；3—岩溶塌陷高易发区；4—断裂；5—水系图3 研究区岩溶塌陷易发性分区图

2 评价模型及评价指标

(1)评价指标选取的原则

地质环境质量评价系统是一个多层次、多因素的复杂系统，影响和控制地质环境质量优劣的因素很多，合理选择对评价目的起主导作用、比较稳定、可量化表示的参评因子是评价工作的关键[13-16]。一般按以下原则进行选取。

①针对性：地质环境是一个广义的概念，必须针对地质环境评价的目的和要求选取评价指标，使评价具有实际意义。

②简明性：为了便于数据的收集和整理，应对指标进行筛选，选择的指标尽可能简单明了，使之能够恰当地反映地质环境系统的变化特征。

③普适性：要综合考虑所选指标具有普适性，其指标不但能反映一定的地质环境现状，而且可以用于描述大多数地区的地质环境特征。

④数据易取得：所选指标的数据用现有的测试手段能够得到，或者利用公式可以由一般性指标推导出来。

⑤指标可量化：所选取的指标能够用数据进行量化，并可进行分级。

⑥动态与静态相结合：地质环境系统的协调发展是一个动态的过程，其指标体系不但要有反映现状的静态指标，而且还要有反映其发展趋势的动态指标，做到动静结合，更好地反映系统协调发展的整个过程。

(2)评价指标的选取

依据上述原则以及影响地下空间开发的地质环境因素，在对泰安市地质环境条件进行充分分析的基础上，结合研究区实际条件，选取工程地质条件、水文地质条件、环境地质问题与不良地质作用3项一级指标，并对各一级指标进行细化，最终确定地质构造、地层结构、地表水体、地下水富水性、地下水位最小埋深、地下水腐蚀性、岩溶塌陷、岩土膨胀性等8项二级指标作为本次评价工作的参评因子。

(3)评价指标权重的确定

采用层次分析法(AHP法)确定评价指标的权重[17-21]，可分3个步骤：

①建立递阶层次结构：层次分析法递阶层次结构由目标层、准则层和指标层构成[22]。影响地下空间开发适宜性的主要地质因素包括工程地质条件、水文地质条件、环境地质问题与不良地质作用，各种因素又有次一级的若干二级指标组成。因此，按照层次分析法的思路构建评价指标体系模型，如表1所示。

表1 地质环境适宜性评价模型

②构建判断矩阵：按表2所示的T.L.Satty的1～9标度，借助yaahp计算机辅助软件对各评价指标进行两两比较，同时参考专家意见，确定评价指标的相对重要性并赋以分值，得到判断矩阵。

表2 层次分析法的判断矩阵标度

③计算指标综合权重：依据各层次指标权重，计算指标层(C)各指标对于目标层(A)的综合权重见表3。

表3 指标层(C)对于目标层(A)的综合权重

(4) 评价数学模型的选择

为反映不同环境要素对地质环境影响的不同作用，选用综合指数加权平均法对各评价单元地下空间开发地质环境适宜性进行评价。评价公式为：

式中：Wi—评价指标的权重；pi—单指标在该评价单元的得分值。

(5)地质环境质量分级标准的确定

由于各次一级因素的提取和奉献度大小是一个模糊概念和模糊判断的过程，因此为便于分析必须对其数值化，建立评价指标分级标准值。

根据所搜集的地质资料并结合实际提取各指标的有效数值建立数据库，通过科学、系统、全面的分析确定每个地质环境质量评价指标分级标准值(表4)，最后结合工程建设经验，参考在泰安市区从事地质环境监测、工程地质勘察、城市规划等专家意见及看法，综合分析岩土的工程性质、地下水、活动断裂和岩土环境工程问题等主要地质因素的发育分布特征及其对地下空间开发利用的影响，据此将泰安市地下空间地质环境适宜性等级划分为三级：地质环境适宜区(Ⅰ级)、地质环境基本适宜区(Ⅱ级)、地质环境适宜性差区(Ⅲ级)。

表4 地质环境适宜性分级标准及对应取值

(6)评价单元划分及叠加计算

运用栅格数据处理方法对评价区进行剖分，每个单元面积为1km×1km，将研究区划分为172个评价单元，利用MapGIS空间分析功能，对每2个二级评价指标分别进行叠加运算，最终得到由8个二级评价指标组成的叠加运算图，在此基础上根据前述地质环境适宜性分级标准，对评价区地质环境适宜性进行区划。

3 地下空间开发的地质环境适宜性分析

3.1 地质环境适宜性评价结果

按前述评价方法，对172个评价单元进行综合指数评价，得出各评价单元综合指数，依据该指数，结合各评价单元的地质环境条件，将相同级别的评价单元进行曲线勾画和汇总，最终形成泰安市城区地下空间开发地质环境适宜性分区图(图4)。

3.2 评价结果分析

地质环境适宜区(Ⅰ级)：分布于时代发展线以西，魏家庄—小井—桑家疃—西张店以东以及泮河大街以南大部分区域。该区地质构造基本不发育，地层结构在长城路以西为黏性土+基岩，在东部新区为黏性土，夹少量砂层，地层较稳定，基坑支护简单；地下水富水性弱，地下水水质对钢筋具有微腐蚀性，施工中一般不需工程降水措施，东部小井—省庄以南局部发育弱膨胀性的黏土和泥岩。地质环境基本适宜区(Ⅱ级)：分布于西部长城路以东，泰山大街以南，泮河大街以北及东部岱道庵—唐庄—小井以北地区。该区地质构造较发育，主要发育NW向泮河断裂、洪沟断裂；地层结构上部以黏性土为主，夹含厚度较小的砂层，基坑施工需对砂层进行支护，下部为灰岩、白云质灰岩等，岩溶发育一般—中等，局部发生过岩溶塌陷，属岩溶塌陷中易发区；地下水富水性弱—中等， 施工中需对地下水进行工程降水；无膨胀性岩土分布。

1—地质环境适宜区；2—地质环境基本适宜区；3—地质环境适宜性差区；4—城市分区；5—水系图4 泰安市城市地下空间开发地质环境适宜性评价分区图

地质环境适宜性差区(Ⅲ级)：重点分布于主城区泰山大街—灵山大街以北，在徐家楼、羊娄、上高、訾家灌庄等地零星分布。该区地质构造发育，主要发育近EW向泰山大断裂和NW向岱道庵断裂，均属第四系活动性断裂；地层结构在泰山山前以漂石层为主，自山前向城区呈多个扇状分布晚更新世风化卵石土，局部含厚度大于5m的砂层，基坑工程需对卵石层和砂层采取较为复杂的支护措施，卵石层、漂石层的存在也为盾构施工增加了较大难度；同时，漂石层和砂层又是第四系孔隙水的主要赋存地段，地下施工中需对地下水采取合理的工程降水措施；该区下伏的灰岩岩溶发育，为岩溶塌陷的高易发地段，近年来在訾家灌庄、东羊娄等地岩溶塌陷时有发生，该区内工程施工前需进行物理勘探和工程详勘工作，查明岩溶发育的具体部位和强度，并采取相应的工程措施进行防治。

3.3 评价结果验证

为了对评价结果进行验证，选取已施工的泰安市时代发展线为例进行分析。时代发展线项目北接泰山市民广场，南至泮河大街，纵贯南北，总长度5km，自北而南依次建设时代公园区、会展中心区、科技馆区、商务酒店办公区及多元商业区，开发深度5～6m。建设区北距泰山山前断裂约2km，基本不受其影响；但本区自北向南地层差异较大，自北侧泰山山前地带向南部倾斜平原，第四系风化卵石层、砂层厚度逐渐变薄，隐伏基岩在东岳大街以北为泰山岩群变质岩，东岳大街以南则为寒武纪馒头组页岩，浅部页岩多风化呈黏土状，明显差异的地层结构，增加了基础施工的难度；其次，该地段由于风化卵石层、砂层的存在，使地下空间开发施工难度加大，也增加了基坑边坡支护的成本。综合分析，本区属地下空间开发地质环境基本适宜区，与适宜性评价结果一致。通过该实例证明泰安市地下空间开发适宜性评价结果较为合理，层次分析法考虑了工程地质、水文地质、环境地质等多方面的评价因子，考虑到因素更加全面，评价方法更具有科学性、代表性。

4 结论

通过建立地下空间开发适宜性评价指标体系，采用层次分析法对泰安市地下空间开发地质环境适宜性进行了评价，实例验证了该评价方法所得出的评价结论具有较好的实用性和针对性，与实际工程地质条件吻合度较好，对泰安市地下空间开发规划有较好的指导作用。