地下空间开发地质环境质量评价指标体系研究

2021-08-07王松泉

绿色科技 2021年14期

王松泉，李友

(1.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，广东佛山 528200；2.枣庄矿业集团田陈煤矿制修中心，山东枣庄 277100)

1 引言

随着综合国力的不断提高，我国的城市现代化的进程呈现不断增长的趋势。与此同时，城市发展进程中所面临的诸如生态失衡、交通拥堵、人地矛盾等一系列问题日益加剧。地下空间资源作为一种新型的国土空间资源，有着广阔的应用前景。向“地下进军”已成为我国现代化发展的强烈需求和必然趋势[1～3]。地质环境是城市空间开发的一种载体，作为基本条件强烈制约着地下空间大规模的开发利用。系统地开展地质环境对地下空间开发的影响分析，能够有效地规避在城市地下空间开发利用过程中出现的不可控风险及后果。因此，在大规模开发地下空间前，开展城市地下空间开发利用地质环境质量评价，对更加科学、合理地开发和利用地下空间资源，保障城市安全具有重要作用[4～7]。

近年来，佛山市社会经济快速发展，为了进一步推进城市发展的可持续性，在全市范围内进行必要的地下空间开发利用显得尤为迫切。地质环境作为地下空间开发的空间载体，对其进行有效评价已成为科学有效利用地下空间的核心要点，而在评价过程中基础且重要的关键工作内容就是对影响佛山市地下空间开发利用的指标因素进行准确的分析、确定和评价。

本文通过对影响佛山市地下空间开发关键性地质环境问题进行系统分析的基础上，基于AHP(层次分析方法)构建了具有多层次结构特征的地下空间开发地质环境质量评价指标体系，并进行了多层次指标权重的计算、一致性检验和分析，为佛山市及其他城市地下空间评价提供相关实例参考。

2 佛山市地下空间开发地质环境质量评价指标体系构建

地下空间开发地质环境质量评价是受地下多种指标因素综合叠加影响导致的结果，该项评价需采用一定的评价指标体系来参与完成[8～10]。因此，构建科学、合理的评价指标体系不仅是地下空间开发地质环境评价的重要内容，也是整个评价过程的关键和核心问题，一个评价指标的优劣能够显著的影响评价结果的真实性、合理性及准确性。

本文从研究区关键地质环境问题着手，经系统地分析、梳理、比较和筛选，遵循分级、分序、抓主放次的原则，将影响佛山市地下空间开发地质环境质量的指标因素归为地形条件、岩土体特征条件、水文地质条件和环境地质条件等四大类。并以城市地下空间开发地质环境质量为目标层(A)，选取关键地质环境条件为主题层(B)，将各地质环境条件(主题层)中的多个相应指标因素作为指标层(D)，构建了佛山市地下空间开发地质环境质量评价的层次结构模型(图1)。

图1 佛山市城市地下空间开发地质环境质量评价指标体系层次结构

此外，不同的地区可根据其地质背景条件，尤其是存在的环境地质条件可以进行适当拓展，形成具有地区特色的评价指标体系，更有针对性地评价地下空间开发地质环境质量。

2.1 地形条件

地形条件是指城市地面起伏程度和形状，其衡量标准是地表高程、坡度。在地下工程建设中，所处地面海拔高度如果低于周围地块时，其地表排水能力降低，防汛防洪难度增大。地下空间入口及开放部位容易被倒灌，工作区降水量较大，因此影响尤为明显。

2.1.1 地面高程

当地下空间规划用地的地面海拔高度较低时，其地表排水能力降低、防汛抗洪难度增大，地下空间入口和开放部位容易倒灌，在雨洪危险较大的城市尤为明显。

2.1.2 地面坡度

在地下工程开展建设过程中，如果地面坡度较小，场地排水困难；地面坡度较大，建筑物和交通道路的布置受限，施工难度增大。如果在坡度较大区域进行大规模的深开挖工程，则需在周围做一定的防护坡来防止塌方现象的产生。

2.2 岩土体特征条件

岩土体作为一种承载地下空间的介质，其形成过程和具体堆积情况均具有一定的差别,进而导致物质的组成及表现的工程特征也具有较大差异, 因此其对地下建筑物的变形和承载特征也不一样。

2.2.1 地基承载力

地基承载力作为衡量单位面积上地基土层随着载荷增加所表现的承载潜力的重要参数。当载荷增加时，甚至超过地基土层的最大承载能力时，地基就会产生变形，导致其稳定性下降。因此，地基土承载能力越强，地下开挖施工所需的支护措施就越简单，地下结构稳定性越强，工程开挖成本越低。

2.2.2 压缩模量

压缩模量为对地基变形和建筑物沉降计算的一个主要参数，是评价土的压缩性和衡量地基变形的一个重要条件。在地下工程中，可以根据计算侧限条件下的固结试验获取相关的参数。一般而言，土体的压缩模量越大，其抗变形的能力就越强。

2.2.3 土体抗剪强度

土体抗剪强度作为衡量土体抵抗剪切破坏的能力的重要参数，其对基坑工程的支护方式选择、地下空间岩土体稳定等问题产生直接影响。

2.2.4 岩石抗压强度

岩石是组成岩体的最小单位，它的强度可根据单轴饱和极限抗压强度进行分类。当岩石抗压强度较高、承载力较大、变形模量较小时，对工程建设及稳定性有较大的改善。

2.3 水文地质条件

水文地质条件是指与地下水的性质、分布、状态等相关的水文地质环境信息的集合。该条件对城市地下空间利用的影响大多数属于负面影响，它的出现通常会增加地下空间开发的难度和成本。按水体赋存类型，该条件主要包括地表水系影响和地下水影响两部分。

2.3.1 地表水域影响

地表水域对地下空间开发(尤其在浅层空间)的影响较大，例如：在地下工程开展过程中，由于施工区域紧邻上部地表水体，容易致使如排水困难等相关施工问题的发生，这会直接造成施工建设的成本及难度，因此在地表水域周边进行地下空间开发时应设定一定间隔的缓冲距离。

2.3.2 潜水埋深

潜水含水层对地下空间开发的影响主要有两种表现形式：一是对地下建筑物的结构具有一定的托浮作用，尤其是在抗浮措施处理不当的条件下容易破坏地下结构；二是增加了工程建设中产生渗流潜蚀突涌和管涌的可能性，或进一步造成周边环境改变导致出现较大危险的安全事故。通常，潜水含水层埋深越深对地下空间开发越有利。

2.3.3 承压水埋深

承压水突涌、流砂等地下施工问题常常发生在紧邻承压含水层上部的地层中，这些问题的发生将会对地下工程建设或施工造成巨大的损失。因此，在进行地下工程建设或施工时应当充分了解区内关键承压水层顶板的埋深情况，通常含水层顶板埋深越大，地下空间开发利用的地质环境质量就越高。

2.3.4 地下水腐蚀性

2.4 环境地质条件

2.4.1 软土层厚度

作为一种对地下空间开发产生较大影响的特殊土体，在软土尤其是较厚软土地区进行地下空间工程建设，容易导致区内地基基础产生不均匀变形、失稳等问题，甚至会对后期使用维护产生额外的工程成本。因此，在进行地下空间工程建设时应对区内地层结构和土层特性充分了解。

2.4.2 不良地质作用

在地下施工或工程建设过程中，有时会出现一些具有一定不良性质的自然地质作用，其中包括滑坡、崩塌、泥石流等。就城市地下空间开发的地质环境质量而言，只注重工程本身的坚固性是不够的，必要时应对其保持一定的安全距离，将其不良影响作用降到最低。

2.4.3 隐伏断裂构造

在隐伏断裂构造附近，一旦发生地震灾害，不仅对地上建筑，对地下空间内的构筑物同样会产生巨大的破坏作用，并且越靠近震源中心一定范围内的地下空间的设施，其受影响的程度越大。因此，在进行地下空间开发利用时应对隐伏断裂进行一定的缓冲距离。

2.4.4 砂土液化

在地下空间工程建设中，砂土液化是指地下构筑物在地震力的作用下饱和砂土的抗液化稳定的能力。对于无砂土液化发生的区域，其开发地质环境质量最好。而砂土液化严重区则需要进行专门的地基处理，以防止由地震力引起的地基土层液化并进而诱发地基失稳等工程事故的发生。

3 基于层次分析法的评价指标体系权重的计算

目前，对评价因子进行权重计算的方法有很多，主要包括如层次分析法(AHP)、标准差率法(CPA)、CRITIC法、熵权法(EWM)等。在这些权重计算方法中，由于具有工作时间短、精确性高、计算量小等诸多特点，层次分析法(AHP)已在地质、管理、工程以及经济等领域得到较为广泛的运用。

层次分析法，英文简称AHP，是指将一个具有多目标的复杂决策问题看作一个系统问题，将其分解为多个目标准则，并将这些目标准则进一步细分为包含多个指标的层次结构模型，以定量化计算定性指标的方式得以计算出结构模型的层次单排序和总排序的权重，并将权重计算结果作为多指标优化或系统决策的方法。其主要包括5个计算步骤：建立评价系统的递阶层次结构、构建具有成对比较内涵的判断矩阵、完成指标的层次单排序及其一致性检验、完成指标的层次总排序及其一致性检验、最后根据计算结果进一步分析、决策。

为使因子权重结果更加科学、合理，本文邀请多名长期在佛山市当地从事岩土工程、工程勘察、地下工程设计等相关行业的专家，采用专家打分的形式以1～9标度法对评价指标建立指标重要性程度的判断矩阵，得到基于专家经验的综合判断矩阵。依据以上AHP计算步骤，进一步分别计算得到评价指标的多层次结构模型的单层次以及总层次的一致性比率CR值，结果显示其CR值均小于0.1，满足判断矩阵一致性的检验条件。计算得到的评价因子综合权重如表1所示，其值的大小可表明该评价因子对地下空间工程建设影响的强弱。在已建立的佛山市地下空间开发地质环境质量多层次评价指标体系中，B4(环境地质条件)对开发地质环境质量影响最大，其中又以C13(隐伏断裂构造)影响最为显著，这一结果符合多个专家的实际经验，也证明了专家打分法与AHP方法的有效性。