保山市隆阳区城市综合管廊工程建设适宜性评价

李洪伟，徐世光，刘金宇，姚一鸣

（1.云南地矿工程勘察集团公司，昆明 650041；2.云南省地质矿产勘查开发局（云南省地质矿产局），昆明 650011；3.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093）

1 引言

城市是人们生产生活和社会经济发展的重要载体，也是现代文明发展的象征[1]。与城市的地表工程建设受到的关注程度相对比，城市地下空间资源的社会价值、经济价值、生态价值等方面还没有受到人们的充分重视。作为地上空间的延伸，地下空间虽然是城市开发的新方向，但是迄今为止，针对城市综合管廊工程建设没有形成完整的评价系统，大多是盲目开发和碎片式开发，往往导致地下空间资源的浪费和地下建筑的破坏。因此，通过科学的方法开展城市地质环境特征研究，建立统一化、标准化、规范化的评价体系，对城市综合管廊工程建设的适宜性进行相应的分析，提供科学合理的决策和实践指导，对于解决城市可持续发展问题是非常有意义的。

国外关于城市地下空间的研究始于20 世纪初[2]。直到80年代，城市地下空间的理论水平才提升到新的高度与水平。Jaakko[3]以基础地质环境条件为主，提出了地下空间利用深度的概念。Daniel J.Boivin[4]综合考虑了地面坡度、基岩性质和沉积物厚度等因素建立了相对完善的地质环境数据库。Ronka[5]等提出了参照岩体的物理力学性质对岩石区建设难度，划分了该区域的城市地下空间开发适宜性等级。De Rienzo F[6]等人利用GIS 技术，建立了三维地质体模型，更加直观地展示了都灵的地下三维结构。James[7]等人通过二维水文地质数据和三维工程地质模型的拟合，探讨了英国伦敦Earls Court 的地下空间适宜性问题，为城市地下空间总体规划提供了依据。

与国外相比，我国城市地下空间研究工作开展较晚。祝文君[8]以北京市旧城区为例，运用了层次分析法理论，建立了首个地下空间分层调查与评价模型。姜云[9]等人将定量定性评价相结合，建立综合评价体系，用以评估城市地下空间的容量。欧刚[10]以南宁市地下空间的开发和利用现状为切入点，基于模糊综合评判理论，对南宁市地下空间利用与开发的适宜性进行了评价。梁晓辉[11]采用AHP-Fuzzy 方法建立了地质环境质量评价模型，结合GIS 平台，对调查区的地下空间适宜性进行了综合评价与分析，并提供了相对合理的基础地质建议。程子腾[12]运用灰色马尔可夫预测法结合层次分析法，对荆州市地下开发利用的适宜性进行了综合评价且提出了相应的规划建议及思路。岳志辉[13]采用灰色综合评价模型，从工程地质、水文地质、岩土体、地理位置和不良地质5 个方面，对地下空间开发的适宜性进行宏观分析并得到地下空间适宜性分区结果。徐斌[14]提出了变权理论，对淡水透镜体和软土问题进行了针对性研究。通过变权前后对比分析及优化，得出了科学合理的地下空间适宜性评价结果。郭震[15]结合自然地理、经济、技术、环境、社会、交通建设6 个方面，选取土质均匀性、地基承载力、地下水等38 个指标作为因子，基于指标因子属性信息熵组合的粗糙集理论，构建了一套可直接运用于综合管廊工程的适宜性评价指标体系。章梦霞[16]以济南市为例结合地质数据建立三维地质模型和各指标二维矢量数据图，采用二维、三维耦合分析将该研究区地下空间开发适宜性进行分区。近年来，我国学者提出了较为新颖的变权理论、信息熵理论及加权函数理论等数学方法，由此得出的地下空间适宜性评价结果将更加合理及准确。

根据城市地下空间工程建设的形式差异，综合考虑了地形地貌条件、工程地质条件、水文地质条件、人类工程活动、不良地质条件和地质灾害、活动断裂及地震效应7 个方面，建立了一套用于评价城市地下空间建设的适宜性评价指标体系。随后，选取保山市隆阳区城市规划区作为研究区，基于ArcMap 二维分析功能以及MapGIS 10.3、EVS 三维地质建模功能，直观展示该研究区的地质状况，分析研究区的地质环境条件及主要地质问题，得出对研究区地下空间建设影响较大的主要指标因子。最后，采用层次分析法结合专家打分法进行权重计算，突出主要指标因子，并将数据导入EVS 数值建模模块，建立城市地下空间建设适宜性分区三维模型，并结合三维模型进行相关的评价分析。

2 城市综合管廊工程适宜性评价指标体系构建

以评价城市地下空间建设的适宜性为目的，运用层次分析法确定评价指标体系的结构模型。引入灰色关联度理论，形成灰色层次分析法，用以评价城市综合管廊工程建设的适宜性。具体步骤如下：构建层次分析模型→评价指标标准化处理→确定指标权重→建立二级指标评价矩阵→建立灰色关联度评价矩阵→确定一级指标评价向量→确定综合评价结果。

2.1 构建层次分析模型

依据目标层、准则层和指标层可构建完整的层次分析模型。

目标层是指最终目标，应用于本次研究即为城市综合管廊工程建设适宜性评价。

准则层是指为解决目标层的中间环节而提出的特定方案，应用于本次研究则为地形地貌条件、工程地质条件等8 个一级评价因子。

指标层是指为解决某一特定方案所采用的各种具体解决方案，应用于本次研究则为地貌类型、岩土体类型、地基承载力等30 个二级评价因子。

2.2 评价指标标准化处理

由于层次评价模型中存在大量不同性质、不同计量单位的评价因子，故将综合评价计算量化处理成[0，1]的数值。理论上，适合城市地下空间工程建设的区域，则其归一化值更接近1；不适合城市地下空间建设的区域，则其归一化值更接近0。因此，将本次评价结果归一化赋值：不适宜赋值0～0.25、较不适宜赋值0.25～0.5、较适宜赋值0.5～0.75、适宜赋值0.75～1，具体赋值分级见表1。

表1 评价结果分级标准一览表

2.3 确定指标权重

权重值是基于评价对象评价因子重要性的分配赋值，通常受评价因素本身的重要性、评价者的主观意见和决策者的评价思维的影响。故本次研究采用层次分析法确定评价指标的权重值。

2.3.1 构造判断矩阵

对同一层级的评价因子两两进行比较判断，构成指标判断矩阵A=[aij]，其中i，j∈（1,2，…，n），n 为指标因子评价层对应的指标数量。

式中，aij为指标i 相对于指标j 的重要性，并且规定aij＞0；aij=1/aji(i≠j)；aii=1。

2.3.2 一致性检验及权重的计算

用和积法对判断矩阵的每一列进行归一化，得到矩阵A。

将矩阵A 每一行相加，得到矩阵C：

将得到的矩阵C 再进行归一化处理，得到各指标的权重向量矩阵C：

式中，Ci为第i 个指标的权重向量矩阵。

计算判断矩阵A 的最大特征根λmax：

式中，wi为各指标的权重。

一致性检验指标CI：

需要找出对应于m 的平均一致性指标RI，矩阵阶数越大，就会越容易出现一致性偏离。

从而得到一致性比例CR：

对于一阶、二阶矩阵RI 为0 时，不需检验；当阶数大于3时，如果CR＜0.1，需要将判断矩阵重新调整直到判断矩阵通过一致性检验。

2.4 建立二级指标评价矩阵

按照划分的评价等级对标准化后二级评价因子进行评价。假设共有m 个二级指标集，每个二级指标集有n 个评价指标，其中i=1，2，…，m；j=1，2，…，n，从而可以构建二级指标评价矩阵D。

2.5 建立灰色关联度评价矩阵

当评价因子趋于1 时，灰色关联理论的评价结果精度和质量都会较高，故可将参考指标设置为d0=(d01，d02，d03，…，d0m)=（1，1，1，…，1）。

当二级评价指标dij越接近参考指标集d0，评价结果越好。公式（9）可用于计算dij和d0之间的灰色关联系数。

其中，P 为分辨系数，用于减小最小二极差过大引起的数值失真，一般取[0，1]之间的值。为了使评价结果的差异更加明显，P 取0.2。则二级指标各点的灰色关联度为：

其中，rij=r（dij，d0）j，则相应的二级指标灰色关联度评价矩阵为：

2.6 确定一级指标评价向量

二级指标权重向量与二级灰色关联度评价矩阵相乘可得到一级指标灰色关联度评价矩阵，再将一级指标权重向量与一级指标灰色关联度评价矩阵相乘得到一级指标评价向量。

一级指标灰色关联度评价矩阵为：

一级指标评价向量为：

2.7 确定综合评价结果

为便于得出最终评价结果，将一级指标评价向量做归一化处理，即：

3 应用案例

3.1 研究区范围

保山市隆阳区位于云南省西部，横断山脉南段，位于东经98°43′～99°26′，北纬24°46′～25°38′。东南邻近保山市昌宁县和大理白族自治州永平县，南接保山市龙陵、施甸两县，西与保山市腾冲市相连，北与怒傈僳族自治江州泸水市、大理白族自治州云龙县交界。呈南北向近似长椭圆形，长31 km，宽7 至10 km 不等，面积约245 km2，平均海拔约1 600 m，地势整体西北高东南低。主要河流有东河、西大沟河和西沟河（见图1）。

图1 研究区位置图

3.2 工程地质条件

3.2.1 地形地貌

保山市隆阳区境内山脉起伏盘错，最高海拔3 655.9 m，最低海拔648 m。研究区位于保山盆地中部，根据研究区范围、地貌、岩土、高程及成因特征，得出研究区域内共有6 个地貌单元：中山陡坡型，峰从洼地型，溶蚀残丘型，湖积平原，蚀余台地，洪积扇裙。

3.2.2 地层与构造

隆阳区内地层出露比较齐全，寒武系至第四系地层均有出露，保山盆地周边出露寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和三叠系等地层。在研究区域内，由于区域变质作用、岩浆活动等，北东向、北北东向、近南北向的同向断裂均较为发育。影响研究区地下空间建设的主要断裂有搬家寨断裂（F1）、岩箐断裂（F2）、李家寺组断裂（F3）、中岭岗断裂（F4）及卧佛寺断裂（F5）。

3.2.3 特殊土特性

1）软土特性

研究区内软土厚度0.8～11.1 m，均值3.51 m，主要集中在1.83～3.89 m 范围内。主要分布在研究区北部的保山第十中学及青华海周边；局部分布于老城区保山学院、保山客运站及保山粮食局附近，西南部白马庙一带，东南部工贸园区部分地区。

2）膨胀土特性

研究区膨胀土局部膨胀裂隙十分发育，呈鳞片状分化，旱季地裂发育。膨胀土厚度0.5～25.1 m，均值7.34 m，主要集中在2.96～12.80 m 范围内。主要分布在研究区东部工贸园区及青阳片区；局部分布于老城区学府路东段及梨花路周边区域。

3）红黏土特性

研究区地基土局部形成大面积的红黏土，厚度1.1～25.1 m，均值6.64 m，主要集中在3.5～10.7 m 范围内。主要分布在研究区东部工贸园区及青阳片区；局部分布于老城区学府路东段、第三人民医院及梨花路周边区域，北部马家庄一带。

3.2.4 水文地质条件

研究区的区域水文地质条件较为复杂，地下水及含水层的特性不仅受到断裂构造、地层岩性和岩相的影响，还受到地形、地貌、气象等诸多因素的制约。其中，断裂构造起主导作用，区内主要断裂构造直接控制着不同含水层的分布，二级断裂构造则制约或影响着地下水的富集和运移。

3.2.5 不良地质作用

研究区不良地质作用主要有填土：杂填土、素填土及人工填土。填土厚度在0.4～24.2 m 范围，平均厚度2.73 m。根据其平面分布特征，可看出在东部大部分区域及西北部部分区域填土厚度较大，中部区域则因湖积相、洪积相的存在，其填土厚度较薄。

3.3 适宜性建模及分区步骤分析

基于EVS 软件对研究区综合管廊工程建设进行适宜性分区综合评价。其数值建模步骤：

1）首先对原始项目评价因子归一化赋值得到的数据进行分析、整理和合并，并将项目坐标、高程、归一化赋值得分及评价深度等数据录入Excel 文档中。

2）在EVS 中，AIDV 用于统计所有在高程范围内的数值数据。将制作完成的Excel 文档导入EVS 软件，并对数据进行划分处理，得到AIDV 形式的数据文件。

3）将赋予空间数据属性的AIDV 文件置入EVS 建模模块，生成三维数值模型。再根据量化赋值的等级，对数据进行筛选分级，赋予不同的属性后，即可得到研究区综合管廊工程建设适宜性的EVS 三维空间数值模型。

3.4 城市综合管廊工程适宜性分区与分析

3.4.1 城市综合管廊工程适宜性分区

依据灰色综合评价处理及自然断点法分类后的综合管廊工程适宜性三维空间分区模型见图2。

图2 综合管廊工程适宜性分区模型

3.4.2 城市综合管廊工程适宜性分析

1）适宜区

适宜区占综合管廊工程建设区的37.19%，主要分布于西部保山第三人民医院、太保公园一带；中北部青华海附近；东部青阳片区及工艺园区周边。

该区自然高程相对高，整体地势相对平坦，地层结构单一。地下水腐蚀性弱，地下水位埋深较深，含水层累计厚度小、顶板埋深深、富水性差。且填土埋深浅，现有地下建筑少，施工技术相对简单，受软土震陷及砂土液化影响也相对小。综合考虑该区适宜进行城市综合管廊工程建设。

2）较适宜区

较适宜区占综合管廊工程建设区的17.34%，主要分布在研究区西部老城区西侧永昌街道一带；研究区中北部青华海外围区域；东部青阳镇与工业园区之间。

该区自然高程相对较高，整体地势相对较平坦，岩土体性质较好，管廊抗滑移、抗倾覆、抗隆起稳定性较好。地下水腐蚀性较弱，含水层累计厚度较小、顶板埋深较深、富水性较差。受活动断裂影响较小，软土震陷及砂土液化影响也相对小。综合考虑该区较适宜进行城市综合管廊工程建设。

3）较不适宜区

较不适宜区占综合管廊工程建设区的17.41%，主要分布于研究区北部南坝区域、老城区中部杭瑞高速左侧及老城区北部海棠路周边；其余零星分布于岱官屯、化美村等地区。

该区自然高程相对较低，岩土体类型较复杂，均匀性也较差。地下水具腐蚀性，区域内整体地下水位较浅，含水层累计厚度较厚、富水性好，含水层问题较为突出。同时填土性质较差，存在潜在岩溶塌陷问题。现有地下建筑较集中，施工难度大，部分区域受活动断裂影响。综合考虑该区较不适宜进行城市综合管廊工程建设。

4）不适宜区

不适宜区占综合管廊工程建设区的28.06%，主要分布在研究区中部武家屯、沈家屯、永铸村、汉庄镇区域；西南部白马庙一带；老城区中部保岫西路与九龙路交叉口一带；北部惠通路与白塔路之间区域。其余零星分布的不适宜区为文物与古建筑保护区。

该区自然高程低，岩土体类型复杂，均匀性差，地层结构复杂。地下水位埋深浅，地下水腐蚀性强，含水层累计厚度大、顶板埋深浅、富水性强，主要问题是含水层问题。汉庄镇及白马庙一带存在潜在岩溶塌陷问题且受活动断裂影响大。综合考虑该区不适宜进行城市综合管廊工程建设。

4 结论

本文运用灰色层次分析法理论等构建出城市综合管廊工程建设的适宜性评价指标体系。再根据其评价指标体系，选取了保山市隆阳区城市规划区为本次研究的典型区，建立研究区城市综合管廊工程建设适宜性三维模型，进行研究区城市综合管廊工程适宜性综合评价，对于城市综合管廊工程建设的合理规划与可持续发展提出了科学合理的地学建议。主要研究成果如下：

1）建立城市综合管廊工程建设适宜性体系，分别从地形地貌条件、工程地质条件、水文地质条件、人类工程活动、地质灾害、不良地质作用、活动断裂及地震效应及敏感因子八个方面选取评价因子，。并对保山市隆阳区进行了城市综合管廊工程建设适宜性评价，结果与实际情况一致，评价因子选取也较为合理。

2）通过对保山市隆阳区基础地质环境条件资料、海量的钻孔数据及试验成果的分析研究，探讨了不同评价因子对研究区城市综合管廊工程建设的影响程度，影响程度从大到小依次为：水文地质条件、工程地质条件、人类工程活动、活动断裂及地震效应、地质灾害、不良地质作用、地形地貌。

3）基于EVS 软件建立研究区综合管廊工程建设地质环境适宜性评价分区模型，三维空间模型清晰地展示了研究区适宜性评价结果，将评价结果划分为4 个等级（适宜区、较适宜区、较不适宜区、不适宜区），并分析各评价等级的区域特征，给出相应的城市综合管廊建设建议。