基于AHP法的鲁中某高铁岩溶塌陷易发性评价

于翠翠 刘兰玉 李传生 陈兴海

摘要： 鲁中地区隐伏岩溶广泛分布，多年来岩溶塌陷灾害频发，给区内高速铁路的勘察、施工与运营管理带来了较多困难。本文以泰安东地区某拟建高速铁路为研究对象，在对线路穿越段地质构造、水文地质条件、岩溶塌陷发育现状总结分析的基础上，选取了8项岩溶塌陷影响因子作为评价指标，并运用AHP法计算了各评价指标的权重，构建了有针对性的评价指标体系，结合GIS空间分析方法进行了岩溶塌陷易发性评价。结果表明：研究区易发性高区面积约11.0km2，占比37.6%，易发性中等区面积约9.6km2，占比32.9%，易发性低区面积约7.8km2，占比26.8%，需在高速铁路建设过程中有针对性地采取进一步的防治工程措施。本研究成果可为高铁线路方案的确定及工程处理提供地质依据，也可为同类覆盖型岩溶区高速铁路工程的规划建设与防灾减灾管理提供参考。

关键词： 岩溶塌陷；易发性评价；AHP法；高速铁路勘察

中图分类号： P641.69；P694；X43     文献标识码： A    doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.02.006

引文格式： 于翠翠，刘兰玉，李传生，等.基于AHP法的鲁中某高铁岩溶塌陷易发性评价［J］.山东国土资源，2023，39（2）：42 49.YU Cuicui， LIU Lanyu， LI Chuansheng， et al. Karst Collapse Risks Evaluation of a High speed Railway in Central Shandong Based on AHP Method［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（2）：42 49.

0 引言

岩溶塌陷作为隐伏岩溶区一种常见的地质灾害，往往能对区域工程设施造成破坏［1 2］。鲁中地区是山东省隐伏岩溶分布最为广泛的地区，随着近年来经济社会的迅速发展，该区域人类工程活动对地质环境的影响日益强烈，岩溶塌陷地质灾害频发，严重制约着经济社会的可持续发展［3 4］。以高速铁路建设为例，其对岩溶场地的适应性差，岩溶发育的不均一性决定了工程勘察难于彻底查清潜在的岩溶塌陷隐患［5］。因此，开展岩溶塌陷易发性评价对铁路建设的防灾减灾具有重要意义。

易发性评价是对岩溶塌陷形成的地质背景进行评价［6］。近年来，众多学者采用AHP法（层次分析法）、模糊数学法、GIS技术处理等多种方法，在岩溶塌陷易发性评价方面积累了不少成功的经验。陈菊 艳［7］、江思义［8 9］、李海良［10］、吴远斌［11］等以GIS与层次分析法相结合的方法，对贵州、广西、湖南等多地岩溶发育区进行了岩溶塌陷易发性评价研究；在线性工程相关研究方面，则有戴建玲等［12］从点、线、面3个层次提出了线性工程岩溶塌陷危险性评价的方法和指标；曾斌等［13］运用层次分析法对杭长高速岩溶塌陷灾害进行易发性评价。在研究区所处的泰安地区，也开展了大量的岩溶地质、地质灾害相关研究。如吴亚楠等［14］基于综合指数法建立了泰莱盆地岩溶塌陷风险性评价体系；汝亮、李晓波、苏宝成等对泰安地区岩溶塌陷特征、地质环境承载力、地质灾害发育情况等进行了较为详细的评价研究［15 17］。

本文以鲁中泰安东地区某拟建高速铁路为研究对象，依托铁路岩溶塌陷专项地质调查成果①，从岩溶发育程度、覆盖层特征、地下水动力条件、岩溶塌陷历史4个方面出发，选择基岩岩性、地质构造、土 层结构、土层厚度、水位变幅、地下水位与基岩面  关系、地下水开采强度、与已知塌陷距离等8个因素作为评价因子，采用AHP法和GIS技术，对铁路沿线地区岩溶塌陷易发性进行了评价，以期为线路方案的最终确定及防治措施提供科学参考。

1 研究区概况

1.1 地质构造

研究区位于山东省中部泰安市境内。区内自老至新发育有太古代、古生代、中生代至新生代地层，地表广泛分布有第四系冲洪积粉质黏土、细砂、中粗砂等，局部夹砾石层，厚度0.5～23m不等。下伏碳酸盐岩地层主要有寒武纪长清群白云岩、白云质灰岩、页岩，九龙群灰岩、白云质灰岩，奥陶纪马家沟群灰岩、白云岩等，属覆盖型岩溶分布區，地下岩溶发育形态以溶孔、溶隙为主，局部发育溶洞。岩溶发育好，连通性好。研究区内断裂构造较发育，NNW向的岱道庵断裂对区内岩溶的空间分布、厚度、埋藏、发育等起着重要的控制作用（图1）。

1.2 水文地质特征

研究区第四系冲洪积层较发育，构成了松散岩类孔隙含水岩组，含水层厚度不稳定，一般1～8m，富水性弱，单井涌水量一般小于500m3/d。岩溶水含水岩组主要由寒武 奥陶纪灰岩、白云岩、白云质灰岩等构成，大部分地区直接埋藏于第四系之下，局部裸露。裂隙岩溶较发育，含水层厚度约70～80m，富水性强，补给来源丰富，单井涌水量一般1000～5000m3/d。

本区岩溶水主要接受大气降水直接补给、孔隙水补给、牟汶河水补给、农灌回渗补给以及上游岩溶水侧渗补给等［18 19］。研究区岩溶地下水的开发利用方式主要为旧县水源地集中开采，其次为农村分散式生活供水及农业灌溉用水，现状水源地集中开采量约2万m3/d，分散供水井最大时开采量约2万m3/d。岩溶水的大量开采已形成了地下水降落漏斗［20 21］，2019年旧县水源地开采形成降落漏斗面积约9.10km2，拟建铁路约3.3km位于该漏斗范围内；除受地层及岩性控制外，岩溶水径流方向还主要受旧县水源地开采影响［22］，拟建铁路西侧地区岩溶地下水总体由西北向东南径流，拟建铁路东侧地区岩溶地下水总体由东北向西南径流。

1.3 岩溶塌陷发育情况

研究区所处的泰安市是山东省岩溶塌陷地质灾害较为严重的城市之一，自20世纪60年代开始发生岩溶塌陷地质灾害［23 24］。岩溶塌陷发生的区域主要集中于城区中南部地下水开采强度大的地区。包括以泰安站南部铁路三角区为中心的城区水源地塌陷区，以旧县水源地及东、西羊娄为中心的旧县 羊娄塌陷区。

拟建铁路工程段自旧县 羊娄塌陷区南北向穿过。该塌陷区的岩溶塌陷是随着旧县水源地的大规模开发而出现的，区内岩溶塌陷的发育经历了始发期（1983年）A—盛发期（1988—1994年）—持续发展期（1995—2001年）—高发期（2002—2005年）—低发期（2006年至今）5个阶段。该塌陷区南北长约7km，东西宽3～6km，面积约24km2（图2）。

根据历史塌陷资料，结合《铁路安全管理条例》中关于铁路线路安全保护区范围划定的有关要求，本次统计了本线路工程段两侧20m、200m、500m及1000m范围内历史岩溶塌陷点数量（表1）。

2 岩溶塌陷易发性评价指标体系

2.1 评价方法及评价范围

岩溶塌陷易发性评价采用AHP法（层次分析法），将评价模型分为目标层、条件层、因子层3个层次，通过相同层次内因素之间的对比，逐层比较多种因子之间的重要性，最后确定其总体影响特征。

综合考虑岩溶塌陷产生的先决条件以及拟建铁路工程性质，本次研究将评价范围定为隐伏岩溶区铁路工程两侧外扩2km，非岩溶区、裸露型岩溶区及古近系厚度大于30m的覆盖型岩溶区不作为评价范围，实际评价面积为29.2km2（图1）。

2.2 评价指标体系

岩溶塌陷易发性评价体系是一个多层次、多因素的复杂体系，影响和控制岩溶塌陷的因素很多，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。

岩溶塌陷从孕育、发展、再到最终发生，主要受下伏碳酸盐岩岩溶发育程度、地质构造条件、覆盖层特征、地下水动力条件等因素的影响和制约，已形成的岩溶塌陷则是受上述各因素综合影响的结果。因此，本次岩溶塌陷易发性评价综合考虑以下影响因子。

（1）岩溶发育程度：包括基岩岩性（K1）和地质构造（K2，与断裂距离）。

（2）覆盖层特征：包括土层结构（Q1）和土层厚度（Q2）。

（3）地下水动力条件，包括水位变幅（W1）、水位与基岩面关系（W2）和开采模数（W3，地下水开采强度）。

（4）塌陷历史条件，即与已知塌陷点距离（D1）。

2.3 评价模型

岩溶塌陷易发性评价模型采用一元多项式，综合考虑各影响因素的重要性，运用层次分析法确立各指标的权重，并按照各指标对塌陷的影响进行等级划分，利用MapGIS空间分析工具将各评价因子的指标权重进行叠加，评价模型如下：

P=∑ n i=1 XiCi

式中： P—易发性评价综合指数；Xi、Ci —分别为易发性因子取值及权重。

3  岩溶塌陷影响因素分析及评价指标量化

根据评价因子对岩溶塌陷易发性的影响程度，以数值1、4、7分别进行赋值，赋值越大代表对影响程度越大。

3.1 岩溶发育程度

可溶岩类岩溶发育是岩溶塌陷形成的前提条件，而岩溶发育程度则与地层岩性及构造发育程度密切相关。

（1）基岩岩性

岩石性质、结构及化学成分的不同导致岩溶发育程度的差异，岩性是控制岩溶发育的基本条件。质纯、厚层且均匀分布的灰岩地层岩溶发育较强，白云岩岩溶发育次之，碳酸盐岩与碎屑岩互层的地层及泥质碳酸盐岩类岩溶发育较弱。据资料分析，研究区内岩溶塌陷与地层岩性密切相关。马家沟群、三山子组及炒米店组灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩，线岩溶率高，塌陷发生数量多。综上，本次对各下伏基岩地层按其岩溶发育程度进行了划分，并对其赋值（表2，图3）。

（2）地质构造

岩溶发育程度除与地层岩性密切相关外，还受地质构造的控制。在岩性相同情况下，断裂及其影响带成为地下水的良好赋存空间和运移通道，地下水与岩石密切接触，溶蚀作用更强；而非构造发育带，相应的岩溶发育程度比构造带的发育要弱。距离断层越近，岩体越破碎，岩溶越发育，对岩溶塌陷的影响程度越大。根据区内断层对岩溶塌陷影响程度，对断层进行缓冲区分析，将断层缓冲区分为0～100m、100～300m、＞300m共3個区，并分别赋值（图4，表2）。

3.2 覆盖层特征

（1）土层结构

覆盖层的岩性结构对岩溶塌陷的产生有较大影响，覆盖层土体结构一般由黏性土、砂及砾石等组成。资料统计显示，研究区塌陷主要发生在二元结构区（上部黏性土，下部砂性土），其次为多元结构区（黏性土与砂性土互层），一元结构区（粉质黏土为主）最不易塌陷［14］。根据区域地质资料以及铁路勘察资料，将研究区内土层结构分为二元结构、一元结构及多元结构，并对其赋值（表2）。

（2）土层厚度

在相同的水文地质条件下，上覆土层厚度小，有利于地下水的潜蚀和掏空作用，使土洞扩展到地表的进程缩短，使塌陷易于发生。但覆盖层厚度大时，其自重力也大，致塌力也相应的增大，土层破坏失稳形成土洞的可能性也会增大［25］。据资料统计，研究区约4%的塌陷点覆盖层厚度小于5m，约26%的塌陷点覆盖层厚度5～10m，约68%的塌陷点覆盖层厚度10～25m，约2%的塌陷点覆盖层厚度大于25m区。因此，本次将土层厚度按10～25m、5～10m，＞25m或＜5m 3个分区进行赋值（表2）。

3.3 地下水动力条件

（1）地下水位变幅

短时间、大幅度的水位下降，会使覆盖层受到的浮托力快速消失，覆盖层自重增大；水位下降还会增大孔隙水与岩溶水的水头差，使其补给岩溶水的强度增加，潜蚀作用增强，进而使致塌力增大。岩溶地下水位的升降还会引起岩溶空腔及土洞内的气压产生变化，导致塌陷发生。综合分析研究区塌陷历史与地下水位变幅关系，将地下水位变幅划分为3个类型，并进行赋值（表2）。

（2）岩溶地下水位与基岩面的关系

岩溶地下水位在基岩面附近波动的情况下，土体最易塌陷。据统计，研究区所在的旧县 羊娄塌陷区在岩溶塌陷的始发期地下水位在基岩面以上0～+2m，盛发期岩溶地下水位在基岩面附近 10m～+2m波动，持续发展期岩溶地下水位在基岩面附近 11m～+4m波动，高发期岩溶地下水位在基岩面附近 10m～+10m波动，低发期岩溶地下水位在基岩面以上0～+10m。结合其他研究成果［14］，本次将岩溶地下水位与基岩面关系划分为3个等级，并进行赋值（表2）。

（3）岩溶地下水开采模数

研究区大部分已发的岩溶塌陷为旧县水源地集中供水而引发，高强度岩溶地下水开采活动是导致岩溶塌陷的主要原因之一。据统计，研究区所在的旧县 羊娄塌陷区，在岩溶塌陷盛发期、持续发展期及高发期，水源地集中开采量均达到4万m3/d以上，2006年水源地限采之后，开采量平均2.4万m3/d，岩溶塌陷发生频率明显降低。本次将岩溶地下水开采模数分为3个类型，并进行赋值（表2）。

3.4 岩溶塌陷历史

岩溶塌陷历史反映了该地区塌陷发育强度及活跃程度。与已知塌陷距离越近，表明影响塌陷的其他因素指标分值越高，在同等条件下发生岩溶塌陷的可能性越大。综合分析研究区塌陷历史资料，本次将与已知塌陷点距离分为3个等级，并分别赋值（图5，表2）。

1—距已知塌陷点<100m；2—距已知塌陷点100～300m；3—距  已知塌陷点>300m   图5 与已知塌陷点距离分区

4 岩溶塌陷易发性评价

4.1 评价指标权重

通过构建判断矩阵来确定各评价指标的权重，采用“1～9”比率标度法确定。通过对各评价指标相对重要性的比较，最终计算得出各指标权重（表3—表8）， CR 值均满足一致性检验（＜0.1）。

4.2 易发性评价结果

应用MapGIS的空间分析模块，对研究区进行岩溶塌陷易发性评价。按照AHP法将建立的各单指标影响分区图进行叠加计算，得到研究区岩溶塌陷易发性评价结果。评价分值越高，岩溶塌陷的易发性越高，评价标准表9。

根据综合评价得分，将评价区划分为岩溶塌陷易发性高区、易发性中等区和易发性低区（图6）。易发性高区面积为10.98km2，占比37.6%。拟建铁路里程桩号CK60+400～CK61+810段、CK62+280～CK62+950段、CK63+500～CK64+850段位于易发性高区内；易发性中等区面积为9.60km2，占比32.9%。拟建铁路里程桩号CK61+810～CK62+280段、CK62+950～CK63+500段、CK64+850～CK65+740段位于易发生中等区内；易发性低区面积为7.82km2，占比26.8%。拟建铁路里程桩号CK65+640～CK67+450段位于该区内。通过对已发岩溶塌陷数量的统计，可检验岩溶塌陷易发性评价结果的准确性［11］。易发性高区、易发性中等区、易发性低区内发生的岩溶塌陷数量占比分别为74%、22%、4%，绝大多数塌陷发生在易发性高区和易发性中等区。同时，由勘察及监测资料可知，易发性高区岩溶強发育，断裂较密集，区域控水构造岱道庵断裂位于本区内，第四系覆盖层厚度一般10～25m，土层多为二元结构，地下水变幅中等，地下水位变幅较大且多在基岩面附近波动；易发性中等区多为岩溶中等发育，构造多为次级断裂，第四系覆盖层厚度一般小于10m或大于25m，土层多为二元结构，地下水变幅小—中等；易发性低区多为岩溶弱 中等发育，本区大部分地区与断裂距离大于300m，第四系覆盖层厚度一般小于5m，土层多为一元结构，地下水变幅小—中等。

5 结论及建议

（1）将拟建高铁沿线岩溶塌陷易发分区分为高、中、低3种类型，其中：易发性高区面积为10.98km2，占比37.6%。拟建铁路里程桩号CK60+400～CK61+810段、CK62+280～CK62+950段、CK63+500～CK64+850段位于易发性高区内；易发性中等区面积为9.60km2，占比32.9%。拟建铁路里程桩号CK61+810～CK62+280段、CK62+950～CK63+500段、CK64+850～CK65+740段位于易发生中等区内；易发性低区面积为7.82km2，占比26.8%。拟建铁路里程桩号CK65+640～CK67+450段位于易发性低区内。

（2）本文应用AHP法与GIS空间分析，从岩溶发育程度、覆盖层特征、地下水动力条件及历史条件4个方面对研究区进行了岩溶塌陷易发性评价工作，为拟建高铁线路方案的确定及工程处理措施提供了地质依据。

（3）线路工程大部分位于岩溶塌陷风险性高区，因路基结构抵抗沉降变形的能力弱，故不建议路基通过，建议设计采用桥梁桩基形式；建议铁路建设前期开展岩溶地下水安全开采的防控研究，提出岩溶地下水限采或禁采措施。

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Karst Collapse Risks Evaluation of a High speed   Railway in Central Shandong Based on AHP Method

YU Cuicui1，  LIU Lanyu1，  LI Chuansheng1，CHEN Xinghai2

（1.Shandong Geological Surveying and Mapping Institute， Shandong Ji'nan 250002， China; 2. China Railway Eryuan Engineering Group Limited Corporation， Sichuan Chengdu  610031， China）

Abstract：   Hidden karst is widely distributed in central Shandong province， and karst collapse disasters have occurred frequently for many years. It has brought more difficulties to the survey， construction and operation management of high speed railway in the region. Based on the summary and analysis of geological structure， hydrogeological conditions and karst collapse development status of the crossing section of the line， taking a proposed high speed railway in eastern Tai'an area as the research object， selecting eight karst collapse impact factors as evaluation indicators， the weight of each evaluation indicator has been calculated by using AHP method， a targeted evaluation indicator system has been constructd， and the vulnerability of karst collapse has been evaluated by using GIS spatial analysis method. It is showed that the area of high vulnerability area is about 11.0km2， accounting for 37.6%， the area of medium vulnerability area is about 9.6km2， accounting for 32.9%， and the area of low vulnerability area is about 7.8km2， accounting for 26.8%. It is necessary to take further prevention and control measures in the process of high speed railway construction. It can provide geological basis for the determination of high speed railway line scheme and engineering treatment， as well as references for the planning， construction and disaster prevention and mitigation management of high speed railway projects in similar covered karst areas.

Key words：  Karst collapse; susceptibility assessment; Analytic Hierarchy Process method; high speed railway survey