银川城市地下空间开发的地质安全风险分析

赵银鑫,宋 琨,吉卫波,公 亮,虎博文,张晓东,田硕丰

1)宁夏回族自治区基础地质调查院,宁夏银川 750021;2)防灾减灾湖北省重点实验室(三峡大学),湖北宜昌 443002

城市地下空间是重要的资源,开发地下空间资源成为保证城市可持续发展的重要手段(Golany et al.,1996; 钱七虎,1998; 王成善等,2019; 李晓昭等,2019)。地质环境是地下空间开发利用的载体,地质环境条件的不确定性、非均质性等制约地下空间的开发,影响地下工程的施工与运行。如在法国巴黎、墨西哥等城市的地铁建设中均出现严重的地下水问题(Birkle et al.,1998; González-Morán et al.,1999)。为保证地下空间的可持续发展,地质环境条件的安全评价成为亟需解决的先导问题。

随着城市地下空间的开发进程,国内外学者研究了城市地下空间开发与地质环境的关系。主要针对各个城市的工程地质环境特征,总结了城市地下空间开发可能面临的一系列工程地质问题,并分析了其对地下空间开发的影响(王初生等,2005; 张茂省等,2019; 苏培东等,2020)。城市地下空间建设的适宜性评价多采用层次分析法(AHP)、专家问卷调查法、模糊层次分析法(FAHP)、结构方程模型(SEM)、模糊层次分析方法-逼近理想解排序法(FAHP-TOPSIS)等方法(吴文博等,2013; Wang et al.,2013; Hou et al.,2016; Lu et al.,2016; Peng et al.,2018)。虽然不同方法各有优劣,但是分类指标、权重等确定的合理性是关键。结合各城市的地质环境特征,除考虑基本的地质环境条件、岩土体特征指标外,针对可能出现的工程地质问题,引入砂土液化、地面沉降、渗透破坏等指标到地质安全评价体系中(张晓彤,2016; 蒋杰等,2021; Xi et al.,2022);董英等(2020)从地下空间自身稳定性、引发临近工程稳定性和后建地面工程对地下工程稳定性的影响评价等三个方面进行地质安全评价。

针对当前城市地下空间开发存在的地质支撑不足的问题,结合银川城市区地下空间资源调查,从地震、砂土液化、富水砂卵石层、地基承载力和地表载荷等地质风险分析方面,进行银川市地下空间开发的地质安全风险分析与评价,为该区域城市地下空间的开发建设提供地质参考。

1 银川市地质背景

银川市位于银川平原中部,地处黄河中上游。地势总体西高东低,开阔平坦,由山前洪积倾斜平原、冲洪积平原和冲湖积平原组成。冲湖积平原是银川平原地势最低的地貌单元,海拔1 100 m左右。构造上属于新生代断陷的银川盆地中部,盆地周边及内部活动断裂主要以NNE向为主,穿过城市的大型断裂主要有4条,分别为贺兰山东麓断裂、芦花台隐伏断裂、银川隐伏断裂和黄河断裂(图1)。

图1 银川市地层及地质构造分布图Fig.1 Geological and structural map of Yinchuan urban area

银川市地层主要为第四系和新近系(图1)。新近系岩性以褐红色、黄褐色、桔黄色砂质泥岩、泥质砂岩、泥岩为主,埋深8～40 m,第四系广泛分布,成因类型多样,岩性主要为砂卵石、细砂、粉砂、粗砂、黏土等,沉积厚度逾千米。

2 地下空间开发的地质风险分析

地下空间的开发受到多种地质环境因素的制约,结合银川市的地质环境条件,可能影响银川城市地下空间开发的主要地质环境要素为地震、砂土液化、富水砂卵石层、地层承载力和地表载荷等。

2.1 地震地质风险

根据银川市的地质情况,地震地质风险分析主要考虑活动断裂和场地地震效应的影响。

(1)活动断裂

银川市存在4条活动断裂(图1),第四纪以来,该区域活动强度较大,活动断裂发育,在进行地质风险分析时必须考虑断裂影响。主要借鉴《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001(2016局部修改))中对活动性断裂的主断裂带合理避让的原则进行地质风险评价。

(2)场地地震效应

大量震害表明,场地工程地质、水文地质情况、地形地貌对建筑结构的震害有很大的影响,不同场地类别的地震效应不一样。以土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度为评定指标,进行场地类别的划分,得到如图2所示的场地类型分布图。

图2 研究区场地类型分布图Fig.2 Distribution map of soil types

银川市主要存在II类和III类场地。根据场地类别的不同,可按照表1的调整系数对场地峰值加速度和基本地震动加速度反应谱特征周期进行调整。

表1 场地地震动峰值加速度和加速度反应谱特征周期调整表Table 1 Adjustment table of peak ground acceleration(PGA) and characteristic period of reaction spectrum

经调整后的研究区第四系土层II类和III类场地的地震动参数如下:

II类场地: 峰值加速度0.20g,反应谱特征周期0.40 s;

III类场地: 峰值加速度0.20g,反应谱特征周期0.55 s。

(3)地震的地质风险分析

考虑到地震对地下空间建设造成不同程度的影响,参照已有的研究成果(张晓彤,2016; 蒋杰等,2021; Xi et al.,2022)和相关规范(河南省地质矿产勘查开发局,2021)，将其风险等级划分如表2所示。

表2 地震风险等级划分表Table 2 Classification of earthquake risk

根据地震风险等级划分标准,按风险就高不就低的原则,确定了研究区的地震风险等级分布如图3所示,其中在风险等级划分时考虑到活动断裂的影响,按断裂带附近300 m的影响范围为强风险考虑。

图3 地震的地质风险分布图Fig.3 Distribution of geological risk of earthquakes

从图3可以看出,研究区的地震风险主要为中风险(III)区,西部和东部的边界区域存在部分弱风险(II)区,在活动断裂附近主要分布强风险(IV)区。由于银川市的抗震设防烈度高、并且存在较多第四纪活动性断裂,因此,相应的地震风险等级高。

2.2 砂土液化地质风险

根据银川市城市地质调查的砂土原位测试数据进行液化指数的计算和液化程度的判定,研究区的液化情况如图4所示。

图4 砂土液化程度分布与地质风险等级图Fig.4 Distribution map of sand liquefaction levels and geological risk

从图4可以看出,研究区东北部、黄河沿岸通贵乡的液化程度最严重,其他多数区域为无液化和轻微液化区。

银川地区属于8度设防烈度区,考虑到地下工程的重要性和损坏修复难度,将液化性的风险等级按表3进行划分,风险等级分布结果如图4所示。

表3 液化风险等级划分表Table 3 Classification of liquefaction risk

从图4可以看出,研究区东部的黄河沿线一带存在强风险(IV)区和中风险(III)区,其余区域主要为弱风险(II)和微风险(I)区,中部局部存在中风险(III)区。

2.3 富水砂卵石层地质风险

银川平原中堆积了巨厚的第四系松散堆积物,为地下水赋存创造了有利的空间。根据地层揭露情况,研究区存在细砂、粉砂、粗砂、砂卵石等含水岩组。为综和评价含水层的富水性,采用统径统降的涌水量(单井涌水量)进行评价。按照富水性分级方法,确定研究区的潜水富水性分布如图5所示。

图5 含水层富水性及地质风险分布图Fig.5 Distribution map of aquifer intensity and geological risk

极强富水性区域主要分布在镇北堡、高家闸林场一线以西至贺兰山边地区。含水层厚度大于100 m,富水性多大于3 000 m3/d。岩性为一套较厚的洪积相物质组成,岩性由块石、卵石、砂砾石和细砂夹砾石等,并与冲洪积平原多层结构含水组呈犬牙交错状接触。

强富水性区域主要分布在银川市中部及南部的大部分地区,分布于冲洪积和河湖积平原地区,富水性多在1 000～3 000 m3/d。含水层岩性一般为细砂,西部含砾明显增多。局部有中粗砂、粉砂,富水砂卵石层在城市地下工程施工中经常遇到,由于砂卵石层胶结程度差,洞室稳定性差,容易引起过大变形或塌方事件。加上水的作用,其物理力学性质变的更加复杂,开挖常诱发涌砂、涌水等灾害。

将砂卵石层富水性的风险等级按表4进行划分,相应的风险等级分布如图5。

表4 富水性风险等级划分表Table 4 Risk grades classification of rich aquifer

强风险(IV)区域主要分布在镇北堡、高家闸林场一线以西至贺兰山边地区,银川市中部及南部的大部分地区为中风险(III)区,银川市北部等少部分区域为微风险(I)区。

2.4 地层承载力的地质风险

根据银川城市地质调查成果,分别确定每层土体的地基承载力特征值,然后按照加权平均的方法分别计算浅层(0—15 m)和次浅层(15—30 m)土体的承载力特征值,其结果如图6所示。

图6 地基承载力与地质风险分布图Fig.6 Distribution map of bearing capacity and geological risk

从图6可以看出,研究区东部的浅层(0—15 m深度)承载力特征值比西部的小,西部的承载力特征值均大于250 kPa; 中部和东南部局部存在承载力特征值在150～200 kPa,局部小范围的承载力特征值小于150 kPa。次浅层(15—30 m深度)的承载力特征值均大于250 kPa,并且多数区域的承载力特征值大于300 kPa。

综合考虑国内外的相关经验和规范要求,将承载力风险按表5进行等级划分,相应的风险等级分布如图6所示。

表5 承载力风险等级划分表Table 5 Risk grades classification of bearing capacity

从图6可以看出,研究区东部的浅层(0—15 m深度)承载力风险等级比西部的大,西部的承载力风险主要为微风险(I); 中部和东南部的承载力风险等级为弱风险(II),局部存在中风险(III)和强风险(IV)的区域。次浅层(15—30 m深度)的承载力风险均为微风险(I)。

2.5 地表载荷的地质风险

地表建筑物的类型会影响到地下工程的建设,如在高层建筑或公园下方进行地下工程建设(如轨道交通),其地质风险存在明显差异。按“相近相似、便于统计”的原则,将城市的地表建筑物类型进行分类统计,获得如图7a所示的分布图。

图7 地表建筑物类型和地质风险分布图Fig.7 Distribution map of building types and geological risk

考虑到不同地表建筑物会对其下方的工程建设造成不同程度的影响(地表水体对地下工程的影响风险大,将地表水体的风险也划分为强风险),因此,风险等级划分如表6,结果分布如图7b。

表6 不同类型建筑物的风险等级划分表Table 6 Risk grades classification of building types

从图中可以看出,研究区的地表载荷风险等级主要为微风险(I)区,在银川市中心等区域存在弱风险(II)区、中风险(III)区和强风险(IV)区。

3 地下空间开发的地质安全综合风险分析

在单因素影响下的城市地下空间开发地质分析的基础上,通过多要素的空间耦合模型,进行银川市地下空间开发过程中的地质风险综合评价。

3.1 评价指标与评价等级确定

根据银川市地质情况的综合分析,确定影响城市地下空间开发的主要地质因素为地震、液化土层、富水砂卵石、土体承载力和地表载荷等五类。各类因素的评价因子等级划分见上节。

3.2 评价指标权重的确定

目前权重的确定方法有很多(吴文博等,2013;Wang et al.,2013; Hou et al.,2016; Lu et al.,2016;Peng et al.,2018),本次选取层次分析法(AHP)进行赋权。

权重的确定是AHP解决问题的核心,针对AHP的标度方法不能准确地表达出指标间的重要性对比问题,采用以AHP为基础的乘积标度法,根据乘积标度法确定权重。通过因素之间的两两比较获得因素之间的相对重要性,然后根据给定的数字标度,将相对重要性的语言描述转化为数字描述,从而获得相应的判断矩阵。

乘积标度法赋权的步骤是:

(1)基于乘积标度法对指标重要性进行排序。在指标重要性比较时,不先划分过多的等级,而只设置两个等级,即指标A与指标B的重要性“相同”或“稍微大”,然后以此作为基础进行递进乘积分析。根据对地下空间工程的危害程度,将指标按重要性排序: 地震＞砂土液化＞承载力＞富水砂卵石＞地表载荷。

(2)根据指标重要性排序,进而确定指标的标度值。指标A与指标B的重要性“相同”时则标度值为A: B=1: 1,若指标A的重要性比指标B的重要性“稍微大”则标度值为A: B=1.121: 1,以此类推。

指标标度值为:

地震: 砂土液化: 承载力: 富水砂卵石: 地表荷载=2.496: 1.580: 1.257: 1.121: 1。

权重为:

地震: 砂土液化: 承载力: 富水砂卵石: 地表荷载=0.335: 0.212: 0.169: 0.150: 0.134。

3.3 评价过程与结果

利用ArcGIS和Surfer软件提取各评价因素图层,依据研究区内单因素评价分析结果,按照每个因素的不同类别及对城市地下空间开发的影响程度将各评价因素分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个风险等级,并对四个风险等级进行赋值,进而得到各因素的风险性图层。

采用基于层次分析法的乘积标度法对评价因素重要性进行赋权,然后在ArcGIS中对各评价因子的栅格图层进行加权总和,得到综合分析的风险性图层。按表7所示的城市地下空间开发的地质风险等级表,对综合分析风险性图层进行等级划分,得到如图8所示的地质风险综合分析结果图。

表7 地下空间开发地质风险等级表Table 7 Geological risk grades classification of underground space development

图8 地下空间开发地质风险综合分析图Fig.8 Comprehensive geological risk distribution map of underground space development

从图8可以看出,强风险区(IV区)面积最小,占总面积的4.10%,主要分布在研究区东部的两条活动断裂影响区,主要包括贺兰县的县城、立岗镇、金贵镇局部等区域。

中风险区(III区)面积占总面积的19.69%,主要分布在研究区中部的贺兰县的大部分区域,包括立岗镇、金贵镇等,兴庆区靠近贺兰县的局部,永宁县的望远镇、胜利乡、杨和镇和南部的李俊镇,金凤区的东北部,以及西夏区的东部等区域。

弱风险区(II区)相对范围最大,面积占总面积的41.07%,主要分布在贺兰县的洪广镇、常信乡、习岗镇等,兴庆区的大新镇,金凤区的丰登镇等,永宁县的大部分区域,西夏区的东部等区域。

低风险区(I区)面积相对较大,占总面积的35.13%,主要分布在研究区的西部和东部,即西夏区和永宁县的西部、南部靠近贺兰山的区域,以及兴庆区靠近东部山区的区域。

4 结论

(1)银川市存在可能影响地下空间开发安全的主要地质环境要素为地震、砂土液化、富水砂卵石层、地基承载力和地表载荷等。

(2)通过对银川市的地震(活动断裂和场地地震效应)、砂土液化、富水砂卵石层、地基承载力和地表载荷的单要素地质风险分析,地震强风险区主要分布在活动断裂沿线; 砂土液化强风险区分布在东部黄河沿线; 富水砂卵石层的强风险区分布在贺兰山山前区域; 东南部存在少量的浅层承载力中风险区; 中心城区存在少量地表载荷强风险区。

(3)银川市的地质风险综合分析表明,强风险区面积最小,占总面积的4.10%,中风险区面积占19.69%,弱风险区相对范围最大,面积占41.07%,低风险区占35.13%。

Acknowledgements:

This study was supported by the Government of Ningxia Hui Autonomous Region (No.NDCF-[2021]-2),and National Natural Science Foundation of China(No.42077239).