平原区地下空间资源可利用性评价研究——以济南北跨区为例

袁春鸿， 武羽晓， 岳庆杰

（1.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，济南 250014；2.山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心，济南 250014； 3.济南市自然资源和规划局，济南 250001）

随着经济社会的迅猛发展和城市化进程的加快，人口、资源、环境压力也日益增大，城市可利用土地资源越来越紧张，不能满足城市发展对土地的需求［1］，向地下要土地、要空间，合理开发利用地下空间，使地上、地下协调发展是世界城市发展的成功经验和必然趋势，也是建设“资源节约、环境友好、可持续发展”新城市的出路.

城市地下空间是属于不可再生资源，其开发利用是否科学、健康、合理和有序，将决定城市地下空间开发能否可持续发展［2］. 为科学适度地利用地下空间资源，保障城市生态地质环境安全［3］，城市规划建设前需要开展地下空间资源可利用性评价［4］.

济南北跨区位于黄河以北，2003年6月26日山东省委常委扩大会议确定了济南“东拓、西进、南控、北跨、中疏”的城市空间发展战略，提出了北跨区的概念. 2017年5月，以北跨新城区为核心正式设立济南新旧动能转换先行区，2018年国务院批复了山东新旧动能转换综合试验区建设总体方案，方案明确提出要积极开发、充分利用地下空间，构建地上、地下“双层城市”. 自此，北跨区纳入国家战略，北跨建设工作全面开展. 本文以济南北跨区为例［5-6］，研究探讨了平原区地下空间资源可利用性评价模式［7-8］，通过识别地下空间开发的地质环境制约因素，建立地下空间资源可利用性评价指标体系和评价方法［9-10］，为黄河冲积平原区地下空间资源可利用性评价提供了理伦依据，评价结果明确提出了北跨区地下空间开发利用的关键制约因素，提出了地下空间资源开发利用的地质解决方案，为透明、安全、立体、高效的地下空间开发利用格局规划建设提供坚实的地质基础支撑，助力北跨先行区打造智慧城市，推进北跨先行区立体发展和地下空间安全利用.

1 研究区概况

研究区位于济南市黄河以北冲积平原区，面积453 km2，地面坡度0.3‰，地表覆盖厚层第四系松散堆积物，第四系厚度100～300 m，为典型的黄河冲积平原区. 研究区地下空间按开发的层次性和时序性分为：浅层（地下埋深0～10 m）、次浅层（地下埋深10～30 m）和深层（地下埋深大于30 m）. 浅层和次浅层是现阶段地下空间开发利用的主要层位.

1.1 水文条件

研究区地表水体主要有黄河、小清河、牧马河、兴济河、大寺河、垛石河、邢家渡引黄干渠等，水库为鹊山水库（图1）.各地表水体对地下空间开发利用的影响不同.

图1 地表水体分布图Fig.1 Distribution of surface water

其中黄河为河床高于两岸地表3～5 m 的地上悬河，常年补给两侧地下水，黄河水位面位于地下工程之上，历史上黄河下游三年两决口、百年一改道，给两岸居民的生命财产带来巨大灾难，其稳定性决定着整个先行区的建设是否可行.

鹊山水库是未来先行区供水水源，为大型城市基础项目，作为先行区的重要水利工程，水库下部地层及周边一定范围地下空间不得开发.

其他地表水体均为季节性河流，径流量小，一般接受地下水的补给，地下工程只要做好防地下水措施，地表水体对地下建筑的威胁小，评价中不作考虑.

1.2 水文地质条件

1）开发深度内地下水富水性及影响分析

地下空间浅层，地下水类型为松散岩类孔隙水，含水岩组主要岩性为粉土、粉质黏土等，没有很好的含水层，富水性小于500 m3/d.

地下空间次浅层，为浅层孔隙水的主要赋存层位，地下水类型为松散岩类孔隙水，含水岩组岩性为粉土、粉质黏土和黏土等，含水层为中细砂、细砂和粉细砂，顶板埋深8.5～25.2 m，古河道带含水层发育，单井涌水量大于1000 m3/d，在古河道边缘单井涌水量500～1000 m3/d，其他地段单井涌水量小于500 m3/d. 具体见图2所示.

图2 浅层淡水富水性分区图层Fig.2 Water-rich zoning of shallow freshwater

在地下工程施工（基坑开挖）过程中，富水性越强，水动力条件改变越大，越易发生入渗、流土、流沙等不良地质现象，影响地下工程施工，甚至造成基坑边坡失稳和基坑周边地面沉降.

2）地下水位最小埋深

研究区浅层孔隙水枯水期水位埋深2～4 m，丰水期水位埋深1.5～3 m. 目前国内地下空间的开发深度一般为0～20 m，研究区此深度范围内以粉土、粉质黏土为主，在基础开挖施工过程中，可能产生流沙、管涌、底鼓、侧壁变形、坍塌等不良现象，不仅降低了地基土的力学强度，还可能给施工带来困难.

研究区地下水位最小埋深为1.5 m，地下工程设施全部或部分淹没于地下水位以下，水位上升或下降时，地下水浮力会发生变化，可能对地下工程带来影响.

1.3 工程地质条件

1）断裂构造

研究区规模较大的断裂有：齐河—广饶断裂、庙廊—焦斌断裂、济南—孙耿断裂、桑梓店断裂、卧牛山断裂、东坞断裂等（图3），其中齐河—广饶断裂是区域深大断裂. 断裂活动及其产生的次生效应，破坏位于断裂带上的建筑.

图3 断裂构造分布图Fig.3 Distribution of fault structure

2）土体力学性质

研究区50 m 以浅土体分为8 个工程地质层，其中0～10 m 土体岩性以粉土、粉质黏土为主，10～50 m 土体岩性以粉土、粉质黏土、粉细砂、黏土为主（图4）.

图4 50 m以浅立体结构剖面图Fig.4 Three-dimensional section above 50 m

粉土：褐黄—黄褐色，稍密，湿，摇振反应迅速，干强度、韧性低，无光泽. 含少量云母碎片，具有铁质锈染，局部夹薄层粉质黏土，地基承载力特征值fak=80～110 kPa.黏土：黄褐色，软塑—可塑，无摇振反应，干强度、韧性高，光泽，含铁质氧化物，地基承载力特征值fak=90～120 kPa.粉质黏土：褐黄—黄褐色，可塑，无摇振反应，干强度、韧性中等，稍有光泽，含铁质氧化物，局部夹薄层粉土，地基承载力特征值fak=90～120 kPa. 粉细砂：褐黄—灰黄色，中密—密实，饱和，颗粒较均匀，分选性好，成分为石英、长石，含较多云母碎片，震动析水.

岩土体地基承载力特征值及物理力学性质决定了其可否作为建筑物持力层，同时也决定了地基基础类型.

3）软土

研究区软土主要分布在黄河两岸，层顶埋深1.5～11.5 m，一般在4～7 m；厚度0.6～13.8 m，一般在2 m 左右. 上部为粉土，下部多为深色黏性土，具有以下特征：①具有明显的触变性，灵敏度St一般在3～8之间，受振动荷载时，易产生侧向滑动、沉降及基底面两侧挤出等现象；②高压缩性，易造成建筑物沉降量大；③低透水性，垂直渗透系数在10-8～10-6cm/s之间，影响地基的强度；④流变性，影响边坡、堤岸工程的稳定性；⑤不均匀性，易造成建（构）筑物不均匀沉降及变形. 施工时可采取工程措施进行预防.

4）液化土

研究区地面下20 m 范围内广泛分布饱和粉土及饱和砂土，存在砂土液化的可能性. 根据标准贯入试验判别法对11 个钻孔进行液化层判别和液化等级判别，得出研究区液化指数ILE均小于5，地基的液化等级为轻微. 施工时可采取工程措施进行预防.

图5 软土分布图Fig.5 Distribution map of soft soil

1.4 地质灾害

研究区地质灾害类型主要为采空塌陷（图6）. 济阳煤矿和高王矿区，有着丰富的煤炭资源，济阳煤矿正在开采，已在矿区内形成两处大面积采空塌陷，随着煤炭资源的进一步开采，采空塌陷范围将会进一步扩大；高王矿区正在办理采矿权，未来开采后将会形成大面积采空塌陷. 采空塌陷是地下空间开发利用的决定性因素，在地下空间开发利用中具有一票否决权，其影响范围内原则上不允许开发.

图6 采空塌陷分布图Fig.6 Distribution of goaf collapse

1.5 建筑物基础和已开发利用的地下空间

研究区三层以上的中高层建筑物，主要分布于济阳县城、桑梓店化工园区、大桥镇、新阳煤矿工业广场、孙耿镇和崔寨镇（图7），面积约20 km2. 中高层建筑由于建筑基础及自身功能的需要，大多建有1～2 层地下室，基坑深度大多在10 m 以上，占用的地下空间深度大致在40 m左右. 已开发利用地下空间下部及周边一定范围内的地下空间资源不宜任意开发.

图7 中高层建筑分布图Fig.7 Distribution of medium and high rise buildings

2 地下空间资源可利用性评价指标体系构建

城市地质环境条件直接控制地下空间开发利用的难易程度［11-13］，决定了地下工程的整体安全性和经济性，是地下空间开发利用评价的核心要素. 本文通过分析研究地质环境条件，掌握地下空间开发与地质环境的相互影响机制与规律，确定影响地下空间资源开发利用的地质环境制约因素，进而构建评价指标体系.

2.1 评价指标体系确定

根据地下空间资源开发影响要素分析结果，确定研究区地下空间资源可利用性评价指标体系包括1 个目标层、5个指标层和10个评价因子，如表1.

表1 地下空间资源可利用性评价指标体系Tab.1 Index system of availability evaluation of underground space resource

2.2 评价方法

通过地下空间资源开发影响要素分析可知，影响地下空间资源开发的地质环境条件复杂，影响因素多，需要选取适合多层次多因素的评价方法［16-19］. 而模糊数学综合评价法，可以把不同层次影响地下空间资源开发的因素综合起来考虑，在多因素综合评价中，具有其独特的优越性，准确度较高，故采用模糊数学综合评判法进行评价. 在评价过程中，首先选择评价因子，确定各单项指标的评价标准并对其单项评价，然后分别对各单项指标给予适当的权重，最后应用模糊矩阵复合运算的方法得出综合评价的结果.

根据模糊集原理，建立地下空间资源可利用性综合评判数学模型如下：

式中：A表示因素集权重矩阵；ai为第i个评价指标在总目标中获得的权重值；R表示由n个评价指标构成的总评判矩阵；uij表示第j个级别第i个因素指标的隶属度；B为综合评判矩阵.

2.3 评价标准制定及评价单元划分

针对评价指标体系中各评价因子制定相应的分级评价标准，具体如表2.

表2 地下空间资源评价因子分级标准一览表Tab.2 Standard table of evaluation factor classification of underground space resource

根据参与评价因子的贡献和重要程度，采用专家打分法给定权重，如表3.

表3 各评价指标及子因素权重一览表Tab.3 Weight table of each evaluation index and sub-factor

依单因子GIS图的分区叠加为基础，将叠加后各因子条件相同的区段作为一个评价单元，据此原则，研究区共划分为33个不规划评价单元，每个评价单元中同一因子的条件相同.

图8 评价单元划分图Fig.8 Partition diagram of evaluation unit

3 济南北跨区地下空间资源可利用性评价结果

依据上述评价方法、评价标准对33个评价单元的浅层和次浅层分别进行评价，然后根据评价结果，绘制地下空间资源可利用性分区图（图9），并对各分区地质环境影响条件进行评述.

图9 地下空间资源可利用性评价分区图Fig.9 Zoning map for availability evaluation of underground space resource

3.1 浅层可利用性分区

研究区浅层地下空间资源可利用性分为优区、良区、中等区和差区.

优区主要分布于孙耿镇—崔寨镇以北、桑梓店镇—赵家以北. 该区没有大的地表水体分布，浅层含水层富水性差，最小水位埋深1～3 m，承载力特征值100～150 kPa，无软土分布，砂土液化指数小于5，为采空塌陷的不易发区，无特殊用地类型，地下空间基本未开发.

良区分布黄河大坝以外. 该区没有大的地表水体分布，浅层含水层富水性差，最小水位埋深1～3 m，承载力特征值100～150 kPa，有软土分布，砂土液化指数小于5，为采空塌陷的不易发区，紧临黄河大坝，地下空间开发较小.

中等区分布于济阳县城、大桥镇、新材料产业园. 该区没有大的地表水体分布，浅层含水层富水性差，最小水位埋深1～3 m，承载力特征值100～150 kPa，一般没有软土分布，为采空塌陷的不易发区，无特殊用地类型，地面建筑集中分布，地下空间开发较大.

差区分布于济阳煤矿、高王矿区、黄河大坝内、鹊山水库. 济阳煤矿和高王矿区为采空塌陷高易发区，黄河和鹊山水库是区内主要地表水体.

3.2 次浅层可利用性分区

研究区次浅层地下空间资源可利用性分为优区、良区、中等区和差区.

优区主要分布孙耿镇—回河镇之间的古河道间带. 该区没有大的地表水体分布，含水层富水性差，砂层厚度薄，承载力特征值100～150 kPa，无软土分布，砂土液化指数小于5，为采空塌陷的不易发区，无特殊用地类型，地下空间基本未开发.

良区广泛分布于黄河大坝以北，济阳县城和矿区以外地段. 该区没有大的地表水体分布，含水层富水性大于500 m3/d，承载力特征值100～150 kPa，局部分布有软土，为采空塌陷的不易发区，无特殊用地类型，地下空间基本未开发.

中等区分布于济阳县城. 该区没有大的地表水体分布，含水层富水性500～3000 m3/d，承载力特征值100～150 kPa，无软土分布，砂土液化指数小于5，为采空塌陷的不易发区，无特殊用地类型，地面建筑集中分布，地下空间开发较大.

差区分布于济阳煤矿、高王矿区、黄河大坝内、鹊山水库等地段. 济阳煤矿和高王矿区为采空塌陷高易发区，黄河和鹊山水库是区内主要地表水体.

4 地下空间资源开发利用建议

地下空间资源可利用性评价的最终目的是提出地下空间资源开发利用建议，服务于城市建设. 根据地下空间资源可利用性评价结果，从地下工程类型、地下空间分区开发规划、地下空间开发方式等方面提出地下空间资源开发利用建议.

4.1 地下工程类型建议

浅层地下空间，适用于建设地下商场、地下车库、地下街道、人防工程等地下工程；次浅层地下空间，适用于建设地下交通、地下污水处理场及城市水、电、气、通信等公用设施；深层地下空间，作为预留空间资源，适用于建设高速地下交通轨道，危险品仓库、冷库、油库等地下工程.

4.2 地下空间分区开发规划建议

将地下空间资源可利用性评价差区作为地下空间开发利用保护区，保护区内地下空间不得随意开发，必须开发时，其利用类型可为地下管线、地下交通等线状工程，同时对已有工程和拟建地下工程采取工程措施进行安全防护和预警.

地下空间资源可利用性评价中等区主要影响因素是地面建筑集中分布，已有地下空间开发较大，未来开发时其利用类型可为地下管线、地下交通等线状工程，大型地下综合体、地下车库等面状工程谨慎开发，同时对已有工程和拟建地下工程采取工程措施，进行安全防护和预警.

地下空间资源可利用性评价优区和良区，可根据城市发展需要开发交通隧道、地铁、供排水设施、市政管线、人防工程、地下街、地下车库、地下步行道网、地下综合体等线状工程和面状工程.

4.3 地下空间开发方式建议

研究区位于黄河冲积平原，浅层地下空间宜采用明挖法开发利用；次浅层地下空间开发时，宜采用盾构施工，需做好上覆地层及建筑物的支护.

5 结论

本文以济南北跨区为例，研究了平原区地下空间资源可利用性评价模式，通过识别地下空间开发的地质环境制约因素，建立平原区地下空间资源可利用性评价指标体系，确定合适的评价方法，根据评价结果提出了地下空间资源开发利用建议. 得出如下结论.

1）平原区地下空间资源可利用性评价模式：首先识别地下空间开发的地质环境制约因素，然后建立地下空间资源可利用性评价指标体系、确定评价方法、进行评价分区，对各分区地质环境影响条件进行评述，最后根据评价结果提出地下空间开发的相关建议.

2）济南北跨区位于黄河冲积平原，作为平原区的典型，其地质环境制约因素包括水文、水文地质、工程地质、地质灾害、既有建筑设施和已开发地下工程等5大指标共10个评价因子，也可为其他类似地区识别地下空间开发地质环境制约因素提供参考.

3）运用适合多层次多因素的模糊数学综合评价法进行评价分区，采用专家打分法进行权重赋值，采用GIS图分区叠加法进行评价单元划分，评价等级分为优区、良区、中等区和差区.

4）根据地下空间资源可利用性评价结果，从地下工程类型、地下空间分区开发规划、地下空间开发方式等方面提出地下空间资源开发利用建议，达到服务于城市建设的最终目的.