基于地质体单元剖分的地下空间安全开发利用评价方法 ——以海口江东新区为例

张 傲，黎清华*，张彦鹏，赵信文，宋国玺

1.中国地质调查局武汉地质调查中心（中南地质科技创新中心），湖北 武汉 430205；2.北京超维创想信息技术有限公司，北京 100089

“十三五”时期，我国城市建设发展成就显著，新型城镇化深入推进。截至“十三五”末，我国城市数量达到684个，城市建成区面积达6.03万平方公里，2020年常住人口城镇化率达60%。预计到2035年城镇常住人口将突破10亿人，城镇化率将达到70%，其中三分之二左右的人口将生活在大城市、特大城市和城市群地区（王成善等，2019）。城市化进程的加快，导致地表空间资源稀缺，合理开发利用城市地下空间势在必行，也是提高土地集约化和综合利用水平的必然要求（赵景伟等，2016）。与国外发达城市比较，我国城市地下空间开发利用过程中存在着许多问题与不足，导致了地下空间开发利用不合理以及资源的浪费（郭朝斌等，2019）。因此科学规划与充分开发利用地下空间，需要以查明区域地下空间基础地质特征（如下伏地层岩性、构造等）（陈松等，2020）、城市地下空间资源禀赋特征和开展地下空间安全开发利用评价为必要前提（董英等，2020）。目前，在地下空间安全开发利用评价方面，国内外做了大量的研究工作。如John et al. （1982）根据地形坡度、地层岩性、水文地质条件等，采用综合叠加的方法对明尼阿波利斯市可开发利用的地下空间资源分布范围和适宜性进行了评价，并首次提出了适宜性概念。Boivin et al.（1990）等根据沉积物厚度、地面坡度、下覆岩层的地质情况等因素确定了加拿大Qubec市的地下空间开发利用的难度分级。Umnov et al.（2003）等研究了地下空间开发的地质环境评估方法。近年来，我国南宁（欧孝夺等，2009）、天津（齐波等，2010）、北京（王法等，2012）、宁波（赵团芝等，2016）、郑州（张晶晶等，2016）、长沙（王振宇等，2019）、成都（王东辉等，2019）等多个城市也相继开展了地下空间开发利用适宜性评价。但是以上研究均是在有限深度范围内将地下空间划分为几个平面进行的二维评价，评价结果不能准确指示地下空间纵向的三维分异。

目前，随着我国“深地”战略的实施和美好城市建设深入推进，城市地下空间势必会很快迈入4.0阶段。4.0阶段的目标是建设立体化综合利用、人与自然和谐发展的智慧型地下空间，其内涵包括智能、韧性和绿色三个方面（彭建兵等，2019）。因此在新发展格局下，对提升地下空间立体化综合开发利用的能力提出了更高的要求。本文针对此前研究的局限性，提出“体”概念，将地下空间视为空间上连续的地质单元体，以海口江东新区为例，结合三维地质结构建模技术，探索城市地下空间安全开发利用的创新评价方法，对新时代背景下立体化开发利用城市地下空间，建设“山水城市”、“现代化城市”、“智慧城市”、“生态文明城市”具有重要意义（葛伟亚等，2021；刘婷等，2021）。

1 江东新区地质环境条件

1.1 地形地貌

海口市为海南岛自由贸易试验区（港）核心城市，地理范围为北纬19°31′00″～20°04′00″，东经110°07′00″～110°42′00″之间，地势平缓开阔，呈长心形，海南岛最长的河流——南渡江呈南北向穿过市区（图1），南渡江东部自南向北地势略有起伏，市域内西北及东南部较高，中部南渡江沿岸低平，北部多为沿海小平原。江东新区地处海口市最北端，北临琼州海峡，地貌以滨海平原、河流冲洪积平原为主，局部为火山地貌，西南部的岭脚岭为火山锥，海拔100.08 m，为区内最高点。

1.2 地层岩性

区内地表均为第四系覆盖，出露地层主要为：下更新统秀英组，隐伏于工作区范围内的大部分地区，岩性中上部为杂色粘土、粘土质砂夹浅灰色砂，下部为浅灰色砂砾石等，厚度1.0～38.0 m；中更新统北海组，主要分布于灵山镇东北部一带，岩性主要为褐红色含砾粘土质砂、含砾粗砂等，厚度1.1～17.0 m；全新统琼山组，分布于灵山镇西北一带，为滨海堆积的粉细砂、含砾中粗砂、淤泥质砂、粉质粘土等，厚度2.0～13.0 m；全新统烟墩组，分布于工作区沿海一带，为滨海堆积的粉细砂、含砾中粗砂、淤泥质砂、粉质粘土等，厚度2.2～12.4 m； 全新统冲洪积，主要沿南渡江两岸分布，为冲洪积成因的粉质粘土、粘土、粘土质砂、砂，厚度1.3～29.0 m。局部地区出露火山岩，为第四系中更新统多文组，主要分布于南渡江东侧的灵山镇—云龙镇一带。第四系覆盖层总厚度大于100 m（图1）。下伏基岩主要为新近系上新统海口组，隐伏分布于工作区范围内的绝大部分地区，岩性为灰—灰黄色贝壳碎屑岩、褐黄色—浅肉红色贝壳砂砾岩，厚度4.0～162.0 m。

图1 海口江东新区地质简图Fig. 1 Geological map of Jiangdong New District, Haikou1.江东新区范围；2.冲洪积：细砂、中粗砂、含砂粉质粘土；3.烟墩组：粉细砂、淤泥质粘土、淤泥质砂；4.琼山组：中粗砂、粉细砂、淤泥质粉质粘土；5.北海组：含砾粘土质砂、粉细砂、砂砾；6.多文组：橄榄玄武岩、辉石玄武岩；7.秀英组：粘土、砂、砂砾；8.水域；9.断裂及编号：F1-铺前-清澜断裂；F2-马袅-铺前断裂；F3-新村-林乌断裂

1.3 水文地质条件

根据地下水赋存状态及含水介质特征，可将区内地下水划分为松散岩类孔隙潜水、松散-半固结岩类孔隙承压水、火山岩孔洞裂隙水和基岩裂隙水四大类。本次评价范围为地表以下0-100 m，并未揭穿至基岩，可只考虑松散岩类孔隙潜水。该含水层主要分布于北部沿海、瑞溪以及文昌市铺前-湖山乡一带。北部沿海一带，含水层岩性主要为灰、灰黄色中粗砂、砂砾石和粉细砂以及褐红、褐黄色粘土质砂，厚度1.10～14.79 m，单井涌水量100～1000 m3/d，富水性中等，含水层隔水底板为杂色粘土或深灰色粘土。瑞溪一带，沿南渡江近岸分布的全新统冲洪积层，岩性多为中粗砂、砂砾石等，民井涌水量一般为71.52～234.58 m3/d，推算降深涌水量63.12-469.15 m3/d，水量中等；中更新统冲洪积层，含水岩组岩性多为含砾粘土质砂，民井抽水涌水量为5.4～83.05 m3/d，水量贫乏。灵山镇东北一带，含水层岩性主要为褐黄色、褐红色含砾粘土质砂、砾砂等，水位埋深一般小于5.0 m，水量贫乏。

1.4 地质构造

区域经过了多期次的构造运动，形成了东西向、南北向、北西向和北东向等主要构造体系相互交织的复合构造格局。其中海口江东新区境内主要发育有三组断裂（图1），一是近南北向的铺前-清澜断裂（F1），属于活动性弱断裂；二是近东西向的马袅-铺前断裂（F2），属于活动性强断裂；三是近东西向的新村-林乌断裂（F3），属于不活动断裂。

1.5 环境地质问题

地下空间的安全开发利用需要重点关注环境地质问题，研究区存在的主要问题为软土地面沉降、砂土液化、风暴潮灾害以及活动断裂等。野外调查及勘察资料显示，地下100 m深度范围内主要揭露3层（或夹层）软土，岩性主要为淤泥质粉质粘土，主要分布在灵山镇，其次在桂林洋经济开发区北部沿海地带，演丰镇东寨港一带小范围分布，总面积约88.64 km2，厚度一般为0.6～19.8 m。饱和液化砂土层厚度0.8～19.2 m，大多数地段的厚度在5～15 m之间，其中厚度较大的地段主要分布在南渡江东岸的新岛村和桥东村一带，饱和液化砂土顶板埋深为0～14.2 m，底板埋深为0.8～20 m。风暴潮灾害中高易发区主要分布在北部沿海地区，包含东营-塔市的沿江大道一带以及东寨港的滨海岸线，灵山、桂林洋等南部地区为不易发区。

2 地质体单元剖分的地下空间安全开发利用评价方法

地质体单元是指对所要评价的整个地下空间按照一定的规则进行几何剖分而得到的一种三维空间单元体，该单元体作为评价中的基本单位可视为连续的空间单元体，地下空间安全开发利用评价结果即通过这些基本地质单元体状况及其组合特征进行表征。与传统评价方法相比，本文将地下空间不同深度层面进行平面网格剖分（图2a）升级为直接将地下空间进行立体的空间网格剖分（图2b）。

图2 评价单元剖分对比Fig. 2 Evaluation unit split comparison

本评价方法基本思路为：（1）查明研究区地形地貌、地层岩性、地质构造、地表地下建构筑物的空间几何特征等多要素信息；（2）综合选取影响地下空间评价的各种因素指标，建立评价指标体系，采用层次分析法计算指标权重，采用多目标加权函数法建立评价模型；（3）采用自研三维地质建模系统，构建地表地下一体化的三维地质结构模型；（4）将三维地质结构模型精细剖分为地质体单元，并根据已查明的地质条件对地质体单元进行赋值，得到各个指标的地质体单元剖分模型；（5）运用已建立的评价模型进行叠加计算，客观评价地下空间开发难度情况。

2.1 评价指标选取原则

地下空间安全开发利用评价是一个多学科系统性工程，受各方面因素的综合影响，包含多层次多维度的质量与数量复杂性组合。指标选取应尽可能满足代表性、独立性、可操作性和层次性等原则。代表性是指评价指标应对地下空间安全开发利用产生直接或者间接的影响，选取其中最具有代表性的因素作为评价指标。同时由于影响因素较多，且各因素之间协同制约，评价指标之间完全不相关几乎不可能，指标选取应尽量符合相对独立。评价指标数据的采集与量化直接影响到评价结果的准确性，在地下空间评价对象数量如此庞大的情况下，应尽量选择操作性强、数据易于采集的指标，对于获取原始数据较为困难或难以量化的指标可暂不选取，以保证指标体系中各指标的数据采集与获取的可行性；在选取的指标基础上构建评价指标体系，必须依照一定层次性和严密性，确保评价指标体系层次分明、结构严谨；最后采用定性与定量分析相结合，对地下空间安全开发利用进行综合准确的评价（王振宇等，2019）。

2.2 评价指标体系建立

地质环境条件是地下空间资源存在的物质基础，安全开发利用评价是系统性立体开发地下空间资源的重要前提，体现了地下空间资源开发利用难易程度。根据上述指标选取原则并结合三维模型建造特点，从工程地质、水文地质、环境地质三个子系统选取岩土体类型、地基承载力、地表水水平距离、地表水垂直距离、地下水富水性、断裂构造、地面沉降、砂土液化、风暴潮灾害共九个评价指标。其中岩土体类型作为地下工程类地下空间的环境物质和载体，直接控制地下空间开发的难易程度；地基承载力关系到基础工程及地下暗挖工程建设的稳定性，当土体承载力高、压缩模量小、边坡稳定性好时，地表建筑物基础及地下构筑物越稳定；地下空间的开发利用会影响到周围水环境、水生态、水安全，甚至改变或切断地表水体与原地下水间的补给关系，同时在地下空间开发建设与运营过程中会造成周围地表水的污染，地下空间开发利用地应尽可能远离水域；地下水作为地下空间的重要环境组成物质，地下空间的开发建设不仅直接影响地下水的渗流、循环、流动，而且地下水也制约着地下工程建设的安全，特别是在富水性较高的含水岩组地段施工的地下基坑、暗挖及隧道工程，需重点防范地下水渗漏、突涌、透水等安全问题（徐军祥等，2015；谢和平等，2020）；同时，区内软土、液化砂土较为发育，属于特殊岩土体，易造成构筑物变形、差异性沉降，这类岩土体发育区域不宜作地下空间建设的基础持力层；风暴潮灾害作为滨海城市特有的自然灾害，破坏强度大，直接威胁沿海区域地上地下的建筑物与人员安全。结合江东新区的调查与测试数据分析，将评价指标进行量化分级（表1）。

表1 海口江东新区地下空间安全开发利用评价指标量化表Table 1 Quantitative Table of Evaluation Indexes for Safe Development and Utilization of Underground Space in Jiangdong New District, Haikou

由于江东新区地表均为第四系覆盖，起伏不大，且第四系总厚度较大（均大于100 m），超过本次评价深度范围（0-100 m），可只考虑土体中相关指标；同时区内现有地下空间开发利用程度较低，且暂无地表古建、地下文物、泉域等重点保护区，因此本次研究并未考虑地形地貌、下伏基岩、已有地下空间开发等相关指标。

2.3 评价模型的确定

（1）权重计算

权重反映不同评价指标间重要性程度的差异。评价指标权重的确定直接关系到评价的科学性和准确性，权重的细微变化将会对评价结果产生重大影响。本次研究采用层次分析法计算指标权重，建立地下空间安全开发利用层次结构模型，即将地下空间安全开发利用评价作为工作目标（A1）；将影响地下空间开发利用的因素归为三个主要方面，并列为评价的基本准则，即工程地质（B1）、水文地质（B2）、环境地质（B3）；对准则层的指标进行细化，包括岩土体类型（C11）、地基承载力（C12）、地表水水平距离（C21）、地表水垂直距离（C22）、地下水富水性（C23）、断裂构造（C31）、地面沉降（C32）、砂土液化（C33）、风暴潮灾害（C34），如图3所示。

图3 海口江东新区地下空间安全开发利用评价层次结构模型Fig. 3 Hierarchical structure model of the evaluation of the safety development and utilization of underground space in Jiangdong New District, Haikou

传统的评价方法是基于地下空间纵向分层后的平面化评价，为保证评价结果准确性，需要在评价过程中体现不同层位上指标权重的差异性，这是因为在不同深度区间内各评价指标对地下空间安全开发利用影响程度各不相同，如浅层范围内侧重于岩土体类型、地基承载力等的影响，中-深层范围内侧重于地下水、断裂构造等的影响。本次研究基于地质体单元开展评价工作，在三维视角下地质体单元可视作连续体，并没有空间上的分隔界限，因此所采用的评价体系指标权重适用于整体地下空间评价。采用萨蒂的“1-9标度”法构建目标层、准则层、决策层间的判断矩阵（Saaty et al., 2007），并经过一致性检验后得到各个指标的综合权重，如表2所示。

表2 评价指标综合权重Table 2 Comprehensive weights of evaluation indicators

（2）建立评价模型

根据层次分析法的基本原理，本次采用多目标线性加权函数建立地下空间资源开发利用评价模型，如式（1）所示。

式中：A表示评价目标总得分；Vji表示决策层指标的量化分值；Cji表示决策层指标权重；Bj表示准则层指标权重。

将该模型导入三维可视化建模平台，编制相应算法程序计算每个地质体单元的评价总得分，最后对评价得分数值A进行归一化处理，采用分值区间平均分配的原则，将地下空间安全利用评价结果分为开发难度小、开发难度较小、开发难度较大、开发难度大四个等级，如表3所示。

表3 地下空间安全开发利用评价结果等级划分Table 3 Classification of evaluation results of safe development and utilization of underground space

3 地质体单元剖分的地下空间安全开发利用评价

3.1 三维模型建立

采用具有自主知识产权的地学三维地质建模系统 Creatar XModeling构建海口江东新区地表地下一体化的三维可视化地质结构模型，可实现构建与展示地上建筑物、地表形态、地层岩性、地质构造、地下建构筑物的空间几何特征、内部属性特征以及相互关系等多要素信息。

模型建立前采用地表等高线数据点构建地表模型，结合江东新区东寨港及浅海海洋地形成果数据，形成陆海统筹地形模型与模型约束，并将钻孔数据进行标准化处理与标志层划分，按照建模软件对数据格式要求进行整理，建立建模所需的钻孔数据源。

采用钻孔建模法建立三维地质模型，通过层面下沉方式生成和标定模型中的各个地质界面，自动将层面编号记录到钻孔分层点上。并基于该方法自主开发解译软件，提供三维场景中直观的交互式解译工具，辅助解译者快速、准确地载入钻孔数据，并进行钻孔解译，完成地下空间的整体框架模型和透镜体模型构建，最后使用三维空间分析体布尔运算，求出框架与透镜体的交集与差集，使整体框架模型的差集和透镜体的交集组合，完成模型融合。本次共计建设了江东新区地下空间地质结构81小层，地层概化12大层，分属62个不同地层岩性，大层概化地质模型如图4所示。为提升模型三维可视化展示效果，在建模过程中添加虚拟层，形成美观合理的可视化三维形态。

图4 海口江东新区三维地质结构模型Fig. 4 Three-dimensional geological structure model of Jiangdong New District, Haikou

3.2 地质体单元剖分

在已构建的江东新区三维地质结构模型基础上，开展100 m以浅地质体单元的地下空间安全开发利用评价，工作区面积298 km2。采用栅格单元法对地下空间进行剖分，单元大小与评价精度直接相关（吴立新等，2007；田毅等，2012；黄于新等，2013），通过反复计算与调整，将江东新区三维地质结构模型按照100 m×100 m×1 m的最大可运算精度进行地质体单元剖分，属性模型总体地质体单元数量为5412551个，对于地质边界、地下水系统边界等指标要素边界，以地质体单元中心点所处层位进行表征。根据指标量化规则，结合海口江东新区综合地质调查成果，以及工程地质、水文地质、活动断裂、海底地形地貌和地质结构数据，按照评价分级对各个地质体单元格进行赋值，将三维地质模型转换到地质体单元剖分模型，分别建立了九个指标的地质体单元剖分模型，如图5所示。

图5 各评价指标地质体单元剖分模型Fig. 5 Geological body unit dissection model of each evaluation index

3.3 地下空间安全开发利用评价

根据已建立的地下空间安全开发利用评价模型，编制相应的算法程序对上述九个评价指标地质体单元剖分模型进行叠加计算，得到海口江东新区地下空间安全开发利用评价综合结果（图6）。由图6可知，地下空间开发难度总体可划分为开发难度小、开发难度较小、开发难度较大、开发难度大四个等级，各等级空间分布见图7。其中，地下空间开发难度大的地质体单元数量为3648个，体积为3648万m3，占总体地下空间体积的0.2%；开发难度较大的地质体单元数量为141346个，体积为141346万m3，占总体地下空间体积的6.1%；开发难度较小的地质体单元数量为845489个，体积为845489万m3，占总体地下空间体积的36.2%；开发难度小的地质体单元数量为1339627个，体积为1339627万m3，占总体地下空间体积的57.5%，地下空间各深度区间开发难度详见表4。

图6 海口江东新区地下空间安全开发利用评价结果图Fig. 6 Evaluation results of the safe development and utilization of underground space in Haikou Jiangdong New District

由表4可知，海口江东新区地下空间安全开发利用评价结果以开发难度小和较小为主，共计占总体地下空间体积的93.7%，这两类地下空间工程地质条件好、富水性较弱，基本无地表水体及不良地质问题影响，可结合规划进行大规模的开发利用，如大型地下市政设施、仓储设施、物流管线设施及轨道交通设施等；开发难度大、较大的空间主要集中在地下0-50 m范围内，主要影响因素为这些区域富水性丰富或极丰富，受地表水体（海水）影响较大，断裂发育，岩土层以砂、砾石、软土为主，工程地质条件复杂。这两类地下空间开发建设施工技术难度较大、成本较高，建议采用专项工程措施进行处理和围护，以防工程突水、坍塌等问题。特别是开发难度大的地下空间，其空间分布与断裂构造形态展布一致（图7a），验证了该空间内主要控制因素为断裂构造。对于大型轨道交通、市政设施等公共工程，建议线路比选与工程选址时应尽量避开此类区域。

表4 海口江东新区地下空间各深度区间安全开发利用评价结果表Table 4 Evaluation results of the safe development and utilization of underground space in Haikou Jiangdong New District

图7 海口江东新区地下空间安全开发利用评价结果分解图Fig. 7 Breakdown of evaluation results of underground space safety development and utilization in Haikou Jiangdong New District

4 结论与建议

本研究针对传统城市地下空间开发利用评价理念与方法不足的问题，围绕以地质体单元为理念核心，结合三维地质结构建模技术，采用层次分析法与多目标加权函数法，提出了一套地下空间安全开发利用评价的方法，并以海口江东新区地下空间为例开展了精细剖分与评价研究。

（1）海口江东新区地下空间安全开发利用评价可划分为开发难度大、较大、较小、小四个等级，地下空间资源体积依次为3648万m3、141346万m3、845489万m3、1339627万m3。总体以开发难度小为主，约占总地下空间体积的93.7%。

（2）地下空间开发难度大、较大区域主要集中在地下0-50 m范围内，受控因素为富水性丰富、断裂发育、工程地质条件复杂，建议对此类地下空间开发利用时防范工程突水、坍塌等问题，加强工程支护与处理，地下工程规划应合理规避断裂构造区域。

（3）实现了地下空间安全开发利用评价理念与方法的突破。以海口江东新区为例，开展地质体单元剖分的城市地下空间安全开发利用评价方法探索，评价成果可直观表达城市地下空间资源的分布位置、质量、数量等状况，突破了传统的二维评价方法在深度范围上的精度问题，将地下空间评价提升至1 m的分层精度。当然，本次研究作为地下空间评价的一个新探索，无论是地质体单元概念下评价指标的选取、各类指标量化分级标准，还是定量评价技术方法都还有待进一步优化与探讨。

（4）体现了新时期地质工作的服务理念。在城市地下空间开发建设过程中，基于地质体单元的评价方法可快速准确地提供特定地质体的成果信息，真正支撑了将城市地质调查贯穿于城市规划、建设与运行管理全过程的服务理念。鉴于此，以清晰明了的地下空间立体化评价成果为基础，进一步开展地下空间立体化资源资产价值评估，对推动地下空间资源门类的自然资源管理具有示范作用，对促进城市可持续发展具有重要经济价值和社会意义。