基于负面清单的泰兴市地下空间开发适宜性评价

瞿婧晶，张其琪，唐 鑫，苟富刚，陆 燕

（1.自然资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏 南京 210018；2.江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210018）

城市地下空间作为重要的国土空间资源日益受到关注。我国大中型城市地下空间开发进入快速发展阶段，开发规模增速快，利用形式丰富，综合效益高，在提升城市综合承载力和改善人居环境方面发挥了巨大作用。而中小城镇因其在社会经济水平、资源配置和发展方式等方面的不足，地下空间开发利用程度较低，尚处于初步发展阶段（钱七虎等，2003）。

地下空间开发适宜性评价是一个综合性的议题（童林旭，2012），选取合理的评价指标和方法，建立科学的评价模型，才能更准确地判别地下空间开发的适宜性，便于优选合适的开发方式和施工模式。由于地下空间建设受地质条件影响显著，指标的选取多从地形坡度、岩土体特征、水文地质条件出发（Sterling et al.，1982；蒋旭等，2018；何阳等，2021），尤其重视不良工程地质作用的制约性（吴文博等，2013；荣耀等，2018）。地下空间开发除了与地质条件密切相关外，还与生态因素、人文因素（历史文化条件）和社会因素（经济交通条件、地下空间现状）等息息相关，随着城镇化不断推进、地下空间开发利用规模化发展，评价指标的选择愈发全面，地下线性工程、建筑基础、地下室和人防工程等建构筑物现状（黄卫平等，2018；江思义等，2019）以及区位条件、用地类型、交通条件（黄卫平等，2018）等社会经济条件成为地下空间开发利用适宜性的关键因素之一。适宜性评价最初多以定性评价为主，随着研究的深入，由定性向定性半定量、定量发展，常采用的评价方法包括综合指数法、模糊综合评价法、灰色评价法和人工神经网络法等（胡学祥等，2016；邹亮，2017；蒋杰等，2021）；此外各地区的地质条件和地下空间开发利用实际状况是不同的，地下空间适宜性评价不能完全依靠数学模型，这样结果往往为理论性研究，与真实情况存在差异，容易忽略一些特殊因素的作用，因此在基本评价方法的基础上，采取“敏感因子+基本评价法”的方式建立了符合地方特点的评价模型（夏友等，2013；张晶晶等，2016）。

综合以往研究成果，认为地下空间开发适宜性受到内部制约因素（即地质环境条件）和外部制约因素（即社会经济条件）双重影响，前者反映了地下空间资源开发的难易程度，后者则反映了地下空间资源的需求强度和开发效益。适宜性评价不仅应讨论其开发难度也应考虑其潜在开发价值，以往的评价对此考虑不足。此外地下空间开发利用与施工手段密不可分，根据技术手段分类评价更贴合实际，能够更好地为合理开发利用地下空间提供科学依据。泰兴市位于江苏省中部，隶属于泰州市，是江苏省直管县之一，蝉联多年全国百强县，此前泰兴市未进行过地下空间相关工作，因此，本文以首次开展的1∶50000泰兴市小城镇综合地质调查项目为载体，从地下空间开发难度评价和潜力分析两个层次出发开展地下空间适宜性评价，以期对地方地下空间发展提供参考。

1 地下空间开发难度评价

1.1 评价方法和流程

地质环境因素既影响地下空间开发形式及形态结构，也关系到施工中的技术工艺和开发成本。借鉴环境保护领域“环境准入负面清单”理论，采取基于负面清单的综合指数评价法。根据影响因素重要性程度将地下空间开发难度影响因素划分成限制性、约束性和影响性因素3类。其中：限制性因素是对地下空间开发起决定性作用，一般受人类活动影响极大或被政策明令禁止，常常具有“一票否决权”；约束性因素对地下空间开发起制约作用，一般受人类活动影响较大，解决需采取特殊的技术手段或投入较大的财力、物力或者本身受到政策约束；影响性因素对地下空间开发难度影响显著，难度等级不同，技术手段及工程造价存在明显差异。评价时查明区域地质条件、摸清地质环境问题，明确负面因素对地下空间开发的影响是得到有效的负面清单的基础（张茂省等，2019）。同时评价范围应当基于“三区三线”的结果，符合总体规划要求，在区域以外的评价不具备可操作性。

综合指数法是地下空间评价中常用的方式，优点在于形式简单、可操作性强。该方法将地下空间分解成若干子系统，各子系统中选取有代表性的评价因子，并根据其表现程度分别划分等级。依据权重将各评价因子的指标值进行加权计算得到各评价单元开发难度指数，再按照一定标准，最终得到地下空间开发利用评价结果（赵建军，2007）。综合指数法的模型如下式：

式中，S为评价目标开发难度等级得分（0≤S≤1），n为级因子总数，m为隶属于第i项一级因子的二级因子总数，Ci为第i项一级因子权重，Aij为隶属于第i项一级因子下的第j项二级因子的权重，Bj为隶属于第i项一级因子下的第j项二级因子指标的量化值。

具体评价流程（图1）是以清单方式列出地下空间开发影响因素。先将全区分成3类，其中限制性因素所在区为禁建区，约束性因素所在区为限建区，影响性因素所在区为适建区；禁建区和限建区原则上并不建议进行地下空间建设，故仅对适建区采取综合指数法进行开发难度评价，最终将开发难度划分成开发难度小、难度较小、难度一般和难度大4个等级。

图1 评价流程图Fig.1 Evaluation flow chart

1.2 评价影响因素分析

1.2.1 地下空间开发分层布局

据不完全统计，截至2017年泰兴地下空间开发总建筑面积约21万m2，总配套面积8.6万m2。目前已建建筑多为1层地下室，近年来个别新建、在建建筑为地下2层，最深的民安广场局部达到地下4层。

地下空间资源按竖向开发利用深度可划分成浅层（0～-15 m］、次浅层（-15～-30 m］、次深层（-30～-50 m）3个层次；按施工方法可分成明挖和暗挖（主要指盾构）2种方式。目前泰兴地下空间以浅层为主，故本次只评价浅层明挖、浅层暗挖和次浅层暗挖3种情况下的地下空间资源开发难度。次深层可作为远景资源保留。

1.2.2 负面清单的构建及分析

城市地下空间一旦予以实施将很难复原或重建，可持续有规划地开发建设显得尤为重要。综合分析构建的地下空间开发难度评价负面清单如表1所示。

表1 评价负面清单Tab.1 evaluation negative list

其中地下空间禁建区（图2）约596 km2，主要包括永久基本农田及古银杏森林公园的国家级生态保护红线区，这类区域禁止城镇建设，严禁不符合主体功能定位的各类开发活动和任意改变用途。地下空间限建区（图3）约204 km2，位于泰兴城区、黄桥、滨江、虹桥中心镇区，以及中心镇区与基本农田之间的衔接区域，主要是生态空间管控区及地下空间已建区，这类区域限制有损生态功能的相关开发建设活动，地下空间已开发区域一般已不适宜继续开发地下空间。

图2 地下空间开发禁建区Fig.2 Forbidden areas for underground space development

图3 地下空间开发较限建区Fig.3 Restricted construction areas for underground space development

1.3 评价过程

1.3.1 影响性因素分析

泰兴地处长江三角洲平原，地形简单，地势相对平坦，地面高程2～6 m，全区地形地貌无明显差异，适宜规划布局及工程建设，故本次评价不考虑地形地貌的影响。最终影响性因素选择工程地质条件、水文地质条件、不良地质作用3方面因素对适建区展开评价。

1）工程地质条件

工程地质条件不仅直接影响施工阶段的技术手段和工程造价，还影响使用阶段的稳定性。

①软土

区内有2层软土，第一层软土分布在滨江镇—虹桥镇一带，顶板埋深在10 m以浅，厚度变化较大，属于河漫滩相沉积；第二层软土广泛分布，埋深15～40 m，厚度变化大，属于潮坪相沉积。软土强度低、压缩性高、易变形，在软土地区开发可能诱发侧壁剪切破坏、基底变形破坏。软土厚度越大越不利。

②岩性组合

岩性组合是指地下空间开挖断面上岩土体的组合情况。岩性组合不同可能导致不均匀沉降、施工作业风险高、开挖支护难度增大等问题。如岩土层上软下硬、软硬不均，易引起盾构掘进姿态控制困难，造成盾构施工轴线偏离设计方向（管会生等，2004）；当盾构底位于软土层及软硬交界处，易引起盾构不均匀沉降，导致管片之间裂隙加大，发生漏水渗水（吴炳华等，2016）；另外，轨道下岩土层软硬不均可能造成的差异沉降对轨道交通运行过程和使用寿命也有较大影响（齐振江等，2011）。

2）水文地质条件

地下水不仅影响岩土的强度和稳定性，也影响建构筑物的稳定性和耐久性。

①潜水的影响

区内潜水分布广泛且水位埋深普遍较浅，一般为1.0～4.0 m。潜水的不利影响包括2方面：一是施工时（如基坑开挖）因局部改变地下水流场，可能产生渗流破坏；二是地下水对地下结构的浮托作用，若处置不当可能诱发结构破坏（彭建等，2010；柳昆等，2011）。地下水位埋深越浅，对地下空间开挖和维护越不利。

②承压水的影响

承压含水层为泰兴市主采层，在区内广泛分布。含水层顶板埋深40～60 m，由西向东逐渐加深；含水层厚度20～70 m，呈现西厚东薄的特点；静水位埋深一般为5～8 m。在承压水头较高、承压含水层埋藏较浅和隔水层薄弱的地方，易产生突涌破坏，对地下空间开发不利。

③含水层厚度

全区含水层分布广泛，砂层具有层次少、颗粒粗、水量丰富的特点。不仅施工过程中会受到地下水的影响，存在发生涌水、涌砂、坍塌、滑坡和坑底突涌等的可能；使用过程中还将长期面临上浮、渗漏的风险。

3）不良地质作用

①地面沉降

泰兴市地下水位较浅，开采量小，补给条件好，暂未发生明显区域性地面沉降。目前存在的局部沉降中心均与工程建设活动、建筑荷载密切相关，沉降中心累计地面沉降量50～100 mm，沉降速率大于2～4 mm·a-1。

②砂土液化

区内饱水的松散—稍密的粉土和粉细砂层普遍分布，砂土液化可能导致地面开裂、喷水冒砂及地基不均匀沉降等问题。区内液化砂粉土主要集中在滨江镇和虹桥镇以南一带，液化等级为轻微—中等。

1.3.2 评价体系构建

通过分析最终确定评价指标，构建了泰兴市地下空间开发难度评价体系，包含目标层、指标层和评价层3个层次（图4）（陈奕，2016），并建立了评价因子分级量化标准（表2）。

表2 地下空间资源开发难度评价因子量化标准Tab.2 Evaluation index quantification of difficulty evaluation of underground space exploitation

1.3.3 评价指标权重计算

采用层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）通过建立评价指标的判断矩阵、计算重要性排序及一致性检验（郝爱兵等，2018），最终得到各评价指标权重，详见表3。

表3 地下空间开发评价指标权重Tab.3 Evaluation index weight of underground space exploitation

1.4 评价结果

采取综合指数法利用GIS平台通过叠加计算得到评价单元得分S，根据S值大小确定地下空间开发难度等级阈值（表4），再叠加地下空间禁建区和限建区范围，最终得到泰兴市浅层明挖（图5-a）、浅层暗挖（图5-b）和次浅层暗挖（图5-c）地下空间开发难度评价结果。

表4 评价结果等级划分Tab.4 Rank classification of evaluated results

1.4.1 浅层地下空间开发难度评价结果

1）浅层明挖

若采取明挖法施工，开挖范围内：填土层土质不均，结构疏密不一；粉土粉砂层广泛发育，松散—中密，含水丰富，饱水状态下自立性相对较差，开挖时在一定水头动水压力作用下存在管涌和流砂的可能，同时部分地区分布液化砂土，可能引起地面沉陷、斜坡失稳或地基失效的现象。软土层压缩性高强度低，施工开挖受扰动可能发生流变坍塌。

由图5-a可见，开发难度小区，分布在虹桥镇黄家圩—四仙村一带，区内软土广泛分布，埋深普遍较浅厚度较大，围岩稳定性一般，地下水埋深小于1.0 m，富水性差；开发难度较小区，主要分布在虹桥镇以南及滨江镇部分地区，区内以砂性土和黏性土为主，富水性较差；开发难度一般区，分布广泛，主要是粉土粉砂，局部地区为厚度不大的淤泥质粉质黏土，含水层厚度大，水量丰富。施工时存在流砂管涌、软土变形坍塌、砂土液化的风险，应采取合理方式加以处理。

2）浅层暗挖

若采取暗挖法（盾构）施工，盾构涉及以下土层：粉土粉砂层由于地下水埋深较浅，盾构过程中易产生流砂，尤其是进出洞口时，盾构掘进穿越砂粉土时，掘削土流动性差而渗水性大，止水相当重要，同时饱水的粉土、砂性土开挖时易扰动发生液化；软土层在外力作用下易扰动且强度降低，盾构掘进中保持土压平衡较困难，另外土的灵敏度较高，开挖扰动易产生结构破坏，强度降低，重新固结易导致过大沉降或不均匀沉降。

由图5-b可见，开发难度较小区，主要分布在虹桥镇黄家圩—四仙村一带，土体主要是淤泥质粉质黏土层；开发难度一般区，大部分地区均有分布，以粉土粉砂层为主，局部有厚度不大的淤泥质粉质黏土；开发难度大区，主要分布在滨江镇蚕桑场一带，该地区以粉土粉砂层为主，存在轻微—中等液化的可能。

1.4.2 次浅层地下空间开发难度评价结果

若采取暗挖法（盾构）施工，涉及的土体对施工的影响与浅层类似。

由图5-c可以看出，次浅层地下空间开发难度与浅层略有不同，开发难度一般区分布较广，区内含水层发育，富水性较好；开发难度大区，集中分布在虹桥镇一带，区内土层岩性组合相对复杂，当盾构掘进穿越多种不同性质的土层，尤其是软硬交界处，盾构可能造成纵向不均匀沉降，施工难度较大、风险较高。

图5 地下空间开发难度分区图Fig.5 Zoning map of underground space exploitation difficulty

2 地下空间开发潜在价值评价

2.1 评价指标

地下空间资源潜在价值受区位条件、人口、交通、地价和城市用地类型等社会经济条件的影响，不同的地理位置地下空间资源开发的潜在价值（即社会效益、经济效益、生态效益）存在显著差异。对资源的这种价值差异性进行定性或定量分析，确定资源潜在价值等级和空间分布，可为城市地下空间开发利用规划和发展战略研究提供宏观参考依据。本次评估仅根据区位条件、人口状况、用地类型和历史文化保护等对泰兴地下空间开发价值进行定性分级。

2.2 评价指标量化标准及权重

地下空间开发潜在价值评价指标及量化标准见表5。其中区位条件和历史文化保护根据《泰兴市城市总体规划（2014—2030）》；人口密度根据截至2018年底的泰兴市户籍人口数；用地类型根据泰兴市市域空间利用规划图（2015—2030）（瞿婧晶等，2020）。

表5 潜在价值评价指标量化标准Tab.5 Evaluation index quantification of potential value

2.3 评价结果

如图6所示，地下空间开发潜力价值大—较大的区域主要分布在泰州城市核心区、黄桥镇中心以及虹桥镇虹桥汽车客运站一带。这些地区都位于中心城区和镇中心，作为城市的行政中心和经济中心，通常人口密度和流动性大、交通便利，但往往又面临道路拥挤，土地资源紧张、环境恶化等状况，生活空间与生态空间在用地问题上矛盾突出，因此应当将发展空间向地下拓展，优先开发地下空间资源。而潜在价值较小—小的区域主要位于村镇周边，通常人口居住规模小、交通闭塞，离主城区也相对较远，对地下空间需求不高，而地下空间建设成本高、投入大，经济效益和社会效益低，同时从生态环境及基本农田的保护角度出发，这些区域建议短期内暂不考虑开发地下空间。

图6 地下空间开发潜在价值评价图Fig.6 Potential value evaluation map of underground space development

3 结论

地下空间开发影响因素众多，地下空间资源开发适宜性评价应从内部制约因素和外部制约因素两方面考虑，缺一不可。

考虑地质环境条件等内部制约因素开展的地下空间开发难度评价，采取了基于负面清单的综合指数评价法，根据限制性、约束性因素判别地下空间的禁建区、限建区和适建区范围，针对适建区再根据影响性因素进行不同施工方式、不同深度的开发难度评价。采用这种方法有利于对评价指标进行差别化分析及管理，同时更贴近施工实际。结果表明区内地下空间开发难度总体一般，施工过程中面临流砂、涌水、软土变形和砂土液化等多种风险，需采取相应防护措施，评价结果符合泰兴市地质环境特点。

考虑社会经济条件等外部制约因素开展的地下空间开发潜在价值评价可以看出与大中型城市不同，大中型城市地下空间开发潜力区集中在城市中心区周边的新区、开发区，中小城镇受到经济效益和社会效益制约，潜力较大—大的区域主要集中在中心城区和较大的镇中心。

建议中小城镇地下空间开发主要针对开发程度较高的中心区域，以浅层开发为主，规避禁建区，尽量回避限建区，优选开发难度较小的适建区。根据资源评估和需求预测结果，对高质量和开发需求较高的区域，可适当开发次浅层地下空间。可以通过旧城改造，实现立体化开发，振兴城市总体发展。