基于地质要素分析的地下空间适宜性评价——以江门新会为例

庄卓涵

(广东省地质调查院，广东 广州 510080)

随着城市经济的快速发展、人口数量激增、城市规模不断扩大，带来了一系列城市问题，如建筑用地紧张、生存空间拥挤、交通拥堵等，严重影响了人们的居住生活，也制约了现代城市的可持续发展。而地下空间的开发利用是扩大城市空间容量、提高城市空间利用率的有效途径，有效合理的开发，也是城市实现可持续发展的重要保证[1]。

地质条件是地下空间资源存在的物质环境，在地下空间资源规划和开发建设中需以地质环境条件和地质环境适宜性评价为依据，合理开发建设[2-3]。通过对已有资料的分析整理，查明新会区地下空间利用现状：开发利用程度较低，以浅层开发为主，已开发利用的地下空间主要为浅基础和桩基础，整体利用率不足10%，未来主要开发层位仍在浅层至次深层。

本文在综合分析区内地质环境条件等信息的基础上，建立了地下空间地质环境适宜性评价的指标体系，对区内浅层(0～15 m)、次浅层(15～30 m)及次深层(30～50 m)的地下空间开展地质环境适宜性评价，给出地质条件要素对地下空间资源开发利用的适宜性分级标准，从而更好地指导地下空间的开发利用，减少和避免地质环境问题的出现。

1 研究区概况

研究区位于广东省中南部，珠江三角洲西南端，西江、潭江下游，东与中山、东南与珠海市斗门及高栏港经济区毗邻，南濒南海，西与台山、开平，北与鹤山、蓬江及江海相连，是粤港澳大湾区重要节点城市和综合交通枢纽。

研究区位于北回归线以南，属亚热带季风性气候，全年四季分明，气候温和，热量充足，雨量充沛。年均气温为21.8℃，最高气温38.3℃，最低气温0.1℃，历年平均日温差6.9℃。多年平均降雨量为2 203.64 mm，主要集中在4-9月。

2 地质要素分析

地质条件诸要素的分析则是地下空间资源条件分析和评价的基础，目的在于为评估模型指标体系的地质条件要素提供影响机理、标准和参数[4]。

研究区内断裂较为发育，地层岩性较复杂，第四系覆盖层厚度变化大，水文地质条件较复杂，赋存多层地下水，另外，软土、液化砂土等不良地质作用发育，对地下空间开发影响较大。因此本文主要从地形地貌、构造地质、岩土体条件、水文地质和不良地质条件等地质要素进行分析[5]。

2.1 地形地貌特征

研究区地势自西北向东南倾斜，地形变化特点为北部地区北高南低，西南部地区为西南高、东北低。北部为圭峰山、南西部为古兜山、南东侧为牛牯岭，中部及东侧为潭江与西江冲积平原，地貌类型以山地丘陵与平原为主。

不同地貌类型对地下空间的影响主要体现在地下空间的开发布局、开挖方式以及地下与地上的联通方式。如在地面坡度较小的平原-丘陵地区，可采用明挖开发，施工较为简单，且地下与地上采用垂直交通方式联系，整体地下空间开发适宜性较好；而在坡度较大的山坡、山谷地区，地下空间开发施工难度较大，相对而言，适宜性较差[4]。

2.2 构造地质条件

区内断裂构造发育，主要有八条基底断裂，以“六横两纵”的方式展布。这些断裂控制着区内的地形地貌和第四纪沉积作用，在NEE和NNW向断裂交切部位局部发育有热泉和地震。在断裂的影响下，地下空间开发利用过程中容易面临基坑、硐室的失稳、涌水等地质环境问题。

按照断裂的规模、活动性和出露情况，可划分为一级断裂和二级断裂。一级断裂规模大，延伸长，影响范围大，经常造成岩体破碎，地下水丰富。如新会-市桥断裂(F1)、五桂山北断裂(F8)、五桂山南断裂(F14)、崖门断裂(F20)和西江断裂(F32)；二级断裂规模次之，如司前-杜阮断裂(F5)、丁字水-南朗断裂(F11)、罗坑-会城断裂(F22)等，多为一级断裂的分支断裂。

2.3 岩土体条件

区内岩石类型复杂，侵入岩、沉积岩和变质岩均有发育。南部和北部广泛分布有花岗岩，南部均为燕山期花岗岩，北部主要为早燕山期晚三叠世花岗岩，局部见加里东期晚奥陶世片麻状花岗岩。中部的第四系松散沉积层大面积分布，包括晚更新世礼乐组，全新世桂洲组、山间河流冲积层和现代人工填土。前第四纪地层出露面积较小，包括寒武纪牛角河组、高滩组，晚泥盆世春湾组，早白垩世百足山组和古新世莘庄村组。区内土体按照工程地质特点可划分为粘性土、粉土、砂土、卵砾类图、特殊性土(残破积土、人工填土、淤泥类土)。

不同岩土体类型的工程性质差异性决定了对其地下空间开发利用的难易程度，主要工程指标参数有土体的压缩模量、黏聚力和内摩擦角，岩体强度、软化系数及完整程度。

2.4 水文地质条件

根据地下水的赋存形式、含水介质条件，将区地下水划分为松散岩类孔隙水、红层碎屑岩裂隙孔隙水、一般碎屑岩裂隙水和岩浆岩裂隙水共四类。其中松散岩类孔隙水主要有桂洲组(Qhg)杏坛段含水岩组及礼乐组(Qpl)石排段含水岩组，上部含水岩组富水性为贫乏～中等，下部含水岩组富水性为中等～丰富；红层碎屑岩裂隙孔隙水主要为覆盖型，其富水性为贫乏～极贫乏；一般碎屑岩裂隙水以裸露型和覆盖型为主，富水性以贫乏—极贫乏为主，局部地段富水性丰富或中等；岩浆岩裂隙水以裸露型和覆盖型为主，富水性贫乏～丰富，以覆盖型富水性中等为主。

地下水的赋存条件、富水性和腐蚀性等对地下空间的开发的影响主要表现在突水、涌水以及对地下建筑物的腐蚀性问题等。

2.5 不良地质条件

2.5.1 软土地面沉降

自第四纪晚更新世中期以来，珠江三角洲断陷区进入了沉积阶段，其间经历了多次海进和海退的沉积旋回，沉积过程中产生了厚度不等的淤泥、淤泥质土及淤泥质砂土。根据软土成因时代及沉积特征可分为三层：

(1)第一层软土(全新统Qh上层软土)

由桂州组灯笼沙段淤泥层组成，分布广泛，层厚一般在5～15 m，局部大于25 m，埋深多为0.5～5 m。该层为全新世晚期海陆交互相沉积物，主要为淤泥淤泥质土、淤泥质砂土，多呈松散状。

(2)第二层软土(全新统Qh下层软土)

由桂州组横栏段淤泥层组成，分布较第一层软土窄，沉积厚度普遍较薄、以小于5 m厚度为常见，局部地带可达10 m，埋深多为6.9～18.9 m。该层为全新世三角洲沉积，主要岩性为淤泥及淤泥质土，局部夹淤泥质砂土。

(3)第三层软土(上更新统Qp上层软土)

主要由礼乐组三角层、西南镇段淤泥层组成，仅在潭江沿岸、西江沿岸的局部地带零星分布，厚度一般小于5 m，局部地带大于10 m，埋深多为12.3～23.5 m。该层为更新世海陆交互相沉积物，岩性以流塑状态的淤泥、淤泥质土为主，局部为松散状的淤泥质砂土。

软土地面沉降对地下空间开发的影响主要包括：引起地下建筑物不均匀沉降及变形，管道的损坏变形；施工过程出现标高变异和混乱，分段的对接错位等问题。

2.5.2 砂土液化问题

区内易液化的砂土主要为全新世松散、稍密状态的饱和粉砂、细砂、淤泥质砂、中砂、粗砂和稍密粉土，在强震动力作用下容易产生砂土液化、地基失效，液化等级以轻微液化为主，在大鳌镇等地为严重液化。

砂土液化问题对地下空间开发的影响主要表现在：引发地面开裂、地基不均匀沉降和喷水冒砂等问题，导致地下建(构)筑物变形、地基失效和上部结构破坏等。

3 适宜性分区评价

目前，有关地下空间地质环境适宜性评价方法有多种，如层次分析法(AHP)[6-8]、模糊综合评判法[9-10]、灰色评估法[11]、人工神经网络评价法和数据包络分析法等。本次通过对地下空间开发利用的地质环境条件的识别与分析，采用了层次分析法与多目标线性加权函数法相结合的方法进行评价。

3.1 构建指标体系

结合研究区的具体情况，目标层为地下空间地质环境适宜性评价结果，划分为适宜性优区、适宜性良区、适宜性中等区、适宜性较差区、适宜性差区等5类。

经过慎重比选和反复推敲，以地形地貌条件、构造地质条件、岩土体条件、水文地质条件、不良地质条件为准则层，选取8个评价指标：地形地貌类型、断裂构造缓冲距离、岩土体可开挖与支护性(分浅层、次浅层和次深层)、地下水赋存状态、地下水腐蚀性、地表水域缓冲距离、软土厚度、砂土液化等级等作为评价指标因子(图1)。各指标的影响程度分级量值及特征见表1。

其中岩土体的可开挖与支护性，参考广州市城市地质调查的经验，综合岩土体的质量等级(包括岩体强度、软化系数、完整程度以及土体的压缩模量、黏聚力和内摩擦角)以及可开挖性的分类结果作为划分依据，根据项目收集的2100多个有效钻孔，将区内地层进行聚类汇总，以编码的第8类岩土层为地下空间资源开发的相对最好土层，并以满分1分计，以第11类土层为最差土层，并以0分计，其余土层分值介于0.1至1分之间，按相对难易程度分别赋值(见表2)。对钻孔进行统计得分，并按厚度加权汇总及归一化，得到各钻孔综合得分数据库[12]。

图1 地下空间地质环境适宜性评价指标体系框图

表1 指标分级量值及特征

表2 岩土层分类表

3.2 确定指标权重

运用层次分析法求评价模型中指标权重的步骤如下：

(1)首先形成阶梯层次结构，其结构模型如图1所示。

(2)采用1～9标度法，将同一层次的因素与上一层中某个因素两两比较，标度其重要性，构造出准则层B对目标层A、一级指标层Xi对准则层B、二级指标层Xi,j对一级指标层Xi的判断矩阵。

(3)层次单排序，计算出同一层次各因素相对于上一层某个因素相对重要性的排序权重，经过一致性检验后，获取各层次单排序权重。

(4)指标权重总排序。根据上章的AHP理论依据，计算得到处于评价指标体系二级指标层的各指标因素相对于目标层的相对重要性权重(见表3)，即层次总排序，为评价模型的进一步运算做准备。

表3 新会区地下空间地质环境适宜性评价指标总权重分配

3.3 建立数学模型

根据层次分析法的原理，评估模型研究的重点在于界定地下空间适宜性评估客体目标所蕴藏的综合评估体系、分评估体系的构成要素，以及表达要素之间及要素与目标之间的准确关系。常用的评估模型包括：德尔菲法、层次分析法(AHP)、模糊综合法、多目标线性加权函数法等。

为了取得给适宜性有效排序的评估目标，需要选择较为简洁、清晰且易于理解和数据处理的评估模型，采用了层次分析法的指标体系结构，并采用多目标线性加权函数加权求和的模型，对适宜性进行评估计算[4]。

根据层次分析法(AHP)构建多目标加权函数指数和模型的基本计算公式为：

(1)

式中：S为目标总得分；Ai为第i各单项指标的量化参数；Bi为第i个单项指标的权重；Cj为第j个主题的权重。

3.4 模型应用及评价结果

基于mapgis平台的空间分析，分别对浅层、次浅层、次深层的8个因子图进行空间相交叠加运算，并对空间属性进行加权函数指数和计算，统计分析，最后聚类归并，即可得到地下空间地质环境适宜性评价结果(见表4)。

表4 新会区各深度层次地下空间地质环境适宜性分区统计表

该评价结果可相对表征研究区内地下空间开发利用的地质环境适宜性分区，评价结果表明：

(1)总体上看，次浅层、次深层地下空间的地质环境适宜性整体较好，其中次浅层适宜性优良区占比56.71%，次深层适宜性优良区占比79.61%；

(2)制约浅层地下空间开发利用的主要影响因素为地表水及软土问题等；而次浅层和次深层岩土体条件较好，制约其地下空间开发利用的主要影响因素为含水砂层富水性及断裂构造等问题；

(3)适宜性差区域主要分布于潭江、西江水道附近，该区域软土厚度较大，存在富水性较丰富的含水砂层，水文地质条件较复杂，不利于地下空间开发利用。

图2 浅层(0～15m)地下空间地质环境适宜性评价图

图3 次浅层(15～30m)地下空间地质环境适宜性评价图

图4 次深层(30～50m)地下空间地质环境适宜性评价图

4 结语

(1)本文在综合分析地质条件的基础上，从地形地貌、构造地质、岩土体、水文地质、不良地质等五方面，构建了由地形地貌类型等8个指标组成的地下空间地质环境适宜性评估指标体系，利用层次分析法(AHP)构建多目标加权函数指数和模型进行分区评价，划分为适宜性优区、良区、中等区、较差区、差区；

(2)从评价结果分析，制约浅层地下空间开发利用的主要影响因素为地表水及软土问题等；次浅层和次深层岩土体条件较好，制约其地下空间开发利用的主要影响因素为含水砂层富水性及断裂构造等问题；而整体适宜性差区域主要分布于潭江、西江水道附近，该区域软土厚度较大，存在富水性较丰富的含水砂层，水文地质条件较复杂，不利于地下空间开发利用。

(3)结合区内已有地下空间建设分布，地下车库及桩基等地下空间开发层位多为地质环境适宜性优～中等区域，证明本次适宜性评价具备一定的参考价值。