基于三维单元模型的地下空间地质适宜性评价

吴 少 元

(福建省厦门地质工程勘察院，福建 厦门 361008)

0 引 言

地下空间是重要的新型国土资源，具有不可再生性和不可逆性，一旦开发，很难循环利用。同时城市地下空间的开发利用既要受到地质环境质量制约[1]，又会造成一系列的环境地质、工程地质和水文地质问题[2]。因此，地质适宜性评价是城市地下空间开发利用的重要环节。过去数年，多数评价工作均是将地下空间划分为多个层位，并按照不同层位进行“切片式”评价，其评价过程是将众多地质信息“压缩”成平面二维，评价过程损失了大量的三维信息[3]，影响了评价结果的可用性和精细度[4-5]。

近年来，随着计算机三维可视化、三维地质建模等技术的发展，三维地质模型越来越多地应用到城市地下空间开发地质适宜性评价的相关研究中，但大多数研究仅局限于对三维地质模型进行立体展示，并未实际应用于地下空间开发利用的评价过程中[6]；另有少部分研究通过三维地质模型获取二维评价信息，虽然为传统的二维综合评价提供了更为可靠的数据支撑[7]，但数据在降维过程中已产生较大损失，并未能完全发挥三维地质模型的重要作用。当前，众多研究已越发意识到三维地质模型对于精细表达地质结构的重要意义。在这种背景下，已有部分研究开始针对三维地质模型进行三维空间分析，挖掘其内涵的三维地质特征，并应用于地下空间开发地质适宜性三维评价[8-9]。实例研究表明，三维评价方法能够显著提高评价结果在深度方向的分辨率，获取信息更为丰富和实用的三维评价结果[8-9]。

在上述研究中，三维单元属性模型扮演了十分重要的作用，是开展地下空间开发地质适宜性三维评价的数据基础，但目前对于三维单元属性模型构建和应用方面的研究和讨论还不深入。因此，本文以厦门市马銮湾新城南岸片区为实例，开展了基于多要素三维单元属性模型的地下空间地质适宜性三维评价方法研究，以期获取更加精细的评价结果，更好地服务于该区城市建设和可持续发展。

1 地质背景与数据基础

图1 研究区位置及遥感影像

马銮湾新城南岸片区整体地势为南高北低，由南侧和西侧区域往东北侧马銮湾水域倾斜下降[10]。区域内上部覆盖第四系松散堆积层，基岩为侏罗系凝灰岩类和燕山早期侵入花岗岩，区域工程地质层组按时代从新到老依次划分为第四系全新统长乐组、第四系上更新统龙海组、侏罗系上统南园组等；按厦门市标准工程地质层组可划分为6个工程地质层和13个亚层，如表1所列。

表1 马銮湾新城南岸片区工程地质层组

研究区内含有大量软土和残积土，软土具流变性易造成地基不均匀沉降，残积土遇水易崩解，且区域内存在大面积填海区，填土厚度较大且物理力学性质差，易造成基坑失稳。上述地质问题均会影响研究区地下空间的开发和利用。

根据《厦门城市地质调查》(2013年)研究成果，研究区内未见有区域性活动断裂分布，也未见有第四纪断层分布，研究区地质条件总体基本稳定，区域地质构造在本区的体现主要为隐伏基岩中的高倾角裂隙带，因此本次研究暂不考虑断裂带因子的影响。

本研究所采用的数据主要为区域DEM、2 210个钻孔数据和相关的土工试验参数等。在分别对上述钻孔数据和土工试验数据进行整理编录和标准化后，进行地质钻孔数据库录入，为三维地质模型建立了详实的数据基础。

2 研究方法

研究所采用的方法主要包括三维地质建模、三维评价模型构建、三维空间分析、三维综合评价等环节，相关计算在合肥工业大学研发的“城市地下空间开发地质环境质量三维评价系统”[9]中进行。其中，三维单元属性模型是地质数据和评价信息的主要载体，也是三维空间分析和综合评价的数据基础，其贯穿于整个三维评价过程，发挥着支持核心的作用。三维单元属性模型具有多要素的特点，其包含的数据信息既能够来源于三维地质层组结构模型和二维地质数据的三维离散单元化表示，也可以来自于土工试验参数的三维空间插值结果；进一步开展三维空间分析及综合评价的结果最后也将融入三维单元属性模型，以服务于进一步的研究和综合利用，如图2所示。

图2 三维单元属性模型构建流程

2.1 三维单元属性模型构建

研究采用规则三维结构网格作为三维单元属性模型的数据结构，并以正六面体单元模型进行图形化表达。该方法可以方便地对属性模型进行压缩存储，同时具有数据结构简单、索引明晰、适合多源数据整合与高速查询分析等优点。

三维单元属性模型承载的数据方面，三维地质层组结构模型、属性模型基于项目组与武汉智图云起科技有限公司共同研发的Smart3dmap软件内建的三维隐式建模方法构建[11-13]，建模过程融合了本区2 210个钻孔的标准化分层等数据。在三维地质建模后，对结果进行三维离散单元化处理。在对马銮湾南岸片区开展的相关评价和研究工作中，三维单元属性模型共包含有254万个网格单元，单元尺寸定义为10 m×9 m×2 m。构建结果如图3所示。

高校每年都要对学校的实验教学仪器设备进行评估。学校要成立相关的评估小组，制定评估体系，每年年底评估小组要对所有仪器设备的使用情况等进行考核，通过考核评估，发现问题并解决问题，促进实验教学的发展。

图3 马銮湾南岸片区三维工程地质层组结构模型

三维岩土体土工试验参数通过三维空间插值方法进行计算，插值结果输入三维单元属性模型。需要注意的是，插值过程中需要以三维单元属性模型中的三维地质层组属性作为空间约束，以保证插值结果的可靠性。其中，岩土体三维黏聚力参数模型如图4所示。

图4 马銮湾新城南岸片区岩土体黏聚力参数三维模型

2.2 地下空间开发地质适宜性三维评价

地下空间开发地质适宜性三维评价首先要对该区三维评价模型进行构建，并利用层次分析法[14]进行确权；依托三维评价模型，研究基于三维单元属性模型，运用三维空间统计分析、三维距离场分析等多种三维空间分析方法[8-9，15]对三维评价数据进行分析提取，相关三维评价因子与空间分析方法的对应关系如表2所列；最后，基于三维评价数据集，采用多级指数叠加方法开展三维地质适宜性指数计算和综合评价等工作[8-9，15]。

2.2.1三维评价模型

基于内涵多要素信息的三维单元属性模型，可以针对不同需求选择不同的评价因子建立相应的三维评价模型，例如地下空间资源量和经济价值、地下空间的安全性、地下空间开发地质适宜性、地下空间工程建造成本等。其中，城市地下空间开发地质适宜性评价是对地下空间开发所涉及的地质环境质量进行的多因素、多层次综合性研究工作。其评价结果可为区域规划、建筑选址、地铁选线等工作提供地质环境方面的支持和帮助。

本次研究基于三维单元属性模型，以马銮湾南岸片区为实例，开展城市地下空间开发地质适宜性三维评价研究工作。在综合分析马銮湾南岸片区地质环境条件的基础上，结合地下工程已有研究和建设经验[16-17]，研究依托于该区已有的数据情况，选择地形地貌、岩土体工程性质、水文地质、地质结构和特殊土条件[9，18]5个方面的12个评价因子用于构建三维评价模型。各评价因子被分级定义为适宜、较适宜、一般适宜、较不适宜4个级别。分级标准参考相关规范，如GB50021-2009《岩土工程勘察规范》、GB50007-2011《建筑地基基础设计规范》、JTS133-1-2010《港口岩土工程勘察规范》等，评价因子及分级标准如表2所列。

表2 城市地下空间开发地质适宜性三维评价因子及分级标准

2.2.2三维评价因子确权

三维评价因子的确权工作基于层次分析法开展。研究工作首先组织多位在实例研究区具有丰富地下工程实践经验的专家，根据该区地质条件和以往工程经验，对表2所列的多项三维评价因子进行两两对比和打分；之后对打分结果进行平均并构建判断矩阵，最后基于判断矩阵计算单个评价因子的权重并建立权重矩阵，结果如表3～9所示。

表3 A-B判断矩阵及一致性检验

表4 B1-C判断矩阵及一致性检验

表5 B2-C判断矩阵及一致性检验

表6 B3-C判断矩阵及一致性检验

表7 B4-C判断矩阵及一致性检验

表8 B5-C判断矩阵及一致性检验

表9 三维评价因子权重

权重矩阵的一致性检验系数CR=0.017<0.1，说明满足一致性条件，可用于进一步的综合评价研究。从表3中可以看出，压缩模量、残积土影响范围、下伏软土层厚度对马銮湾南岸片区地下空间地质适宜性的影响最大，其次是黏聚力、内摩擦角、承压水影响范围，而地下水腐蚀性、地质层组复杂度、高程和坡度的影响最小。

2.3 综合评价模型

地下空间三维评价的综合评价模型有多种，例如模糊综合评价、可变模糊集、多级指数叠加法等等。研究选取基于层次分析法的多级指数叠加法对马銮湾南岸片区地下空间开发地质适宜性进行评价，多级指数叠加方法简单直接，能够直观反映各评价因子的影响程度。其公式如下：

(1)

式中：ωij，μij分别为第i个主题层中第j个评价因子的权重和值；ωi为第i个主题层的权重。

根据上文中三维评价因子的分级标准分别将适宜、较适宜、一般适宜、较不适宜所对应的分级区间值赋值为1，2，3，4，在此基础上利用多级指数叠加法进行综合评价。

3 结果与讨论

基于三维单元属性模型和三维空间分析方法构建的三维评价数据集如图5所示。与传统的二维评价数据相比，基于三维空间分析方法获取的三维评价数据能更好地描述地层之间的属性差异性和三维地质适宜性的变化规律[9]；运用三维空间分析方法，可以更好地提取关键的评价因子，更为充分地利用多维多源地质数据。

图5 马銮湾新城南岸片区地下空间开发地质适宜性三维评价数据集

基于上述方法计算得到的马銮湾新城南岸片区地下空间开发地质适宜性三维评价结果如图6所示，相关评价结果也被整合加入三维单元属性模型。基于三维单元属性模型，可以获取地下空间任意位置、任意深度的地质适宜性评价结果。其浅、中、深三部分评价结果的相关统计信息也可基于三维单元属性模型计算获得(见表10)。

表10 地下空间开发地质适宜性评价结果统计量

图6 三维地下空间开发地质适宜性评价结果

由三维综合评价结果可见，马銮湾新城南岸片区地下空间开发地质适宜性总体较好，评价等级以适宜区和较适宜区为主，整体适宜区占比最大，较不适宜区占比最小。由浅层到深层，适宜区占比越来越大，适宜性最好的是在-30 m以下的深层。较不适宜区仅分布在浅层软土分布、填土层较厚的区域以及中层距含水层较近的空间区域。

从浅层的评价结果可以看出，研究区浅层空间地质一般适宜区及较不适宜区占比较大，主要是受岩土物理性质、填土层和软土层的共同影响。由于研究区存在大面积的围填海区域，区域内填土层的厚度集中在4～7 m，局部最深达到15.8 m，较厚的填土层厚度显著影响了研究区浅层地下空间开发地质适宜性。此外，浅层空间中软土在A区广泛分布，A区地质结构和特殊土条件较差，但主要影响-5 m以上的地下空间；D区地质适宜性较差的原因主要由于压缩模量值较低，且地质层组复杂度较高所致，地下空间开发时地质均一性较差，受力不均匀，可能给工程带来较大设计和运营风险；由于研究区为沿海区域，且地下水位较高，进行明挖法施工时采取的降水等措施可能大幅提高施工费用。在坡度较大的E区若采用明挖法进行施工，难度大，且极易发生地表水倒灌等事故。相对而言，B区地质适宜性较好，通过查询三维单元属性模型可知，地质适宜性较好的原因是由于该区具有较好的岩土体的物理力学参数，岩土体强度较高，稳定性较好，因此利于地下工程开发。

较之浅层，上述A、B、D、E四个区域在中层的地质适宜性相对更为不利。中层地质适宜性较差的深度主要集中在-10～-20 m之间，-20 m以下空间地质条件显著趋好。通过查询三维单元属性模型可知，地质适宜性较差的原因主要是由于水文地质条件较差所致。该研究区含水层埋深主要分布在-10～-20 m之间，该深度范围距含水层较近，严重影响了地质适宜性综合评价结果。由于研究区中层地下水较为发育，在该层位采用明挖法进行地下工程施工可能会出现管涌和突涌，因此施工时需格外关注地下工程的基底稳定。此外，在该层位中存在大面积软弱地层和上软下硬的复合地层，在此区域采用盾构法进行施工时，需格外注意由于盾构掘进姿态不佳引起的地表塌陷等地质灾害问题。

研究区基岩埋深较浅，深层区域广泛发育基岩。由于深层的岩土体工程性质条件较好，且基岩面埋深变化较小，因此研究区深层空间呈现整体适宜性较好的特点(A、B区域地质适宜性相对其他区域较差的原因主要是由于其上覆的工程地质层组复杂度较高所致)。虽然研究区深层空间整体的地质适宜性较好，但较之浅层，深层空间开发成本和工程难度会明显提升，因此在开展规划和建设时需要进一步开展综合分析。

本文研究仅是从地质环境方面对地下空间开发的地质适宜性进行综合评价，暂未结合地下工程施工方式进行更为深入的研究。在后续的研究中，可针对不同施工方式建立相应的三维评价模型，充分融合地质环境条件、工程施工方式与费用，为地下空间的开发利用提供更为经济安全的开发利用方案。例如，采用明挖法进行施工时，需重点考虑施工深度、地下水埋深以及邻近建筑物的安全等因素；采用盾构法进行施工时，需要考虑盾构机的覆土深度，覆土类型以及上软下硬的复合地层的影响等。

4 结 论

(1)多要素三维单元属性模型能够充分发挥多维多源地质数据和三维地质模型的功能和作用，是地下空间开发地质适宜性三维评价的良好载体和数据基础。实例研究显示，基于三维单元属性模型的地下空间开发地质适宜性三维评价方法能够很好地应用于厦门市马銮湾新城南岸片区的三维评价工作，利用评价结果可以获得任意深度或空间位置的地质适宜性指标，显著增强了深度方向的可视性和分辨率，信息更为丰富，结果更为实用。

(2)马銮湾新城南岸片区整体地下空间开发地质适宜性总体较好，全区以适宜区和较适宜区为主，适宜区占比最大。随着深度的增加，地质适宜性越来越好，但同时伴随着开发成本和工程难度明显提升。在本区针对深层地下空间开展规划和建设时，需要进一步开展综合分析，确定更为经济和安全的开发利用方案。

(3)未来研究可通过融合更为多元的数据信息、构建更有针对性的三维评价模型，不断丰富地下三维单元属性模型的内涵，从而使评价结果更加丰富和准确、更加接近真实地质和施工情况，更好地服务于地下空间的规划和建设工作。